무한 에너지 '우주 태양광', 지구로 어떻게 보낼까 [우주로 간다]

우주에서 태양광 에너지를 포착해 지구로 전달할 수 있다면 무한에 가까운 청정에너지 수집이 가능해진다. 우주 공간에서는 태양광 발전을 방해하는 그림자나 구름의 영향도 받지 않기 때문이다. 그렇다면 우주에서 수집한 막대한 에너지를 어떻게 안전하게 지구로 가져올 수 있을까?

IT 전문 매체 BGR은 현재 과학자들이 우주에서 생산한 전력을 지구로 전송하기 위해 '마이크로파' 방식과 '레이저' 방식 등 두 가지 핵심 기술을 연구 중이라고 보도했다.

우주 공간에서 에너지를 포착하는 것 자체는 간단하다. 구름 등 장애물이 없으므로 장비를 설치하고 에너지가 축적되기를 기다리면 된다. 하지만 이렇게 만들어진 에너지를 두꺼운 대기층과 구름을 통과시켜 지상으로 전달하는 것은 전혀 다른 차원의 문제다.

마이크로파 방식-안정적이나 막대한 비용과 유지보수가 걸림돌

미국 캘리포니아공과대학(이하 칼텍)이 만든 무선 전력 전송 원리 영상에 따르면, 마이크로파 기반 시스템은 파동의 '간섭' 현상을 이용한다. 칼텍 우주 기반 태양광 발전 프로젝트 공동 책임자인 알리 하지미리 박사는 양손을 강물에 담갔을 때 생기는 잔물결을 예로 들었다. 두 파동이 합쳐져 강해지는 부분이 있는 반면, 서로 상쇄돼 약해지는 부분도 존재한다는 설명이다.

마이크로파 기반 무선 전력 전송의 핵심은 이 파동들이 서로 간섭하는 방식을 파악해, 에너지를 같은 방향으로 정렬시켜 전송하는 것이다. 이를 통해 송신원 자체에서 발생하는 간섭을 줄이고, 에너지 손실을 최소화하면서 신호 강도를 유지할 수 있다.

그러나 마이크로파 기반 전송은 거대한 위성을 제작하고 정지궤도에 배치하는 데 천문학적인 비용이 든다는 치명적인 단점이 있다. 미국 에너지부(DOE) 역시 위성이 지구에서 너무 먼 궤도인 약 3만 5000㎞에 위치해 있어 사후 유지 관리가 매우 어렵다는 점을 지적한다. 이 같은 한계를 극복할 대안으로 떠오른 것이 바로 '레이저' 방식이다.

레이저 방식-안전하고 비용 저렴하나 '구름'에 막힐 수도

연구자들이 고려하는 두 번째 방법은 '적외선 레이저 빔'을 이용하는 것이다. 민간 기업 '오버뷰 에너지(Overview Energy)'는 이미 관련 실험을 진행했으며, 최근 항공기에서 포착한 태양 에너지를 지상 수신기로 전송하는 단계까지 성공했다. 이 방식은 고출력 마이크로파를 지속해서 쏘는 것보다 레이저를 활용하는 것이 인체나 생태계에 더 안전하다는 장점이 있다.

오버뷰 에너지는 정지궤도에서 태양 에너지를 수집하고 근적외선 광대역 레이저를 이용해 지구로 전송하는 위성을 개발할 계획이다. (사진=오버뷰 에너지)

하지만 근적외선 레이저 시스템 역시 명확한 한계가 존재한다. 레이저 빔이 두꺼운 '구름'을 투과하지 못한다는 점이다. 이 때문에 레이저 시스템을 상용화하려면 지구 궤도의 위성뿐만 아니라, 지상 수신기로 에너지를 중계해 줄 '공중 수신기'가 추가로 필요하다. 결과적으로 구동되는 부품과 단계가 많아져 오류나 고장 발생 가능성이 높아질 수 있다.