“발전소를 우주에 세워 깨끗한 에너지가 지구를 밝히게 하자!”

 

한때는 공상과학 작품에만 등장하던 이 대담한 구상이 이제 현실로 빠르게 다가오고 있다. 세계적인 에너지 전환이 심화되고 우주 발사 비용이 지속적으로 낮아지면서, 우주 태양광 발전소라는 ‘미래 에너지’ 구상은 주요 과학기술 강국들이 경쟁적으로 선점하려는 새로운 전략 거점이 됐다. 중국은 우주 태양광 발전소 ‘축일 공정(逐日工程)’을 안정적으로 추진 중인데, 2030년 전후로 메가와트급 궤도 실험을 진행할 계획이다. 미국의 기업가 일론 머스크도 최근 매년 1억 킬로와트(=1억 kW) 규모의 태양광 인공지능 위성 에너지 네트워크를 우주에 배치할 계획이라고 밝혔다. 이 기술이 전 세계의 시선을 끄는 이유는, 전통 에너지가 따라가기 힘든 장점을 지녔기 때문이다. 인류의 에너지 난제를 해결할 ‘궁극 해법’ 가운데 하나로까지 평가된다.

 

ㅡ 우주 발전의 장점과 난점

 

우주 태양광 발전소라는 구상은 1968년 미국 과학자 피터 글레이서가 처음 제안했다. 작동 원리는 통신위성과 유사하다. 태양전지판이 지구 궤도를 돌면서 자체 회전으로 항상 태양을 향해 최적의 각도로 햇빛을 받는다. 이렇게 모은 에너지는 마이크로파 형태로 지상의 수신소로 전송되고, 다시 전기에너지로 변환돼 기존 전력망 인프라에 연결된다.

 

지상 태양광 발전과 비교하면 우주의 발전 조건은 거의 ‘완벽’하다. 구름 차단이 없고, 낮과 밤의 교대가 없으며, 대기 감쇠도 없다. 지구정지궤도나 태양동기궤도에서는 동일한 태양전지판이 받을 수 있는 태양복사량이 지상의 8~10배에 달하고 24시간 연속 발전도 가능해, 안정적인 “기저 전원”(연속·안정적으로 운전되는 기본 전원)이 될 잠재력이 있다. 또한 우주 태양광 발전소는 확장성이 매우 커 규모를 키우면 전 세계 에너지 수요 증가에 대응할 수 있다. 예컨대 지구정지궤도에 폭 1km의 태양전지 ‘띠’를 지구 둘레로 한 바퀴 깔면 1년간 받을 수 있는 에너지가 지구에서 채굴 가능한 석유 총량에 맞먹는다는 계산도 있다.

 

 우주 태양광 발전소는 부가가치도 크다.

 

첫째, 위성의 부담을 줄일 수 있다. 크고 무거운 태양전지 날개(패널/돛)를 떼고 작은 수신 안테나로 바꿔 ‘우주 충전소’에서 전력을 공급받게 하면 기동성과 항속성이 크게 향상된다.

 

둘째, 에너지와 정보의 동시 전송이 가능하다. 통신·항법 위성의 안테나가 전력 수신 기능도 함께 갖출 수 있다.

 

셋째, 우주 정보처리를 최적화할 수 있다. 우주에서 데이터를 직접 처리하면, 지금의 “우주에서 압축→지상으로 전송→지상에서 해제” 방식에서 발생하는 패킷 손실·왜곡 등의 문제를 줄일 수 있다.

 

넷째, 달 기지·화성 전초기지 등 심우주 탐사 시설에 원거리 무선 전력 공급을 제공할 수도 있다.

 

하지만 우주에 초대형 발전소를 건설하는 일은 쉽지 않다. 국제적으로 여러 설계안이 제시돼 왔는데, 태양광 수집 방식에 따라 크게 집광형과 비집광형 두 범주로 나뉜다.

 

집광형 우주 태양광 발전소의 핵심은 특수 집광 시스템을 통해 한편으로는 태양빛을 모아 태양전지 표면에 집중시켜 광전 변환 효율을 높이고, 다른 한편으로는 송신 안테나에서 내보내는 마이크로파 빔을 우주비행체 또는 지상 수신소의 안테나에 정밀하게 조준하는 것이다. 대표 설계로는 미국의 ‘알파(Alpha)’, 중국의 ‘오메가(Ω)’ 등이 있다. 구조가 비교적 짜임새 있고 무게가 가볍다는 장점이 있지만, 열관리와 지향 정밀도에 대한 요구가 높다.

