일론 머스크는 헥사와트급이 아니면 시도하지 않을 것이라며 태양을 가장 주목하는 에너지원으로 꼽습니다. 태양광 전지는 원래 우주용으로 개발되었으며, 모든 에너지의 근원이 태양이라는 점에서 인류의 미래 에너지 전략에 핵심적인 역할을 담당하고 있습니다. 화석연료 사용으로 인한 탄소 배출과 기후 온난화가 지구를 병들게 만들고 있다는 인식이 확산되면서, 재생에너지 연구 분야는 인류가 나아가야 할 필수적인 방향으로 자리 잡았습니다.
카르다쇼프 척도로 본 인류 문명의 에너지 단계
외계 문명의 기술 발전 수준은 에너지 사용량으로 측정할 수 있으며, 이를 카르다쇼프 척도라고 합니다. 1단계 문명은 행성의 에너지를 자유자재로 사용하고, 2단계 문명은 항성인 태양의 모든 에너지를 사용하며, 3단계 문명은 은하의 모든 에너지를 사용하는 단계입니다. 현재 인류는 아직 1단계에도 미치지 못하는 0.75단계에 머물러 있으며, 1단계에 도달하려면 현재 에너지 사용량의 500배가 필요합니다.
일론 머스크가 주목하는 에너지원은 바로 1단계와 2단계 문명에서 가장 중요한 태양 에너지입니다. 그는 화성 진출을 꿈꾸며 태양광 기술에 주목하고 있으며, 테슬라 에너지도 운영 중입니다. 이러한 접근은 단순히 기업가적 비전을 넘어 인류 문명의 발전 단계를 한 차원 끌어올리려는 시도로 해석할 수 있습니다. 화석연료에 의존하는 현재의 에너지 체계로는 카르다쇼프 척도상 더 높은 단계로 나아갈 수 없기 때문입니다.
모든 에너지는 태양에서 왔으며, 태양광 전지는 우주용으로 개발되었습니다. 우주에서는 다른 자원이 없으므로, 가장 직관적으로 얻을 수 있는 태양 전지를 활용합니다. 최초의 인공위성인 뱅가드 위성도 태양 전지를 사용했으며, 이후 모든 우주 비행체에는 태양광 패널이 오래전부터 사용되어 왔습니다. 누리호에 실린 인하로 사 위성처럼 태양광 전지는 우주에서 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 지상에서는 태양광 발전 효율이 낮아 활용이 어려웠으나, 우주에서는 필수적인 에너지원입니다. 인류가 재생에너지 연구 분야에 공감하고 최선을 다해야 하는 이유는 바로 이러한 우주 개발의 역사가 증명하고 있습니다.
3-5족 태양전지의 원리와 우주 활용 기술
태양전지 효율은 표준 조건에서 측정되며, 지역, 일조량, 위도에 따라 다르게 표현됩니다. 지상에서는 대기권과 같은 방해물로 인해 효율이 저하되지만, 우주에서는 직접 태양빛을 받아 효율이 높습니다. 우주에서는 궤도에 맞춰 태양을 계속 바라볼 수 있어 이용률 면에서 지상보다 훨씬 유리합니다. 태양전지는 반도체가 특정 파장대의 빛, 즉 가장 피크인 지점을 흡수하여 전기를 생성하는 원리입니다.
태양전지에 가장 많이 쓰이는 실리콘은 안정한 원소로, 반도체 공정을 통해 도핑하여 전자를 더하거나 덜하게 만들어 PN 접합을 형성합니다. 태양 전지판은 태양빛을 받아 전자가 들뜨고, 이 들뜬 전자가 재결합하지 않고 분리되어 전류를 생성하도록 설계됩니다. 그러나 누리호와 같은 인공위성에는 주로 3-5족 태양전지인 갈륨 아 세 나이 들어가 사용됩니다.
