궤도 레이저 충전소의 첫 계약 — Pulse Space 4,000만 달러와 ‘같은 그림자’ 문제

ISSUE 2026 · W28 | 우주 전력·에너지 시스템

4,000만 달러 계약, 무엇을 사는가

SatNews와 GeekWire의 7월 9일 보도에 따르면, 워싱턴주 벨뷰에 본사를 둔 Pulse Space는 미 우주군과 4,000만 달러 규모의 기술 개발 계약을 맺었다. 계약은 전략적 자금 증액(STRATFI, Strategic Funding Increase) 경로와 기타거래권한(OTA, Other Transaction Authority) 협정을 활용했으며, SatNews는 공군연구소(AFRL, Air Force Research Laboratory)와 조율된 사업이라고 전했다. 대상 기술은 레이저 기반 원격 전력 전송과 우주 상황인식(SSA, Space Situational Awareness)이다. 카를 스테드먼(Karl Stedman) 최고경영자는 “역사적인 4,000만 달러 계약은 Pulse Space에 결정적인 순간”이라고 말했다.

회사는 2022년에 설립됐고, 2026년 2월 572만 달러 규모의 시드 투자를 유치했으며, 이전에 190만 달러 규모의 공군 계약을 수행한 바 있다(GeekWire). SatNews는 레이저 조립체를 궤도 시험대에 통합하기 전 18개월간 서브시스템 인증 시험을 거친다고 보도했고, Payload는 첫 실증 임무가 이르면 2026년에 발사될 수 있다는 회사 측 언급을 전했다. 두 보도의 일정 표현에는 차이가 있어, 실제 궤도 실증 시점은 확인 필요 항목으로 둔다.

기술적으로 가장 구체적인 숫자는 GeekWire가 전한 목표 사양이다. 회사는 자사 성좌가 1,000 km 거리에서 지름 3 m 표적에 29.7 kW의 전력을 전송할 수 있다고 제시했다. 레이저 파장, 송신 개구 크기, 변환 효율, 실증 출력은 공개 자료에서 확인되지 않았다. Military & Aerospace Electronics는 사업의 기술 초점으로 방사선 내성(총이온화선량과 단일사건효과), 대류 없는 열관리, 정밀 지향, 열팽창에 따른 기계적 안정성을 꼽았다.

3 m, 1,000 km, 29.7 kW가 요구하는 것

숫자를 풀어 보자. 지름 3 m 원의 면적은 약 7.07 m²이므로 수신면 평균 조도는 약 4.2 kW/m²로, 대기권 밖 태양 조도(AM0, 1,361 W/m²)의 약 3.1배다. 수신 위성은 태양 세 개를 한 번에 받는 셈이다. 또 1,000 km 거리에서 3 m 크기로 빔을 모으려면 전체 발산각이 약 3 µrad 이하여야 한다. 파장을 흔히 쓰이는 1,064 nm로 가정하면, 회절 한계만으로도 송신 개구 지름이 약 0.87 m 이상 필요하다. 지향 오차는 이보다 작은 µrad 이하 수준으로 관리해야 한다.

송신 쪽 전력은 더 무겁다. 전기-광 변환 효율을 50%로 가정하면 29.7 kW의 빛을 내기 위해 약 59.4 kW의 전기가 필요하고, 나머지 29.7 kW는 열이 된다. 이 전기를 효율 30%, 패킹 계수 0.85의 태양전지로 만든다고 가정하면 약 171 m²의 어레이가 필요하다. 열은 대류 없는 고진공에서 복사로만 버려야 하며, 320 K, 방사율 0.85의 라디에이터가 한쪽 면으로 방열한다고 가정하면 약 59 m²가 든다.

같은 그림자 문제

레이저 전력빔의 가장 큰 약속은 일식 중 전력 공급이다. 그러나 지구 그림자는 지름 약 12,700 km의 원통에 가깝다. 두 위성이 1,000 km 떨어져 있다면, 수요 위성이 그림자 깊숙이 있을 때 공급 위성도 대부분 같은 그림자 안에 있다. 공급 위성이 햇빛 속에 있으려면 수요 위성이 그림자 경계에서 1,000 km 이내여야 한다.

고도 550 km 원궤도, 태양 베타각 0°, 원통형 그림자라는 단순 조건을 두고 계산하면, 공전 주기 약 95.5분 가운데 일식은 궤도 호 약 134°, 약 35.5분이다. 이 중 그림자 경계에서 1,000 km 이내인 구간은 진입부와 이탈부를 합쳐 약 32°로, 일식 시간의 약 24%, 최대 약 8.5분에 불과하다. 그나마 공급 위성이 정확히 최적 위치에 있을 때의 상한이다. 나머지 약 27분 동안은 공급 위성 역시 배터리로 버텨야 한다.

표가 말해 주는 것은 레이저 전력빔이 수요 위성의 태양전지판을 줄여 주는 대신, 그 부담을 두 곳으로 옮긴다는 사실이다. 하나는 공급 위성의 거대한 어레이와 라디에이터, 다른 하나는 태양 세 개 분량의 빛을 받는 수신기의 열이다. 그리고 가장 기대를 모으는 일식 중 공급은 기하학적으로 일식 시간의 일부에만 가능하다.

