Beyond the Space

바로 전의 포스트에서 인공위성의 각 하부 시스템을 인체에비유해 보았었다.

거기에서 인공위성의 심장에 해당하는 것이 바로 태양 전지판이라고했었는데 운동선수와 마찬가지로

인공위성 또한 강한 심장을 가질수록 임무를 수행하는데 유리해진다.

여기서 강한 심장에 해당하는 태양전지판은 높은 효율을 가지는 태양전지판이다.

           <지상용 태양광 발전 시스템>

일반적으로 지상에서 대중적으로 사용하는 (가정용 태양광 발전기와 같이) 태양전지는 실리콘으로 만들어진다.

이러한 범용 태양전지는 보통 10%내외의 변환 효율을 가지게 된다.

여기서 변환 효율이란 태양전지에 가해진 태양 에너지 중 몇 퍼센트가 전력으로 변환되는 지를 나타내는 수치이다.

인공위성도 개발 초기에는 실리콘 타입의 태양전지를 주로 사용하였으나 그 효율이 비교적 낮기 때문에

날이 갈수록 늘어만 가는 고성능 탑재체와 내부 전자 장비의 전력을 충당시키기 위해서는

상당한 넓이의 태양전지판이 필요하게 되었다.

어차피 무한한 우주 공간에 아무것도 거칠 것이 없을 텐데 태양전지판이 아무리 커 봐야

무슨 문제가 되겠느냐고 생각할 지도 모르지만 실질적으로는 몇 가지 문제가 발생하게 된다.

먼저, 태양전지판이 커질수록 당연히 인공위성의 전체 질량이 증가하게 된다.

인공위성은 비용 등의 여러가지 이유로 인해 목표 질량을설정해 두고 거기에 맞도록 설계하기 때문에

전력 공급을 위해 무작정 넓고 무거운 태양전지판을 고집할 수가 없다.

또한, 인공위성을 쏘아 올려주는 발사체에서 위성이 탑재되는 페어링의 공간이 한정되어 있기 때문에

무작정 넓은 태양전지판을 사용하게 되면 그 위성을 발사할 발사체를 찾을 수 없게 된다.

마지막으로, 어찌어찌 무사히 발사에 성공한다고 해도 궤도상에서 태양전지판을 펼칠 때 위성에

가해지는 각종 반작용이 위성의 초기 자세에 영향을 주고 이는 위성의 임무 실패로 연결될 가능성이 있으며

태양전지판이 넓고 길게 펼쳐지게 되면 그 위성의 자세를 제어하기 위해 더 많은 에너지가 소모된다.

짧은 막대 보다 긴 막대가 더 휘두르기 어려운 것과 같은 이치이다.

이와 같이 넓은 태양전지판이 야기하는 문제점을 해결하기 위해서는 작은 면적으로도 많은 에너지가 생성되어야 하며

결국 높은 효율을 가지는 태양전지가 필요할 수 밖에 없는상황이었다.

태양전지의 효율을 높이는 것은 인공위성 개발자들뿐만 아니라 태양전지 분야에 직접적으로 종사하는

사람들에게도 가장 관심 높은 주제였기 때문에 여러 가지효율을 높이는 방법이 연구되었다.

그 중에서도 인공위성 개발자들이 선택한 것은 태양전지를 만드는 재질을 바꾸는 것이었다.

          <GaAs 태양전지>

실리콘 대신 갈륨 아세나이드(GaAs)를 이용한 태양전지는 실리콘에 비해 단연 높은 효율을 끌어냈다.

GaAs 태양전지는 10% 후반에서 20% 초반의 효율을 가지고 있었기에 높은 효율이 매력이지만

그만큼 제작 비용이 실리콘에 비해서 훨씬 높았기 때문에지상용 태양전지 시스템에서는 외면 받았다.

하지만 어차피 수천만 달러에서 수억 달러의 예산이 들어가는상용 인공위성 시스템에 있어서

그 정도의 비용은 감수할 수 있을 정도였다.

이야기는 여기서 그치지 않는다. 수 많은 태양전지 연구자들은 GaAs 태양전지 이상의 효율을

끌어내기 위해서 다양한 화합물을 이용하여 태양전지를 제작하였고

각 화합물의 특성을 이해함에 따라 효율을 높일 수 있는또 한가지의 방법을 제안하기에 이른다.

그것이 바로 Multijunction Solar Cell(다중적층 태양전지)이다.

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