원자력공학과와 융합연구…에너지 변환효율 2배 이상 향상
미래창조과학부 우주핵심기술개발사업으로 추진

기계공학과 남영석 교수 연구팀이 미래창조과학부의 우주핵심기술개발사업에 선정돼 우주탐사체에 탑재되는 고에너지 밀도 열광전 배터리를 개발하고 있다. 이 배터리는 현재 미항공우주국(NASA)에서 사용하는 우주탐사체용 배터리의 에너지 변환효율을 2배 이상 향상시킬 것으로 기대된다. 우주핵심기술개발사업은 독자적 우주개발에 필수적인 핵심기술 자립화를 지원하는 사업으로, 남영석 교수 연구팀은 2019년까지 연구비를 지원받을 예정이다.

나노광학기술 통해 에너지 변환효율 높여
현재 우주탐사체에 널리 사용되는 배터리는 태양전지와 열전기 배터리다. 태양전지는 기존 기술로 쉽게 활용이 가능하나, 태양광이 닿지 않는 곳에서 방전되는 문제가 있다. 실제로 인류 역사상 최초로 혜성 표면에 착륙한 탐사로봇 ‘필레’는 태양광을 받을 수 없는 그늘에서 배터리가 방전돼 작동을 멈췄다.

열전기 배터리는 방사성동위원소가 붕괴하면서 발생시키는 열을 열전모듈을 통해 전기에너지로 바꿔준다. 이 배터리는 지속해서 열을 내는 에너지원을 갖고 있으며, 그 에너지원인 방사성동위원소의 반감기가 수십 년에 이르기 때문에 장기적인 우주탐사를 가능하게 한다. 그동안 NASA의 우주탐사체에 탑재돼 수많은 우주탐사 임무를 성공적으로 이끄는 데 기여했다. 그러나 열전기 배터리는 에너지 변환효율이 약 6%로 상대적으로 낮다. 남영석 교수 연구팀은 열전모듈 대신 열광전변환기술을 활용한 모듈화로 에너지 변환효율을 최대 20%까지 높일 계획이다. 남 교수는 “열광전변환기술은 방사체가 방사성동위원소의 붕괴열을 흡수한 뒤, 광전모듈이 효율적으로 활용할 수 있는 에너지로 변환시켜 광전모듈에 공급하는 방법이다. 에너지를 변환시키는 과정에는 나노광학기술, 광전모듈의 열관리에는 나노 상변화 열전달 기술이 각각 적용된다”고 설명했다.    

“융합연구가 새로운 가능성 열어줄 것”
최근 우주탐사체의 임무가 늘어나면서 측정과 분석을 위한 여러 가지 장비가 탑재되고 있다. 이에 따라 더 많은 전력을 공급하는 배터리의 필요성이 증가하고 있다. 남영석 교수 연구팀은 에너지 변환효율을 향상시키는 한편, 소실되는 열을 활용할 수 있는 방법을 연구해 우주탐사체용 배터리의 한계를 극복해나갈 계획이다. 남 교수는 “에너지 변환효율을 6%에서 20%로 높이더라도 여전히 방사성동위원소 붕괴열 중 상당량이 소실된다”면서 “그 열을 전기에너지로 변환시키는 하이브리드 배터리도 연구할 것”이라고 밝혔다. 

지난해 7월부터 연구를 시작한 연구팀은 현재 열광전 배터리 모델 개발을 완료하고, 방사체와 광전모듈의 특성에 따른 에너지 변환효율 변화를 관찰하고 있다. 연구는 기계공학과와 원자력공학과 융합연구로 추진 중이다. “융합연구가 새로운 가능성을 열어줄 것”이라고 기대한 남영석 교수는 “융합연구를 통해 전력공급체와 같은 핵심모듈을 개발해 기술력을 갖게 되면, 우주 분야에서 기술 리더십을 가질 수 있을 것”이라고 말했다. 남영석 교수 연구팀은 앞으로도 나노기술을 적용해 에너지 분야에서 새로운 가능성을 찾는 연구를 지속할 계획이다.