전기전자/정보통신

닛케이 일렉트로닉스_2608호 (p54-67)

제5부: 에너지
달에서는 태양광·원자력·반영구 전원이 주력
일본은 마이크로파 무선 전력 전송에서 활로 모색

달에서는 높은 수준의 이중화와 신뢰성을 확보하기 위해 서로 다른 원리의 에너지원을 조합하는 것이 중요하다. 주력이 될 것으로 예상되는 것은 태양광 발전, 원자력 발전, 반영구 전원 등 3가지다. 그 중에서도 미국과 중국이 주목하는 것은 원자력이다. 원자로 배치를 서두르는 배경에는 유망한 탐사 장소나 자원이 있는 지역에 다른 국가가 진입하는 것을 제한하려는 의도도 있는 것으로 보인다.

인류의 달 표면 활동을 위해 에너지를 확보하기 위한 인프라 구축이 시작되었다. 주력으로 꼽히는 것은 태양광 발전, 원자력 발전, 반영구 전원 등 3가지다. 일본은 우주시스템개발이용추진기구(JSS)를 중심으로 달 주회 궤도에 설치한 태양광 패널에서 발전한 전력을 달 표면으로 무선 전송하는 기술에 주력하고 있다. 미국과 중국, 러시아는 달 표면용 원자로의 개발과 배치를 놓고 치열한 경쟁을 벌이고 있다.

달에서는 서로 다른 원리의 에너지원을 조합하는 것이 중요하다. 정전은 달에 체류하는 사람들의 생명을 위협하기 때문에 전력 인프라에는 높은 수준의 이중화와 신뢰성이 요구된다. 태양광 발전을 주력으로 활용하면서도 달 기지의 생명유지와 중요 설비를 가동하는 데는 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 원자력 발전이 적합하다. 이러한 에너지원을 활용해 수백 kW 규모의 전력을 공급할 수 있는 핵심 전원이 필요하다. 한편 달 표면에서 사용하는 탐사차(로버)나 드론에는 상시 발전할 수 있는 반영구 전원(RTG)이 유용하다.

-- 달 표면에 원자로 설치, 진짜 의도는 ‘영역 선점’ --
미국과 중국이 핵심 전원으로 주목하는 것은 원자력이다. 24시간 발전할 수 있고 에너지 밀도가 높아 경량화에도 유리하기 때문에 달 표면에서 유리하다. 미국 항공우주국(NASA)의 재러드 아이작먼(Jared Isaacman) 국장은 “달에 지속적으로 머물기 위한 인프라를 구축하려면 원자력 활용이 필수적이다”라며 그 중요성을 강조한다.

실제로 NASA는 2026년 5월에 발표한 달 기지 개발계획 ‘Moon Base’에서 원자력을 핵심 전원으로 규정했다. 2029년까지 진행되는 기지 건설 제1단계에서는 방사성 동위원소 열원(RHU)을 검증한다. RHU는 방사성 물질의 붕괴열을 이용해 전자기기를 직접 가열하는 소형 보온장치다.

2032년까지 진행되는 제2단계에서는 태양광 발전과 초소형 원자로를 도입한다. 2032년 이후의 제3단계에서는 100kW급 전력을 상시 공급하는 소형 원자로 설치를 목표로 한다.

미국이 원자로 배치를 서두르는 배경에는 에너지원 확보 이외의 이유도 있는 것으로 보인다. 출입금지구역을 설정해 유망한 탐사 장소나 자원이 있는 지역에 다른 국가가 진입하는 것을 제한하려는 것이다. 원자로를 설치하면 보안상의 이유로 출입금지구역을 설정하기 쉬워진다.

우주개발 스타트업 ispace의 하카마다(袴田) CEO를 비롯한 주요 인사들이 자주 언급하는 것이 세이프티 존 개념이다. 달 표면 활동의 안전 확보를 명분으로 다른 국가나 기업의 접근을 제한할 수 있는 구역을 가리킨다. 천체 점유는 우주조약(OST)에서 금지하고 있지만, 실질적으로 다른 국가나 기업의 진입을 제한해 자국의 의도에 따라 개발을 추진하기 쉬워진다.

미국은 정부와 민간이 일체가 돼 개발을 가속하고 있다. NASA와 미국 에너지부(DOE)는 2026년 1월, 달 표면 원자로에 관한 양해각서(MOU)를 갱신했다. 같은 해 4월에는 미국 대통령실이 원자로 배치를 국가 방침으로 규정하는 각서를 발행했다.

중국과 러시아는 긴밀하게 협력하며 미국에 맞서고 있다. 중국 국가항천국(CNSA)과 러시아 연방우주공사(로스코스모스)는 2025년 5월, 달 표면 원자로 개발을 위한 MOU를 체결했다. 같은 해 12월에는 로스코스모스와 러시아의 대형 우주기기 업체가 개발 계약을 체결했다. 2030년대 전반기 완성을 목표로 독자적인 개발을 추진하고 있다.

다만, 달 표면 원자로에는 기술적 과제가 많다. 초기 소형 원자로의 무게는 수 톤에 이를 것으로 예상돼 대형 달 착륙선이 아니면 운송하기 어렵다. 대기가 없는 달 표면에서 원자로를 효과적으로 냉각하는 방법도 아직 발견되지 않았다.

