Blue Origin의 20 m 전력탑은 달 남극의 햇빛 시간을 얼마나 늘릴까

탑의 높이는 그림자를 뒤로 밀어 어둠을 줄이지만, 그 이득은 시간이 아니라 배터리 질량으로 환산해야 보입니다.

20 m라는 숫자를 보고 제가 처음 한 일은, 이 키가 달 남극에서 무엇을 사 주는지 어림해 보는 것이었습니다. Blue Origin은 9월 25일 X에 올린 글에서 이 장치를 20 m 높이로 수직 전개되는 태양전지 시스템이라고 소개했습니다. 달 남극에서 태양은 지평선 위 1.5°를 넘지 않아서, 바닥에 깔린 패널은 작은 둔덕 하나에도 그늘에 잠깁니다. 키를 키우면 그늘은 줄지만 질량과 전개 위험이라는 값을 치르는데, 그 값이 배터리 몇 kg과 맞바뀌는지는 공개 자료에서 찾지 못했습니다. 먼저 결과를 말하면, 높이가 어둠을 줄인다는 방향은 NASA 자료가 뒷받침하지만 20 m가 몇 시간을 줄이는지는 공개된 곳이 없었어요. 그래서 이 글은 계산으로 닿을 수 있는 곳까지 가 보고, 닿지 못한 곳을 표시한 기록입니다.

달 남극에서는 해가 지평선에 붙어 돌아서 작은 둔덕도 긴 그림자를 드리웁니다

이 장치가 무엇인지부터 보면, Blue Origin의 설명은 한 문장에 거의 다 들어 있습니다. 20 m 높이로 수직 전개되는 태양전지 시스템이고, 달 남극 월면 기지 운영에 10 kW 이상을 내도록 설계했다는 것입니다. Space.com에 따르면 회사는 7월 22일 지구에서 찍은 전개 시험 영상도 올렸어요. 기둥이 먼저 올라가고 중앙에서 팔이 갈라져 나와, 접혀 있던 태양전지가 아래로 펼쳐집니다. New Atlas는 착륙선 Mark 1이 이 탑을 싣고 가며 마스트는 나선형 합금 마디로 이뤄진다고 전합니다.

공개된 설명이 모두 같지는 않습니다. New Space Economy(10월 5일)는 회사의 앞선 설명에 26 m라는 값이 있었다고 전합니다. Blue Moon MK1 상단 데크에 올렸을 때의 전체 높이라는 것입니다. 이 값과 20 m의 차이가 어디서 오는지는 설명된 적이 없다고 해요. 여기서는 가장 최근 설명인 20 m를 기준으로 했고, 26 m가 맞다면 아래 계산은 높이에 더 유리해집니다. NASA의 월면 기지 사업은 1단계가 2029년까지이고 운영은 2032년을 겨냥한다고 Space.com이 전합니다. 이 탑은 달에서 돌아가 본 적 없는, 시험 영상과 설명으로만 알려진 단계입니다.

달 남극이 까다로운 이유는 해가 거기서 거의 뜨지도 지지도 않기 때문입니다. NASA 과학시각화 스튜디오(SVS) 페이지를 열어 보니, 달의 남극과 북극에서 태양은 지평선 위아래 1.5°를 넘지 않는다고 적혀 있었습니다. NASA 글렌 연구센터의 월면 환경 보고서(NTRS 20205002224)는 해의 고도각(Elevation angle)¹이 1년 내내 0° 부근에 머문다고 설명합니다. 방위각만 한 달에 한 번 360° 돕니다. 해 지름이 0.52°라 지형에 일부가 가려지는 일이 흔하다는 말도 2쪽에 있어요. 해가 이렇게 낮으면 몇 m짜리 둔덕도 수십 배 길이의 그림자를 만듭니다. 그 배율은 다음 절에서 계산합니다.

비유를 하나 들어 보겠습니다. 해가 낮게 깔리는 늦은 오후에 아파트 1층 마당은 옆 동 그림자에 먼저 잠기고, 고층 베란다에는 한참 뒤까지 빛이 듭니다. 패널을 높이 올리면 지평선 쪽 햇빛을 더 오래 받는다는 이치가 이와 같아요. 다만 이 비유는 시간 규모에서 어긋납니다. 지구의 해는 매일 뜨고 져서 베란다의 이득이 하루 안에 끝납니다. 달 남극의 해는 한 달에 한 번 지평선을 돌아서, 같은 높이가 며칠 단위의 어둠을 바꿉니다.

