전기차 배터리를 위성에 그대로 실으면 — 같은 리튬이온이 궤도에서 달라지는 다섯 가지

기획 · 궤도 위의 전기 1/6 | 우주 전력·에너지 시스템

스타링크 배터리, 공개된 것과 공개되지 않은 것

스타링크 공식 기술 페이지는 전력계를 두 장의 태양전지 어레이와 고용량 배터리(‘high capacity battery’)로만 소개한다(2026년 9월 기준). 더 구체적인 자료는 2026년 1월 21일 NASA 항공우주 배터리 워크숍에서 스페이스X 수석 배터리 엔지니어가 발표한 슬라이드로, 궤도 위 위성 9,500기 이상, 팩 설계 비에너지 230 Wh/kg, 궤도 위 배터리 용량 합계 100 MWh 이상이 적혀 있다.

5년 임무의 운용 조건은 ‘Weightless, Room Temp, C/2, mid-SoC’로 요약됐다. 무중력·상온에서 용량을 2시간에 걸쳐 꺼내는 크기의 전류(C/2)로, 충전 상태(SOC, State of Charge)의 중간 구간만 쓴다는 뜻이다. 반면 셀의 화학 조성, 규격, 공급사, 위성 한 기당 용량은 공식 페이지와 이 발표 자료 어디에도 글로 적혀 있지 않다.

차이 1 — 전기차는 하루 한 번, 위성 배터리는 열다섯 번

전기차 배터리의 수명은 햇수와 주행거리로 약속된다. 테슬라는 미국 기준으로 차종에 따라 8년 또는 10만~15만 마일(약 16만~24만 km) 중 먼저 오는 시점까지 배터리 용량 70% 이상 유지를 보증하고, 현대자동차는 아이오닉 6 고전압 배터리를 10년/20만 km로 보증한다.

고도 550 km 원궤도의 위성은 약 95.6분마다 지구를 돌고, 그중 최대 35.6분을 지구 그림자(일식) 속에서 배터리로 버틴다. 하루 약 15회, 5년이면 약 2만 7,500회다(계산). 그래서 위성 배터리는 용량의 일부만 얕게 쓴다. 방전 심도(DoD, Depth of Discharge)와 수명의 관계는 위성 수명을 다룬 글에서, DoD가 질량을 정하는 계산은 지상 배터리 혁신을 다룬 글에서 다뤘다. 스페이스X 자료도 전압 구간을 비상 예비·평상 운용·폭풍과 궤도 이탈용으로 나눠 두고, 조절 가능한 SOC 창이 열화를 줄인다고 적었다.

차이 2 — 진공에서 리튬이온 배터리는 식지도, 눌리지도 않는다

전기차 팩은 냉각수로 셀의 열을 모아 결국 주변 공기로 내보낼 수 있다. 진공에는 그 공기가 없다. NASA 보고서(열 제어 장)에 따르면 진공에서 열은 복사와 전도로만 이동하며, 위성 내부는 대개 전도가, 바깥과의 열 교환은 복사가 지배한다. 위성 배터리의 열은 구조물을 타고 방열판까지 간 뒤 우주로 복사돼야 한다.

압력이 사라지면 셀 모양도 문제가 된다. 현대차그룹의 전기차 전용 플랫폼 E-GMP(Electric-Global Modular Platform)는 공개 당시(2020년) 파우치형 셀을 쓴다고 밝혔는데, NASA 존슨 우주센터(JSC, Johnson Space Center) 시험에서 파우치 셀은 진공에서 부풀었다. 15 Ah급 파우치 셀을 0.1 psi(약 5.2 Torr)에서 C/2로 30회 충방전하자 구속하지 않은 셀은 진공 방전 용량이 29%, 구속(restraint)한 셀은 8.9% 줄었다. 같은 모델은 대기압에서 500회를 돌아도 3.6% 감소에 그쳤다. 구속 구조는 곧 질량이다.

재료도 문제다. NASA 고더드 우주비행센터의 아웃개싱(outgassing) 데이터베이스는 미국재료시험협회(ASTM, American Society for Testing and Materials) E595 시험, 즉 진공에서 125 °C(398 K)로 24시간 가열하는 시험으로 총질량손실(TML, Total Mass Loss) 1.0% 이하, 휘발성 응축물(CVCM, Collected Volatile Condensable Materials) 0.10% 이하인 재료를 따로 분류한다. 스페이스X는 전압 32 V 초과, 압력 1 Torr 미만에서 아크(arc)가 팩을 치명적으로 파괴할 수 있다고 밝혔다.

