2년 후면 공상과학(SF)소설·영화에나 나올 법한 우주 태양광 무선 전송 위성이 국제우주정거장(ISS)이 떠있는 지구 저궤도를 돌아다닐지도 모른다.

뉴질랜드의 기술회사 엠로드가 우주궤도에서 태양광 전력을 빔으로 지구에 전송하는 작업에 들어가겠다고 밝혔다. 이 회사는 9일(현지시각) 유럽 에어버스에서 이 무선전송장치를 시연하고 이 회사와 협의중이라면서 “2024년에 최초의 상업적 배치를 희망하고 있다”고 밝혔다.

엠로드가 전력을 광으로 만들어 무선 전송하고, 이를 다시 전력으로 변환해 사용토록 한다는 계획은 허황된 얘기가 아니다. 이 회사는 지난해 뉴질랜드 전력회사와 지상의 두 지점간 전력 무선 전송 실증을 마쳤고, 이달들어 유럽 에어버스에 이 시험을 시연해 기술력을 과시했다.

10년 전부터 이를 연구해 왔다는 엠로드의 전력 무선전송 기술 개념은 등장한 지 무려 100여년이나 됐다. 에디슨과 함께 천재 기술자로 명성을 날리던 니콜라 테슬라가 제시한 기술이다.

무선전송 기술은 말그대로 전선없이도 송전할 수 있는 기술이다. 탄소를 저감하고 지속가능한 지구를 만들기 위한 경제성까지 맞출 수 있다는 이 지속가능한 기술을 지구에서 우주로 확장하겠다는 이 회사의 야심찬 프로젝트에 대해 알아봤다. 최근 활발한 연구와 함께 가세 움직임을 보이는 중국 정부의 움직임도 함께 소개한다.

우주에서 전력을 쏘아 지상에 공급한다

우주 태양광 전력 무선전송 기술은 우주에 띄운 인공위성이 전력(에너지)를 지구상의 전 세계에 전송하는 기술이다.

뉴질랜드 회사인 엠로드(Emrod)는 지구 저궤도(LEO)에서 효율적인 무선 에너지 전송을 가능케 하는 기술을 보유하고 있다고 밝혔다. 이 회사는 지구상의 어떤 두 지점들 사이에도 위성을 통해 재생 가능한 에너지를 즉시 전송할 수 있는 세계적 무선 에너지 매트릭스를 제안하고 있다.

뉴아틀라스에 따르면 엠로드는 9일 유럽우주국(ESA)의 24시간 우주 기반 태양광 발전을 위한 새로운 노력의 일환으로 에어버스와 ESA를 대상으로 무선 전력 전송 기술을 시연했다.

우주에 기반을 둔 태양발전에 대한 생각은 새로운 것이 아니다. 문제는 항상 크기였다. 지상에서 약 3만 6000km 떨어진 정지궤도(GEO)에서 지구로 몇 기가와트(GW)의 에너지를 이동시키려면 지름 약 2km인 송신기와 수신기가 필요하다.

지구에 그런 크기의 어레이를 구축하는 것만 해도 큰 도전이 될 것이다. 따라서 우주에 그런 어레이 하나를 구축하는 것은 더 큰 도전일 수 밖에 없다.

엠로드 창업자인 그렉 쿠슈니어는 근거리 에너지 빔이 지상의 재생에너지 기술(태양력, 풍력)보다 훨씬 더 효율적으로 훨씬 저렴하게 작업을 수행할 수 있다고 말한다.

그 방법은 훨씬 더 작은 저궤도 태양광 발전 위성을 사용해 순간적으로 지구 주위로 전력을 쏘아 전송하는 글로벌 무선 에너지 위성군을 배치하는 것이다.

