Caltech 우주태양광 특허 US10144533B2 — 비결속 모듈형 위상배열이 질량 대신 전력으로 산 정밀도

ISSUE 2026 · W34 | 우주 전력·에너지 시스템

청구항 1이 실제로 묶어 둔 것

Google Patents에 공개된 등록 청구항 1은 우주 태양광 발전소를 다섯 개의 구성요소로 정의한다. 첫째, 궤도상 배열 대형(orbital array formation)으로 우주에 배치된 복수의 서로 연결되지 않은(unconnected) 위성 모듈. 둘째, 각 위성 모듈 위에 배치된 복수의 발전 타일(power generation tile). 셋째, 각 타일 위의 적어도 하나의 광전지(photovoltaic cell). 넷째, 같은 타일 위에 광전지와 함께 배치돼(collocated) 그 광전지가 만든 전류로 구동되는 적어도 하나의 전력 송신기. 다섯째, 각 송신기가 안테나와, 안테나에 공급되는 무선주파수(RF, Radio Frequency) 전력 신호의 위상을 제어해 다른 타일의 송신기들과 함께 위상배열(phased array)을 이루도록 하는 제어 전자장치를 갖는다는 조건이다.

여기서 눈여겨볼 단어는 “unconnected”다. 이 특허를 “작은 모듈의 궤도상 조립”으로 요약하기 쉽지만, 청구항 1이 요구하는 것은 기계적 결합이 아니라 비결속 편대다. 모듈은 트러스로도, 전력선으로도 이어지지 않는다. 종속항은 이 공백을 메우는 수단을 나열한다. 정지 동기 궤도 배치(청구항 2), 타일 위치 센서와 GPS(Global Positioning System)·지상국 기준 신호(청구항 4~7), 위치 정보 기반 위상 조정과 전자식 빔 조향(청구항 8~10), 모듈 간 위상 데이터 무선 통신(청구항 12), 타일 온도 관리 장치(청구항 17), 가동 결합 요소로 크기가 바뀌는 접이식 모듈(청구항 20)이다.

2023년 궤도 실증이 보여 준 것과 남긴 것

특허의 개념은 2023년 1월 3일 발사된 우주 태양광 실증기(SSPD-1, Space Solar Power Demonstrator 1)에서 부분적으로 궤도 검증을 받았다. SSPD-1에는 세 실험이 실렸다. 초경량 복합재 전개 구조물 실험(DOLCE, Deployable on-Orbit ultraLight Composite Experiment), 32종 태양전지를 시험한 ALBA, 그리고 무선 전력 송신 배열 실험(MAPLE, Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment)이다. Caltech의 2023년 6월 1일 발표에 따르면 MAPLE은 자체 설계한 유연한 실리콘 집적회로 칩 하나가 송신 안테나 16개 묶음을 구동하는 구조로, 약 30 cm(1 foot) 떨어진 두 수신 배열에 전력을 번갈아 조향해 발광다이오드(LED)를 켰고, 지상 Caltech 옥상에서도 예상 시각·주파수에 신호가 검출됐다.

2024년 1월 Caltech의 임무 종료 발표는 교훈도 함께 공개했다. MAPLE은 초기 실증 뒤 약 8개월간 추가 시험을 받았고, 의도적으로 가혹 조건을 걸었을 때 송신 전력이 떨어졌다. Caltech은 원인으로 개별 송신 소자의 열화와 전기·열 상호작용을 지목했다. DOLCE는 지상 시험에서 본 적 없는 걸림으로 전개가 지연됐다. 다만 MAPLE의 송신 주파수, 출력 전력, 수신 효율 같은 정량값은 이 공개 자료에서 확인되지 않는다.

단일 거대 위성과 비결속 모듈의 설계 축

두 아키텍처의 차이는 “안테나 면의 정밀도를 어디서 확보하느냐”에 있다.

표의 시사점은 모듈형이 정렬 문제를 “없앤” 것이 아니라 성격을 바꿨다는 점이다. 기계 공차의 문제가 전자·통신의 문제로 넘어갔고, 그 비용은 질량이 아니라 상시 소비되는 전력과 계산으로 청구된다. 또한 모듈 사이에 전력선이 없으므로, 그늘지거나 열화된 타일의 부족분을 이웃 타일이 메워 줄 방법도 없다.

지상 위상배열 레이더에서 궤도 편대 송전으로

지상 현황. 지상의 능동 위상배열 안테나는 강성 높은 판에 소자를 고정하고 공장 교정으로 위상 오차를 보정하며, 대류나 액체 냉각으로 증폭기 발열을 뽑아낸다. 소자 위치는 사실상 상수이고 전원은 하나의 버스에서 나뉜다.

우주 적용 시 변화. 궤도의 비결속 배열에서는 소자 위치가 상수가 아니다. 얇은 막 구조는 일식 진출입 때마다 수십 K 폭의 온도 순환으로 뒤틀리고, 모듈끼리는 궤도 섭동 속에서 상대 위치가 계속 변한다. 10⁻⁶ Torr 이하 고진공에서는 증폭기 발열이 복사로만 빠져나가며 옆 광전지를 데우고, 전원 버스가 없어 소자마다 공급 전력이 다르다.

