스털링 발전기란 — RTG보다 효율이 4~5배 높은데 아직 우주에 오르지 못한 이유

우주 에너지 백과 03 · 기획 6/6 | 우주 전력·에너지 시스템

스털링 엔진 원리 — 밀폐된 헬륨을 데우고 식히는 엔진

스털링 엔진은 1816년 로버트 스털링이 특허를 낸 외연기관이다. 실린더 안에서 연료를 태우지 않고 바깥에서 열을 주며, 안에 가둔 기체를 데웠다 식히기를 되풀이해 일을 얻는다. NASA는 이를 데우면 부풀고 식히면 줄어드는 풍선에 빗댄다. 우주용 스털링 발전기에서 열은 플루토늄-238 연료를 담은 범용 열원(GPHS, General Purpose Heat Source) 모듈이 주고, 작동 기체로는 헬륨을 쓴다.

사이클은 네 단계다. ① 고온부에서 열을 받은 헬륨이 팽창하며 피스톤을 민다. ② 저온부로 옮겨 가는 길에 금속 섬유나 금속망으로 된 재생기(regenerator)에 열을 맡겨 둔다. ③ 저온부에서 남은 열을 버리며 수축한다. ④ 고온부로 되돌아가는 길에 맡겨 둔 열을 되찾는다. 재생기 덕분에 매번 버렸다가 다시 들여야 할 열이 줄어든다. 완벽한 재생기를 가정한 이상 사이클은 열을 일정한 고온에서 받고 일정한 저온에서만 버리므로, 이론 효율이 카르노 한계와 같아진다.

자유 피스톤과 선형 발전기 — 크랭크 없는 스털링 발전기 구조

링크 암과 접촉 베어링을 쓰는 기구식(kinematic) 엔진과 달리, 우주용은 자유 피스톤 스털링 엔진(free-piston Stirling engine)을 쓴다. 그 안에서 디스플레이서(displacer)는 헬륨을 고온부와 저온부 사이로 옮기고, 파워 피스톤(power piston)은 압력 변화를 받아 왕복한다. 파워 피스톤에 붙은 자석이 코일 속을 오가며 전기를 만드는 장치가 선형 발전기(linear alternator)이고, 여기서 나온 단상 교류를 제어기가 직류로 바꿔 우주선에 넘긴다.

그림 1. 자유 피스톤 스털링 변환기 한 대의 등각 단면 개념도(플렉셔 베어링형 기준, 부품 비율은 실제와 다름). 온도는 ASRG 수명 초기 값이고, 붉은 화살표는 입열, 노란 화살표는 방열이다.

수명의 열쇠는 피스톤을 벽에 닿지 않게 하는 비접촉 베어링이다. 플렉셔 베어링(flexure bearing)은 운동 방향으로는 크게 휘고 반경 방향으로는 뻣뻣한 스프링 부품으로 피스톤을 가운데에 매단다. 가스 베어링(gas bearing)은 기체를 반경 방향으로 밀어 넣어 피스톤을 벽에서 띄운다. 초기 110 W급 스털링 방사성동위원소 발전기(SRG-110)는 플렉셔형을, 뒤를 이은 첨단 스털링 방사성동위원소 발전기(ASRG, Advanced Stirling Radioisotope Generator)는 선파워(Sunpower)의 가스 베어링형 변환기를 썼다.

RTG 효율과 비교하면 — MMRTG 대 ASRG

방사성동위원소 열전발전기(RTG, Radioisotope Thermoelectric Generator)는 움직이는 부품 없이, 두 소재 접합부의 온도 차가 전압을 만드는 제베크 효과(Seebeck effect)로 전기를 얻는다. 열전 소재가 수명을 정하는 과정은 기존 글 태양이 닿지 않는 곳의 전력 — RTG의 수명은 반감기가 아니라 열전소재가 정한다에서 다뤘다. 아래 표는 NASA 제트추진연구소(JPL, Jet Propulsion Laboratory)의 RPS 참고서(2015)에 실린 두 발전기의 표·본문 값을 모은 것이다(열원 모듈당 250 W, 진공 기준). 기술 성숙도(TRL, Technology Readiness Level)는 1~9단계다.

표의 결론은 두 겹이다. ASRG는 플루토늄-238을 약 4분의 1(3.5 kg → 0.88 kg)만 쓰고도 전기를 더 내도록 설계됐다. 대가도 같은 표에 있다. 진동이 생기고, 제어기라는 전자장치가 새 고장 지점으로 붙으며, 기술 성숙도는 비행과 거리가 멀었다.

