오늘은 국내 미래 먹거리가 될 기술이 하나 보여서 소개해볼까 한다. 오늘의 주인공은 '원자력전지(RTG)'로 원자력전지는 방사선 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 전지를 뜻 한다.
한국은 국내 연구진이 40년가량 교체 없이 활용할 수 있는 '원자력전지'를 개발하며 우주 실증에 성공한 상태로 미국과 러시아에 이은 세계 3번째 성공사례로 기록되는 쾌거를 이루게 되었다.
이런 원자력전지(RTG) 기술의 개발과 실증 성공으로인해 최근 나로호, 누리호 등 우주관련 산업이 이슈가 되고있는 한국에서 향후 원자력 기술로 우주 분야 '차별화' 전략과 기술개발 선진입이 가능 할 것으로 보인다.
원자력전지(방사성 동위원소 열전기 발전기(RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator)란?
원자력전지는 방사성동위원소의 붕괴에너지를 전기에너지로 변환하여 사용하는 시스템 기술의 하나로 변환 방식에 따라 열전(Thermoelecric), 베타볼테익(Betavoltaic), 스털링(Stirling), 압전(Piezolelectric) 등 그 종류 또한 다양하다. 태양, 바람 등 외부동력원이 없이도 자체적으로 전력을 생산할 수 있는 발전기이며, 극저온, 고온 등의 환경에서도 안정적으로 전력을 생산할 수 있다.
이러한 원자력전지의 가장 대표적인 기술력은 방사성 동위원소 열전기 발전기(RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator)로 RTG는 명확하게 말하면 우주탐사전의 전력원으로 쓰는 발전기를 틋하는 것이다.
이러한 원자력 전지(인공적으로 생성된 동위원소)는 원자로나 입자가속기에 의해 생성되며 원자로에서는 그 안에서 돌아다니는 중성자가 물질에 충돌해서 생겨나고, 사이클로트론 같은 입자 가속기에서는 가속된 입자가 물질에 충돌해서 방사성 동위원소가 생성된다.
이에 우주용 원자력전지는 주로 방사성동위원소의 붕괴열을 열전소자를 통해 전기로 변환시키는 동위원소 열전발전기를 사용한다.
우리에게 잘 알려진 아톰이라는 일본 애니메이션의 세계관에서 등장하는 철완 아톰의 동력원으로 1980년도 부터 사용되었고 계산기에도 사용된다는 설정이며, 작품내에서는 굵은 건전지 모양으로 묘사하기되기도 하는 등 사실 우리에게 익숙할지도 몰랐을 그런 기술력이라고 할 수 있다.
원자력전지(RTG)의 필요성
일반적인 배터리는 중량대비 에너지 밀도가 낮으며 수명이 짧아 우주탐사 분야에 적용하기 어렵다. 특히나 온도의 예민한 일반적인 배터리는 우주의 온도인 2K(영하 170도)를 견뎌낼 내구성과 수명을 가지지 못했다고 볼 수 있다.
또한 그대체제인 태양전지의 경우에도 수명은 거의 무한할 수 있는 이론적 기술력은 존재하지만 전력 생산량이 매우 적어 대형 탐사선의 주에너지원으로 적합하지 않기 때문에 태양전지 사용이 불가능하거나 전력소비율이 나오지 않는 곳의 우주 탐사를 위해서는 필수적인 에너지 원인 셈이다.
이러한 원자력전지(RTG)의 실질사용은 우주용 아폴로12호의 달 관측 장비의 전원공급에도 쓰였다고하며, 심우주 탐사선파이어니어10호, 11호와 보이저1호, 2호 카시니 등 화성보다 먼 행성을 탐사하는 각종 우주탐사선에 등에 주로 쓰였고 그 외 아폴로계획에서 달 표면의 관측장비들의 전원, 화성 탐사선인 바이킹 1, 2호와 화성 착륙에 성공한 큐리오시티, 미국의 화성 탐사로봇(로버) 또한 원자력 전지를 동력원으로 하고 있다고 한다.
한국 원자력전지 실증 사례 성공
우리나라에서는 열전기술과 베타볼테익 기술을 이용한 원자력전지를 한국원자력연구원에서 개발 하였으며, 정부의 달 탐사 개발사업과 산업융합원천기술개발사업, 원자력융복합기술개발사업 등을 통해 핵심 원천기술을 확보해가고 있다.
지난 8일 한국원자력연구원에 따르면 누리호(KSLV-II) 성능검증위성에 탑재된 원자력전지(RTG)가 우주 공간에서 설계대로 정상적인 작동을 했으며, 이것은 누리호 로켓이 쏘아졌을 당시 안에있던 162.5㎏ 성능검증위성에 안정적으로 전력을 공급하는 원자력전지가 성공적인 실증 사례를 보여준 것이다.
한국의 원자력전지에 대한 기술개발은 알게 모르게 그 노고가 대단했다고 볼 수있다. 2019년 8월 30일에는 한국원자력연구원에서 유럽우주기구(ESA)의 우주용 RTG 개발을 이끄는 영국 Leicester대학교 및 영국 원자력연구소(NNL, National Nuclear Laboratory)와 우주탐사용 원자력전지 개발 협력 및 공동연구를 본격 추진하기도 했었다.
관련 내용 체결은 우주 원자력전지 시스템과 우주용 장치 관련 연구, 우주용 원자력전지의 인허가 관련 국제표준 수립을 위한 협력관계 구축 등의 주요 협력 내용에 대한 양해 각서를 체결하기도 했었다.
현재 전 세계적으로 우주용 원자력전지 제작이 가능했던 나라는 단 두 국가로 미국과 러시아뿐이었다. 후발주자인 유럽과 한국의 원자력전지 연구진이 교차시험 및 기술교류를 통해 우주용 원자력전지의 완성도를 높이고 국제표준 수립을 위한 협력을 통한 기술개발 성공은 이로써 전 세계적으로 우리나라가 3번째 성공을 한 셈이니, 뿌듯해도 될 만한 사실이다.
전 세계 우주 탐사를 위한 준비
미국은 2025년까지 우주비행사를 달로 착륙시키는 '아르테미스 프로그램'을 가동 중에있다. 달에 가려면 무엇보다 전력 공급은 필수적 사안으로 앞서 설명한 효율 문제들로 인해 앞으로 우주여행등이나 차후 우주 관련 에너지 극복을 위해서는 원자력 전지의 기술 개발이 필수적이다.
낮과 밤이 14일을 주기로 바뀌는 달의 특성상 태양에서 멀어지거나 그늘진 곳이면 태양광을 활용할 수 없고 영하 170도까지 떨어지는 극한환경에서 이차전지는 방전되고 전자기기는 곧바로 망가진다.
그렇기에 원자력전지와 우주용 원전등이 현재 부각되고 있는 것이고 외부 환경과 관계없이 24시간 365일 전력을 생산할 수 있는 이점과 함께 현재 기준 40년 전력공급을 할 수있는 장기적 관점까지 더해보면 왜 필요한 기술인지를 알수있는 대목이기도 하다.
원자력연구원이 개발한 원자력전지는 플루토늄-238(반감기 88년) 동위원소가 붕괴될 때 발생하는 열로 전력을 생산하며 단위 질량당 에너지밀도가 높아 우수하고 40년 이상의 수면을 가지고있다.
구체적 구조는 지름 8.5㎝, 높이 12.75㎝, 무게 750g의 원통형 구조이며 자체 기술로 120㎿(밀리와트) 전력을 생산할 수 있다.
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