[단독] 미, 1억 달러 프로젝트로 우주 밖에서 태양광 충전 후 전송 실현 나서

[이넷뉴스] 전 세계가 신재생 에너지에 대해 주목하고 있는 가운데 태양광 발전 관련 기술이 눈에 띄게 발전하고 있다.

태양 전지 효율성 개선을 위한 다양한 소재 결합과 우주 밖 위성을 통해 낮과 밤 없이 태양광을 충전, 지구로 전송하는 기술도 점차 실현화하고 있다.

◇ 태양 전지 효율성 개선에 큰 걸음

작년 말 태양광 전지를 연구하는 과학자들이 새로운 기록을 세웠다.

태양 전지의 효율성을 개선하여 동일한 표면적과 양의 햇빛에서 생산되는 에너지의 양을 더욱 많이 충전하고, 생산하는 기록들이 계속해서 경신되고 있다.

독일 베를린의 헬름홀츠-젠트룸(Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB)연구원들은 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양 전지(Perovskite-Silicon Tandem Solar Cell) 범주에서 29.15%의 효율성을 달성했다고 밝혔다.

이들은 실험실 테스트에서 이 셀이 지금까지 관리한 최대 효율 28%보다 앞섰으며, 패널은 30% 이상의 장기 목표가 가능해 보인다고 밝혔다.

"실리콘과 페로브스카이트를 결합하는 탠덤 태양 전지는 단일 전지 효율 한계를 초과하는 유망한 옵션"이라고 연구진은 사이언스 지에 발표한 논문에 썼다. 그들은 전력 변환 효율이 29.15%인 모놀리식(monolithic) 페로브스카이트-실리콘 탠덤을 썼다고 밝혔다.

페로브스카이트와 실리콘은 실제로 태양 전지판용 반도체 재료로 별도 개발되었다. 실리콘 전지는 오랫동안 사용되어 왔으며 현재 전 세계 태양광 발전소의 표준이기도 하다.

이 소재는 한국도 낯설지 않다. 이미 지난 2월 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 효율을 25.2%까지 높이는 핵심 소재 기술 개발에 성공했기 때문이다. 특히 국내 연구진이 개발한 0.1cm² 소자에서 25.2% 효율 수준은 전 세계 태양전지 효율을 비교하는 미국 국립재생에너지연구소(NREL) 차트의 최고 기록이었다.

한편 HZB의 연구원들은 오랫동안 다양한 페로브스카이트 화합물 조합을 실험하고 다른 물질을 추가하고 있다. 이 중 탠덤 셀은 적외선 스펙트럼(실리콘)을 넘어 가시광선(페로브스카이트 화합물)까지 확장해, 광 스펙트럼의 두 부분을 포착할 수 있는 두 개의 반도체를 사용한다. 이 물질들을 함께 넣는 것이 패널 제작 비용 절감에 효과가 있기에 가격 경쟁력도 갖춰 태양광 기술에 빠른 적용이 가능하다는 장점이 있다.

여기에 최근 연구진들이 4차원 모델링을 사용, 메틸암모늄 납 브로마이드(MAPbBr 3)의 구조 데이터를 해석해 상부 구조와 주요 구조의 변조를 식별해냈다.

유·무기 하이브리드 페로브스카이트는 약 10년 동안 태양 전지에 사용하기 위해 집중적으로 조사되었지만, 메틸암모늄 및 포름아미디늄 납 할로겐화물과 같이 가장 잘 알려진 화합물의 경우에도 온도의 함수로서 다양한 변조 및 상부를 가진 결정 구조를 정확하게 밝히는 것이 불가능했다. 이에 HZB팀은 4차원 모델을 사용, 메틸암모늄 납 브로마이드(MAPbBr 3)의 구조 데이터를 분석했다.

이 연구의 공동 저자인 요아힘 브리터니츠(Joachim Breternitz) 박사는 "이 하이브리드 페로브스카이트는 서로 다른 변형이 에너지에서 크게 다르지 않기 때문에 작은 온도 차이도 상전이를 유발하기에 충분합니다."라며, "새로운 모델은 다른 페로브스카이트 화합물의 변조된 구조에 대해 더욱 상세한 통찰력을 제공할 것"이라고 말했다.