우주 무선에너지 전력망 사용하면 훨씬 적은 인프라로 충분

우리는 지구상 어디서든 24시간 재생 가능한 에너지를 저가의 태양 에너지로부터 얻을 수 있다. 이는 전선을 이용하는 유선 방식이다. 우주에서 태양광 인공위성 전력망을 구축해 전송하는 엠로드의 월드에너지매트릭스(World Energy Matrix) 컨셉은 기존 방식에 비해 훨씬 적은 지상 및 해저 기반 인프라 구축만을 필요로 한다.

따라서 계획 및 실행 시 많은 골칫거리를 제거하거나 적어도 이러한 문제를 새로운 궤도 기반 인프라로 대체할 수 있다.

쿠슈니어 엠로드 CEO는 우주 전력 전송방식에 대해 “당신은 한때 세계의 한쪽에서 다른 쪽으로 가치를 옮길 때 가치를 옮길 때 금의 형태로 옮겨야 했다. 배에 있는 자루 안에서. 이젠 인공위성을 이용한 무선통신을 통해 금융가치를 빛의 속도로 움직일 수 있다”고 비유한다.

천재 기술자 테슬라가 100여년 전 제안한 아이디어 구현

세계적인 무선 에너지 전력망 아이디어를 내놓은 사람은 약 100여년 전 에디슨과 쌍벽을 이룬 천재 기술자 니콜라 테슬라다.

쿠슈니어 엠로드 CEO는 “기술이 여기에 있다. 그것은 개발됐고, 배치되기 시작했다. 그리고 에어버스가 우주 기반 에너지 인프라의 일부로 그것을 시연하고 싶어했을 때 이것을 할 수 있는 다른 회사는 세상에 없었다. 지난 몇 달 동안 업계가 우리의 비전을 따라잡아 왔고 여기에 예산과 팀을 투입하기 시작한 것 같다. 하지만 우리는 앞서 출발했고, 우리는 이것을 다른 사람들보다 3년 먼저 시작했다”고 말했다.

그는 “전력 무선 전송을 살펴본 다른 모든 팀들은 전력 전송을 통신처럼 원거리 시스템으로 취급했다. 원거리 시스템을 사용하면 옆으로 새나가는 15~20%의 전력을 즉시 포기하게 된다. 그리고 빔은 발산하기(갈라지기) 시작한다. 그래서 에너지를 모으려고 하는 곳 어디서든 거대한 공간과 거대한 안테나가 있다...우리는 첫 번째 원칙으로 돌아가서 근거리 시스템을 사용했다...우리는 위상 어레이로 시준(視準) 빔을 생성한다...그리고 우리는 그것을 더 정확하게 하기 위해 근거리, 즉 프레넬 구역(Fresnel zones)에서 포착한다. 우리는 며칠 전 이 시연에서 95% 이상의 빔 수집 효율을 시연했다. 우리는 이를 통해 99% 정도의 효율을 가져오는 방법을 알고 있기 때문에 이미 원거리 시스템에서 얻을 수 있는 이론적 한계보다 훨씬 더 효율적이다. 게다가 우리는 안테나를 훨씬 더 작게 만들 수 있다. 우리는 초점을 맞춤으로써 이익을 얻을 수 있다”고 말했다.

위성 에너지전송망 효율성 70% 달성

엠로드는 이 기술을 가지고 높은 효율로 궤도 거리를 처리할 수 있도록 확장할 준비가 돼 있다.

쿠슈니어는 증폭 효율성이 비약적으로 향상되면 위성을 통해 에너지를 이동하는 것이 도시 전력망을 통해 에너지를 이동하는 것과 비슷하거나 더 효율적일 것이라고 말한다.

그는 “향후 5년 안에 아마도 60~70% 정도의 엔드 투 엔드 효율성을 보일 것이다. 만약 우리가 유럽우주국(ESA)의 2040~2050년 우주 태양 시간 척도로 이야기한다면 우리는 아마도 전 세계 대부분의 전력망 수준으로 효율성을 훨씬 더 높일 수 있을 것이다. 아마도 유럽이나 미국의 송배전망은 아니지만 세계의 대부분의 송배전망을 훨씬 능가할 것이다. 내가 생각하는 기준치는 약 80~85%다”라고 말했다.