높이가 얼마나 도움이 되는지는 NASA 자료에 이미 숫자가 있습니다. 월면 환경 보고서 1쪽에 따르면 극지방 표면적의 1% 미만만 일조가 훨씬 길고 어둠이 훨씬 짧습니다. 표면 근처(높이 1 km 이내)에는 100% 빛이 드는 곳이 없다고도 합니다. 같은 쪽은 높이 10 m에서 최대 연속 어둠이 3~4일이고 6개월 넘는 연속 일조가 가능하다고 적었어요. 어느 위치의 값인지는 문장에 밝혀져 있지 않았습니다. 마자리코(Mazarico) 연구진의 고도계 분석은 초록에서 이렇게 전합니다. 섀클턴(Shackleton) 분화구 가장자리 부근 한 곳이 매년 240일 연속 해를 받고, 최장 어둠은 약 1.5일입니다. 높이 10 m 안팎의 이득이 밤 길이를 크게 줄일 수 있다는 말도 있습니다.

사진 속 검은 면은 대부분 그 순간 해가 비추지 않는 곳입니다. 사진 한 장으로는 늘 어두운 영구 음영 지역(PSR, Permanently Shadowed Region)³과 일시적인 그늘을 가를 수 없습니다. 그래서 조명 지도는 마자리코 연구진처럼 18.6년 주기를 여러 번 되풀이하는 시뮬레이션으로 만듭니다. 분명히 보이는 것은 분화구 가장자리와 언덕이 길게 끌어 놓은 그림자입니다. 탑의 키는 바로 이 그림자의 길이와 맞바꾸는 대상이에요.

키를 20 m로 올리면 지평선은 8.3 km 앞까지 열리고 그림자 끝은 760 m 이상 뒤로 밀립니다

지구의 지붕 위 태양전지판을 20 m 높이로 올린다고 해 보겠습니다. 해 고도가 45°(가정)쯤이면 그림자 끝은 높이 ÷ tan(고도각), 곧 20 ÷ tan 45° = 20 m 물러납니다. 달 남극에서는 고도각의 상한이 1.5°라서 같은 20 m가 20 ÷ tan 1.5° = 약 764 m로 환산됩니다. 38배가 넘는 차이가 나는 원리는 하나예요. 해가 낮을수록 같은 높이가 지면 위의 훨씬 먼 거리와 맞바뀐다는 것입니다. 해가 1.5°보다 더 낮아지면 이동 거리는 더 커지니, 평평한 지면 모형에서 764 m는 그림자 길이 환산값의 하한에 가깝습니다.

그림이 보여 주는 것을 수식으로 옮기면 두 가지가 나옵니다. 하나는 그림자 끝의 이동이고, 다른 하나는 꼭대기에서 본 지평선까지의 거리입니다. 매끈한 구 모양의 달을 가정하면 높이 h에서 지평선까지는 √(2Rh)입니다. NASA 달 정보 페이지의 반지름 약 1,740 km를 R로 썼습니다. 20 m 꼭대기에서는 8,343 m, 곧 약 8.3 km 앞까지 열립니다. 바닥 가까이 2 m(가정)에서는 2.6 km에 그칩니다. 키가 열 배가 되어도 지평선은 3.2배만 멀어져요. 스케일 모형으로 옮기면 20 m는 1/144 키트에서 약 139 mm, 1/72에서 약 278 mm입니다. 한 뼘 남짓한 막대가 지평선을 5 km 넘게 넓힌다는 계산입니다.

NASA는 이 방향을 이미 오래전에 봤습니다. 2021년 수직 태양전지 기술(VSAT, Vertical Solar Array Technology)⁴ 사업에서 5개 업체를 골랐습니다. 약 32피트, 곧 9.75 m까지 자율 전개되는 태양전지를 설계시켰고, 목표는 이번 10년 말 달 남극에 한 대를 세우는 것이었어요. 이후 Astrobotic은 30 m가 넘고 50 kW를 내는 구상을 보도자료로 냈습니다. 세 가지를 같은 잣대로 늘어놓겠습니다. 지평선 거리와 그림자 끝 이동은 위의 식으로 제가 계산한 값이고, 30 m는 하한으로 넣었습니다.

