ISS 마지막 롤아웃 태양전지 두 장은 옛 날개 절반을 가리고도 전력을 남긴다

새 날개가 더하는 kW에서 그늘이 가져간 옛 날개의 kW를 빼야, 정거장이 실제로 얻는 전기가 보입니다.

10월 15일 오전 10시 27분(미국 동부 시각), 드래곤 화물선이 국제우주정거장(ISS, International Space Station) 하모니 모듈의 우주 쪽(위쪽) 포트에 붙었습니다. 6,300 lb(약 2,858 kg)가 넘는 짐 가운데 제가 주목한 것은 롤아웃 태양전지(ROSA, Roll-Out Solar Array)¹ 마지막 한 쌍이었어요. 이 날개는 2000년 12월부터 차례로 펴진 옛 날개 가운데 아직 비어 있는 두 장 앞에 덧대져, 그 절반 남짓을 그늘로 덮습니다. NASA는 여덟 장이 160 kW 넘게 더한다고 적었지만, 가려진 옛 날개의 몫은 같은 문장에 없었습니다. 2021년 수치로 빼 보니 순증은 그 절반에 못 미쳤어요(가정 포함). 옛 날개를 가리면서까지 덧대는 이유는 무엇이고, 정거장은 실제로 전기를 얼마나 더 얻게 될까요?

마지막 롤아웃 날개 두 장은 옛 날개를 떼지 않고 그 앞에 덧대는 방식입니다

이번에 도착한 날개는 일곱째와 여덟째 장입니다. NASA가 10월 15일 올린 글의 넷째 문단을 옮겨 적으면, 2021년부터 2023년까지 여섯 장을 바깥에 설치했다고 합니다. 2023년에는 전력 전망을 보고 한 세트를 더 요청했다고 해요. 그 세트가 이번 35번째 상업 보급 임무(CRS-35)에 실렸어요. 설치 시기는 올가을 후반으로만 잡혀 있고, 몇 번의 선외활동(EVA, Extravehicular Activity)²으로 붙일지는 아직 일정이 나오지 않았습니다.

붙이는 과정은 앞선 여섯 장에서 이미 굳어졌습니다. 같은 NASA 글의 사진 설명에 따르면 첫 두 장은 2021년 22번째 보급 임무 때 드래곤의 바깥 짐칸(트렁크)에 실려 갔어요. 사진 설명에는 2022년 선외활동에서 로봇 팔 캐나다암2로 날개를 옮겨 붙이는 장면이 나옵니다. 날개 하나를 다는 데 화물선과 로봇 팔, 우주비행사의 바깥 작업이 한꺼번에 묶이니, 이번 한 쌍도 같은 순서를 따를 것으로 보입니다.

롤아웃이라는 이름은 펴는 방식에서 왔습니다. 얇은 태양전지 판을 감아 둔 채로 실어 가서, 궤도에서 풀어 펼치는 날개예요. 2021년 6월 25일 NASA 정거장 블로그의 첫 문단에는 두 번째 날개가 ‘저장된 운동에너지’로 약 10분에 걸쳐 펼쳐졌다고 적혀 있습니다. 감긴 구조가 품고 있던 탄성 에너지가 풀리는 것으로 읽으면 이해가 쉬워요. 줄자 케이스에서 빼낸 강철 띠를 둥글게 감았다가 손을 놓으면 튕기듯 펴지는 것과 닮았습니다. 그 띠는 순식간에 아무 쪽으로나 튀지만, 날개는 10분에 걸쳐 정해진 방향으로 천천히 펴진다는 데서 닮음이 끝나요. 한 번 펼친 날개를 다시 감아 넣는 절차는 제가 읽은 NASA 자료 어디에도 없었습니다.

펼친 날개는 옛 날개 바로 앞에 놓입니다. 2021년 6월 20일 NASA 블로그를 보면 새 날개는 18.2 m × 6 m이고, 옛 날개는 112 ft × 39 ft(약 34.1 m × 11.9 m)입니다. 같은 문단은 새 날개가 옛 날개의 절반 조금 넘는 부분을 그늘로 가린다고 적었어요. 그런데 치수를 곱해 보면 새 날개 판의 넓이는 옛 날개의 27%뿐입니다. 판이 덮는 넓이보다 그늘이 두 배 가까이 넓게 진다는 뜻인데, 장착 높이나 햇빛 각도 때문으로 짐작될 뿐 그 이유를 적은 자료는 찾지 못했습니다.

