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태양광발전은 청정에너지로서도 대처되고 있지만 광대한 토지를 필요하거나 출력이 날씨에 좌우되는 문제가 있습니다. 태양광발전소를 우주에 설치하여 지상에 송전한다는 아이디어는 24시간 안정적으로 발전할 수 있거나 대기에 차단되지 않고 높은 출력을 얻을 수 있어서 해결책으로 거론되지만 왜 실현할 수 없는 것인지를 우주산업의 전문가인 앙리 발데 씨가 설명했습니다.

Space-Based Solar Power: A Skeptic's Take - IEEE Spectrum
https://spectrum.ieee.org/space-based-solar-power-2667878868

발데 씨는 'MATRA Espace'에서 27년간 우주산업의 엔지니어링을 담당했고 2007년부터 2017년까지 유럽우주기관에서 전력시스템, 전자 적합성, 우주환경 부문의 책임자를 맡은 우주산업의 전문가입니다.

'태양이 항상 빛나는 장소에 태양광발전소를 설치한다'는 아이디어는 매우 자연스러운 발상으로, 지금까지 다수의 사람들이 적도 상공 약 3만 6000km의 정지궤도에 태양광발전소를 건설할 계획을 시도해 왔습니다. 우주에 설치하면 춘분과 추분 전후의 기간을 제외하고 24시간 안정적으로 가동 가능하고 지상의 대기에 차단되지 않는 강한 햇빛을 사용할 수 있다는 장점도 있습니다.

중국, 미국, EU 등 다수의 국가와 지역이 우주 태양광발전 연구를 진행하고 있으며 미 해군 연구소는 이미 약 1km 떨어진 2개의 지상 안테나 사이에서 1kw를 넘는 전력을 송전하는 데 성공했습니다. 유럽우주기관은 2022년에 Solaris라는 우주 태양광발전 프로그램을 데뷔시켰으며 10년~20년에 걸쳐 우주 태양광발전을 실현 가능하고 경쟁력 있는 것으로 만들겠다고 밝혔습니다.

이러한 상황에서 우주 태양광발전의 실현은 가까워 보이지만 발데 씨에 따르면 "유럽우주기관의 우주 전력시스템 책임자로서 지금까지 수십 개의 미션의 발전, 에너지 저장, 전기시스템의 설계에 30년 이상 임해 온 경험으로부터 말하면 대답은 거의 확실히 부정적"이라고 보았습니다.

정지궤도에서 보내는 전력을 경쟁력 있는 가격으로 생성하려면 우주 태양광발전소는 국제우주정거장의 수백 배, 가장 높은 초고층 건물보다 거대한 장비가 필요합니다. 자재의 운반에 더해 엔지니어링과 조립에 관한 문제도 설비의 스케일에 비례하여 거대해집니다.

미국과 EU의 우주기관은 다음과 같이 여러 우주 태양광발전소안에 대한 상세한 기술분석을 발표했습니다.

◆SPS-ALPHA Mark-III
전 NASA의 물리학자인 존 C. 맨킨스 씨의 방안으로, 박막 반사판이 태양을 추적해 한쪽에 태양광발전 패널이 붙어 있는 에너지 변환 어레이에 빛을 반사시키는 구조입니다. 어레이의 다른 쪽에는 마이크로파 안테나 외에 배전이나 제어용 전자기기가 배치되어 있습니다.

◆MR-SPS
중국우주기술원의 안으로 폭 200m, 길이 600m의 태양광발전 패널이 50개 접속되어 있고 회전하는 고출력 조인트와 수직 트러스를 사이로 12만 8000개의 안테나 모듈에 연결되어 있습니다.

◆CASSIOPeiA
Space Solar Group Holdings 치프 아키텍트인 이안 캐시 씨의 안으로 원형 박막 반사판이 태양을 추적하여 집광기와 전력 변환 전자기기 등이 설치된 나선형 어레이로 빛을 반사시킵니다. 스테이션은 지구에 대해 회전하고 있으며 전방향성 안테나를 동기화하여 전력을 전송합니다.