이 연구는 미국화학회지(ACS)의 저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters)에 게재되었다.

◇ 우주 밖에서 태양광을 수집, 지구로 전송

화석 연료 대체를 위해 태양광을 이용하려는 시도에서 아이디어 역시 한몫을 한다. 태양광 에너지를 낮과 밤, 날씨와 상관없이 언제라도, 그리고 어느 곳에서도 사용할 수 있도록 하는 기술을 개발하는 것이다. 우주 태양광 발전 기술이 그 임무를 담당할 예정이다.

이 기술은 우주 공간에 쏘아 올린 인공위성에 태양광 발전용 패널을 달아 전기를 생산, 이를 마이크로파로 변환해 지상 안테나로 전송한 후 이를 받아 다시 전기로 바꾸는 시스템이다.

이미 미국과 일본이 이와 관련된 기술을 꾸준히 개발하고 있으며, 최근에는 중국이 위성을 가지면서 새롭게 발을 디뎠다. 하지만 그동안 기술적, 경제적 이유로 지지부진하던 개발은 지난해 미국이 실증을 위한 본격적인 실험에 들어가기 시작하면서 다시 불붙었다.

이 기술의 가장 큰 문제점은 우주 상공에 이 거대한 태양광발전소를 어떻게 조립해 배치할 수 있느냐는 것이었다. 로켓을 통해 이를 쏘아 올리기 위해서는 엄청난 비용이 들 것이기 때문이다. 하지만 우주왕복선이 개발 운용되면서 이에 대한 해결책이 제시되었다. 조립해서 쏘아 올리는 게 아니라 우주정거장에서 조립해서 발전소를 세우는 것이다.

이를 실현키 위해 미국 공군이 추진하고 있는 1억 달러 규모의 프로젝트는 ‘우주 태양광 발전 증분 시연 및 연구’(Space Solar Power Incremental Demonstrations and Research, SSPIDR)이다.

지난해 미 공군은 미 플로리다주 케이프 커내버럴 공군 기지에서 무인 우주왕복선 X-37B를 쏘아 올렸다. 보잉이 만든 X-37은 궤도 시험선(OTV)이라고 부르며, 한 번 우주로 나가면 몇 달간 임무를 수행한 뒤 지구로 귀환한다. 여기에 미 해군 연구소(NRL)가 만든 태양광 발전 전파 안테나 모듈(Photovoltaic Radiofrequency Antenna Module, PRAM)이 실렸다. 가로세로 30㎝에, 두께 5㎝의 이 모듈은 태양광 집전판에서 생산한 에너지를 극초단파 광선으로 바꾸는 것으로, 미 해군 연구팀은 PRAM이 실제 우주 공간에서 얼마나 효율적으로 극초단파 광선을 만들 수 있는지 측정하기 위해 이 모듈을 우주왕복선에 실은 것이다.

지난 2월 24일 CNN 기사에 따르면 이 모듈은 테스트를 성공적으로 끝냈고, 12x12인치 패널이 전송을 위한 약 10W(watt)의 에너지를 생산했다고 밝혔다.

생산된 에너지를 지구로 다시 보내는 테스트는 레트로-디렉티브 빔 컨트롤(Retro-directive Beam Control) "retro-directive beam control)이라는 기술을 사용한다.

이는 에너지를 받을 안테나에서 우주의 패널로 파일럿 신호를 보낸 후 이를 받은 패널이 마이크로파 빔으로 에너지를 그곳으로 보내는 방식이다. 이를 통해 지구상의 어느 지점으로도 실수 없이 보낼 수 있다고 이 프로젝트의 공동 개발자인 폴 자페(Paul Jaffe)는 밝혔다.

폴 자페는 "태양광 위성이 다른 전력원에 비해 갖는 고유한 이점은 이러한 전 세계적 전송 가능성"이라며, "당신은 시카고에 전력을 보낼 수 있고, 필요하다면 런던이나 브라질리아에 전력을 보낼 수도 있다"라고 말했다.

이 기술이 성공적으로 실현된다면 단순한 에너지 공급 차원을 넘어서 전 세계 재해를 극복할 수 있는 새로운 원동력이 될 것으로 보인다.

[이넷뉴스=신종섭 기자] shinjs@enetnews.co.kr