빛나는 미래 - 우주 태양광 발전의 새로운 지평

우주 태양광 발전은 태양광 발전을 우주 공간에서 축적 후, 그로부터 얻은 전력을 지상으로 전송하는 발전 방식이다. 일반적으로 알려진 "마이크로파 발전"의 일종이며, 전송 수단으로 마이크로파를 응용한 것의 총칭이다.

태양의 빛이 지구 대기를 통과하면서 흡수되거나 감쇠되어 효율이 감소하며, 날씨 변화에 따라 발전량이 불안정하며 이에 따라, 대기권을 통과하는 파장이 높은 전자기파로 태양광을 우주 공간에서 변환한 후, 이를 지상으로 전달하는 방법이 손실을 줄이고 효율을 높이며, 안정적인 발전량을 제공한다. 이러한 우주 태양광 발전은 발전 위성과 지상 수신국을 활용하여 실행된다.

우주 태양열 발전은 주로 세 가지 구성 요소로 이루어져 있다.

1. 우주에서 태양열을 수집하는 장치, 예를 들면 태양열 집중기나 태양열 전지, 열기관 등이 있다.
2. 발전된 전력을 지구로 전송하는 수단으로는 마이크로파나 레이저와 같은 방법이 사용된다
3. 지구에서 전력을 수신하는 수단으로는 마이크로파 안테나나 정류 안테나 등이 활용된다.

우주 기반의 시스템은 자신을 중력으로부터 지탱할 필요가 없으며(상대적으로 약한 주기적인 변동력에 대해서는 버틸 필요가 있다.), 지구의 바람이나 날씨와 같은 외부 요소로부터 보호받지 않아도 된다. 주의할 점은 우주에서의 위험한 요소들인 유성 잔해나 솔라 플레어와 같은 위험을 고려해야 한다.

태양열 발전의 기본적인 두 가지 방법은 광 발전과 태양열 발전으로 연구되고 있다. 광 발전은 반도체 셀을 사용하여 광자를 직접 전력으로 변환하는 것을 의미한다. 반면 태양열 발전은 거울을 사용하여 빛을 온수 탱크에 집중시키는 방식이다. 태양열 발전을 통해 와트당 질량을 줄일 수 있다. 대부분의 연구는 일찍이 무선 전력 전송을 마이크로파나 다양한 주파수의 레이저를 사용하여 지구 표면으로부터 에너지를 전송하는 방식으로 제안되었다.

William c. Brown은 1964년에 Walter Cronkite's CBS 뉴스 프로그램에서 마이크로파 전원 헬리콥터(비행에 필요한 모든 전력을 마이크로파 빔으로부터 받는다.)를 보여줬다. 1969년과 1975년 사이에, Bill Brown이 기술 감독으로 있던 JPL Raytheon 프로그램은 1마일 떨어진 거리에서 84%의 효율로 30kW의 전력을 쐇다.

최근에, 마이크로파 전력 전송은 존 C. 만킨스팀에 의해 하와이의 마우이 산 정상과 하와이섬 사이에서 태양 에너지 집열과 결합하여 시연되었다. 2010년에 개최된 IEEE 안테나와 전파(전달)에 관한 학술 토론회의 특별 세션에서 언급된 바와 같이, 이와 관련된 이론적 한계뿐만 아니라 어레이 배치, 단일 복사 요소 설계, 전반적인 효율성에 대한 기술적 문제들이 현재 연구의 주요 관심사다.

2013년에는 우주에서 지구로의 마이크로파 전력 전송과 관련된 기술과 이슈에 대한 개관이 발표되었다. 이 개관은 우주 태양 발전 시스템(SPS)의 개요와 현재 연구의 상황 및 미래 전망을 다루고 있다. 또한, 마이크로파 전력 전송을 위한 안테나 어레이 디자인에 대한 현재 방법론과 기술들을 IEEE의 회의록에서 검토하고 있다.

레이저 전력 전송은 NASA의 연구원들에 의해 우주 산업화의 기초로 제안되었다. 1980년대에 NASA 연구원들은 태양전원 레이저의 개발에 초점을 맞추어 레이저를 이용한 우주 간 전력 전송의 잠재적 용도를 연구했다. 1989년에는 지구에서 우주까지 레이저를 이용하여 전력을 공급할 수 있다는 주장이 제기되었다. 이후 1991년에는 SELENE 프로젝트(SpacE Laser Energy)가 시작되어 달 기지로의 전력 공급을 위한 레이저 전력 전송에 대한 연구가 진행되었다. SELENE 프로젝트는 2년간의 연구 노력을 기반으로 하였으나 개념을 운용 단계로 이끌기 위한 비용이 많이 들어가고, 우주 기반의 실제 사례에 도달하기 전에 1993년에 공식 프로젝트가 종료되었다.

1998년에는 Grant Lorgan이 1989년에 연구된 기술적 세부사항을 바탕으로 지구 기반 레이저를 사용하여 우주로의 전기 로켓 엔진을 추진하는 것을 제안했다. 그는 자외선을 600도에서 전환하는 다이아몬드 태양 셀의 사용을 제안했다.

장점:

1. 더 많은 태양 에너지 수집: 지구로부터 모으는 것보다 더 많은 태양 에너지를 수집할 수 있다. 대기나 구름, 먼지 등의 장애물이 없기 때문에 강력한 태양광을 받을 수 있다. 결과적으로 궤도에서의 태양광 강도는 지구 표면에서 얻을 수 있는 최대 강도의 144%이다.
2. 지속적인 태양광 수용: 인공위성은 거의 24시간 동안 태양광에 노출된다. 따라서 지구의 그림자에 가려지는 시간이 매우 짧다. 이는 지속적인 태양광 수용을 가능하게 한다.
3. 효율적인 에너지 전송: 모여진 에너지는 필요로 하는 지역으로 빠르게 전송될 수 있다. 각 지역의 요구에 맞는 에너지를 전송하여 효율적인 에너지 이용이 가능하다.

단점:

1. 높은 비용: 인공위성을 우주로 발사하고 운영하는 데 많은 비용이 든다.
2. 우주 환경의 적대성: 우주 환경은 인공위성에게 적대적이다. 우주 환경에 대한 유지 보수 및 안전 문제가 있다.
3. 우주 쓰레기 문제: 우주 쓰레기는 우주를 돌아다니는 데 치명적인 위험을 줄 수 있다. 대형 구조물인 SBSP 시스템은 궤도 주변의 쓰레기가 될 수 있다.
4. 거대한 크기와 비용: 인공위성의 거대한 크기는 정거장을 만들 때 드는 비용과 비례한다.