옛 날개 입장에서 새 날개 뒤쪽은 통째로 그늘이고, 실제 사진에서도 그 겹침이 보입니다. 2021년 6월 20일에 찍은 NASA 사진(iss065e125924)을 찾아보면, P-6 트러스(Truss)³의 옛 날개 위로 새 날개가 펼쳐져 있습니다. 사진을 보면 옛 날개 판 위로 어두운 그림자도 비스듬히 지나갑니다. 사진 설명문 역시 새 날개가 주 태양전지의 일부를 덮는다고 적었어요. 덧대기는 설계 단계부터 받아들인 조건이었던 겁니다.

두 날개의 크기를 손에 잡히게 하려고 프라모델 축척 1/144로 바꿔 봤습니다. 새 날개 길이 18.2 m는 126 mm, 옛 날개 34.1 m는 237 mm, NASA가 적은 정거장 날개 폭 109 m는 757 mm예요. 30 cm 자 두 개 반 길이의 정거장 모형에, 손바닥만 한 띠 여덟 장이 넓은 날개 위로 덧대지는 모습입니다.

지붕에 태양광을 다는 사람에게 그늘은 무조건 피할 대상입니다. 나무 한 그루가 드리운 그림자도 그날 발전량을 깎으니까요. 그런데 정거장은 새 날개를 일부러 옛 날개 앞에 세웠습니다. 궤도의 그늘이 지상보다 짙다는 점까지 생각하면 더 이상해 보여요. 하늘에서 빛을 흩어 그늘 속으로 보내 줄 공기가 없어서, 지구나 정거장 구조물에 반사된 빛이 조금 드는 정도입니다. 지상의 상식으로는 손해인 배치가 궤도에서 받아들여진 데에는, 날개 한 장의 출력 차이라는 이유가 있었습니다.

옛 날개가 그늘에 내주는 몫을 빼야 새 날개의 실제 이득이 나옵니다

제가 먼저 따져 본 것은 날개 한 장의 힘이었습니다. NASA 블로그의 같은 문단은 새 날개가 한 장에 20 kW 이상을 내고, 옛 날개는 평균 17~23 kW를 낸다고 적었어요. 판 넓이는 4분의 1 남짓인데 출력은 비슷합니다. 치수를 곱하면 옛 날개 한 장은 약 406 m², 새 날개는 109 m²예요. 20 kW를 각 면적으로 나누면 1 m²당 0.049 kW와 0.183 kW가 나와서, 같은 넓이에서 새 날개가 3.7배쯤 많은 전기를 냅니다.

표를 만들고 나서야 덧대기가 성립하는 조건이 보였습니다. 새 날개가 옛 날개 넓이의 4분의 1만 차지하면서도 비슷한 전기를 내니, 옛 날개 절반을 가려도 손해를 보지 않을 여지가 생깁니다. 거꾸로 옛 날개가 아직 젊고 힘이 셌다면 같은 덧대기가 손해였을 수도 있다는 뜻이기도 해요.

그 여지는 옛 날개의 나이에서 나옵니다. NASA 블로그는 옛 날개가 설계 수명 15년을 넘겨 쓰이면서 예상된 열화(Degradation)⁴가 나타나기 시작했다고 썼어요. 오래된 파라솔 위에 새 파라솔을 반쯤 겹쳐 편다고 생각하면 그림이 잡힙니다. 겹친 부분 아래는 그늘이 되지만, 새 파라솔이 받아 내는 햇빛이 더 많다면 전체로는 손해가 아니죠. 해변에서는 파라솔 그늘이 반가운 결과지만, 태양전지에게 그늘은 그만큼 일을 멈추라는 뜻이라 이 비유는 거기까지만 맞습니다.