우주에 설치할 일련의 구조물 어떻게 설치할까?

물론 세계 에너지 매트릭스(World Energy Matrix)를 가동시키기 위해서는 우주에 있는 일련의 구조물이 필요하다.

이 위성 안테나 배열들은 다소간에 렌즈처럼 작용한다. 즉, 지상에서 올라오는 에너지 빔을 받아 구부렸다가 다시 초점을 맞춰 또다른 지점으로 보내는데, 지상으로 곧장 다시 내려보내거나, 또는 또다른 위성을 통하게 된다.

이들은 이전에 가능했던 것보다 작을 수 있지만, 여전히 작지는 않을 것이다.

크기는 거리에 따라 달라질 것이고, 거리는 인공위성 군 구성에 필요한 위성의 수에 영향을 줄 것이며, 이것들은 복잡한 실현 가능성과 비용-편익 방정식의 몇 가지 요소에 불과할 것이다.

이 우주태양광 위성 크기는 어느 정도가 돼야 할까. 만일 이 우주태양광 위성이 지상 400~500km 저궤도 상공에서 돌게 한다면 거의 같은 높이에서 도는 국제우주정거장(ISS)과 거의 같은 108m 크기의 구조물을 필요로 하게 될 것이다. 엠로드가 생각하는 우주태양광 위성은 이 수천억 달러(수백조 원)짜리 인공위성보다는 훨씬 덜 복잡하고 덜 비싸겠지만, 여전히 상당한 양의 우주 기반 조립이 필요할 것이고, 이것은 도전을 필요로 할 것이다.

엠로드는 100km에 가까운 지구 저궤도에 인공위성들을 배치하는 또 다른 제안서 제출을 검토하고 있다. 직경 30~40m면 충분하고, 따라서 이들을 구축하고 발사하는 것은 훨씬더 싸질 것으로 보고 있다.

예상 가능한 태양광 전력 무선 전송장치의 장단점은?

쿠슈니르는 이 단계에서 엠로드에 가장 큰 문제는 기술적인 문제가 전혀 아니며, 심지어 경제적 문제도 아니라고 말한다.

그는 “우리는 증명해야 할 것이 많다. 약 2년 내에 우리는 최초로 몇 개의 상업적 시스템을 배치한 후 루비콘강을 건너게 될 것이다. 그리고 나면 우리는 그들이 더 광범위하게 배치되는 것을 보기 시작할 것이다. 첫 번째 활용분야는 병목 현상이 있는 곳, 즉 통행권이나 허가권 문제 또는 해저 케이블 문제가 있는 곳이 될 것이다”라고 전망했다.

심지어 엠로드는 이 태양광 무선전송 장치를 이동하는 물체에서도 수신할 수 있도록 하는 연구도 진행하고 있다.

쿠슈니어 엠로드 CEO는 “우리는 ‘전력 스킨(Power skin)’을 개발하는 초기 단계에 있으며, 이는 비행중인 항공기 동체가 우주 기반 또는 육상 기반 송신기로부터 전력을 수신할 수 있게 하는 광각 안테나 어레이로 바꿀 수 있는 것”이라고 소개했다.

문제는 과연 지구까지 멀리 전송할 수 있느냐는 것이다. 게다가 이들은 아주 빨리 전송되고 지구 아주 가까이로 전송되기까지 상당한 공기 마찰을 겪게 될 것이다.

그러나 안전성 우려를 불식시켜야 하는 과제도 안고 있다. 장거리 에너지 전송 빔에 노출되는 것은 위험할 것 같지는 않지만, 엠로드는 이동하는 새, 스카이 다이버, 그리고 이들을 통과해 여행하는 것들을 보호하기 위해 빔이 부분적으로 쉽게 차단될 수 있다고 말한다. 엠로드의 장치가 안전하다는 것을 항공당국에 입증할 수 있다면, 이는 항공사 탈탄소화에 제동을 걸고 있는 에너지 저장 문제를 완전히 피할 수 있을 것이다.