◆SPS
Thales Alenia Space의 안으로 폭 10m, 길이 80m의 태양전지 어레이가 8000개 접속되어 있어서 항상 태양의 방향을 향하도록 제어됩니다. 중앙 송신기가 회전하여 지상 안테나로 지속적으로 전력을 전송합니다.

NASA의 보고서에 따르면 어느 방안이라도 당초 지상에서 전력을 생성하는 경우와 비교하여 12배~80배의 비용이 들고 발전소 건설까지 2750억 달러(약 430조 원)의 설비투자가 필요하다는 것. 게다가 영국의 컨설턴트 기업에 의한 유럽우주기관에 대한 보고서에 따르면 기가와트 규모의 마이크로파빔 전송과 우주에서 수 킬로미터 수준의 고강성 구조물 구축 등 발전소 건설에 필요한 13개의 중요한 요소 중 10개는 기술적 난이도가 '높음' 또는 '매우 높음'으로 순위가 매겨졌습니다.

발데 씨는 “우주 태양광발전소의 비용과 기술적 난이도가 높아지는 것은 물리학적으로 필연적인 일”이라며 우주에 설치하는 발전소에서 지상의 같은 지점에 지속적으로 접속하기 위해서는 고도 약 36km라는 정지궤도에 발전소를 건설할 필요가 있으며 설비가 거대해 발사 비용은 매우 높아집니다.

또한 모든 날씨에 방해받지 않고 지상의 무선시스템을 방해하지 않으며 전력을 전송하려면 Wi-Fi에서 사용되는 범위 내에서 2.45Ghz 또는 5.8Ghz 마이크로파를 사용해야 합니다. 회절에 의해 마이크로파빔은 진행 중에 주파수에 따른 양으로 퍼지므로 5.8Ghz의 마이크로파빔을 정지궤도에서 지상국으로 송신하려면 송신기의 직경이 적어도 750m 필요하고 수신국은 34평방 km 이상의 타원형이 된다는 것.

우주 태양광발전의 송신기는 대형으로 고가이기 때문에 우주 태양광발전소는 가능한 한 출력을 크게 하고 싶을 것이며, 전력회사가 대응할 수 있는 최대 규모인 1GW~2GW의 방안을 NASA나 유럽우주기관, 중국, 일본은 함께 평가하고 있습니다. 그러나 대규모 화력발전소와 원자력발전소를 하나 대체하려면 거대하고 고가의 우주태양광발전소가 2~3개 필요합니다.

에너지는 태양광에서 직류전력으로 변환된 후 마이크로파로 변환되어 송신되고 수신국에서 직류전력으로 되돌아가 송전망으로 송전하기 위해 교류전류로 변환됩니다. 변환의 각 단계에서 에너지 손실이 발생하기 때문에 필드 시험에서 실제로 검증된 에너지 효율인 11%라는 숫자를 사용하면 1GW의 전력을 지상에 전송하려면 우주 태양광발전소에서 9GW의 전력을 수집·변환해야 합니다. 9GW의 전력을 처리할 수 있는 우주용의 스위치, 릴레이, 변압기는 설계도 실증도 되어 있지 않습니다.

또한 송신기는 위상배열이라고 불리는 수백만 개의 작은 안테나 집합체를 동기화하여 특정 방향으로 송전하는 메커니즘이 사용되고 있지만 위상배열을 작동시키기 위해서는 송신기의 모든 안테나는 위상을 완벽하게 동기화해야 합니다. 1km 가까이 떨어져 있는 송신기의 끝과 끝끼리를 피코초 단위로 동기시키는 구조도 개발할 필요가 있다는 것.

발데 씨는 무진장의 전력을 얻기 위해 심우주로 눈을 돌린다는 아이디어를 "아름다운 아이디어”라고 칭하면서 '정말 신뢰할 수 있는 말은 장식되어 있지 않고, 장식된 말은 신뢰할 수 없다'는 노자의 말을 인용해 설명을 마무리했습니다.