매일 프로젝트: 하늘을 차지하다

여러분, 요즘 전기를 생산하려면 발전소를 하늘에 직접 설치해서 태양광을 이용한다고 하네요! 게다가 단순히 설치하는 것뿐만 아니라, 전력을 무선으로 전송해 올 수도 있다고 합니다! 이 이야기가 마치 SF 영화의 한 장면처럼 들리지 않나요? 하지만 우리 중국은 정말로 이 일을 현실로 만들어냈습니다! 최근, 중국의 무선 전력 전송 시스템 테스트가 성공적으로 마무리되었는데, 드론이 비행하면서 충전할 수 있게 되어 전선 연결이나 착륙 단계를 생략하고, 전송된 마이크로파로 비행 시간을 연장할 수 있게 되었습니다. 물론, 이것은 시작에 불과하며, 우주 태양광 발전소의 앞길은 아직 멀었습니다. 그 이름은 ‘추일 프로젝트’인데, 듣기만 해도 꽤 낭만적이지 않나요? 그렇다면, 왜 지상에서 이 ‘추일 프로젝트’를 진행하는 것일까요? 지상 태양광의 가장 큰 문제는 간헐성입니다. 밤이나 흐리고 비가 오는 날에는 전기를 생산할 수 없죠. 뭐라고요? 왜 굳이 하냐고요? 에너지 저장 기술은 전력망의 수용 문제만 해결할 수 있을 뿐, 태양광 패널의 이용률을 높일 수는 없기 때문입니다. 그래서 영리한 과학자들은 우주로 나가 직접 태양 에너지를 포착하는 방법을 고안해 냈습니다. 이 방법의 장점은 명백합니다. 첫째, 대기의 간섭이 없어 에너지 밀도가 높습니다. 지상에서는 1제곱미터당 약 136와트의 태양 에너지를 받지만, 우주에서는 1360와트, 심지어 그 이상도 받을 수 있습니다. 둘째, 발전소는 3만 6천 킬로미터 높이의 지구 동기 궤도에 배치된다. 거리가 멀기 때문에 지구의 그림자가 거의 가리지 않아, 99% 이상의 시간 동안 전력을 생산할 수 있다. 따라서 물리적 관점에서 볼 때, 이 사업은 분명 경제적이다. 하지만 말처럼 쉽지는 않습니다. ‘추일(逐日) 프로젝트’에는 ‘수집’, ‘변환’, ‘전송’, ‘접수’라는 네 가지 핵심 기술 단계가 있으며, 각 단계마다 엄청난 기술적 난제를 극복해야 합니다. 우선, 어떻게 ‘수집’할 것인가? 우주에서는 먼지가 쌓이면 안 되며, 발전소 건설에 철근 콘크리트를 사용할 수 없기 때문에 집광 시설은 가벼워야 합니다. 이에 중국 과학자들은 ‘오메가(Omega) 아키텍처’, 즉 ‘구형 막 에너지 집광 배열(Orb-shaped membrane energy gathering array)’을 제안했다. 간단히 말해, 거대한 초경량 구형 집광 거울로 햇빛을 구의 중심부 근처 한 줄로 모으는 방식이다. 이 설계는 미국의 ‘알파(Alpha) 아키텍처’보다 더 단순하고 실용적이다. 미국은 1968년부터 우주 발전 문제를 연구하기 시작했으나, 평가 결과 너무 어렵고 비용이 많이 든다는 판단에 이를 보류했다. 2011년이 되어서야 NASA는 ‘알파(Alpha)’라는 새로운 계획을 내놓았습니다. 이는 거대하면서도 정교한 시스템으로, 수만 개의 거울이 태양을 향해 끊임없이 각도를 미세 조정하며, 극한의 경량화와 모듈화를 추구합니다. 하지만 알고리즘 간의 협업이 얼마나 복잡할지는 상상이 가실 겁니다. 미국 정부도 NASA에 막대한 자금을 지원하지 않았기 때문에 프로젝트 추진이 난항을 겪으며, 여전히 컴퓨터 모델링과 칩 단위 테스트 단계에 머물러 있어 캘리포니아 공과대학(Caltech)의 SSPP 프로젝트보다도 진전이 더딘 실정이다. 반면 중국은 시작이 비교적 늦어 21세기에 들어서야 연구를 시작했으나, 현재는 전체 시스템의 지상 실물 폐쇄 루프 단계에 이르렀다. 신에너지 개발에 대한 국가의 전략적 결의와 자금 지원 외에도 가장 중요한 이유는 혁신적인 사고방식으로 새로운 길을 개척했기 때문이다. 거울을 이리저리 돌리는 방식은 동적 소프트웨어 제어가 너무 어렵기 때문에 채택하지 않았습니다. 대신 고정된 구면 집광기를 만들어 방향 조절조차 필요 없도록 했습니다. 