그 손익을 숫자로 맞춰 본 설명이 2021년 1월 collectSPACE 기사에 있었습니다. 옛 날개 여덟 장은 궤도 낮 동안 최대 160 kW를 낼 수 있었다고 합니다. 새 날개 여섯 장을 붙이면 가려지지 않은 옛 날개 부분이 약 95 kW를 계속 내고, 새 날개가 120 kW를 보태 합계 215 kW가 된다는 설명이에요. 이 숫자들로 빼기를 해 봤습니다. 160 kW에서 95 kW를 빼면 그늘이 가져간 몫은 65 kW이고, 가려진 옛 날개 여섯 장으로 나누면 한 장에 10.8 kW입니다.

옛 날개 한 장의 몫을 160 ÷ 8 = 20 kW로 잡으면, 가려진 날개는 출력의 54%를 잃는 겁니다. NASA가 말한 ‘절반 조금 넘게 가린다’는 표현과 잘 맞는 값이라, 계산이 크게 빗나가지는 않았다고 봤습니다. 새 날개 한 장은 20 kW를 보태고 옛 날개 10.8 kW를 가져가니, 한 장당 순증은 9.2 kW 안팎입니다. 아래 그래프는 이 덧셈과 뺄셈을 막대로 쌓은 것입니다.

여섯 장을 다 붙인 결과는 160 kW에서 215 kW로 55 kW, 34%가 늘어나는 값입니다. 그런데 Boeing의 2021년 1월 11일 보도자료는 증가 폭을 20~30%로 적었어요. 두 자료가 서로 다른 기준을 쓴 것으로 보이지만, 어떤 조건의 차이인지는 어느 쪽에도 적혀 있지 않았습니다. NASA의 10월 15일 글에도 맞지 않는 곳이 하나 있어요. 셋째 문단의 ‘약 28 kW의 추가 전력’이 한 장 값이라면 여덟 장은 224 kW가 되어, 넷째 문단의 ‘160 kW 이상’과 어긋납니다.

낮에 160 kW를 내는 날개가 하루 평균으로 남기는 전력은 90 kW 남짓입니다

저는 날개의 kW를 정거장이 하루 내내 쓸 수 있는 kW로 바로 읽지 않습니다. 앞의 160 kW와 215 kW에는 모두 ‘궤도 낮 동안’이라는 조건이 붙어 있었어요. 반면 NASA 사실 페이지의 크기·질량 항목에는 같은 여덟 장의 날개가 75~90 kW를 낸다고 적혀 있습니다. 처음엔 두 숫자가 부딪치는 줄 알았어요. 둘을 같은 단위로 맞추려면 정거장이 하루에 몇 번, 얼마나 오래 어둠을 지나는지부터 알아야 했습니다.

정거장은 저궤도(LEO, Low Earth Orbit)⁵를 하루 16바퀴 돌고, 바퀴마다 지구 그림자인 일식(Eclipse)⁶ 구간을 지납니다. NASA 10월 15일 글이 적은 고도 250 miles(약 402 km)로 원궤도 주기를 구하면 92.6분이에요. 태양이 궤도면 위에 놓여 그림자가 가장 길어지는 경우, 다시 말해 베타각(Beta angle)⁷이 0°일 때는 그중 36.1분이 어둠입니다. 그동안 쓰는 전기는 낮에 배터리에 채워 둔 것이고, 넣고 꺼내는 사이에 일부가 사라집니다.

그래서 낮 출력 P로 하루 평균 감당할 수 있는 부하 L을 계산해 보았습니다. 부하가 일정하고, 낮 56.5분 동안 부하를 돌리면서 어둠 36.1분 몫을 배터리에 채운다고 놓으면 L = P × 56.5 ÷ (56.5 + 36.1 ÷ η)입니다. 배터리 왕복 효율(Round-trip efficiency)⁸ η를 0.8로 두면(가정) 160 kW에서 89.0 kW가 나와요. 사실 페이지의 75~90 kW 위쪽 끝과 거의 같은 값입니다. 두 숫자는 서로 다른 시간 단위로 잰 값이었다고 저는 해석합니다.

