우주에서 에너지를 모으기 시작한 캘리포니아 공과대학

BY JESS THOMSON ON 1/5/23

 

캘리포니아 공과대학(Caltech)의 연구원들은 태양 전지판을 우주로 보내 궤도에서 태양 에너지를 수확함으로써 재생 에너지 역사를 만들고 있다.

1월 3일, 칼텍의 연구원들은 대기와 밤낮의 주기를 방해하지 않고 태양의 에너지를 모으기 위해 고안된 우주선인 우주 태양광 발전 시제품(SSPD)을 성공적으로 발사했다. 그 우주선은 무선 전송을 사용하여 이 에너지를 지구로 보낼 것이다.

 

지구상의 태양 전지판은 태양광을 직접 전력으로 변환해 작동한다. 여기서, 광자는 실리콘 광전지의 원자에서 전자를 떨어뜨려 전기의 흐름을 생성한다.

에너지는 또한 거울이나 렌즈를 사용하여 햇빛을 집중시키는 집중형 태양열 발전(CSP)을 사용하여 태양으로부터 수집될 수 있으며, 결국 증기를 만들어 터빈에 의해 전기로 전환된다.

 

2021년에 태양광 발전은 세계 전력의 4%를 생산했다.

 

지구에 있는 위성과 태양 전지판의 이미지. Caltech는 마이크로파를 사용하여 에너지를 지구로 보낼 우주의 태양 전지 시제품 실험을 시작했다. ISTOCK / GETTY IMAGES PLUS

그러나 지구상 태양광 발전의 한 가지 주요한 단점은 낮에만 에너지를 모을 수 있고 효율성은 계절과 구름의 영향을 받는다는 것이다. 우주에서는 이러한 문제들을 피할 수 있다.

 

SSPD는 세 개의 섹션으로 구성되며, 각 섹션은 별도의 실험을 수행한다. 첫 번째는 모듈형 우주선의 배치를 시험하는 DOLCE(Deployable on-Obit Ultra Light Composite Experiment)다.

돌체는 가로 6피트, 세로 6피트로 측정되었고, 궁극적으로 킬로미터 규모의 우주선 무리를 날려 보내는 데 필요한 메커니즘을 시험할 것이다.

또 다른 실험은 ALBA로 32종의 광전지(PV) 중 우주에서 가장 효과적인 것을 실험하고, 마지막 실험은 마이크로파를 이용해 에너지 전달을 실험하는 MAPLE(Microwave Array for Power-transfer Low-Obit Experiment)이다.

 

그러나 이 초기 기술이 작동하기 위해서는 몇 가지 주요 이정표를 통과해야 한다.

 

"나에게 중요한 도전은 실제로 엄청난 에너지 손실이나 다른 문제(예를 들어 원하지 않는 곳에 빔이 내려오는 것) 없이 전력을 지구로 돌려받는 것"이라고 기후 과학자이자 국립 대기 연구 센터의 저명한 학자인 Kevin E. Trenberth가 뉴스위크에 말했다.

 

전기를 무선으로 전송하는 방법

"이것은 공기가 없는 우주에서는 문제가 되지 않겠지만, 공기 원자(지구 전리층의 하전 된 원자)와 분자가 방해가 되는 순간, 산란이 일어난다."

Trenberth는 수증기가 햇빛을 흡수하고 국소적인 열을 발생시키기 때문에 가장 심각한 문제는 수증기에 있을 가능성이 가장 높다고 말했다. 이것은 전송과 그 효율성을 감소시킨다.

 

"아열대와 같은 지구의 일부 지역은 수증기가 적고 일종의 창문을 제공하지만 나는 어떻게 회전하는 행성에서 그것들을 대상으로 삼아 생산적으로 사용될 수 있을지 모른다.

이제 이것은 태양 에너지를 빗방울이나 입자가 방해가 되지 않는 한 대기를 통해 더 쉽게 전달될 수 있는 마이크로파 에너지로 변화시킴으로써 부분적으로 피할 수 있다.

마이크로파 타워는 수백 마일이 아닌 10마일 정도의 거리에서 에너지를 보내기 위해 그 표면 위에서 사용됩니다."라고 그가 말했다.

 

"큰 문제는 빔이 퍼져 초점을 유지하지 못한다는 것입니다. 거대한 안테나로 더 많은 초점을 맞출 수 있지만, 그 경우에도 거대한 수신기가 필요할 것입니다. 레이저 파워 빔은 우주에서는 사용할 수 있지만 대기에서는 사용할 수 없습니다."

그 기술이 효과가 있는 것으로 밝혀지더라도, 어떤 사람들은 그것이 인기를 끌 것이라고 생각하지 않는다.

 

태양 전지판 이미지. 태양광 발전은 2021년 현재 세계 전력의 4%를 공급하고 있다. ISTOCK / GETTY IMAGES PLUS

호주 시드니 대학의 태양전지 과학자이자 부교수인 Thomas White는 뉴스위크와의 인터뷰에서 "24시간 공급을 위한 저장 비용을 포함하더라도 어떻게 이런 방식이 지상 기반의 PV(광전지)와 경쟁할 수 있는지 상상하기가 매우 어렵습니다"라고 말했다.

 

"미래 기술 개발에 대한 매우 낙관적인 가정에도 불구하고 [유럽 우주국이 의뢰한 최근의 비용 편익 분석]은 2045년까지 3.8 - 10.6유로 센트/kWh의 잠재적인 균등화 발전 비용(LCOE)*을 제시했습니다."

* 균등화 발전비용(levelized cost of electricity) : 다양한 에너지원들의 발전비용을 실질적으로 따져 비교하기 위한 개념

"지상 기반 PV LCOE는 이미 3c/kWh 수준으로 매년 가격이 저렴해지고 있어 2045년에는 이 가격을 크게 밑돌 것으로 보입니다. 스토리지 비용도 빠르게 낮아지고 있습니다."

 

화이트는 우주 기반 태양전지가 성공한다면, 이미 가장 저렴한 형태의 발전 중 하나이며 매우 예측 가능한 비용 절감 경로를 따르고 있는, 잘 이해되고 현장에서 입증된 기존 기술과 경쟁해야 할 것이라고 말했다.

 

"우리는 가능한 한 빨리 탄소 중립을 달성하기 위한 광범위한 전략을 고려해야 하지만, 나는 아직 우주 기반 태양광 발전이 이러한 것들 중 하나라는 설득력 있는 주장을 보지 못했습니다."라고 White는 말했다.

 

비록 그 팀이 몇 달 안에 그것의 성과에 대한 완전한 평가를 받기를 희망하지만, SSPD의 테스트는 오랜 시간이 걸릴 것이다.

"어떤 일이 일어나든, 이 시제품은 큰 진전입니다."라고 SSPD의 공동 책임자이자 Caltech의 Bren 교수인 Ali Hajimiri가 성명에서 말했다.

 

ref. https://www.newsweek.com/caltech-space-solar-energy-experiment-1771528