카르노 한계로 본 RTG 효율과 스털링 효율

카르노 효율 η = 1 − T_저온/T_고온(켈빈)은 열기관 효율의 이론 상한이다. 뜨거운 쪽이 뜨겁고 차가운 쪽이 차가울수록 천장이 높다. 표의 온도로 계산하면 MMRTG의 천장은 약 39~52%인데 실제 효율 5.4%는 그 10~14%에 그친다. ASRG는 천장이 약 70%이고 27%는 그 약 39%다.

즉 스털링은 더 뜨거운 열을 받아 천장이 약 1.3~1.8배 높고, 그 천장에 훨씬 가깝게 다가간다. 배수는 MMRTG 효율 출처에 따라 다르다. ASRG 27%를 MMRTG 5.4%(JPL 참고서), 6%(NASA 팩트시트), 6.3%(NASA 글렌 연구센터 2018년 논문)로 나누면 각각 5.0배, 4.5배, 4.3배다. 제목의 ‘4~5배’는 이 범위다.

ASRG 개발 중단 — 2013년에 멈춘 이유와 남은 과제

ASRG는 미국 에너지부(DOE, Department of Energy)의 2000년 SRG-110 개념 설계에서 출발해 2006년 변환기를 바꾸며 지금의 이름이 됐다. 엔지니어링 유닛 검증 시험을 마치고 인증(qualification) 유닛 조립에 들어간 상태에서 2013년 가을 취소됐다. 사유는 JPL 참고서와 글렌 연구센터 2018년 논문이 예산 제약, 2023년 논문이 비용 초과로 적었다. 2013년 11월 보도가 전한 NASA 발표의 요지는 플루토늄-238 공급이 충분하고 예산이 빠듯해 비행 하드웨어 조달을 멈추고, 하드웨어는 글렌 연구센터에서 시험을 잇는다는 것이었다.

2015년 초 독립 평가위원회는 ASRG 전체를 TRL 3으로 평가했는데, 최종 비행 하드웨어로 시스템 수준 시험을 하지 못한 점이 컸다. 변환기 2대를 마주 보게 놓고 위상을 맞춰 진동을 상쇄했지만 엔지니어링 유닛에서도 약 10 N(102.2 Hz)이 남았고, 교류를 직류로 바꾸는 과정의 전자기 간섭 가능성도 우주선이 떠안아야 했다. 가장 무거운 짐은 단일 고장점이다. 변환기 하나가 멈추면 출력은 최소 45%로 줄고, 상쇄가 깨져 진동이 커진다.

지상에서 쌓은 시간 — 글렌 연구센터 장기 운전과 KRUSTY

NASA 글렌 연구센터 스털링 연구실은 변환기를 무인으로 24시간 돌린다. 플렉셔형 기술 실증 변환기(TDC, Technology Demonstration Convertor) 13호기는 2018년 기준 12.6년, 11만 시간 넘게 출력 저하 없이 320억 회 이상 왕복했고, 2023년 논문 기준 16.1년 넘게 무고장 운전 중이다. 다만 전기 히터로 데운 지상 시험, 한 대의 기록이다. 같은 원리의 극저온 냉각기는 여러 우주 임무에 쓰였고, 최장 운전 기록은 2018년 기준 17만 8,000시간을 넘었다.

2018년 3월 네바다 국가안보시험장의 KRUSTY(Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY) 시험은 우라늄-235 노심의 열 약 4 kW(800 °C, 약 1,073 K)를 나트륨 히트파이프로 스털링 엔진에 보냈다. 엔진 8자리 가운데 2자리만 실제 변환기(선파워 80 W급)였고 나머지는 열 모사기였다. 두 엔진은 합계 183 W, 효율 30~34%(카르노의 약 50%)를 냈고, 전출력 운전은 28시간이었다. 원자로 쪽 셈법은 달의 밤 354시간, 태양전지 대신 원자로를 켜는 진짜 이유에 정리했다.

폐열은 어디로 가나 — 화성 로버가 쓰는 MMRTG의 열

폐열도 쓸모가 있다. 큐리오시티의 열제어는 MMRTG 폐열을 화성 표면의 추운 조건에서 쓰도록 설계한 펌프식 유체 루프이고, 퍼서비어런스도 같은 배관으로 열 일부를 로버 몸체에 되돌리고 일부는 방열 시스템으로 버린다. 그림 3은 발전기 한 대가 내는 전기와 폐열을 같은 축척으로 비교한 것이다.