 

비집광형 우주 태양광 발전소는 큰 면적의 유연한 태양광 어레이(Solar Array, 태양광 배열)를 직접 펼치고, 별도의 마이크로파 송신 안테나를 결합하는 방식이다. 예컨대 일본이 제안한 ‘줄(테더) 구조’ 방안, 중국의 ‘다중 회전 관절’ 구성 등이 있다. 설계가 더 단순해 보이지만, 초대형 유연 구조물을 궤도에서 전개하는 문제, 2축 고정밀 지향을 실현하는 문제를 해결해야 한다. 고속으로 움직이는 가운데 거대한 ‘우주 돛판’이 서로 다른 두 목표를 항상 정확히 겨냥하도록 만드는 셈이어서 도전이 크다.

 

 

어떤 방안을 택하든, 우주 태양광 발전소는 “우주—우주”, “우주—지상”을 연결하는 초대형 에너지 공급 시스템이기 때문에 여러 핵심 기술을 돌파해야 한다. 예를 들면 장거리 고출력·고효율 마이크로파 무선 전력전송, 궤도상 초대형 구조 조립, 극한 열환경 제어, 장기 신뢰성 운용 등이 있다. 이 기술들은 서로 맞물려 있어 체계적인(시스템 차원의) 돌파가 필요하다.

 

ㅡ 우주 에너지 연구개발, ‘빨리감기’ 버튼이 눌리다

 

최근 몇 년간 우주 태양광 발전소는 이론 탐색에서 공학 검증 단계로 넘어가는 중요한 국면에 들어섰다. 여러 나라가 핵심기술 공략과 원형(프로토타입) 실험을 가속화하면서, 일련의 돌파적 진전이 이 기술의 현실화를 점점 더 선명하게 만들고 있다.

 

영국은 우주 태양광 발전소 건설을 국가 종합 에너지 전략과 우주 발전 전략에 포함시키고, 중점 자금과 정책 지원을 제공하고 있다. 유럽우주국(ESA)은 우주 태양광 발전소를 “장기적으로 실현 가능한 청정 기저 전원 옵션”으로 규정하고 지속적으로 연구개발 역량을 투입하면서 관련 기술 검증을 안정적으로 추진하고 있다.

 

미국에서는 NASA와 국방부 등 기관이 핵심 부품과 기술의 우주 검증을 계속 추진하고 있다. 2023년 캘리포니아공과대학은 소형 마이크로파 전력전송 송수신 안테나 세트를 궤도에 쏘아 올렸다. 분산형 슬롯(슬롯형) 집광 설계를 채택했으며, 두 안테나 간 거리는 1피트에 불과했지만, 지상으로 마이크로파 빔 전송에 성공했다. 이는 소형 전송 장치 분야에서 중요한 돌파를 이뤘음을 보여주며, 후속 대형 장비 개발을 위한 경험을 축적했다.

 

일본은 적용 장면(시나리오) 실험에서 탐색을 진행했다. 2024년 12월 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 산업계와 함께 나가노현에서 상용 항공기에서 지상으로 마이크로파 송전을 하는 실험을 실시했다. 항공기 한 대가 고도 7000m에서 시속 700km로 순항하며 지상의 13개 수신 지점으로 270와트의 마이크로파 전력을 전송해, 고속 이동 플랫폼이 지상에 정밀하게 마이크로파 전력을 전송하는 기술의 가능성을 검증했다.

 

중국은 이 분야에서 출발은 늦었지만 진전이 빠르다. 2022년 6월 시안(西安)전자과기대학이 주도해 ‘축일공정’을 구축했는데, 이는 높이 75m의 시험탑으로 세계 최초의 “전(全)링크·전(全)시스템” 우주 태양광 발전소 지상 검증 시스템이다. 최근 ‘축일공정’은 여러 새로운 돌파를 거뒀다. “1대 다(一对多)” 이동 목표 전력전송 기술에서는 하나의 송신 시스템이 여러 이동 목표에 동시에 전력을 공급해 다중 목표 전력 공급의 정밀 제어 문제를 해결했다. 앞으로 여러 우주비행체나 지상 이동 장치에 동시 공급이 가능할 전망이다. 또한 고정밀 지향 제어에서 마이크로파 빔의 지향 정확도를 더 끌어올려 에너지 손실을 줄였고, 송신·수신 안테나의 집적화·소형화·경량화에서도 핵심적인 진전을 이뤄 장비의 우주 배치 기반을 다졌다. 이 밖에도 중국항천과기그룹 제5연구원, 충칭대, 쓰촨대, 상하이대, 중국과학원 전공연구소, 하얼빈공대, 상하이교통대 등 여러 기관이 관련 핵심기술 공략에 적극 참여해 다학제 협력 혁신 구도를 형성하고 있다.