표를 보면 높이가 두 배가 될 때 지평선은 1.43배만 늘지만, 그림자 끝은 높이에 정비례해 두 배로 밀립니다. 그러니 탑의 값어치는 먼 곳을 내다보는 데서 나오기보다 가까운 둔덕의 그림자를 수백 m 뒤로 미는 데서 나온다고 저는 읽었습니다.

가장 나쁜 경우를 따져 보면 키가 이득만 주지는 않습니다. NASA 보고서 4쪽은 해를 따라가는 어레이에 수평 보정 능력이 필요하다고 적습니다. 착륙선이 기운 만큼을 바로잡아야 한다는 뜻입니다. 착륙 경사는 15° 아래가 바람직하지만 그 이상도 견뎌야 한다고 합니다. 20 m 마스트가 5°(가정) 기운 채 서 있으면 꼭대기는 20 × sin 5° = 1.7 m 옆으로 밀립니다. 15°이면 5.2 m가 밀려요. 이 탑이 기울기를 어떻게 보정하는지는 공개 자료에서 찾지 못했습니다.

지상과 월면의 괴리도 분명히 해 둘 필요가 있습니다. 7월 22일 영상은 지구에서 한 전개 시험입니다. 그 시험이 진공이나 먼지, 극저온을 재현했는지는 공개 자료에 없어요. NASA 보고서 3쪽은 월면 먼지가 태양전지에 달라붙어 햇빛을 가린다고 설명합니다. 대응으로는 정전식 먼지 차단 같은 전용 장치, 또는 어레이를 더 크게 설계해 감수하는 방법을 듭니다. 착륙선 엔진이 날려 올리는 분출물 때문에 어레이를 돌리거나 접어야 할 수도 있다고 합니다. 20 m 마스트는 발사와 착륙의 진동도 접힌 채로 견뎌야 하는데, 이 하중의 설계 값은 찾지 못했습니다.

이 탑의 전력 계산은 어둠 한 번을 넘길 배터리 에너지에서 시작합니다

제가 이 탑을 평가하는 첫 잣대는 출력이 아니라 어둠 한 번에 필요한 에너지입니다. NASA 보고서 4쪽은 겨울 어둠에도 높은 정상 전력(Nominal power)⁵을 유지하면 에너지 저장이 늘어난다고 적습니다. 아니면 핵분열이나 방사성동위원소 전력계(RPS, Radioisotope Power System)⁶ 같은 다른 전원이 필요하다고 합니다. 사람이 없는 어둠에는 히터 위주의 생존 전력만 쓰면 됩니다. 극지 영구 음영 지역이 −220 °C, 곧 53 K보다 훨씬 낮을 수 있다고 3쪽이 말하니, 그 전력이 히터 몫이라는 설명이 실감 납니다. 같은 보고서의 표는 거주·실험 시설을 정상 4~10 kW, 생존 0.5~2 kW로 정리합니다. 탑이 어둠을 몇 시간 깎아 주는지를 이 값에 곱하면 배터리 몫이 나옵니다.

그 곱셈을 직접 해 보았습니다. 에너지는 부하 곱하기 시간입니다. 시간은 NASA 보고서 1쪽이 극지 유망 지점에 적은 3~4일(96시간)과 마자리코 연구진의 최적 후보지 최장 어둠 1.5일(36시간)을 썼습니다. 생존 2 kW로 36시간이면 72 킬로와트시(kWh)⁷, 96시간이면 192 kWh입니다. 정상 10 kW로 36시간이면 360 kWh, 96시간이면 960 kWh가 됩니다. 팩 단위 비에너지(Specific energy, Wh/kg)⁸를 150 Wh/kg(가정)으로 잡으면 각각 480 kg, 1,280 kg, 2,400 kg, 6,400 kg입니다.