쿠슈니르가 전망하는 핵심 이슈 중 하나엔 세계 정치도 포함된다. 그는 “이것은 차세대 에너지 인프라다. 이 기술은 GPS, 양자 컴퓨팅 또는 다른 획기적인 기술처럼 고도로 정치화될 것이다. 그러나 위치에 관계없이 에너지를 즉시 보낼 수 있다면, 한 나라와 국경을 맞대고 있든 지구 반대편에 있든 상관 없다”고 말했다.

신재생에너지가 필요할 때 바로 생산되는 적절한 시간대를 가진 우호적인 나라가 있다면 에너지 공급은 그 관계만큼이나 안전하다. 이건 최근 일론 머스크가 러시아 침공으로 통신기간망이 파괴된 우크라이나에 인터넷 수신기를 무상 공급해 통신할 수 있게 한 것을 연상시킨다.

만약 엠로드의 무선 전력 기술이 우주로 진출하지 못하고 지상에서 고압 전력케이블을 무선전송방식으로 교체토록 하는 게 최선이라도, 그것조차 여전히 큰 진전일 것이다.

그러나 220억 달러(약 31조 5000억 원) 규모의 호주-아시아 파워 링크(Australia-Asia Power Link)와 같은 프로젝트에 투입되는 엄청난 돈을 고려하면 무선 전력 위성의 천문학적인 비용은 이치에 맞기 시작할 수 있다. 호주-아시파 파워링크는 호주 사막의 태양농장에서 재생 가능한 에너지를 세계에서 가장 긴 해저 케이블을 통해 싱가포르로 보내는 프로젝트다.

훨씬 더 작은 지상 인프라로, 그리고 (송전타워설치를 위해)숲을 크게 벌채하지 않고도 지구의 모든 두 지점을 효율적으로 연결할 수 있는 글로벌 무선 전력망은 청정 에너지 전환에 획기적 도약이 될 가능성을 가지고 있다. 전 세계 도시들은 전력망을 공고히 하기 위해 훨씬 적은 에너지 저장소가 필요할 것이다. 이는 날로 고갈돼 가는 리튬으로 인한 압박 시대에 큰 이점을 제공한다. 무선 전력 전송시스템은 이에 대한 해결책이 될 수 있다.

엠로드 전력전송 및 광변환기의 비밀은 메타물질

사실 엠로드는 2년전 뉴질랜드 제2의 전력 공급사 ‘파워코’와 전력 무선 전송 시험 계약을 체결해 시험을 마쳤다.

그렉 쿠슈니어는 이 전력빔 무선 전송 기술, 안전 및 중복성에 대한 우려, 시스템의 효율성, 그리고 우주 기반 태양 전지에서 지구로 전력을 다시 전송하는 데 사용될 수 있는지에 대해 이야기를 했다.

엠로드가 이룩한 마이크로파 전력에너지 전송 분야의 기술적 진보는 뭘까. 기술 발전의 배경에는 메타물질이 있다.

쿠슈니어는 “마이크로파로 에너지를 전달하는 것은 수십 년 동안 있어 왔다. 1970년대에 나사는 지상에서 마이크로파로 충전하면서 공중에서 헬리콥터 드론을 지원할 수 있다는 것을 보여주었다. 꽤 오랫동안 공중에 머물렀다”고 말했다.

그는 지난 몇 년 동안 변화한 것은 대부분 메타물질 기술, 즉 에너지를 매우 효율적으로 전기로 변환시킬 수 있는 새로운 재료라고 밝혔다. 그것이 이 물질을 상업적으로 사용할 수 있게 만들었다는 것이다. 이전에도 있었지만 이는 대부분 군사적 목적으로 사용됐기에 세상으로 나오지 않았다.

전자기 메타물질은 전자기 복사를 흡수하여 열이나 전기로 바꾸거나 사라지게 할 수 있다. 그것은 본질적으로 스텔스 기술로서 예를 들어 레이더에 보이지 않게 하는 것이다.

