NASA, 우주 기반 태양광 발전의 길을 제시하다

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NASA의 새로운 보고서에 따르면 공상과학 페이지에서 가져온 미래형 개념인 우주 기반 태양광 발전은 작동하기에는 너무 비쌀 가능성이 높지만, 미래에 실행 가능한 청정 에너지원이 되기 위해 무엇이 바뀌어야 하는지를 정확히 제시하고 있습니다.

도전 과제: 태양광 발전은 기후 변화와의 전쟁에서 혁신적인 무기입니다. 매시간 지구에 도달하는 태양 에너지는 전 세계 가 1년 동안 에 전력을 공급할 수 있는 양이며, 태양광 패널로 이 에너지를 활용하는 데 드는 비용은 최근 몇 년 동안 기하급수적으로 떨어지고 있습니다.

태양 에너지가 직면한 도전 과제는 일관되지 않은 분포와 계절적 변동성입니다. 일반적인 통념에 따르면 태양광 패널은 어두워지면 작동을 멈추지만, 연간 주기에 따라 조도가 크게 변동한다는 사실을 인식하는 것도 중요합니다. 지속적인 연구 노력에도 불구하고 향후 활용을 위해 잉여 태양광 전력을 경제적으로 저장할 수 있는 보편적으로 받아들여지는 솔루션은 아직 없습니다. 배터리 기술은 효율을 높이기 위해 많은 발전을 이루었지만, 현재 저장 용량은 여전히 제한되어 있으며, 대부분은 몇 시간 또는 며칠 만에 재충전이 필요합니다.

일부 지역에서는 일조량이 풍부한 지역에서 전력을 수송하기 위해 광범위한 송전망을 구축해야 하는 어려움에도 불구하고 연간 일조량 부족으로 인해 태양 에너지에 대한 의존이 불가능합니다.

이러한 높은 궤도 궤도에서 우주 기반 태양광 발전소는 태양광을 지속적으로 받을 수 있으므로 암흑기를 피할 수 있습니다.

우주 기반 태양광 발전은 지구 대기권 밖에서 태양 복사를 모아 인공위성을 통해 지구로 다시 전송하는 개념입니다. 이 접근 방식은 지표면에서 직접 태양 에너지를 모으는 기존의 태양 에너지 포집 방법과는 다릅니다. 수집된 태양 에너지는 집중된 마이크로파 또는 레이저 신호를 통해 전달될 수 있으며, 이 신호는 지상 기반 수신기에서 전류로 변환됩니다.

태양 에너지는 평균적으로 지구 대기권 내보다 대기권 상공에서 10배 더 강렬합니다 따라서 이 위성은 지상 태양광 발전소보다 훨씬 더 많은 햇빛에 노출될 것이며, 충분히 높은 궤도에서는 ‘밤’을 경험하지 않아 태양의 간헐성 문제도 해결될 것입니다.

악천후는 구름을 통과할 수 있는 마이크로파 신호의 전송을 방해하지 않습니다. 또한 충분한 고도에 위치한 우주 기반 태양광 발전 시스템은 24시간 내내 거의 모든 지역에 태양 에너지를 전송할 수 있습니다.

칼텍

칼텍은 현재 우주에서 태양 에너지를 활용하는 실험용 위성을 준비 중이며, 이를 궤도에 쏘아 올릴 예정입니다. 이 혁신적인 프로젝트의 목적은 재생 에너지의 무한한 잠재력을 활용하고 환경에 미치는 영향을 최소화하면서 전 세계 에너지 수요를 충족할 수 있는 지속 가능한 솔루션을 제공하는 것입니다.

과학자들은 수십 년 동안 우주 기반 태양광 발전에 대한 아이디어를 고민해 왔으며, 2015년에 JAXA 과학자 는 상당한 거리에 걸쳐 마이크로파 형태로 에너지를 무선으로 정확하게 전송한 다음 전기로 변환하는 것이 가능하다는 것을 증명했습니다.

