Thomas F. Rosenbaum 칼텍 총장은 “재생 에너지로의 전환은 오늘날 에너지 저장과 송전 문제로 인해 제한적으로 발전하고 있다”고 말했다. 오늘날 재생에너지는 들쭉날쭉한 발전량 문제와 더불어 이를 뒷받침하는 송배전 인프라 구축 비용 문제로 국내서 큰 어려움에 봉착한 상황이다. 

이에 세계는 탄소중립을 달성하며 효율 높은 무한의 재생에너지을 얻기 위해 우주 태양광 발전에서 기술 탐구와 실험으로 진전을 이룩하고 있다.

미국 캘리포니아 공과대학교(California Institute of Technology, Caltech, 이하 칼텍)가 현지시간으로 지난 1일 우주 환경에서의 무선전력전송 기술을 시험해 최초로 지구에 전력을 무선으로 전송하는 시연을 수행해 지상부 수신기에서 이를 감지하는 데 성공했다고 발표했다.

칼텍은 지구 환경에서 무선전력전송 기술을 테스트한 이후 우주 환경으로 마이크로파 어레이가 탑재된 위성을 쏘아올려 우주 환경에서 해당 실험을 진행한 것으로 알려졌다. 우주공간에서의 무선전력 송수신과 우주-지구간 무선전력 송수신에 대한 시연이 성공적으로 수행된 첫 사례로 기록될 전망이다.

■ 저궤도용 마이크로파 어레이, 낮은 비용·경량화 관건
메이플(MAPLE, Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment)로 불리는 저궤도용 전력전송 칩은 Ali Hajimiri와 Bren 칼텍 전기공학 교수 등이 이끄는 개발팀에서 제작했다. 지난 1월 전력 송신기를 우주로 발사한 이후 메이플이 여전히 작동 중에 있으며 전력전송 기능까지 수행하는 등 개발팀에 유용한 실험 정보를 제공하고 있는 것으로 전해졌다.

Hajimiri 교수는 “지금까지 수행한 실험을 통해 메이플이 우주의 수신기에서 성공적으로 전력 전송을 받았다는 것을 확인했다”며 “또한 전력이 지구를 향하도록 프로그래밍해 이곳 칼텍에서 무선전력전송을 감지했다”고 말했다.

이번 실험은 전력전송 저궤도 실험용 마이크로파 어레이를 낮은 비용의 커스텀 칩으로 구현해 유연하고 경량화된 마이크로파 전력 송신 어레이를 제작해 진행했다. 이는 전력전송 어레이가 실현 가능하려면 우주로 보내는 데 필요한 연료양을 최소화하기 위한 경량화와 더불어, 로켓에 운반 가능하도록 패키지로 접을 수 있는 유연성, 저비용 실리콘 기술이 요구된다.

우주 태양광 패널은 이미 우주 환경에서 국제 우주 정거장 등에서 전력 공급용으로 사용되고 있지만 지구로 태양광 전력을 전송하기 위해선 충분히 큰 어레이를 발사하고 배치해야 하며, 우주 태양광 전력전송은 초경량화된 저렴한 시스템 설계가 필수적이다. 

50kg 중량으로 전력전송 안테나는 16개로 구성돼 있으며 1개의 맞춤형 집적회로가 이를 제어한다. Hajimiri팀은 여러 조합 사이에서 측정 차이를 평가하고, 작은 그룹들 간 간섭 패턴을 평가함으로써 시스템 내 개별요소들의 성능에 접근하고 있다. 

우주 태양열 발전은 낮밤, 계절 및 기상 여건에 관계없이 지속적인 발전이 가능하며 우주 공간에서 무제한적인 태양 에너지 공급이 가능해 차세대 에너지원으로 공급원으로 기대를 모으며 일본·미국·중국·한국 등에서 기술 개발에 박차를 가하고 있는 첨단 기술이다.

Hajimiri 교수는 “인터넷이 정보에 대한 접근성을 높인 기술로 자리매김한 것처럼, 무선전력전송이 에너지에 대한 대중적 접근성을 높이는 기술이 되길 바란다”고 말하며 “우주 무선전력을 공급받는 데는 지상에서의 송전 인프라는 필요하지 않게 될 것이며 이는 전쟁이나 재난으로 황폐해진 지역, 고립된 지역 등에 전력을 전송할 수 있다는 것을 의미한다”고 덧붙였다.

■ 韓, KERI서 위성간·지대공 무선전력전송 개발 中
국내 우주 태양광 발전과 무선전력전송 기술은 한국전기연구원(KERI)에서 기술 개발을 진행하고 있다. 항공우주연구원(KARI)와 협업해 첫번째 한국형 우주태양광 선행시스템 설계안을 도출해 ‘저궤도 소형 위성간 무선전력전송’에 관한 내용을 국제우주회의에서 공동발표한 바 있다.

KERI 전력망연구본부 전력ICT연구센터에서 이상화 연구팀이 주도하고 있는 장거리 무선전력 전송 기술 개발은 지난해 누리호 발사체를 통해 2기의 우주태양광발전을 시연하기 위한 2기의 위성을 우주로 올려보내며 실험을 진행하고 있는 것으로 알려졌다.

KERI측 자료에 따르면 송전위성과 수전위성에서 각각 안테나패널을 펼치고 레이저빔을 통해 정확한 위치를 측정하고 파일롯 신호를 방사해 실시간으로 위치 정보를 교환한다. 송전위성이 약한 전력을 전송해 신호를 확인하고 송전용 배열안테나의 자동채널 교정을 통해 정밀 교정을 한 후, 수전위성의 움직임을 추적해 전자조향으로 전력을 전송할 수 있다.

이렇듯 송수전위성 2대가 편대비행을 하면서 여러 조건 하에 반복적인 무선전력전송 임무를 수행하며 관련 데이터를 수집하게 되고, 이러한 데이터는 다음 목표인 저궤도 위성에서의 지구 지상부 전력전송에 활용될 것으로 알려졌다.
현재 국내기술력은 지상부 검증에서 공식적으로 50m의 실시간 추적 전송 시각화를 실증했으며, 약간의 손실이 있는 결과값의 실험까지 반영하면 100m까지의 전력전송도 구현한 것으로 조사됐다.

KERI가 수행하고 있는 장거리 무선전력전송 기술은 2025년까지 총사업비 150억원 예산으로 개발이 진행 중에 있다. 2025년까지 계획된 핵심 기술 개발 및 지상 검증과 소형 위성 탑재 우주 실증 2단계가 완료된 상태이며 3단계 계속 평가를 수행하고 있는 것으로 알려졌다. 

더불어 개발 로드맵에서 2030년 킬로와트급 우주 태양광 전력전송 시스템의 저궤도 실증과 2040년 이후 메가와트급 정지궤도 실증, 기가와트급 상업용 시스템 런칭 등 로드맵을 가지고 있다.

무선전력전송이 수백, 수천킬로미터 떨어진 곳으로 마이크로파를 이용해 전력을 전송하는 만큼 전송과정에서 전자파에 의한 생태계 및 인체 유해성에 우려가 있는 만큼, EMF 규정을 준수하기 어렵다는 단점이 존재한다. EMC·EMF 챌린지를 어떻게 극복할 것인지가 향후 기술 상용화의 관건이 될 것으로 예상되는 가운데 향후 미국과 더불어 중국, 일본, 유럽 등 첨단기술개발국 가운데 한국이 관련 기술을 선도할 수 있을지 귀추가 주목되고 있다.