방전 심도(DoD, Depth of Discharge)⁹를 80%로 제한하면(가정) 같은 순서로 600 kg, 1,600 kg, 3,000 kg, 8,000 kg이 됩니다. 처음에는 달의 밤으로 알려진 약 15일을 그대로 넣었습니다. 10 kW × 360시간 = 3,600 kWh, 곧 24,000 kg이 나왔어요. 극지 후보지의 어둠이 36~96시간이라는 자료를 읽고 나니 값이 약 3.8분의 1에서 10분의 1로 줄었습니다.

그래프에서 눈에 들어오는 것은 막대 사이의 비율입니다. 어둠이 36시간에서 96시간으로 늘면 저장 에너지는 2.7배 커집니다. 부하를 정상 10 kW에서 생존 2 kW로 내리면 5배가 줄어요. 키로 어둠을 깎는 일보다 어둠 동안 무엇을 끄느냐가 배터리 몫을 더 크게 좌우한다는 뜻입니다. 그렇다고 높이가 필요 없다는 말은 아닙니다. 어둠이 짧아지면 생존 수준으로 내려가 있어야 하는 시간이 줄기 때문입니다.

탑 한 기가 하루에 만드는 전기도 어림해 봤습니다. New Atlas는 햇빛이 드는 시간 비율이 계절에 따라 44%에서 100%라고 쓰지만 근거는 밝히지 않았어요. 10 kW를 햇빛이 드는 동안의 출력으로 해석하면(가정) 하루 에너지는 10 × 24 × 0.44 = 105.6 kWh에서 240 kWh입니다. 정상 전력 4 kW를 하루 종일 쓰면 96 kWh, 10 kW면 240 kWh가 필요합니다. 가장 나쁜 경우인 44%에서는 탑 한 기가 4 kW 부하에 겨우 맞습니다. 충방전 손실을 빼기 전부터 10 kW 부하에는 모자랍니다. 보고서 표의 현지 자원 활용(ISRU, In-Situ Resource Utilization)¹⁰ 시험 규모는 7~20 kW입니다. New Atlas가 전한 마이크로그리드(Microgrid)¹¹ 구상, 곧 탑 여러 기를 묶는 계획이 따라붙는 이유가 여기서 보입니다.

비용은 이 계산에서 변수로 들어옵니다. 어둠이 길수록 저장할 에너지가 늘고, 배터리가 무거워지며, 그 질량이 착륙선 적재 한도와 발사 비용을 키웁니다. 이를 줄이려고 마스트를 높이면 마스트와 전개 기구가 무거워집니다. 접힌 채 발사와 착륙을 견뎌야 하고, 단 한 번의 전개에 실패하면 탑 전체를 잃는 위험도 따라옵니다. 공개 자료에는 마스트 질량도 전개 신뢰도도 없어서 어느 쪽이 더 무거운지는 아직 계산할 수 없어요. 그래서 이 탑 뉴스에서 kW보다 먼저 볼 숫자는 어둠이 몇 시간에서 몇 시간으로 줄었는가입니다. 그 숫자만 나오면 위의 곱셈 하나로 배터리 몫이 정해집니다.

공개된 숫자가 높이와 출력뿐이라서 이 탑은 어둠 시간 하나로 판단할 수밖에 없습니다

공개 자료에서 찾지 못한 값을 먼저 세어 보겠습니다. 마스트와 전개 기구의 질량, 태양전지 면적과 효율, 실제 조명에서의 평균 출력이 없습니다. 에너지 저장 용량과 설계 수명, 먼지 대책도 없습니다. New Space Economy 분석은 이 탑이 달에서 가동된 적이 없다고 짚습니다. New Atlas의 44~100%는 근거가 밝혀지지 않은 숫자예요. NASA 쪽에도 이 탑에 특정한 어둠 시간 자료는 없습니다. 앞 절의 36시간과 96시간은 위치와 높이가 다른 별개의 연구 값입니다. 그러니 위 계산은 방향을 보여 줄 뿐 이 탑의 성능 예측이 아닙니다.

