디지털 유목민 가로되, ‘비우고 때에 채우면 또 즐겁지 않느냐.’ 오늘도 배터리를 가득 채우고 나오셨나요? 밥은 준비하지 않아도 스마트폰 배터리 용량만큼은 포기할 수 없어요. 우주의 모바일 기기, 인공위성도 매일 충방전에 촉각을 곤두세우고 있다고 합니다. 그런데 인공위성마다 충전시간이 다르다는 사실 알고 계셨나요?인공위성 안에 스마트폰 배터리가?인공위성도 스마트폰, 자동차, 카메라와 다르지 않습니다. 전자기기를 탑재한다는 점에서요. 많은 전자 디바이스와 기기를 탑재하고 있기 때문에 전력을 공급받아야 하는 것도 마찬가지입니다. 그래서 모두 배터리가 들어갑니다. 배터리에 쌓인 전력을 작동시킬 때 소비합니다. 실제로 인공위성은 스마트폰과 같은 리튬 이온 배터리를 탑재하고 있습니다. 물론 크기는 훨씬 큽니다. 라면 박스만한 크기에 셀이 8개 정도 들어갑니다. 충방전 원리도 마찬가지라고 할 수 있습니다.
인공위성 배터리에도 스마트폰과 같은 리튬이온 배터리가 탑재된다. <사진 출처=eaglepicher> 그럼 인공위성은 언제 전력이 필요할까요? 일단 궤도에 오르면 궤도 속도로 돌아가기 때문에 궤도를 도는 데 사용하는 것은 아니라고 생각합니다만. 자동차도 연료로 움직이지만 시동을 걸고 회전하고 정지하는 모든 움직임에는 전자 제어 기기가 사용됩니다. 위성에서는 이것을 반작용 휠이 수행합니다. 인공위성이 항상 지구 쪽을 바라볼 수 있도록 자세를 바꿔야 합니다. 5개의 바퀴를 1초에 수십 번 돌리기에는 전력 소모가 많을 것입니다. 이걸 한시도 쉬지 않고 돌립니다.
위성 속의 컴퓨터는 어떻습니까? 1년 365일 24시간 풀가동합니다. 지구 관측 위성이나 기상 관측 위성은 촬영도 끊임없이 실시합니다. 카메라 전장품에도 전력이 필요합니다. 태양 전지판도 계속 태양 쪽을 바라보기에는 가끔 회전합니다. 이때도 전력장치를 사용합니다. 각종 전장품이 계속 일하다 보면 과열되겠죠? 열제어를 하는 히트파이프도 파워는 항상 ON. 게다가 안전모드일 때도 최소한의 전력은 살려두다니 배터리가 인공위성의 생명줄을 쥐고 있는 것이나 다름없습니다.
위성마다 충방전 횟수가 다른 이렇게 많은 전력이 어디서 나오는지는 잘 아실 겁니다. 인공 위성 본체 옆에 날개처럼 붙어 있는 태양 전지 패널입니다. 태양광을 전력으로 바꿔서 사용합니다. 인공위성도 일종의 재생에너지를 사용하는 전자기기인 샘입니다. 대기권이 없는 우주에서는 태양열을 직접 받을 수 있어 지상의 태양열 발전보다 에너지 효율도 좋습니다.
인공위성은 하루에 사용하는 에너지를 계산해 태양전지 패널의 개수를 결정하고 태양전지 패널을 통해 모든 전력을 공급받는다. 사진은 아리랑 3호의 임무 수행 상상도.사실 재생 에너지에는 실이나 바늘 같은 에너지 저장 시스템이 필수적입니다. 풍력 터빈은 바람이 불 때만, 태양광 시스템은 태양광이 비칠 때만 발전이 가능합니다. 에너지를 저장하고 사용하지 않으면 문제가 발생합니다. 발전 출력이 삐걱거리면 전력 품질이 저하되어 항상 일정한 전압 공급이 어려울 것입니다. 정지나 기기 고장으로 이어질 수 있습니다. 그래서 잉여 전력의 저장은 반드시 필요합니다. 인공위성은 태양광을 받을 때 배터리에 충분히 충전해 두었다가 태양이 가려지면 방전되는 방식입니다.
