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▲ 새로운 열전대 모듈을 들고 있는 제트 추진 연구소의 엔지니어. (사진=NASA/JPL-Caltech)
보이저 1호와 2호는 1977년 발사되어 현재까지도 임무를 수행하고 있습니다. 당시 기술로 만든 전자 장비가 아직도 작동할 수 있다는 것도 놀랍지만, 이제 거의 40년이 다 되어가는 데도 작동하는 동력원 역시 신기할 수밖에 없습니다.
보이저를 비롯해 현재 화성에서 종횡무진 활약하고 있는 큐리오시티 로버까지 전력을 공급하는 장치가 바로 원자력 전지라고도 불리는 방사성 동위원소 열전기 발전기(RTG·Radioactive Thermoelectric generator)입니다.
RTG의 동력원은 반감기가 87.7년에 이르는 플루토늄 - 238입니다.
방사성 동위원소가 붕괴하면서 나오는 열을 전기로 바꾸는 일은 열전대(thermocouple)의 몫입니다. 열전대는 서로 다른 재료를 접합한 후 양쪽에 온도를 달리하면 열기전력이 생기는 원리를 이용한 것입니다.
다시 말해 열에너지가 바로 전기 에너지로 변환되는 것인데, 아쉽게도 에너지 변환 효율은 높지 않아 발전용으로는 사용하기 어렵습니다. RTG는 몇 예외를 제외하면 대개는 온도 측정 등의 용도로 사용됩니다.
RTG의 에너지 전환 효율은 3~7% 정도입니다. 높은 수준은 아니지만 수십 년간 끊임없이 전기를 만들 수 있다는 점이 중요합니다. 열전대를 이용한 RTG는 구조가 극도로 단순해서 고장이 날 가능성이 매우 낮고 장시간 신뢰성 있게 동력을 공급합니다.
RTG의 수명을 결정하는 요소는 점차로 출력이 낮아지는 플루토늄과 더불어 열전대의 내구성입니다. 플루토늄의 반감기는 우리가 조절할 수 없지만 열전대의 효율과 내구성은 새로운 소재를 사용해서 끌어올릴 수 있습니다.
나사의 제트추진 연구소(JPL)의 과학자들은 스커터루다이트(Skutterudite)라는 물질을 이용해서 새로운 열전대를 개발했습니다. 이를 이용해서 개발한 eMMRTG(enhanced multi mission RTG)는 큐리오시티에 사용된 MMRTG 대비 25%나 효율이 높아졌을 뿐 아니라 수명 역시 길어졌습니다. 17년 임무를 가정했을 때 eMMRTG는 MMRTG 대비 50%나 만은 출력을 낼 수 있어 같은 양의 방사성 동위 원소로 더 장기간 임무를 수행할 수 있게 되었습니다.
eMMRTG 기술이 응용되면 보이저 우주선보다 더 장기간 임무를 수행할 차세대 우주 탐사선 개발도 가능할 것입니다. 한 마디로 기존보다 더 힘 좋고 오래가는 원자력 전지가 나온 것입니다. 나사는 차세대 우주 탐사 임무에 eMMRTG를 사용할 계획입니다.
나사는 여기서 더 나아가 과거 나사에서 개발된 많은 기술이 여러 산업 분야에 응용된 것처럼 새로운 열전대를 산업 분야에 응용하기 위해 민간 기업에 기술을 위탁했습니다.
앞으로 응용이 기대되는 분야는 고온으로 소재를 다루는 공장 등에서 폐열을 에너지로 재활용하거나 혹은 내연 기관 차량에서 폐열을 전기에너지로 바꾸는 것입니다. 경제적인 대량 생산이 가능할지는 지켜봐야 알겠지만, 나사의 미래 우주 탐사선만이 아니라 지상의 우리도 이 기술의 혜택을 보게 될지 모릅니다.
고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com