이 일치를 너무 믿지는 않으려 합니다. 효율 0.8은 제가 고른 값이고, 0.9로 바꾸면 93.6 kW가 됩니다. 사실 페이지의 수정일은 2024년 7월 16일이지만, 75~90 kW가 새 날개를 포함한 값인지는 적혀 있지 않았어요. 같은 식에 215 kW를 넣으면 119.5 kW가 나오는데, 이 값과 비교할 공개 수치는 찾지 못했습니다. 월급이 낮에만 들어오고 생활비는 밤에도 나간다고 생각하면 이 식이 쉬워져요. 다만 돈은 통장에 넣었다 빼도 줄지 않지만, 전기는 배터리를 거칠 때마다 일부를 열로 흘립니다.

배터리 쪽에서 보면 이 손실이 더 또렷해집니다. 부하 89.0 kW로 어둠 36.1분을 버티려면 한 바퀴에 약 53.5 kWh를 배터리가 내놓아야 해요. 왕복 효율 0.8이면 낮 56.5분 동안 그 몫으로 66.9 kWh를 미리 넣어야 합니다. 날개가 낮에 내는 전기 가운데 상당 부분이 그 자리에서 쓰이지 않고, 밤을 위한 저축으로 돌아간다는 뜻이에요. 새 날개가 늘린 낮 출력도 이 저축 몫을 함께 떠안기 때문에, 하루 평균으로 옮기면 늘어난 kW가 다시 깎입니다.

날개를 덧대는 일에는 전기 말고도 값이 붙습니다. 옛 날개가 열화하면 낮 출력이 줄고, 모자란 전기를 채우려고 새 날개를 붙이게 됩니다. 새 날개 여덟 장의 판 면적을 더하면 873.6 m²로, 옛 날개 여덟 장(약 3,246 m²)의 26.9%예요. KeepTrack의 10월 16일 브리핑은 바뀐 단면이 대기 항력(Atmospheric drag)⁹과 재부스트(Reboost)¹⁰ 빈도에 영향을 준다고 짚었습니다. 재부스트가 잦아지면 추진제가 더 들고, 그 추진제는 화물선이 실어 올려야 합니다.

점선으로 그린 연결에는 아직 숫자가 없습니다. 새 날개는 옛 날개 앞에 겹쳐 붙어 있어서, 진행 방향에서 본 면적은 판 면적만큼 늘지 않을 거예요. 늘어난 항력이 몇 %인지는 NASA 자료에서 찾지 못했습니다. 지상 검증과 궤도 사이의 거리도 남아 있어요. 롤아웃 날개는 2017년 정거장 시연으로 궤도에서 확인됐지만, 지금 붙는 날개는 제작사로부터 10년 이상 동작을 약속받았습니다. 가장 오래된 새 날개도 2021년 6월에 펴졌으니, 하루 16번 어둠을 드나드는 10년의 기록은 아직 없습니다.

여덟 장이 모두 펴진 뒤 늘어나는 낮 출력을 저는 160 kW보다 한참 작게 봅니다

이 날개가 정거장에 닿기까지를 보도자료로 따라가 보면 공급망이 한 줄로 이어집니다. kW의 출처가 어디인지 알아야 숫자를 누가 책임지는지도 보이기 때문이에요. Redwire는 2025년 1월 보도자료에서 날개를 Boeing 계열 셀 제조사 Spectrolab과 함께 개발했다고 밝혔습니다. 2023년 6월에는 날개 제작 계약을 Boeing에서 받았다고 알렸어요. Boeing은 2021년 1월 NASA에 새 날개를 납품하는 계약을 발표했고, 정거장까지는 SpaceX 드래곤 화물선이 실어 날랐어요. 공개 발표에 자주 이름이 나오는 곳은 이 넷이고, 날개 구조를 만든 Deployable Space Systems도 2021년 자료에 등장합니다.

회사와 기관이 이 전력에 붙인 용도도 읽어 둘 만합니다. NASA는 10월 15일 글에서 여덟 장이 연구와 운영을 위한 전력을 늘린다고 썼습니다. Redwire는 2025년 1월 보도자료에서 이 날개 덕분에 정거장을 2030년과 그 이후까지 운영할 수 있다고 적었고요. 두 문장 모두 늘어난 전기의 목적지를 말할 뿐, 실험 장비에 몇 kW가 새로 돌아가는지는 밝히지 않습니다. 저는 이 빈칸이 앞의 계산과 이어진다고 봐요. 순증이 이름표의 절반이라면, 새로 쓸 수 있는 실험 전력도 그만큼 작게 잡아야 하니까요.

