무선전력전송 기술

에너지 문제의 해결사가 될 것인가? - 무선전력전송 기술

전파 없는 세상을 상상할 수 있을까? 

이동통신, 방송 등은 말할 것도 없고 전자레인지와 화성 탐사선에 이르기까지 눈에 보이지 않는 전파는 그 활용 범위가 무궁무진하다. 1871년 이 전파를 처음 예측한 영국의 과학자 맥스웰도 전파가 이렇게 폭 넓게 활용되리라는 것은 예측하지 못했을 것이다. 

그런데 이 전파가 에너지 문제의 해결사로 주목 받고 있다. 아이디어는 아주 단순하다. 말 그대로 무선으로 전력을 전송하고(Wireless Power Transmission) 이를 받아서 사용하는 것인데, 마치 방송국에서 TV 신호를 보내면 가정에서 그 신호를 받아 TV를 시청할 수 있는 것과 같은 원리다. 다시 말해 무선전력전송(Wireless Power Transmission)은 전기적 에너지를 공간을 통해 전송할 수 있는 전파전송의 원리를 이용하여 전력 에너지를 무선 전송에 유리한 마이크로파로 변화시켜 에너지를 전달하는 개념의 전력전송 방식이다. 만약 전파로 전력을 안정적으로 조달할 수 있게 되면, 또 한번의 에너지 혁명이 일어날 가능성이 높다. 전력이 필요한 것이라면 무엇이든지 활용 가능하다. 예를 들면 자동차 배터리가 방전되어 난처한 경우가 있는데 무선전력전송을 이용하면 자동차 배터리가 방전되는 일은 없을 것이다. 또한 외딴 섬마을 또는 등대를 밝히기 위해 자체 발전기를 만들거나 전기선을 가설할 필요성이 없어진다. 

여러 분야에서 활용가능 하지만 무선전력전송 기술이 무엇보다 주목을 받고 있는 분야는 ‘태양광발전’ 분야다. 

지구의 정지궤도나 달과 같은 우주 공간에 태양전지를 설치해 두고, 전력을 생산하자는 것이다. 이렇게 되면 지상보다 2배 이상 되는 태양에너지로 날씨와 상관없이 매일 24시간 발전이 가능해지기 때문에 지상태양광 발전보다 10배 가까운 전기를 생산할 수 있게 되는 것이다. 이것이 일본과 미국이 사활을 걸고 있는 ‘우주태양광발전’(Space Solar Power) 프로젝트이다. 

문제는 이 전기를 지구로 가져와야 한다는 점이다. 

아무리 막대한 양의 전기에너지를 우주에서 생산한다 하더라도 이를 소비처로 옮길 수 없다면 그것은 무용지물일 수 밖에 없다. 이 고민의 해결사로 등장한 것이 바로 ‘무선전력전송’ 기술이다. 

이 무선전력전송의 개념은 100년 전 미국인 과학자 니콜라 테슬라로 거슬러 올라간다. 그는 1900년대 초, 1백50 kHz 주파수의 라디오파에 전기를 실어 전송하려고 시도했다. 비록 그의 시도는 실패했으나, 1963년에 무선통신 기술이 발전하면서 마이크로파(3백 MHz-3백 GHz)를 이용한 무선전력전송이 성공을 거두게 된다. 1964년 10월에는 윌리엄 브라운 박사가 2.45 GHz 주파수의 마이크로파로 전력을 공급해 무연료 헬리콥터를 날게 하는데 성공하기도 했다. 

이러한 연구들은 1979년 미국 항공우주국(NASA)과 에너지부의 ‘우주태양광발전소’(Solar Power Satellite) 프로젝트로 연결되기도 했다. 

이 프로젝트는 정지궤도에 무게 약 5만 t, 넓이 105 km2의 태양전지 패널을 설치해 전기를 생산한 다음, 지름 약 1 km의 송전 안테나로 2.45 GHz의 마이크로파를 사용해 지상으로 전력을 무선으로 전송하자는 대규모 사업이었다. 미국 정부는 이를 통해 원자력 발전소 5기에 해당하는 5 GW의 전력을 얻을 계획이었지만, 경제성이 떨어진다는 이유로 1980년대 초 연구가 보류됐다. 

반면, 일본은 1980년대 이후 이 분야에 대한 연구를 집중했다. 

1983년과 1993년 두 차례에 걸쳐 지상 50 km 높이의 전리층 내에서 로켓을 이용해 마이크로파 무선전송 실험을 성공적으로 이끈 일본은, 2040년 경에 1 GW급 상업용 우주태양광발전소 건설계획을 잡아 놓고 있다. 이를 위해 2006-2007년 우주태양광발전 시스템의 기술 시험 위성을 발사하고 2015~2020년경에는 10~100 MW급 전력 위성을 발사할 예정이다. 

하지만, 미국과 일본의 연구에도 불구하고 여전히 넘어야 할 산은 많다. 

무엇보다 천문학적인 건설비가 문제다. 1 GW급의 일본형 우주태양광발전소 건설비의 총액은 약 24조원에 달한다. 무게 2만 t에 태양전지 패널의 지름만도 2.6 km나 될 정도로 어마어마한 부품과 자재를 우주에 운송하는 수송비가 걸림돌인 것이다. 전문가들은 우주태양광발전이 경제성을 가지려면, 현재 로켓 발사비용의 20분의 1 정도로 가능한 새로운 우주 수송기 개발이 선행되어야 할 것으로 보고 있다. 이 밖에도 우주 쓰레기, 다량의 방사선 환경에서 일하는 우주 노동자의 건강과 안전, 전리층과 대기권의 잠재적인 교란 문제 등도 해결과제로 지적되고 있다. 

그렇지만 수요가 있으면 기술은 발전하기 마련이다. 

전세계적으로 석유에 대한 의존도가 높아지면서 국제유가는 사상 최고가를 기록하고 있다. 뿐만 아니라 화석 연료는 대기오염의 주범으로 지구온난화를 가속화 시키는 문제점을 가지고 있다. 따라서 여러 가지 대체 에너지 중에 하나인 태양에너지는 유력한 대체에너지로 떠오르고 있다. 앞으로 지속적인 대체에너지 연구 및 투자는 태양광발전의 실용화를 생각보다 앞당겨질 수도 있다. 일본의 움직임에 자극을 받은 미국이 무선전기전송 기술 개발에 다시 집중할 예정이어서 이런 가능성은 점점 높아지고 있다. 우리나라도 에너지 문제에서 자유로울 수는 없다. 무선 전력전송 및 태양광발전 분야에서도 우리 과학자들의 획기적 연구성과로 세계를 또 한번 놀라게 할 날이 오길 기대해본다. (글: 유상연 - 과학칼럼니스트)