이 충방전 횟수가 인공위성마다 다릅니다. 높은 궤도를 돌느냐, 낮은 궤도를 돌느냐에 따라 차이가 있습니다. 저궤도에서는 위성 속도가 정지궤도보다 2배 이상 빠릅니다. 저궤도를 도는 아리랑 위성은 초속 7.5km의 속도로 하루에 15번 정도 지구를 돌아요. 돌면서 태양에 가려 다시 시청을 반복합니다. 이 횟수가 바로 충전 주기입니다. 100분 정도면 지구를 한 바퀴 돈다는 계산이 나옵니다. 이 중 낮 지역이 64분, 밤 지역은 36분입니다. 충방전을 하루에 15번 반복하는 겁니다.
아파트 고층일수록 일조량이 높은 듯 높은 고도로 올라가 있는 정지궤도 위성은 항상 태양광을 받을 수 있다. <사진 출처=픽사베이> 고궤도에서 지구 자전 속도로 돌고 있는 정지궤도 위성은 어떨까요? 저 궤도 위성처럼 밤과 낮이 있나요? 태양이 1억 5천만 km 정도 떨어져 있기 때문에 대부분 태양을 바라볼 수 있습니다. 저궤도 위성도 마찬가지라고 생각합니다만, 이상하지요. 저궤도는 지구에서 불과 600~800km 떨어진 지점입니다. 태양과의 거리와 비교하면 지구에 붙어 있는 것과 같습니다. 지구 뒤에 숨었을 때는 밤이 될 수밖에 없어요. 정지궤도 위성은 이보다 훨씬 높은 3만6000km 고도에 있기 때문에 태양빛을 고르게 받을 수 있습니다. 아파트도 고층일수록 일조량이 높은 것과 같은 이치죠.정지궤도 위성도 태양에 가려질 수 있는 저궤도 위성은 스마트폰처럼 충·방전을 반복하고 정지궤도 위성은 종일 충전기를 끼워두는 것과 같습니다. 충전 걱정 같은 것은 없을 것 같은 정지 궤도 위성도 태양에 숨을 수 있습니다. 1년에 2번만 춘분, 추분점이에요. 지구처럼 돌고 있는 정지궤도 위성은 지구의 공전 위치에 따라 태양빛을 받는 각도도 조금씩 달라집니다. 춘분, 추분점에서는 지구의 자전축 기울기(황도 경사각)가 0°가 되어 낮과 밤의 길이가 같아집니다. 이때 태양 뒤에 있으면 지구의 그림자에 의해 완전히 가려집니다. 이렇게 숨는 시간이 수십 초에서 최대 72분까지입니다. 우리 연구진은 정지궤도에 올라 있는 천리안 2A호에 대해 올해 3월 21일 춘분점 때는 대부분 태양에 노출돼 있었다. 공백은 수십 초 정도였다고 전했습니다. 항상 충전 중인 정지 궤도 위성 배터리도 이때는 방전이 되는 것입니다.
정지궤도 위성은 춘분, 추분점 외에 달에 의해서도 태양에 가려지기도 한다. <그림의 출처=perkinselearning> 춘분, 추분점 이외에도 달에 의해 햇빛이 가려지는 경우가 간혹 있습니다. 태양-달-정지궤도 위성-지구가 일직선상에 놓일 때입니다. 이 시간은 최대 150분 정도입니다. 정지 궤도 위성은 항상 배터리를 펑펑 충전해 두기 때문에 이 정도면 여유가 있습니다. 게다가 인공위성은 영리하게도 충방전을 스스로 합니다. 태양전지판에서오는전압이낮아지면배터리전압을가지고와서쓰도록프로그래밍이되어있죠. 충전도 일정 전압 이상인 경우에만 시작합니다.
인공위성도 스마트폰처럼 충방전 횟수에 따라 배터리 수명이 결정됩니다. 저궤도 위성의 임무가 3년이면 365일×15번×3년=1만8000번으로 제한됩니다. 정지 궤도 위성은 지속적으로 잔여 용량을 모니터링하는 방식으로 배터리 수명을 관리합니다. 배터리를 교체할 수 없는 인공위성은 스마트폰보다 배터리 관리를 철저히 해야 할 것 같네요.
기획/제작 : 항공우주 Editor 오요한 자문/감수 : 정지궤도복합위성사업단 용기력박사