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'음료병 크기' 원자력전지, 40년 전력공급...이걸 해낸 한국[우주다방]

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  • 김인한 기자
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  • 2022.08.08 13:13
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원자력硏, 미국·러시아 이은 세계 3번째 '쾌거'
누리호 탑재됐던 원자력전지, 우주서 정상작동
美 인공위성, 화성 탐사로봇에 원자력전지 탑재
원자력강국은 우주탐사에도 '차별화 전략' 가능

누리호(KSLV-II)의 성능검증위성(왼쪽 주황색)이 분리되는 모습. 이 성능검증위성 안에는 우주용 '방사성동위원소전지'(RTG)가 탑재돼 전력을 공급한다. / 사진=한국항공우주연구원 유튜브
누리호(KSLV-II)의 성능검증위성(왼쪽 주황색)이 분리되는 모습. 이 성능검증위성 안에는 우주용 '방사성동위원소전지'(RTG)가 탑재돼 전력을 공급한다. / 사진=한국항공우주연구원 유튜브
국내 연구진이 40년가량 교체없이 활용할 수 있는 '원자력전지'를 개발해 우주 실증에 성공했다. 120㎽(밀리와트)급 초저전력이지만 40년간 인공위성 계측센서에 전력을 공급할 수 있는 양이다. 현재 연구진은 6W(1W=1000㎽)급 우주용 원자력전지 개발에도 성공해 향후 규모를 키워나갈 예정이다.

8일 한국원자력연구원에 따르면 누리호(KSLV-II) 성능검증위성에 탑재된 '방사성동위원소전지'(RTG)가 우주 공간에서 모두 설계대로 작동했다. 누리호는 지난 6월 21일 발사된 국산 로켓이다. 이 로켓 안에는 162.5㎏ 성능검증위성이 있었고, 안정적으로 전력을 공급하는 RTG, 일명 원자력전지가 장착된 바 있다. 미국에선 인공위성과 화성 탐사로봇(로버)에 원자력전지를 전력 공급원으로 활용 중이다.


누리호에 탑재됐던 162.5㎏ 성능검증위성(왼쪽)과 그 내부에 탑재된 750g 짜리 우주용 '방사성동위원소전지'(오른쪽) 시제품. / 사진제공=한국원자력연구원
누리호에 탑재됐던 162.5㎏ 성능검증위성(왼쪽)과 그 내부에 탑재된 750g 짜리 우주용 '방사성동위원소전지'(오른쪽) 시제품. / 사진제공=한국원자력연구원
미국항공우주국(NASA)이 달 표면에서 가동할 초소형 원전 상상도. / 사진=미국항공우주국(NASA)
미국항공우주국(NASA)이 달 표면에서 가동할 초소형 원전 상상도. / 사진=미국항공우주국(NASA)



우주서 원자력 필요한 이유는…24시간 365일 '전력공급'



전 세계가 심(深)우주 탐사에 앞서 달 탐사에 나섰다. 달을 전초기지 삼아 머나먼 우주로 나아가겠다는 계획이다. 미국은 2025년까지 우주비행사를 달로 착륙시키는 '아르테미스 프로그램'을 가동 중이다. 달나라에 가려면 무엇보다 전력 공급이 필수적이다.

달은 낮과 밤이 14일을 주기로 바뀌어 태양에서 멀어지거나 그늘진 곳에선 태양광을 활용할 수 없다. 영하 170℃까지 떨어지는 극한환경에서 이차전지는 방전되고 전자기기는 망가진다. 그러나 원자력전지나 우주용 원전은 외부 환경과 관계없이 24시간 365일 전력을 생산할 수 있다.

원자력연구원이 개발한 원자력전지는 플루토늄-238(반감기 88년) 동위원소가 붕괴될 때 발생하는 열로 전력을 생산한다. 단위 질량당 에너지밀도가 높고, 수명도 40년 이상으로 별도의 충전이나 교체가 필요 없다. 지름 8.5㎝, 높이 12.75㎝, 무게 750g의 음료수 병 크기만하다. 이번에 120㎽(밀리와트)급을 실증했지만, 앞으로 10~100W급 원자력전지 실증도 나설 예정이다.


원자력전지 원리. / 사진제공=한국원자력연구원
원자력전지 원리. / 사진제공=한국원자력연구원



원자력硏, 2016년부터 개발…'우주 헤리티지' 확보



홍진태 원자력연구원 동위원소연구부 박사팀은 2016년부터 기술개발을 시작했다. 달 탐사용 원자력전지 개발이 목적이었다. 한국과학기술기획평가원(KISTEP) 보고서에 따르면 이 기술의 가치는 2000억원이 넘는다. 무엇보다 우주 환경에서 기술을 실증했다는 우주 헤리티지(heritage)를 확보했다는 데 의미가 크다.

연구팀은 누리호 탑재 전부터 실패 확률을 줄이기 위해 다양한 시험을 수행했다. 저온의 진공상태를 모사한 우주 환경 온도 시험, 우주선 발사 진동시험, 우주선 페어링 충격 모사시험 등을 거쳤다. 또 우주에서 발생하는 극강 감마선을 견디는 감마선조사시험을 수행하는 등 각종 우주 환경을 모사해 성능을 검증했다.

그 결과, 지난달 11일과 26일 우주 환경에서 모든 기능이 동작했고 전기 생산까지 확인했다. 데이터 분석 결과에 따르면 1·2차 시험 모두 목표 전기출력 120±50㎽에 도달했다. 이는 극저온의 달 표면에서 이차전지의 방전을 막고 전자기기를 보호하는 데 사용할 수 있는 성능이다.

홍 박사는 "우리 기술력으로 미국, 러시아에 이어 세 번째로 동위원소전지를 개발해 우주시험에 성공했다"며 "기술을 실증한 만큼 차별화된 우주 탐사 전략을 만들 수 있다"고 했다. 이어 "기술이 향후 우주에서 안정적으로 사용될 수 있도록 연구에 많은 관심과 지원을 부탁드린다"고 말했다.

원자력연구원은 향후 달 탐사선 탑재를 목표로 다양한 규격의 전지를 개발하고 화성, 소행성 탐사에 활용할 기술개발에 나선다는 계획이다.
미국항공우주국(NASA)이 개발한 화성 탐사 로봇 퍼서비어런스(Perseverance·영어로 인내). 이 로봇에는 이른바 원자력전지인 우주용 '방사성동위원소전지'(RTG)가 탑재돼 있다. 퍼서비어런스 전 큐리오시티 로봇에도 원자력전지가 탑재된 바 있다. / 사진=미국항공우주국(NASA)
미국항공우주국(NASA)이 개발한 화성 탐사 로봇 퍼서비어런스(Perseverance·영어로 인내). 이 로봇에는 이른바 원자력전지인 우주용 '방사성동위원소전지'(RTG)가 탑재돼 있다. 퍼서비어런스 전 큐리오시티 로봇에도 원자력전지가 탑재된 바 있다. / 사진=미국항공우주국(NASA)



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