지구 대기권 내에서 불과 170피트 상공의 실험을 성공적으로 완료한 것은 우주 기반 태양광 발전 지지자들 사이에서 중요한 승리로 받아들여지고 있습니다.

2023년 3월, 캘리포니아 공과대학 과학자들의 우주 태양광 발전 시연기(SSPD-1)가 우주에서 수확한 태양 에너지 를 지구로 무선 전송한 최초의 우주선이 되면서 더 큰 승리가 이어졌습니다.

새로운 소식? 칼텍 연구팀은 우주에서 에너지를 무선으로 전송하는 것 외에도 32가지 태양전지의 성능을 비교하고 태양 에너지 수집 우주선의 잠재적 설계를 입증한 SSPD-1 실험을 마무리했습니다.

이 연구에 따르면 우주 기반 태양광 발전은 이론적으로는 실현 가능하지만 현재로서는 실행 가능한 경제적 옵션이 아닙니다. 이 분석은 이용 가능한 데이터에 대해 긍정적인 전망을 제시했습니다.

캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 토마스 F. 로젠바움 총장은 전 세계 조명을 위해 궤도에서 전송되어 상업적으로 판매되는 태양 에너지의 실행 가능성은 여전히 장래의 비전으로 남아있다고 주장합니다. 그럼에도 불구하고 그는 최근의 시연이 가까운 장래에 실현 가능한 현실이 될 수 있는 가능성을 보여준다고 인정합니다.

분석 결과, 이러한 시스템의 비용이 예상보다 12배에서 80배까지 높은 것으로 나타났습니다.

에리카 로저스

1월 11일에 발표된 NASA 보고서 은 훨씬 덜 낙관적입니다.

NASA는 2030년대부터 2080년대까지 두 가지 가상의 우주 기반 태양광 발전 시스템의 개발, 조립 및 운영과 관련된 예상 총비용을 평가했습니다. 이 평가는 2050년부터 2080년까지 지속적으로 작동한다고 가정하여 2040년대에 장치를 제조하고 궤도에 발사하는 시나리오를 고려했습니다.

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이러한 계산에 비추어 볼 때, NASA는 두 가지 제안 중 어느 것도 지구에 기반을 둔 재생 에너지 대안에 비해 경쟁 우위를 입증하지 못했다고 판단했습니다.

“지상의 풍력, 태양열, 핵분열과 비교한 결과 이러한 시스템이 12~80배 더 비싸다는 것을 발견했습니다.” NASA 최고기술책임자실에서 과학 기술 파트너십 포럼을 이끌고 있는 에리카 로저스(Erica Rodgers)는 말했습니다.

반발: 우주 기반 태양광 발전 지지자들은 NASA가 이 보고서를 작성한 것에 대해 감사를 표하면서도 NASA가 예측에 사용한 수치에 의문을 제기하고 있습니다.

1990년대 후반 우주 기반 태양광 발전에 대한 NASA 연구를 이끌었던 존 맨킨스 는 Space News 에 “수년 전의 최악의 경우를 조합한 다양한 가정에 근거한 것으로 보인다"고 말했습니다.

NASA 보고서는 우주 기반 태양광 발전 기술과 관련된 재정적 영향과 잠재적 이점에 대한 심층적인 평가를 제공하지 않았습니다.

션 마호니

예를 들어, 이 보고서는 SpaceX가 개발 중인 스타십 로켓을 사용하여 킬로그램당 $1,000 의 발사 비용을 가정하고 있지만, SpaceX는 킬로그램당 200달러의 비용을 달성하기를 희망하고 있으며 ESA는 미래의 우주 기반 태양광 발전 시스템에 대한 자체 추정치에서 킬로그램당 300-$500의 범위를 사용하고 있습니다.