쿠슈니어는 전력 광 전송 기술에 사용된 기술이 다소 다르긴 하지만 사용된 물질은 비행기를 레이더에 보이지 않게 만드는 것과 같은 종류의 재료라고 말한다.

지난 몇 년 동안 이 메타물질이 급속히 발전한 배경에는 컴퓨터 기술 발전에 따른 더 나은 컴퓨터 모델링 기술 발전이 있다.

전력무선전송 안테나 장치의 면적이 클수록 멀리

엠로드는 2년 전 호주 제2의 전력회사 파워코와 계약을 맺고 시제품으로 수kW의 전력을 약 40m 거리에 전송했다.

쿠슈니어 CEO에 따르면 최종 전력무선전송 안테나 장치의 크기는 에너지의 양에 따라 결정된다. 더 큰 에너지, 더 큰 표면. 또한 거리. 횡단하려는 거리가 길수록 더 큰 표면이 필요하다. 예를 들어 1㎡ 면적의 송신기는 약 10kW의 전력을 약 10m 거리에 전송할 수 있지만, 40㎡ 송신기는 대부분의 활용분야에 필요한 것보다 훨씬 먼 약 30km의 거리에 전력을 보낼 수 있다.

쿠슈니어는 전체 부품과 시스템의 효율에 대해 “우리가 개발한 모든 부품의 효율은 거의 100%에 가까울 정도로 상당히 좋다. 대부분의 손실은 전송시 발생한다. 우리는 송신 쪽에 반도체를 사용하고 있다...결과적으로 이들이 내는 시스템 효율은 약 70%의 효율로 제한돼 있다. 하지만 주로 5G통신 등에 의해 주도되는 많은 개발이 진행되고 있다”고 밝혔다.

전체 시스템의 효율이 거의 70% 정도 된다는 얘기다.

하지만 어떤 주파수를 사용하느냐에 따라 조금 더 높이거나 낮출 수 있다.

다만 엠로드는 정확한 시나리오에 따라 다양한 주파수를 사용한다. 때로는 더 크고 저렴한 안테나에 만족하고 때로는 더 작고 덜 효율적인 안테나에 만족하지만 그게 현 수준이다.

유선 구리선 전송과 비교하면?

그렇다면 무선전력전송 기술을 구리선의 효율과 비교하면 어떨까.

엠로드는 “구리선에는 항상 약간의 손실이 있다. 전통적으로 변전소는 전압을 높여 보냄으로써 더 긴 거리에서도 고전압을 제공한다. 미국에서는 이때 약 10~15%의 손실을 보는 것으로 보고된다.

그렉 쿠슈니어 CEO는 “우리가 이 방식에 대해 처음 생각한 것은 아니다. 테슬라가 100여년 전 생각했다. 그리고 일본 우주국에 의해 전 세계에서 시도되어 왔다. 나사도 수십 년 동안 활발한 프로그램을 진행해 왔다. 하지만 그들의 목표는 다르다. 그들은 상업적인 사용을 고려하지 않았기 때문에 효율성을 그렇게 많이 보지 못했다. 우리가 처음은 아니지만, 상업적으로 실행 가능한 솔루션을 가진 것은 우리가 처음이다”라고 말했다.

쿠슈니어는 우주 공간에서 에너지를 수확하면 기존 지상의 먼지등에 둘러싸인 태양광을 받아 에너지를 수확하는 방식에 비해 5배는 얻을 수 있다고 말한다.

하지만 우주 공간에 그런 것을 놓기 위해 필요한 것이 돈과 노력이다. 하지만 우리가 더 싼 우주 탑재체를 가지고 있다면, 그것을 달성하는 것은 그리 어렵지 않다는 게 그의 생각이다.

이미 일론 머스크의 스페이스X는 상업용 발사체 성공으로 kg당 1000달러라는 우주발사비용을 300달러로 낮춰 놓았다. 우주 태양광 무선전송이란 무선쿠슈너의 야망은 현실화에 점점더 가까워지고 있다.