날짜를 나란히 놓아 보면 날개의 수명과 정거장의 수명이 거의 맞물립니다. 첫 새 날개가 2021년 6월에 펴졌으니, 제작사가 말한 10년 이상을 그대로 세면 2031년 6월 무렵입니다. 마지막 한 쌍은 올가을 후반에 펴지니 10년 뒤는 2036년이고, 정거장 운영 목표로 적힌 2030년보다 한참 뒤입니다. 늦게 온 날개일수록 정거장보다 오래 버틸 여유를 안고 붙는다는 뜻입니다. 남는 수명이 어디에 쓰일지는 공개 자료에서 찾지 못했습니다.

이런 발표를 읽을 때 저는 kW 앞뒤에 붙은 조건부터 확인합니다. 날개 단독 값인지 정거장 합계인지, 궤도 낮 값인지 하루 평균인지에 따라 같은 사업이 두 배 가까이 달라 보이니까요. 그다음은 가려지는 옛 설비의 몫이 같은 자리에 적혀 있는지이고, 마지막으로 설치 뒤 운영 기관이 실제 출력을 다시 공개했는지를 봅니다. Redwire는 2025년 1월 보도자료에서 설치된 여섯 장이 정상 운용 중이라고만 밝혔어요. 같은 자료를 일자리 쪽에서 다시 읽으면 셀 개발, 날개 제작, 로봇 팔과 선외활동을 쓰는 설치 작업이 나옵니다. 학생이라면 NASA 인턴십 안내 페이지에서 이런 분야를 찾아볼 수 있어요.

그늘에 가려진 옛 날개는 이제 쓸모가 없어지나요?

아닙니다. 가려지는 것은 날개의 절반 조금 넘는 부분이고, 나머지는 계속 전기를 냅니다. 앞의 계산대로 가려진 날개가 출력의 54%를 잃는다면, 남은 46%인 약 9 kW는 여전히 그 날개에서 나오는 셈이에요. 2021년 수치로 가려지지 않은 옛 날개 부분은 약 95 kW를 냈습니다. 새 날개 여섯 장을 덧댄 뒤에도 정거장 낮 출력 215 kW의 44%는 옛 날개 몫이었던 거예요. 옛 날개를 바로 떼어 내지 않고 덧대는 쪽이 전력 면에서 손해가 아닌 이유도 여기에 있다고 봐요.

이제 이번 한 쌍의 몫을 따져 봤습니다. 옛 날개 출력을 2021년 값 그대로 둔다고 가정했습니다. 그러면 새 날개 두 장이 40 kW를 보태고 가려질 옛 날개 두 장이 21.7 kW를 내줘서, 순증은 18.3 kW입니다. 215 kW의 8.5%예요. 여덟 장 전체로는 옛 날개만 있던 160 kW에서 약 233 kW로, 73 kW쯤 늘어난다는 계산이 나옵니다. 그래서 저는 ‘여덟 장 합계 160 kW 이상’을 정거장 낮 출력의 증가가 아니라 새 날개 단독의 출력으로 읽고, 실제 증가는 그 절반 안팎이라고 판단합니다.

이 판단이 틀렸다고 볼 지점도 있습니다. 설치 뒤 NASA가 정거장 낮 최대 출력을 300 kW 안팎으로 발표할 수 있습니다. 사실 페이지의 평균 출력이 150 kW 위로 고쳐져도 마찬가지인데, 그렇다면 제 계산이 그늘 손실을 과하게 잡은 겁니다. 반대로 옛 날개가 2021년 이후 더 늙었다면 실제 순증은 제 값보다 조금 커질 거예요. 이미 약해진 날개를 가리면 잃는 몫도 작으니까요. 제가 다음에 확인할 것은 마지막 한 쌍을 펴는 선외활동 기록, 그리고 그 뒤 NASA가 정거장 전력 수치를 새로 적는지 여부입니다.

마지막 한 쌍이 정거장에 보태는 낮 전력은 이름표의 40 kW가 아니라 18 kW 안팎이라는 것이 제 계산의 답입니다. 그 18 kW도 낮 값이라, 하루 평균으로 옮기면 다시 0.56배 남짓으로 줄어듭니다.