3-5족 태양전지는 실리콘보다 재료와 공정이 비싸지만, 효율이 매우 높습니다. 우주용 3-5족 태양전지는 다중 접합 구조로 되어 있어 넓은 태양빛 스펙트럼을 흡수하여 30% 이상의 높은 효율을 달성합니다. 우주에서는 모든 것이 비싸기 때문에 초기 비용이 많이 들더라도 효율이 높은 태양전지를 사용하는 것이 유리합니다. 이는 화석연료 사용량을 줄이고 재생에너지로 전환하는 지상의 에너지 전략과도 일맥상통합니다. 초기 투자 비용이 높더라도 장기적으로 지속 가능한 에너지원을 확보하는 것이 인류의 미래를 위해 필수적이기 때문입니다.
한국에너지기술연구원에서는 누리호에 가벼운 박막 태양전지인 구리 인듐 갈륨 셀레나이드 및 페로브스카이트를 부착하여 우주 현지 자원 활용(ISRU)을 위한 가능성을 시험하고 있습니다. 이러한 기술 개발은 단순히 우주 탐사를 위한 것이 아니라, 지구상에서도 더 효율적이고 경제적인 태양광 발전 기술로 발전할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
우주 데이터센터 구축과 태양광 에너지의 역할
일론 머스크와 제프 베이조스가 우주 데이터센터 구축 경쟁을 벌인다는 뉴스가 나왔습니다. 일론 머스크의 계획은 중앙의 무거운 데이터센터를 우주로 보내는 것이 아니라, AI가 탑재된 컴퓨터를 위성 페이로드에 실어 데이터를 우주에서 모으는 것입니다. 우주에 데이터를 모으는 부분을 분산시켜 전력망 부하를 줄이고, 재생 에너지를 활용하여 독립적인 전력 운영을 목표로 합니다.
이러한 전략은 태양광 발전이 우주에서 가진 이점을 최대한 활용하는 방식입니다. 우주 환경은 우주 방사선 등으로 인해 반도체가 쉽게 고장 날 수 있는 가혹한 환경이므로, 데이터센터 전체를 우주로 보내는 것은 어렵습니다. 그러나 일론 머스크는 수천수만 개의 위성에 AI 컴퓨터를 실어 보내 우주에 AI 데이터 신경망을 구축하려 합니다. 각각의 위성은 태양광 패널을 통해 독립적으로 전력을 공급받으며, 지상 전력망에 부담을 주지 않고 작동할 수 있습니다.
그러나 태양광을 활용한 심우주 탐사에는 한계점도 존재합니다. 달처럼 15일은 햇빛을 보고 15일은 못 보는 환경이나 심우주에서는 태양광 패널만으로 동력 공급이 어렵습니다. 심우주 탐사에는 태양광 외에 원자력 전지, 행성 에너지 등 다른 에너지원을 활용하려는 노력이 필요합니다. 달에 태양광 패널을 설치하고 무선 전력 전송을 통해 에너지를 공급하는 연구도 진행 중입니다.
일론 머스크의 우주 데이터센터 전략은 정보 선점과 기술 혁신 측면에서 장점이 있지만, 과장된 부분도 있습니다. 그러나 분명한 것은 이러한 비전이 태양광 에너지 기술의 발전을 가속화하고 있다는 점입니다. 화석연료 사용량을 최대한 줄이는 방향과 태양광처럼 인류의 에너지원이 될 수 있는 분야의 연구에 최선을 다해야 한다는 공감대가 형성되면서, 우주 기술과 지상 재생에너지 기술이 상호 발전하는 선순환 구조가 만들어지고 있습니다.
인류가 카르다쇼프 척도상 더 높은 문명 단계로 나아가기 위해서는 태양 에너지를 효율적으로 활용하는 기술이 필수적입니다. 일론 머스크와 같은 기업가들의 투자와 연구 개발은 이러한 방향으로 인류를 이끌고 있으며, 탄소 배출 문제와 기후 온난화를 해결하는 동시에 우주 개발의 가능성을 열어주고 있습니다. 태양광 기술은 지구와 우주를 아우르는 인류의 지속 가능한 미래를 위한 핵심 에너지원으로 자리매김하고 있습니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=zqJ7iPWTJ6I