NASA의 제안은 궤도 내 재급유를 통해 필요한 장비를 정지궤도로 운반하는 데 스타십 발사체를 활용하는 것을 구상하고 있습니다. 또는 더 비용 효율적인 접근 방식은 스타십을 사용하여 지구 저궤도까지 기술을 전달한 다음 태양열 추진 우주 예인선을 사용하여 원하는 목적지까지 여행을 완료하는 것입니다.

“NASA의 보고서는 전반적으로 고무적이지만, 우주 기반 태양광 발전 기술의 실제 비용과 가능성에 대한 철저한 검토가 부족했습니다.“라고 우주 프론티어 재단의 전무이사 Sean Mahoney는 말합니다.

이 보고서에서 NASA는 향후 지상 재생 에너지의 경제적인 대안으로 우주 기반 태양광 발전의 활용 가능성을 구상하는 전략 계획을 설명했습니다.

비즈니스 모델의 실현 가능성을 높이기 위해서는 킬로그램당 500달러의 초기 발사 비용과 저궤도와 정지궤도 사이의 장비 운송을 위한 우주 예인선 활용 외에도 여러 가지 요소를 고려해야 합니다. 특히, 이 기술의 예상 수명을 현재 추정치인 10년에서 15년으로 연장하는 것이 필수적입니다. 또한 이 기술을 서비스하고 폐기하는 데 비용이 적게 드는 방법을 찾는 것이 중요하며, 효율적인 대규모 제조를 위해 생산 공정을 최적화하는 것도 중요합니다.

당장은 아니지만 우주 기반 태양광 발전의 발전 가능성은 분명 존재하며, 현재 NASA는 이 기술을 테스트하기 위한 명확한 전략을 가지고 있지 않지만, 다른 많은 저명한 우주 기관들이 관련 이니셔티브를 적극적으로 추진하고 있는 것으로 보입니다.

이 기술의 잠재력은 현재 우리가 상상할 수 없는 산업과 혁신을 일으킬 수 있는 능력과 함께 관점의 중요한 전환을 의미합니다.

케이트 스탬보

2022년 ESA는 개념의 실현 가능성을 평가하고 상업화에 필요한 기술을 발전시키기 위해 SOLARIS 이니셔티브 을 시작했으며, 2030년 시범 위성을 발사하고 2035년 시범 태양광 발전소, 2040년 상업용 규모의 발전소를 목표로 삼고 있습니다.

또한 중국은 2022년에 우주 기반 태양광 발전 기술을 테스트하기 위해 톈궁 우주 정거장 을 사용할 계획을 발표했으며, 2028년에 지구로 에너지를 전송하는 것이 목표입니다. 한편 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 최근 2025년 우주에서 지구로 태양 에너지 빔을 발사할 계획이라고 발표했습니다.

미 공군 연구소(AFRL)도 우주 기반 태양광 발전을 면밀히 검토하고 있으며, 노스롭 그루먼과 2025년에 이 기술을 시연하기 위해 1억 달러 규모의 계약을 체결했습니다. 이 연구는 원격의 독립형 군사 기지에 전력을 공급하는 데 사용되기를 희망하지만, 민간인을 위한 공상 과학 에너지원을 발전시키는 데도 도움이 될 수 있으므로 주요 산업 규모의 전력 공급원이 되든 안 되든 우주 기반 태양열은 여전히 틈새 시장을 찾을 수 있습니다.

“이 기술의 이점은 재난 구호, 원격 센서 전원 공급, 에너지 공급망 부담 감소, 악천후나 야간에도 태양광 발전 등 다양하고 광범위합니다.” 이 프로젝트의 통합 및 테스트 책임자인 케이트 스탬보(Kate Stambaugh)의 말입니다.

그녀는 이 혁신이 현재 상상할 수 있는 것 이상의 새로운 분야와 가능성을 창출할 수 있는 역량을 가지고 있다고 말하며 이 혁신의 변화 잠재력에 대한 믿음을 표명했습니다.

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