중국도 정부차원 가세 움직임

뉴질랜드의 이 회사가 민간차원에서 우주태양광 발전 무선전송을 계획하고 있지만 중국은 국가적으로 이 사업을 추진할 기세다.

중국은 우주 기반 태양광 발전소의 단계적 개발의 일환으로 향후 10년 동안 서로 다른 궤도 고도에서 태양광 발전 및 전송 시험을 계획하고 있다.

중국 주요 국영 우주선 제작사인 중국항천(CAST)이 오는 2028년 지구저궤도(LEO), 2030년 정지궤도(GEO)에서 우주 기반 태양광 발전을 목표로 하고 있다는 소식은 지난 6월 7일 사우스차이나모닝포스트가 보도했다.

이에 따르면 CAST는 오는 2028년 지구 저궤도에서 ‘우주 고전압 전달 및 무선 전력 전송 실험’을 실시할 계획이다.

위성은 10kW의 전력을 생산할 수 있으며 궤도로부터 400km 떨어진 거리에 태양전지 어레이, 마이크로파 송신 안테나, 저전력 레이저 송신 탑재체, 송신 어레이 및 시험 전력 전송장치를 탑재할 수 있다.

이 계획은 또한 에너지 전송을 받기 위한 기반 시설을 지상에 건설하는 것을 포함한다.

CAST의 계획에 대한 업데이트는 6월 초 중국 우주 과학 기술 학술지에 발표된 ‘우주 태양광 발전소의 역방향 마이크로파 파워 빔 스티어링 기술’이라는 논문에 발표됐다.

이번 조치는 CAST가 2030년까지 메가와트(MW)급 위성을 발사한다는 목표를 밝힌 가운데 계획을 2년 앞당겨 궤도에 첫 위성이 진입한다는 것을 의미한다. 2028년 1단계 실험에 이어 2030년 정지궤도에 진입하는 2단계가 진행된다. 이 때엔 지구까지 3만5,800km 거리에 걸친 정확한 에너지 전송이 필요하다.

이 두 번째 임무는 최대 1MW까지 전력을 발생시키며, 훨씬 큰 전송 어레이와 중출력 레이저 전력 전송을 특징으로 하며, 궤도상 조립을 필요로 한다.

2035년과 2050년의 3, 4단계에서는 각각 매우 어려운 에너지 발전량(10 MW 및 2GW), 전송, 궤도 조립 능력, 빔 조절 정확도 및 전송 아키텍처의 증가를 요구받게 된다. 우주선은 각각 100m와 1km 이상의 전송 어레이를 필요로 할 것이다.

CAST 산하 우주 마이크로파 기술 국가 핵심 연구소, 첸쉐썬(錢學森)우주기술연구소(첸 랩), 충칭대 연구진 등이 작성한 이 논문은 4단계 프로젝트가 중국의 에너지 안보와 탄소 중립 목표에 도움이 될 수 있다고 주장한다.

업데이트된 계획은 부분적으로 국내외 개발 동향과 기술 연구의 진전에 대한 대응이다.

CAST는 지난해 이와 관련한 소규모 발전 테스트를 진행 중이며, 2030년경에 메가 와트 수준의 발전 설비가 될 가능성이 있다고 밝혔다. 충칭에 우주 기반의 태양 에너지 연구를 지원하기 위해 충칭에 시험 시설을 건설하고 있다. 지난해 작은 비행선에 탑재한 페이로드를 사용해 300m 거리에서 동력 전달을 테스트했다.

중국정부는 지난해 자국 관련 연구소에 궤도에 있는 km 크기의 구조물 건축에 대한 연구지원을 했다.

하지만 뉴질랜드의 엠로드는 이를 실제로 적용하려는 세계 최초의 기업이다. 이 회사가 어떤 성과를 내는지 지켜 보자. 아래 동영상은 이 회사의 기술과 비전을 보여준다.