[디지털비즈온 이호선 기자] 달의 표면 온도는 최저 -233도/최대 123도 온도가 떨어지는 극한환경이다. 14일의 밤에는 태양전지를 작동할 수 없고, 영하 170℃의 극저온은 태양전지에서 발전한 전기를 저장하는 이차전지를 방전시키고, 전자기기를 망가뜨린다. 이같은 우주 환경에서 안정적으로 동작할 수 있는 전력 공급원은 동위원소전지, 일명 원자력전지가 유일하다.

원자력 전지(原子力電池)는 원자력을 이용하여 전력을 내는 전지를 말한다. 우주선이나 인공심장의 에너지원으로 사용된다. 일반 전지와는 달리 10-20년정도의 수명을 가진다.

우주선용 원자력전지는 1961년 미국이 발사한 항법위성 트랜짓 4A에 처음 탑재됐다. 이후 미국 항공우주국(NASA)의 달탐사 계획인 아폴로 프로젝트를 시작으로 목성 탐사선 갈릴레오, 토성 탐사선 카시니, 명왕성 탐사선 뉴호라이즌 등에 쓰였다.

원자력 전지는 크게 핵붕괴 과정에서 나오는 열을 이용하는 방법이나 광 입자를 활용하는 방법으로 나뉜다. 우선 열을 이용하는 방식은 기존 RTG 방식으로 핵붕괴 과정에서 나오는 열을 모터나 기타 부품 등을 이용해 사용한다. 반면 광 입자를 활용하는 방식에는 핵붕괴 과정에서 나오는 알파 혹은 베타 입자를 기존 태양전지의 반도체 접합에서 생기는 전압차가 생기는 원리를 이용하여 전기를 발전시킨다.

미국과 러시아만 원자력 전지를 생산할 수 있다. 최근 원자력 발전소에서 발생하는 탄소를 다이아몬드화 시켜 사용하려는 전지기술도 연구중에 있다.

한국원자력연구원(원장 박원석)은 자체 기술로 우주용 동위원소전지를 개발하고 지난 6월21일 발사한 누리호 성능검증위성에서 실증에 성공했다고 8일 밝혔다. 미국과 러시아에 이어서 세계 세 번째다.

동위원소전지는 방사성동위원소가 붕괴하면서 발생하는 열에너지를 열전소자에 전달해 전기를 만든다. 열전소자 양 끝에 온도 차이가 발생하면 전류가 흐르는 열전현상을 이용한다.

외부 동력원 없이 자체적으로 전기를 생산하고 온도, 압력 등 외부 환경의 영향을 받지 않는 장점이 있다. 또 40년 동안 충전이나 교체가 필요 없어 심해나 우주 같은 극한환경에서 사용하기에 가장 적합하다는 평가를 받고 있다.

원자력연구원 홍진태 박사 연구팀은 2016년부터 달 탐사용 동위원소 전지를 개발했다. 자체 기술로 120밀리와트(mW)의 전력을 생산하는 시제품 제작에 성공했다.

연구팀은 누리호 탑재 전 지상에서 다양한 시험을 수행했다. 저온의 진공상태를 모사한 우주 환경 온도 시험, 우주선 발사 시 발생하는 강력한 진동을 견디는 우주선 발사 진동시험, 탐사선이 발사체에서 분리될 때 발생하는 극심한 충격에 대비한 우주선 페어링 충격 모사시험을 거쳤다. 또 우주에서 발생하는 강한 감마선을 견디는 감마선조사시험을 수행하는 등 각종 우주 환경을 모사해 성능을 검증했다.

누리호 성능검증위성 시험은 7월11일, 7월26일 두 차례 진행됐다. 우주 환경에서 정상적으로 전기를 생산하는지와 함께 동위원소전지의 안전성 및 신뢰성을 검증했다.

시험 결과 모든 기능이 정상적으로 동작하는 것을 확인했으며, 1·2차 시험 모두 목표 전기출력 120±50mW에 도달하는데 성공했다. 이는 극저온의 달 표면에서 이차전지의 방전을 막고 전자기기를 보호하는데 사용할 수 있는 정도라고 연구원은 설명했다.

이번 실증 시험으로 연구원이 개발한 동위원소전지는 우주 환경에서 검증한 이력을 뜻하는 ‘우주 헤리티지(heritage)’를 확보했다. 이후 3개월, 1년 6개월 동안 장기 시험을 통해 동위원소전지의 우주방사선 환경내구성을 검증할 예정이다.

한국원자력연구원은 향후 방사성동위원소 열원을 탑재한 동위원소전지를 제작할 예정이다. 또한 달 탐사선 탑재를 목표로 다양한 규격의 동위원소전지를 개발하는 한편, 화성 및 외행성 탐사에도 활용할 수 있도록 발전시킬 계획이다.