전력·에너지 관점

Point. 스털링의 효율 4~5배는 ‘연료 1 W당 전기’의 배수이지 탐사선이 받는 에너지의 배수가 아니다. 효율이 오르면 같은 전기에 드는 연료가 줄고, 연료가 줄면 공짜로 따라오던 열도 준다.

Reason. GPHS가 내는 열은 변환 방식과 무관하다. 플루토늄-238 1 kg당 열은 MMRTG 571 W, ASRG 568 W로 사실상 같다. 전기는 효율이 정하지만 열의 총량은 연료량이 정한다. 그래서 전기 1 W에 딸려 오는 폐열은 MMRTG 17.5 W, ASRG 2.6 W로 약 7분의 1이 된다(진공 기준).

Example. 화성 로버처럼 보온을 폐열에 기대는 설계라고 하자. JPL 참고서의 화성 대기 조건 값으로 ASRG 한 대는 전기 115 W와 폐열 385 W(수명 초기)를 낸다. 그러면 필요한 열이 385 W를 넘는 순간부터 전기를 히터로 돌려야 하고, 필요한 열이 500 W라면(가정) 전기 115 W가 전부 난방으로 사라진다. 폐열을 100% 회수한다는 낙관적 가정이라 실제 문턱은 더 낮다. 부족분을 개당 약 1 W인 방사성동위원소 히터(RHU, Radioisotope Heater Unit)로 메우면 플루토늄이 다시 늘고, 전기 히터로 메우면 효율↑ → 폐열↓ → 히터 전력↑ → 발전기·배터리↑ → 질량↑ → 발사 비용↑의 순환이 시작된다.

Point. 그러므로 추운 표면 임무에서 비교할 지표는 효율 하나가 아니라 ‘전기 + 쓸 수 있는 열’이다. 반대로 글렌 연구센터는 폐열이 적은 것을 달 영구음영지역처럼 열이 휘발성 물질을 교란하는 곳에서의 장점으로 꼽았다. 같은 ASRG의 폐열(진공 363 W, 화성 대기 385 W)이 보온 수요가 큰 화성 표면에선 모자랄 수 있고, 영구음영지역에선 미덕이다. 변환기 선택은 폐열을 자원으로 볼지 부담으로 볼지의 문제다.

반론과 제약. 효율 이득도 신뢰성과 맞바꾸면 줄어든다. ASRG 이후 NASA는 시스템 효율 목표를 20%로 낮추고 견고성을 택했다. 2022년 설계된 동적 방사성동위원소 전력 시스템(DRPS, Dynamic Radioisotope Power System)은 Worst-case인 변환기 고장에 대비해 GPHS 6개 둘레에 변환기 8대를 두고 두 대가 멈춰도 출력을 지키지만, 모델 예측 효율은 19.5%, 비출력은 2.6 W/kg로 MMRTG(2.4 W/kg)와 비슷하다. 변환기 두 대용 시험 제어기는 개량 뒤에도 입력 전력의 약 15%를 잃는다. 신뢰성 여유↑ → 변환기·제어기↑ → 질량↑ → 비출력↓의 순환이다.

지상 시험과 우주 환경의 괴리. 지상에서는 열병합용 자유 피스톤 스털링이 1만 5,000대 넘게 생산돼 누적 2억 5,000만 시간 넘게 돌았다. 우주에서는 수리 없이 17년(DRPS 설계 요구)을 버텨야 하고, 열원은 끌 수 없는 플루토늄이며, 심우주 진공에서는 저온부 열이 대류 없이 복사로만 빠진다. 글렌 연구센터는 20년 설계 수명을 지상에서 1배조차 실증할 수 없고 변환기 단위의 가속 수명 시험법도 없다고 적었다. 유기물·자석 방사선 시험은 2023년 기준 예산 제약으로 연기됐다. 열역학은 같아도 필요한 증거가 다르다. 지상의 수억 시간은 많은 기계의 평균이고, 우주는 한두 대가 17년 동안 멈추지 않는다는 증거를 요구한다.

정리하면 스털링 발전기는 같은 플루토늄에서 설계상 4~5배의 전기를 뽑는 대신, 움직이는 부품의 신뢰성을 지상에서 증명하기 어렵다는 숙제와 줄어든 폐열이라는 두 번째 청구서를 함께 받는다.