-- 달 남극에 24시간 전력 공급 --
일본은 달 주회 궤도의 태양광 패널에서 발전한 전력을 달 표면으로 무선 전송하는 방식을 추진하고 있다. JSS 위성관측사업본부의 야나가와(柳川) 부본부장은 “일본이 세계 최고 수준의 기술을 보유하고 있으며, 최우선으로 추진해야 할 분야는 무선 전력 공급이다”라고 말한다. 경제산업성의 위탁을 받아 연구개발을 진행하고 있다.

JSS는 이 방식으로 달 남극에 24시간 전력을 공급하는 구상을 그리고 있다. 달 주회 궤도에 태양광 패널을 탑재한 위성 약 7기를 배치한다. 위성이 남극 상공의 높은 고도에 도달해 남극을 가시권에 두는 시간이 길어지는 시점에 에너지를 전송한다.

전력 전송 수단으로는 마이크로파와 레이저 등 2가지 방식이 있지만, 출력과 제어성 측면에서 JSS는 마이크로파를 중심으로 검토하고 있다. 마이크로파 중에서도 비교적 주파수가 높은 20~50GHz 대역을 사용해 장치의 소형화도 추진한다.

달 표면의 분산형 전력 공급 시스템도 구상하고 있다. 시야가 탁 트인 장소에 태양전지와 안테나를 설치하고, 전력 공급 구역 내에서 전력을 요청하는 대상의 움직임을 전파 빔이 추적하도록 해 전력을 전송한다.

2026년도에는 지구 저궤도에서 지상으로 마이크로파 전력을 전송하는 기술을 검증하기 위한 실증위성 ‘OHISAMA’를 발사할 계획이다. 우주공간에서 지상으로 에너지를 전송하는 기술을 세계 최초로 실증한다.

-- 반영구 전원, 운용상 규제에 과제 --
크레이터의 그늘처럼 햇빛이 닿지 않는 장소가 존재하는 달 표면에서 보조 전원으로 주목받는 것이 반영구 전원이다. 출력은 수 W에서 수백 W로 낮아 핵심 전원으로 사용할 수는 없다. 반면 고정형 관측기기나 소형 탐사기를 장기간 가동할 수 있다. 일본원자력연구개발기구(JAEA)와 산업기술종합연구소는 공동으로 우주항공연구개발기구(JAXA)의 사업을 통해 이 기술을 개발하고 있다.

반영구 전원은 방사성 물질이 붕괴할 때 발생하는 열을 전기로 변환한다. 방사성 물질이 알파 붕괴를 일으키면 에너지가 방출되고, 주변 물질과 충돌하면서 열이 발생한다. 이 열에 의한 온도 차이를 이용해 열전변환소자에서 기전력을 발생시키고 전기로 변환한다.

우주탐사에서 지금까지 사용해 온 방사성 물질은 플루토늄(Pu)-238이지만, 현재 주목받는 것은 아메리슘(Am)-241이다. 발열량은 플루토늄의 5분의 1에 불과하지만, 반감기가 432년으로 약 5배 길다. 100~200년 이상 안정적으로 사용할 수 있다.

JAEA 원자력과학연구소의 다카노(高野) 씨(NXR개발센터 연구수석)는 “일본으로서는 원료부터 기술까지 국내에서 모두 확보할 수 있다는 장점이 있다”고 말한다. 일본 국내에는 사용후핵연료를 재처리해 얻은 플루토늄이 대량으로 보관돼 있다. 이를 10~20년 보관하면 자연적으로 Am-241이 생성된다. 이를 국내 기술로 화학적으로 분리·추출해 확보할 수 있기 때문에 해외 조달에 좌우되는 상황을 피할 수 있다.

Am-241을 봉입한 핀을 여러 개 조합해 열출력 8W, 전기출력 약 0.5W를 구현하는 것이 목표다. 2029년 2월까지 우선 연료 약 10g을 넣은 핀 1개를 이용한 실증에 도전한다.

다만, 이 기술에서는 미국과 유럽이 앞서 있다. 미국 스타트업 Zeno Power는 NASA의 지원을 받아 개발을 추진한다. 2027년 지상 실증을 목표로 수십 W급 출력을 목표로 하고 있다.

2025년 9월에는 Zeno Power가 프랑스 원자력 기업 Orano의 사용후핵연료에서 Am-241을 우선적으로 확보할 수 있는 권리를 획득했다. 유럽우주국(ESA)도 Am-241을 약 2kg 사용하는 열출력 200W급 대용량 모델을 개발하고 있다.

JAEA 등의 반영구 전원 출력이 비교적 낮은 것은 기존 법령의 범위 안에서 실증시험을 계획하고 있기 때문이다. 일본 국내에는 “방사성 물질을 우주로 발사하는 것을 상정한 전용 기준이나 규정이 존재하지 않는다”(다카노 연구수석). 일본 국내에서 간소한 절차로 취급할 수 있는 조건에서는 사용 가능한 Am-241이 약 80g으로 제한되기 때문에 한정된 조건에서 시스템을 설계할 수밖에 없다. 국내의 관련 규정 마련이 앞으로의 과제로 남아 있다.

 -- 끝 --
 

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