 

ㅡ 미래에는 풍부한 응용 장면이 펼쳐질 것

 

미래에 우주 태양광 발전소가 건설되어 운용되기 시작하면, 인류 사회의 에너지 구도를 깊이 있게 재편할 것이며 응용 장면은 상상을 뛰어넘을 것이다.

 

지상 전력 공급 분야에서 기존 전력망은 지형·지세와 경제적 비용의 제약을 받는다. 외딴 산간, 사막, 해양 등 지역에 송전선을 가설하는 것은 투자 규모가 크고 난도가 높다. 우주 태양광 발전소는 ‘천기(天基, 우주 기반)’에서 출발해 시야가 지구의 모든 지역과 지형을 온전히 덮을 수 있다. 마이크로파 무선 에너지 전송을 통해 이런 지역도 지속적이고 안정적인 전력 공급을 받을 수 있어, 세계적 에너지 보편화(에너지 접근성 확대)를 촉진하는 데 도움이 된다.

 

긴급 재난구호 분야에서 지진·태풍·홍수 같은 재해가 발생하면 대규모 정전이 일어나기 쉽다. 우주 태양광 발전소의 마이크로파 무선 전력전송은 유연한 응급 전력 공급을 제공할 수 있어, 구조 현장의 의료 지원, 통신 보장, 임시 대피소 전력 등에 ‘공중 전력 지원’을 신속히 제공함으로써 생명 구조에 귀중한 시간을 벌어줄 수 있다.

 

우주항공 분야에서는 ‘대(大) 우주 시대’의 도래와 함께 더 많은 위성, 우주정거장, 심우주 탐사기가 우주로 진출하고 전력 수요도 지속적으로 증가할 것이다. 우주 태양광 발전소는 이들 우주비행체에 장거리·고출력 전력 지원을 제공해 위성의 운용 수명을 늘리고 기능을 더 강력하게 만들 수 있다. 심우주 탐사기는 더 멀리 날아갈 수 있고, 우주정거장에서는 더 많은 과학 실험을 수행할 수 있어 인류의 우주 탐사 범위와 시간 자체를 크게 확장하게 된다. 미래의 ‘우주 인터넷’이나 달 기지 역시 이런 ‘우주 기반 보조배터리(충전 보조 전원)’에 의존하게 될지도 모른다.

 

좀 더 상상력이 필요한 영역으로, 우주 태양광 발전소는 극단적 기후에 대응하는 새로운 도구가 될 가능성도 있다. 태풍 등 극한 기상은 연안 지역에 큰 재난을 가져오는데, 마이크로파 무선 에너지 주입 방식으로 태풍 구역의 하강 냉기류 속 수증기를 지속적으로 가열할 수 있다면, 에너지가 충분히 커졌을 때 지역 대기 순환을 바꿔 태풍의 강도와 이동 경로를 바꾸고 피해를 줄일 가능성이 있다는 것이다.

 

물론 과학 실험을 상업적으로 실행 가능한 산업으로 전환하기까지, 우주 태양광 발전소는 아직 갈 길이 멀다. 과학자들이 일련의 핵심 기술을 돌파해야 할 뿐 아니라, 각국이 기술 성과를 공유하고 연구개발 비용을 분담하며 함께 도전에 대응할 필요가 있다. 동시에 상업 기관의 참여도 매우 중요하다. 정부의 유도, 시장의 견인, 산학연 결합의 혁신 생태계를 형성해 건설·운영 비용을 낮추고, 우주 청정에너지가 보통 사람들의 일상으로 들어오게 하여, 진정으로 전 인류에 이로운 지속가능 에너지 해법이 되도록 해야 한다. (저자는 중국공정원 원사이며, 시안전자과기대학 교수)

2026-03-02 

출처:  인민일보

 

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