차이 3 — 발사 진동, 짧은 흔들림이 셀 속 결함을 깨운다

전기차 배터리는 여러 해에 걸쳐 도로 진동을 받는다. 위성 배터리는 발사라는 짧고 강한 구간을 한 번에 통과해야 한다. NASA의 2009년 리튬이온 가이드라인은 진동과 충격이 내부 단락(ISC, internal short circuit)을 일으켜 전해액 분출·화재·열폭주로 이어질 수 있고, 제조 중 섞인 금속 버(burr)·입자·먼지가 진동으로 움직이는 것이 흔한 단락 원인이라고 적는다. 내부 단락이 없음을 확신할 수 없으므로, 같은 가이드라인이 소개한 NASA JSC의 상용 배터리 시험 프로그램은 비행용 배터리 전수에 수락 진동을 걸고, 인증 진동은 스펙트럼을 수락 진동보다 5배 이상 높게, 시험 시간은 실제 비행보다 길게 잡는다(원문은 이 5배가 어떤 척도 기준인지 밝히지 않는다).

NASA 고더드의 일반 환경 검증 표준(GEVS, General Environmental Verification Standard, GSFC-STD-7000B)은 예상 진동 수준을 모를 때 쓰는 22.7 kg 이하 부품의 일반 랜덤 진동 인증 수준을 20~2,000 Hz 대역 14.1 Grms(root-mean-square G, 실효 가속도), 수락 수준을 10.0 Grms로 제시하고, 세 축에 원형 인증은 축당 2분, 프로토플라이트(시험한 기체를 그대로 띄우는 방식) 인증과 수락은 축당 1분씩 시험하게 한다. Grms는 주파수 전체의 진동 세기를 합친 값이고, 1 G는 중력가속도(약 9.81 m/s²)다.

차이 4 — 고칠 수 없는 우주 배터리는 셀 고르기부터

전기차 배터리는 보증 기간 안이라면 정비망에서 보증수리를 받는다. 궤도에는 정비소가 없으니 위성 배터리의 신뢰성은 조립 전에 정해진다. NASA 가이드라인은 전지 화학이나 시험 방식과 관계없이 셀 매칭(matching)을 반드시 하라고 적는다. 직렬로 묶인 셀 중 약한 셀 하나가 전압 불균형과 과방전을 부를 수 있어서다. 개방 회로 전압(OCV, Open Circuit Voltage)이 더 가파르게 떨어지는 셀은 후보에서 빼라는 지침도 있다.

스페이스X도 인증 단계에서 컴퓨터 단층 촬영(CT, Computed Tomography)으로 셀의 기계적 제작 편차를 보고, 수락 단계에서 팩을 조립할 때 셀마다 OCV 감쇠와 직류 내부 저항(DCR, Direct Current Resistance)을 잰다고 밝혔다. 셀 하나의 열폭주를 감지하면 SOC와 온도 중 무엇을 낮출지 정하는 고장 탐지·격리·복구 절차도 설계 항목으로 꼽았다.

차이 5 — 온도 창과 예열, 그 에너지는 누가 내는가

지상 현황. 현대차그룹은 배터리가 약 25 °C(약 298 K)를 유지할 때 충전 속도와 효율이 최적인 것으로 알려져 있으며, 겨울에는 주행거리가 줄고 충전이 느려진다고 설명한다. 테슬라 모델 3 사용자 매뉴얼은 추운 날 차를 충전기에 꽂아 두면 배터리 자체가 아니라 충전 시스템이 배터리를 따뜻하게 유지한다고 안내한다(요지). 현대차그룹은 2022년, 급속 충전 때 온도를 맞춘 냉각수를 밖에서 공급해 차량 내부 전력을 아끼는 ‘외부 열 관리 스테이션’을 개발 중이라고 밝혔다.

우주 적용 시 변화. NASA 가이드라인은 대부분의 리튬이온 배터리 최적 온도를 20~40 °C(약 293~313 K)로 보고, 저온 충전이 용량을 떨어뜨린다고 적는다. 위성에는 꽂을 충전기가 없다. NASA 보고서는 서모스탯으로 제어하는 전기 히터가 추운 환경에서 배터리처럼 온도 한계가 가장 좁은 부품을 지키는 데 쓰인다고 설명한다. 1U(1유닛) 큐브샛 Compass-1·MASAT-1·OUTFI-1은 일식 동안 온도를 유지하려고 배터리에 히터를 달아야 했다.

