[우주 기술과 응용] 우주 속 고요한 생존자의 기술

배가 고프면 아무리 재밌는 일도 흥미가 떨어지고 집중력이 흐트러져 쉽게 중도 포기하게 된다. 오죽하면 금강산도 식후경이라 하겠는가. 배고픔은 우리 몸의 에너지 부족을 알리는 경고신호와도 같다. 배터리로 움직이는 스마트폰은 어떤가? 충전을 통해 에너지를 공급하지 않으면 머지않아 동작을 멈추고 비싼 벽돌로 전락해 버리고 만다.

스마트폰과 같은 전자기기를 충전하는 것은 아주 쉽다. 단지 콘센트에 충전기를 꽂아 스마트폰에 연결하면 된다. 그렇다면 우주 공간에 떠 있는 인공위성은 어떨까? 인공위성은 에너지를 공급할 콘센트를 구할 방법이 없기에 당연히 배터리로 동작한다. 우리의 직관적인 경험상 배터리로 동작하는 것은 곧 에너지가 바닥나고 사용이 중지됨을 의미한다. 그렇다면 인공위성은 어디에서 어떻게 배터리를 채울 에너지를 공급받는 것일까?

그 답은 태양 전지판(Solar Panels)과 배터리 관리 시스템(이하 BMS, Battery Management System)에 있다. 태양 전지판은 여러 개의 태양전지(Solar Cell)를 직병렬로 연결한 모듈 형태의 장치다. 태양전지는 태양으로부터 방출되는 빛을 전기로 변환하는 장치로, 에너지 변환 효율은 현재 일반 상용 태양 전지판을 기준으로 15~25% 정도이다. 즉, 태양 에너지의 1/4 정도를 활용하고 있는 셈이다.

최근 독일의 프라운호퍼 ISE(Fraunhofer Institute for Solar Energy system) 연구팀이 태양전지 2장 이상을 접합하는 탄뎀(tandem) 방식으로 집중된 햇빛에서 47.6%의 효율을 달성했다. 이는 기존 효율이 30% 미만으로 알려진 태양전지의 효율한계를 극복하는 좋은 소식이다. 태양 전지판은 태양광을 전기로 변환하여 인공위성에 필요한 에너지를 공급하는 역할을 한다. BMS는 이름 그대로 배터리를 관리하는 장치로, 태양 전지판에서 생성된 전력을 받아 배터리를 충전하고 필요한 때에 안정적으로 인공위성에 에너지를 공급하는 역할을 한다.

태양 전지판의 기본원리는 광전효과(Photovoltaic Effect)다. 광전효과는 빛 알갱이인 광자가 물질에 흡수될 때 전자가 방출되는 현상으로, 1887년 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)에 의해 발견되었고, 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 1905년 이 현상을 설명하는 논문을 발표하여 1921년에 노벨 물리학상을 받았다.

태양 전지판의 구성은 크게 다섯 부분으로 나눌 수 있다. 태양 전지판을 보호하고 광투과성을 제공하는 커버 글라스, 태양광의 반사를 줄여 태양전지에 더 많은 빛이 흡수되게 하는 반사 방지막, 태양전지로부터 생성된 에너지를 외부 회로로 전달하는 전면 접촉 그리드, 실리콘 기반으로 만들어진 p-n 반도체 접합, 그리고 전체 구조를 지지하는 기판이 그것이다.

태양 전지판의 에너지 변환 과정은 다음과 같다. 먼저 태양 전지판에 태양광이 닿으면 광자가 반도체에 흡수된다. 이 빛 에너지로 인해 반도체 안에 있던 전자가 더 높은 에너지 상태로 올라가게 되고 전자가 있던 자리에는 빈 공간(정공)이 생기는데, 이를 전자-정공 쌍이라고 부른다. 태양 전지판은 서로 다른 두 종류의 반도체(p형과 n형)가 접합되어 있는 구조이며 접합부에는 이미 작은 전기장이 형성되어 있어 앞서 생긴 전자와 정공을 서로 반대 방향으로 밀어낸다. 따라서 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 결과적으로 n형 반도체에는 전자가 많아지고, p형 반도체에는 정공이 많아져 두 반도체 사이에는 전기가 흐를 수 있는 조건이 형성된다. 이제 이 두 반도체를 전선으로 연결하면 전류가 흐르게 되고, 이 전류는 BMS로 보내져 인공위성의 다른 부분에서 사용할 수 있는 에너지로 저장된다.

BMS는 배터리의 상태를 모니터링하고 배터리의 충전과 방전을 제어하여 배터리가 효율적이고 안전하게 작동할 수 있도록 하는 역할을 한다. BMS의 핵심 기능은 충전상태 모니터링, 온도 관리, 셀 밸런싱(Cell Balancing), 고장 진단 및 보호, 전력 관리이다.

충전상태 모니터링은 배터리의 충전상태를 확인하는 것뿐만 아니라 배터리의 과충전과 과방전을 방지하여 배터리의 수명과 효율을 최상의 상태로 유지하는 것에 목적이 있다. 온도 관리는 낮은 온도에서 성능이 저하되는 배터리의 특성을 고려하여 적정한 온도가 유지되도록 관리하는 기능이다.

대용량의 배터리는 일반적으로 하나의 배터리가 아닌 여러 개의 배터리가 연결된 구조로 구성된다. 여기에서 하나하나의 배터리를 셀(Cell)이라 부르는데, 셀 밸런싱은 이 여러 개의 배터리들이 균등하게 충전될 수 있도록 하는 기능이다. 배터리는 시간과 상황에 따라 여러 가지 형태의 문제가 발생할 수 있어 이를 감시하고 대응하기 위한 고장 진단 및 보호 기능이 필수적이다. 전력 관리 기능은 다양한 장치로 구성된 인공위성의 하위 시스템들이 요구하는 전력을 적절하게 분배하고 사용되도록 전체 전력 구성을 조절하는 기능이다.

우주 공간에 외로이 떠 있는 인공위성은 생존을 위하여 스스로 에너지를 생산하는 것이 필요하다. 태양 전지판은 에너지의 공급원으로, BMS는 에너지의 효율적인 사용을 목표로 인공위성의 생명과 수명을 담당한다. 이 두 시스템의 조화로운 작동은 인공위성이 우주에서 오랫동안 임무를 수행할 수 있게 하는 핵심 요소이다.

이영두 공학박사