지상의 레이저 전송, 궤도의 레이저 전송

지상 현황. 지상 전력빔 실증은 대기를 통과해야 한다는 제약 때문에 대기 흡수·산란과 난류에 의한 빔 흔들림이 주된 손실원이었다. 송신기와 수신기는 모두 1기압 공기 속에서 대류와 수냉으로 열을 버릴 수 있고, 대부분 정지한 표적을 겨냥한다.

우주 적용 시 변화. 궤도에서는 대기 손실이 사라지는 대신 세 가지가 새로 등장한다. 두 위성 모두 초속 수 km로 움직이며 상대 위치가 끊임없이 변하고, 모든 열은 고진공에서 복사로만 버려야 하며, 광학·전자 부품은 총이온화선량과 단일사건효과에 노출된다. 우주군 계약의 기술 초점이 방사선 내성, 대류 없는 열관리, 정밀 지향으로 요약된 것은 이 변화를 그대로 반영한다.

연결 원리. 두 환경을 잇는 원리는 에너지가 빛으로 이동할 때도 결국 양 끝에서 열로 새어 나간다는 점이다. 지상에서는 그 열을 공기가 가져가지만, 궤도에서는 라디에이터 면적과 온도가 가져간다. 전력빔의 효율은 광학 효율이 아니라 양 끝의 방열 능력으로 상한이 정해진다.

전력·에너지 관점

Point. 저궤도 레이저 전력빔의 1차 가치는 “일식 해소”가 아니라 “전력 수송”이다. 1,000 km 사거리에서는 공급 위성과 수요 위성이 대부분 같은 그림자를 공유하므로, 일식 중 공급은 경계 부근 일부 시간으로 제한된다.

Reason. 지구 그림자의 폭(약 12,700 km)은 전송 거리(1,000 km)보다 한 자릿수 크다. 수요 위성이 그림자 한가운데 있을 때 1,000 km 안에서 햇빛을 받는 공급 위성은 존재할 수 없다. 공급 위성이 그림자 밖에서 전력을 보내려면 사거리가 그림자 반지름 규모로 늘어나야 하는데, 그러면 같은 3 m 표적을 겨냥하기 위한 송신 개구와 지향 정밀도가 거리 비율만큼 커진다.

Example. 고도 550 km, 베타각 0°에서 일식 약 35.5분 중 공급 가능 상한은 약 8.5분(24%)이다. 이 시간 동안 수신 가능한 최대 에너지는 29.7 kW의 빛을 50% 효율로 변환한다고 가정할 때 약 2.1 kWh다. 반면 나머지 약 27분은 여전히 배터리가 책임진다. 즉 수요 위성의 배터리는 줄어들 수 있지만 없어지지는 않으며, 공급 위성 역시 같은 그림자 속에서 자기 배터리를 써야 한다. 오히려 궤도 전체로 보면 “햇빛을 받는 동안 멀리 있는 위성에 전력을 몰아주는” 전력 수송, 예컨대 전기추진 기동이나 단기 고출력 탑재체 운용처럼 일시적으로 큰 전력이 필요한 순간을 지원하는 쪽이 기하학적으로 더 자연스럽다.

Point. 따라서 이 계약이 검증해야 할 핵심은 레이저 출력 자체보다 성좌 배치다. 공급 위성을 어떤 궤도면과 고도에 둬야 그림자 공유를 줄일 수 있는지, 그리고 그 기하학이 요구하는 사거리에서 µrad급 지향과 수십 m² 라디에이터를 유지할 수 있는지가 실제 전력 예산을 결정한다.

반론과 제약. 베타각이 커지면 일식 자체가 짧아지고, 새벽-황혼 궤도의 공급 위성은 거의 일식이 없으므로 기하학은 개선될 수 있다. 그러나 그 경우에도 궤도면이 다른 위성 사이 거리는 빠르게 변해 링크 유지 시간이 짧아진다. 최악의 경우를 보면, 지향 오차로 빔 일부가 수신기를 벗어나 구조체나 태양전지판을 가열할 수 있고, 수신 효율이 낮으면 4.2 kW/m²의 입사 에너지 대부분이 열로 남아 수신 위성의 열제어 한계를 넘는다. 방열 부족 → 수신 전력 제한 → 배터리 여유 확보 → 질량 증가라는 순환이 수요 위성 쪽에서도 생긴다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. 18개월 서브시스템 인증 시험은 열진공과 방사선 시험을 포함하겠지만, 초속 수 km로 움직이는 두 위성 사이의 µrad급 지향과 수신 위성 자세 교란을 지상에서 동시에 재현하기는 어렵다. 지상 광학대에서 얻은 전송 효율과 지향 정확도를 궤도 성능으로 확언할 수 없으며, 궤도 실증 데이터가 나오기 전까지 29.7 kW는 목표 사양으로 읽어야 한다.

정리하면, 궤도 위 레이저 충전소의 첫 과제는 더 센 레이저가 아니라 그림자를 공유하지 않는 배치이며, 그 배치가 정해져야 전력빔이 배터리를 얼마나 덜어 줄지 계산할 수 있다.