연결 원리. 셀을 좁은 온도 창 안에 두어야 한다는 원리는 같다. 다른 것은 그 온도를 맞추는 에너지의 출처다. 지상은 그 부담을 차 밖의 충전기와 충전 스테이션으로 내보내는 쪽으로 가지만, 궤도에는 내보낼 바깥이 없다.

전기차 배터리와 위성 배터리, 다섯 가지 차이 한눈에

다섯 가지 차이를 한 표로 모은다.

표의 왼쪽 열에는 공기, 도로, 정비망, 충전기처럼 지상이 공짜로 깔아 준 기반이 반복해 등장한다. 오른쪽 열에서는 그 자리가 모두 시험 항목과 전력 예산으로 바뀐다. 궤도에서는 셀 바깥의 조건이 배터리 성능을 정한다는 뜻이다.

전력·에너지 관점

Point. 전기차 배터리는 공기(대류 냉각)와 충전기(외부 전원)라는 두 가지 ‘공짜 자원’ 위에서 설계된다. 궤도에는 둘 다 없어서, 식히는 일은 방열판(질량)이, 데우는 일은 위성 자신의 전력이 떠맡는다. 위성은 궤도에 오른 뒤로는 한 번도 플러그를 꽂지 않는 전기차다.

Reason. 일식 동안 태양전지는 발전하지 않는다. 그 35.6분 동안 켜진 배터리 히터의 전력은 배터리에서 나오고, 다음 일조 구간에 태양전지가 충전·방전 손실까지 얹어 되채워야 한다. 일식은 추위와 방전이 함께 오는 시간이다.

Example. 일식 중 부하 200 W인 위성에 배터리 히터 20 W가 붙는다고 가정하자(방전·충전 경로 효율 각 0.9, 허용 DoD 30%). 한 번의 일식에서 배터리가 내놓을 에너지는 131.9 Wh에서 145.1 Wh로 10% 늘어, 같은 DoD를 지키려면 용량도 10% 커져야 한다. 용량을 그대로 두면 DoD가 33%로 깊어진다. 햇빛 60분 동안 태양전지는 이 몫을 되채우려고 평균 약 14.6 W를 더 내야 한다. 일식 중 히터 1 Wh를 태양전지 약 1.23 Wh로 갚는 셈이다.

Point. 그래서 위성 배터리의 열 설계는 곧 전력 설계다. 전기차의 예열이 ‘언제 충전기에 꽂느냐’의 문제라면 위성의 예열은 ‘일식 중 배터리에서 몇 Wh를 빼느냐’의 문제다. 위성에게 충전기에 꽂힌 시간은 하루 약 15번의 일조 구간뿐이다.

반론과 제약. 20 W는 작은 값이고, NASA 보고서도 소형위성은 추가 히터 전력이 크게 필요하지 않다고 적는다. 방전 중 셀이 내는 열도 일부를 메운다. 그러나 설계점은 베타각 0°의 최장 일식과 수명 말기 용량 감소가 겹치는 최악 조건이다. 단열이 부실해 히터가 40 W로 늘면 방전 에너지는 20% 늘고, 용량을 그대로 두면 DoD는 36%가 된다. 히터 전력 증가 → 일식 방전 에너지 증가 → DoD 증가(수명 단축) 또는 용량 증가 → 충전 전력 증가 → 태양전지 면적 증가 → 질량 증가 → 발사 비용 증가의 순환이다. 전기차도 주행 중 공조 에너지는 제 배터리에서 나가니 완전히 공짜는 아니다. 차이는 ‘꽂을 곳’이 있느냐다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. NASA JSC 파우치 시험의 ‘진공’은 0.1 psi(약 5.2 Torr)였고, 궤도 고도의 압력은 이보다 훨씬 낮다. 스페이스X는 열폭주 전파 시험에서 진공 수준이 결과를 크게 좌우한다고 적었다. 5년 임무는 무중력에서 이뤄지지만 지상 시험은 1 G에서 이뤄진다. 전기차 보증 조건(8~10년)도 하루 약 15회의 저궤도 사이클과 전제가 달라 위성 수명으로 옮겨 읽을 수 없다.

정리하면, 전기차 배터리를 위성에 싣는 일은 셀을 옮기는 일이 아니라 공기와 충전기와 정비소가 대신 해 주던 일을 위성의 전력 예산 안으로 끌어들이는 일이다.