우주에서 방사성 붕괴로 전기 만들기, RTG와 베타볼타익의 자리싸움

태양이 닿지 않는 곳, 혹은 태양전지판을 펼칠 공간조차 없는 초소형 위성. 이 두 극단의 문제를 같은 물리 원리, 방사성 붕괴로 풀려는 두 갈래 기술이 2026년 나란히 진전을 보였다. 4월 미국 L3해리스(L3Harris)가 미국항공우주국(NASA)의 차세대 방사성동위원소 열전발전기(Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG) 임계설계검토(Critical Design Review, CDR)를 통과했고, 플로리다의 시티랩스(City Labs)는 삼중수소 기반 베타볼타익(betavoltaic) 초소형 전지 나노트리튬(NanoTritium)을 계속 발전시키고 있다. 둘 다 “방사성 붕괴로 전기를 만든다”는 점은 같지만, 그 전기가 향하는 임무의 크기는 수백 W와 수 μW만큼 다르다.

RTG: 큰 탐사선의 심장

방사성동위원소 열전발전기는 플루토늄-238이 붕괴하며 내는 열을 열전소자로 직접 전기로 바꾸는 장치다. 태양이 닿지 않는 외행성 탐사, 화성의 먼지폭풍, 달의 영구음영 크레이터처럼 태양전지가 무력해지는 환경에서 보이저(Voyager)와 뉴호라이즌스(New Horizons) 같은 임무를 수십 년간 지탱해 온 검증된 기술이다. 플루토늄-238의 반감기는 약 87.7년으로, 10년 남짓의 임무 기간 동안 출력 저하가 완만하다는 것도 장점이다. L3해리스의 차세대 RTG가 임계설계검토를 통과했다는 것은 다음 세대 심우주 임무를 위한 전력원이 설계 단계에서 실물 제작 단계로 넘어가고 있다는 뜻이다. 다만 RTG는 방열판과 방사선 차폐, 열전소자 모듈까지 포함하면 무게가 상당하고, 플루토늄-238 자체가 전 세계적으로 생산량이 제한된 희소 자원이라는 근본적 제약을 안고 있다.

베타볼타익: 초소형 위성의 맥박

베타볼타익 전지는 원리가 다르다. 방사성 동위원소(주로 삼중수소)가 붕괴하며 방출하는 베타 입자(전자)를 반도체 접합이 태양전지처럼 직접 전류로 바꾼다. 열 사이클도, 회전부도 없다. 시티랩스의 나노트리튬은 출력이 마이크로와트(μW) 수준에 불과하지만, 그램 단위의 초소형 패키지로 만들 수 있다. 이런 극저전력 전지가 노리는 자리는 RTG의 축소판이 아니라 완전히 다른 용도다. 초소형위성(큐브샛)이 통신이 끊긴 상태에서도 시각을 유지해야 하는 실시간시계(RTC), 세이프모드 진입 회로, 메모리 유지 전원처럼 “언제나 켜져 있어야 하지만 거의 전력을 쓰지 않는” 서브시스템이다. 삼중수소의 반감기는 약 12.3년으로 플루토늄-238보다 훨씬 짧지만, 애초에 초저전력·중단기 임무용 서브시스템에는 이 정도 수명으로도 충분한 경우가 많다.

이 표가 말하는 시사점은, 두 기술이 경쟁 관계가 아니라 완전히 분리된 시장에서 각자의 자리를 지키고 있다는 점이다. 출력밀도만 비교하면 베타볼타익은 RTG의 상대가 되지 않지만 애초에 비교 대상이 아니다. 관건은 “이 서브시스템이 몇 W가 필요한가”이지 “어느 기술이 더 세냐”가 아니다.

지상 검증과 비행 데이터의 괴리

RTG는 보이저·뉴호라이즌스를 통해 수십 년간 실제 비행 데이터가 축적된 성숙 기술이지만, L3해리스의 차세대 설계는 아직 임계설계검토 단계로 실비행 전 단계다. 방열판 열화, 열전소자 장기 성능 저하는 지상 가속수명시험으로 추정할 뿐, 실제 심우주 저온·고진공·미소중력 조건에서의 수십 년 거동은 비행이 끝나야 확정된다. 베타볼타익 역시 지상에서의 출력 안정성 시험과, 발사 진동·우주방사선 환경에 노출된 뒤의 반도체 접합부 열화는 별개의 문제다. 두 기술 모두 “방사성 붕괴는 태양과 무관하게 안정적”이라는 이론적 장점을 최악의 시나리오, 즉 실제 임무 환경에서의 장기 열화까지 포함해 검증해야 한다.

전력·에너지 관점

[Point] 방사성동위원소 발전 기술의 발전은 “더 강한 전력원을 만드는 경쟁”이 아니라 “임무 규모에 맞는 전력원을 세분화하는 흐름”으로 읽어야 한다. [Reason] RTG와 베타볼타익은 물리 원리는 같지만 출력밀도가 5~6자릿수 차이가 나며, 각각 다른 임무 부하 프로파일에 최적화돼 있어 서로를 대체하지 않는다. [Example] 대형 탐사선은 여전히 수백 W급 RTG가 필요하고, 초소형위성의 세이프모드 타이머 같은 μW급 상시 부하는 굳이 태양전지나 배터리를 쓸 필요 없이 그램 단위 베타볼타익으로 충분하다. [Point] 앞으로 우주 전력 시스템 설계는 “하나의 발전원으로 모든 부하를 감당한다”는 발상에서 벗어나, 임무 부하의 크기별로 서로 다른 방사성동위원소 전력원을 계층적으로 배치하는 방향으로 갈 가능성이 크다.