연결 원리. 두 환경을 잇는 원리는 결맞음 합성이다. 배열 이득은 소자 간 위상 오차가 작을 때만 소자 수에 비례해 커진다. 지상은 이 조건을 구조와 교정으로 한 번에 만족시키고, 궤도는 계측과 보정으로 매 순간 다시 만족시켜야 한다. 청구항 4~8의 위치 센서와 기준 신호가 사실상 본체인 이유다.

전력·에너지 관점

Point. 이 특허의 모듈형 선택은 구조 질량으로 사던 안테나 정밀도를 위치 계측·위상 보정이라는 상시 전력 부하로 바꿔 사는 거래다. 그리고 타일 안에서 발전과 송신을 닫아 둔 구조 때문에, 전력 분배 문제는 배선 문제가 아니라 열 문제로 형태를 바꾼다.

Reason. 위상 오차가 표준편차 σ(rad)인 무작위 분포라면 주빔 이득은 대략 exp(−σ²)배로 줄어든다(루제 공식과 같은 형태의 근사). 위치 오차 Δz는 위상 오차 2πΔz/λ로 바뀌므로, 파장이 짧을수록 같은 뒤틀림이 더 큰 손실이 된다. 한편 광전지와 송신기가 같은 타일에 붙어 있으면 증폭기 폐열과 광전지 폐열이 같은 복사 면적을 나눠 써야 한다.

Example. 송신 주파수를 10 GHz(파장 약 30 mm)로 가정하면, 위치 오차 1 mm는 위상 약 12°로 이득 약 0.96배, 3 mm는 약 36°로 약 0.67배, 5 mm는 약 60°로 약 0.33배가 된다. 열 측면에서, 한 변 10 cm 타일(0.01 m²)이 AM0(대기권 밖 태양 스펙트럼) 조도 1,361 W/m²를 받고 흡수율 0.9, 광전 효율 25%, 직류→RF 변환 효율 50%, 양면 방사율 0.85라고 가정하면 흡수 12.25 W 중 RF로 떠나는 1.70 W를 뺀 10.55 W를 복사해야 하고, 평형 온도는 약 323 K다. 송신기가 꺼지면 모든 흡수 에너지가 열로 남아 약 336 K로 오른다. 즉 송신 소자 하나의 고장이 그 타일의 광전지 온도를 약 13 K 올려 발전 효율까지 깎는 연쇄가 생긴다.

Point. 따라서 모듈형 위상배열의 성능 지표는 “타일당 발전량”이 아니라 “보정 전력을 뺀 뒤 결맞음으로 합쳐진 송신 전력”이어야 한다. 정렬, 위상 동기, 타일 열 균일성은 같은 전력 예산의 세 항목이다.

반론, 제약, 그리고 지상과 궤도의 간극

반론과 제약. Worst-case를 상정하면 정지 동기 궤도(청구항 2)에서 일식기에 모듈 전체가 동시에 발전을 멈추고, 복귀 직후 급격한 가열로 막이 뒤틀리는 순간 위상 오차가 가장 커진다. 보정 전자장치는 발전이 없는 시간에도 동작해야 하므로 배터리 질량 증가 → 모듈 질량 증가 → 편대 유지 추진제 증가 → 발사 질량과 발사 비용 증가로 되돌아온다. 미국 항공우주국(NASA) 기술정책전략실(OTPS, Office of Technology Policy and Strategy)의 2024년 1월 보고서가 우주 태양광 비용에서 발사가 70% 이상을 차지한다고 본 점을 감안하면, 보정 전력 1 W가 결국 발사 질량으로 환산된다는 사실이 이 아키텍처의 숨은 제약이다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. MAPLE의 궤도 실증은 송신 배열과 수신 배열이 약 30 cm 떨어진, 하나의 탑재체 안에서 이뤄졌다. 청구항 1이 상정하는 수십 미터급 모듈 사이의 비결속 편대 위상 동기는 아직 궤도에서 실증된 사례가 이 공개 자료 범위에서 확인되지 않는다. DOLCE의 전개 걸림처럼 지상 시험에서 보지 못한 현상이 궤도에서 나타났고, MAPLE의 전기·열 상호작용 열화도 지상 열진공 시험만으로는 예측되지 않았다. 유럽우주표준협력기구(ECSS, European Cooperation for Space Standardization)의 ECSS-E-ST-10-03C(시험)나 NASA-STD-7001(진동음향 시험 기준)에 따른 지상 인증을 통과하더라도, 장기 방사선 누적과 수년간의 열 순환이 결합된 위상 오차 거동을 궤도 성능으로 확언할 수 없다.

정리하면, 이 특허는 거대 구조물 없이 하나의 안테나처럼 행동하는 법을 먼저 풀어놓았고, 그 대가로 정렬·위상 동기·타일 열 균일성을 한 전력 예산 안에서 동시에 만족시키는 과제를 남겼다.