제 판단을 분명히 하면, 이 탑의 성패는 출력 10 kW보다 어둠을 몇 시간 깎느냐에 달렸다고 봅니다. 앞의 곱셈에서 어둠의 길이는 저장 에너지를 2.7배 갈랐고, 부하를 낮추는 쪽은 5배를 갈랐습니다. 높이는 필요하지만 그것만으로는 모자란다는 쪽이에요. 이 판단을 접어야 하는 조건도 있습니다. 20 m 높이의 최장 어둠이 10 m와 거의 같다는 공개 해석이 나오는 경우가 하나입니다. 월면 가동 뒤 평균 가용률이 44%에서 크게 오르지 않는 경우가 다른 하나입니다. 둘 중 하나라도 확인되면 키의 이득을 과대평가한 것입니다. 반대로 어둠이 지금 가정보다 뚜렷이 짧다고 확인되면 제 판단이 지나치게 보수적이었던 것입니다.

산업 구조는 이 탑이 놓인 자리를 보면 잡힙니다. 소재로는 합금 마스트 마디와 블라인드처럼 접히는 태양전지이 있습니다. 부품으로는 전개 기구와 구동부, 서브시스템으로는 탑과 전력 변환 장치가 있습니다. 그 위에 착륙선과 NASA의 월면 기지 운영이 얹힙니다. 공개 자료에 이름이 나온 곳은 Blue Origin과 계열사 허니비 로보틱스(Honeybee Robotics)입니다. NASA VSAT에서는 Astrobotic, ATK(노스럽 그루먼), Honeybee, 록히드 마틴, 스페이스 시스템스 로럴(맥사)이 선정됐습니다. 뉴스를 접할 때 저는 그 부품이 달에서 실제로 펼쳐진 적이 있는지부터 확인합니다. 그다음에 기술성숙도(TRL, Technology Readiness Level)¹²를 보고, 운영 기관이 어둠 시간 같은 숫자를 공개했는지를 마지막에 봅니다.

직무로는 마스트와 전개 기구를 설계하는 구조·기구 엔지니어가 이 탑과 맞닿아 있습니다. 배터리와 전력 변환을 맡는 전력 시스템 엔지니어도 그렇습니다. 지형 자료로 일조 시간을 계산하는 해석 인력도 있습니다. 비전공자가 시작하기 좋은 곳은 해석 쪽이에요. NASA 고더드 우주비행센터의 달 극지 조명(Lunar Polar Illumination) 자료 페이지가 관련 자료를 공개해 두었습니다. 위도 85°~90° 구간은 일조 지도와 고도 자료를 내려받아 분석해 볼 수 있습니다. 채용은 NASA 공식 안내(nasa.gov/careers)의 공개 공고로 확인하세요. 채용 인원이나 연봉 같은 추정치는 넣지 않았습니다.

높이 20 m면 달 남극에서 밤이 아예 없어지나요?

없어지지 않는다고 보는 것이 자료와 맞습니다. NASA 보고서 1쪽은 표면 근처(높이 1 km 이내)에 100% 조명인 곳은 없다고 적습니다. 높이 10 m의 유망 지점에서도 3~4일의 어둠이 남는다고 하며, 평범한 극지 지점은 이보다 길 수 있습니다. 20 m의 어둠 시간은 공개되지 않아서 얼마나 더 줄지는 모릅니다. 줄어드는 것과 사라지는 것은 다른 이야기입니다. 공개 자료에는 이 탑이 남은 어둠을 어떻게 넘기는지에 대한 설명이 없습니다.

이 탑을 다시 읽을 때는 어둠이 몇 시간에서 몇 시간으로 줄었다는 숫자가 나왔는지를 먼저 보면 됩니다. 그 숫자가 나오면 앞 절의 곱셈 하나로 배터리 몫이 정해집니다. 마스트 질량이 공개되면 높이의 값이 질량과 맞바뀌는지도 따져 볼 수 있어요. 둘 다 아직 비어 있으니, 지금은 20 m와 10 kW라는 두 숫자가 기대를 부르는 단계라고 저는 읽습니다.

요약표를 한 줄씩 보면 이 탑에서 확인된 것은 높이와 설계 출력이고, 계산으로 닿은 것은 어둠 한 번이 배터리 에너지 수백 kWh에 해당한다는 규모입니다. 비어 있는 칸은 질량과 어둠 시간이어서, 기대는 이 칸이 채워질 때 숫자로 바뀝니다.