태양광이 어떤 각도로 구체 안으로 들어오더라도 자연스럽게 구심부 근처의 한 선상에 모이게 되며, 그 안에 기계적으로 움직이는 에너지 흡수 트랙을 설치하기만 하면 됩니다. 골치 아픈 소프트웨어 알고리즘 문제를 우리가 가장 잘하는 하드웨어 및 기계·전기 공학 문제로 단순화한 것이다. 바로 이러한 실용적인 엔지니어적 사고 덕분에 우리는 ‘고정점 전체 링크’라고 불리는 1.0 단계와 2.0 단계인 ‘동적 다중 목표’ 등 지상 검증을 가장 먼저 완료할 수 있었다. 실물 구축과 기술 면에서 한 몸통 차이로 앞서 있다고 할 수 있다. 그렇다면, 햇빛을 수집한 후 두 번째 단계는 ‘변환’입니다. 우주에서 지면까지 빛을 전기로, 전기를 전파로, 전파를 다시 전기로 변환하는 여러 단계의 과정이 있습니다. 그중 난관은 무선 전력 전송의 전체 링크 효율, 즉 손실을 어떻게 줄일 것인가에 있습니다. ‘추일(逐日) 프로젝트’에서는 3세대 반도체인 갈륨 질화물(GaN)을 사용하여 우주 송신 단의 고체 전력 증폭기를 제작했는데, 저항이 작아 낭비되는 열이 적습니다. 지상 수신 단의 정류 다이오드는 스위칭 속도가 빨라 마이크로파 진동을 정밀하게 포착하여 더 많은 마이크로파를 전기 에너지로 환원할 수 있습니다. 서두에서 언급한 주요 진전 중 하나는 100미터급 거리에서 여러 이동 대상에 동시에 킬로와트급 마이크로파 무선 에너지 전송을 실현한 것입니다. 직류에서 직류로의 전체 전송 효율이 20.8%로 대폭 향상되었는데, 이는 원래 전기 에너지의 5분의 1을 성공적으로 전송하여 사용 가능한 전기로 변환할 수 있음을 의미하며, 이는 국제적으로도 최고 수준에 속합니다. 네 번째 단계는 ‘전송’으로, 36,000km 밖에서 마이크로파를 지상으로 쏘아 내려오는 것입니다. 어떻게 지상의 수신소를 정확히 맞출 수 있을까요? 그 방법은 양방향 통신입니다. 먼저 지상에서 우주로 유도 신호를 보내면, 우주에서 수신소의 위치를 실시간으로 계산해 냅니다. 그런 다음 송신단에서는 능동 위상 배열 안테나를 사용하는데, 마치 무수한 초소형 송신 유닛이 지상의 피드백에 따라 자체 송신 타이밍을 조정하여, 수많은 마이크로파의 파동이 특정 방향으로 모여 충돌함으로써 가장 강력한 에너지를 발생시켜 지상 수신소에 정밀하게 전달하는 방식이다. 최신 빔 수집 효율은 무려 88%에 달한다. 마지막 단계는 ‘수신’이다. 미래에는 지상에 안테나 어레이로 구성된 초대형 복합 시설이 배치되어 마이크로파를 포착해 전기 에너지로 변환하고, 정류 및 인버터를 통해 전압을 생성해 전력망에 공급할 수 있을 것이다. 비록 이것이 아직 먼 미래의 비전이지만, 문득 많은 네티즌들이 우리 장 원장의 연구 분야를 ‘미래 역사학’이라고 농담 삼아 말하곤 했는데, 정말 그런 것 같다는 생각이 들었다. 그는 종종 정치 질서와 에너지 이용의 관계를 언급하곤 합니다. 예를 들어, 영국과 미국은 석탄과 석유를 바탕으로 부상했으며, 현재 중국은 전례 없는 신에너지 도약을 진행 중이라고 말이죠. 사실 인류학자 레슬리 화이트와 천문학자 칼다셰프도 비슷한 논리를 펼친 바 있는데, 문명의 진화나 발전 수준은 문화·정치·도덕적 수준을 따지는 것이 아니라 1인당 가용 에너지의 양에 달려 있다는 것이다. 기술적인 관점에서 볼 때, 인류 문명은 에너지 밀도를 끊임없이 높여 더 대규모이고 더 복잡한 사회 조직을 지탱해 나가는 진화 게임과 같습니다. 과학자 칼 세이건은 한때 인류 문명의 점수가 대략 0.7 정도라고 계산한 바 있는데, 이는 모행성의 속박을 받는 제로형 문명에 속하며, 태양광이 대기권을 통과해 감쇠된 후 지표면에 도달하기를 수동적으로 기다렸다가 이를 활용할 수밖에 없는 상태다. ‘태양 추적 프로젝트’의 본질은 행성의 경계를 허물고, 우주 공간으로 나아가 별의 에너지를 능동적으로 포착함으로써 행성급 1형 문명으로 도약하려는 시도이다. 나는 인류가 이 한 걸음을 내딛는 데 앞장서는 이들이 중국의 과학자와 엔지니어들이 되기를 희망한다.