한국, 페이스북도 실패한 '성층권 태양광 무인기'에 도전한다[과학을읽다]

한국항공우주연구원이 개발 중인 고고도태양광무인기 EAV3.

[아시아경제 김봉수 기자] 정부가 고도 10~50km 이상의 성층권에서 한달간 체류할 수 있는 태양광 무인기(성층권 드론)를 개발해 세계 시장을 선도하겠다고 나섰다. 과연 어디에다 쓰는 물건이고, 넘어야 될 산은 무엇일까?

◇ 성층권 드론이란?

하늘에 떠 있는 위성에 비유된다. 임무는 지상감시, 통신 중계 등으로 위성과 똑같다. 이상기후 및 산불 감시는 물론, 해양오염 감시 및 해수변화, 실시간 정밀 기상 관측, 해양 국경 감시 등 다양한 활용분야가 있다. 위성보다 제작비가 훨씬 적게 들고 값 비싼 발사비도 들지 않기 때문에 경제적인 면에서 훨씬 효율적이다. 제작과 발사에 2000억~3000억원이 드는 고성능 위성과 비슷한 수준의 지구 관측 영상 정보를 얻고 통신 중계에도 활용할 수 있는 데, 돈은 10분의1 수준도 안 든다. 또 가볍고 긴 날개ㆍ동체에 태양광을 이용해 발전을 해 비행하기 때문에 탄소중립 시대에 적합한 무공해 비행체다. 주무대는 고도 11~50km의 성층권으로 여객기ㆍ전투기 등(10km 이하)의 방해 없이 자유롭게 비행할 수 있다.

대신 주행 속도가 20~100km/h 정도의 저속에 불과하고, 양력을 위해 긴 동체ㆍ날개를 달았기 때문에 회전 동작을 하다가 날개 끝이 부러지거나 비틀어지면 회복이 불가능하다. 이에 대류권에서 난기류를 만나 추락하는 경우가 종종 있다. 배터리를 제외하면 수십~수백kg 정도로 탄소섬유를 활용해 가볍게 만들어져 있다. 리튬이온전지를 사용하는 데 현재의 기술로는 용량의 한계가 있어서 장기간 비행이 어렵다.

과기정통부는 "대기가 안정적인 성층권에서 장기간 체공할 수 있는 드론은 인공위성처럼 높은 고도에서 지상을 상시 감시할 수 있으면서도 도입ㆍ운용ㆍ유지 비용은 낮다"면서 "최근 이슈가 되고 있는 '우주쓰레기' 문제도 발생하지 않아, 새로운 드론 산업으로 각광받고 있다"고 설명했다.

페이스북이 개발하다 중단한 고고도 태양광 무인기 아퀼라 드론.

◇ 페이스북 등 실패의 연속

항우연에 따르면, 1981년 미국의 솔라챌린저가 태양광 전력만으로 비행에 성공하면서 고고도 태양광 무인기의 시대가 시작됐다. 하지만 지난 40년간 비행에 성공한 모델은 손가락으로 꼽힐 정도다. 페이스북이 개발한 아퀼라 드론, 미 항공우주국(NASA)의 헬리오스와 항우연의 EAV3가 대표주자들이다. 아퀼라드론과 헬리오스는 동체없이 날개로만 구성돼 마치 부메랑을 연상시키는 것으로 유명하다. 그러나 난기류에 취약해 아퀼라 드론은 2016년 첫 비행에서 대류권의 돌풍에 부딪혀 추락했고, 2017년 두번째 테스트 비행이후 개발이 중단됐다. 헬리오스 역시 2003년 약한 난기류에도 버티지 못해 태평양에 추락하고 말았다.

이처럼 성층권 드론의 개발이 어려운 것은 우선 제트기류 때문이다. 최대 500km/h가 되는 강한 제트기류가 고도 10km 인근에서 불기 때문에 무인기가 정상적으로 비행하는 게 매우 어렵다. 또 성층권의 온도는 최대 영하 70도 정도로 낮다. 극한 온도에서 견딜 수 있는 무인 비행 시스템이 필요하다.

◇ 과제는 고성능 배터리·초경량 소재 개발

과기정통부는 내년부터 2025년까지 예산 374억7000만원을 들여 상시 재난 감시용으로 쓰일 세계 최고 성능의 성층권 드론을 개발한다는 목표다. 현재 세계적으로 가장 우수한 성층권 드론 성능이 26일 연속비행할 수 있고, 감시장비 등 임무장비 5kg를 탑재할 수 있다. 과기정통부는 30일 이상 연속비행, 임무장비 20kg 이상 탑재가 가능한 성층권 드론을 개발해 수출 시장까지 노린다는 계획이다.

이미 우리나라의 기술 수준은 상당한 수준에 올라와 있다. 한국항공우주연구원은 2010년부터 5년간 150억원을 투자해 고고도 태양광무인기 개발 사업을 진행했다. 총 54회 188시간의 비행시험을 통해 1차 10분, 2차 90분 등 두 차례 성층권 비행에 성공했다. 이후에도 성능 개량을 위한 후속 연구를 진행하고 있으며, 2019년, 2020년 각각 초도비행에 성공했다. 특히 2020년엔 53시간의 국내 최장 비행 기록을 세우기도 했다.

성층권 드론 전문가는 "드론이 성층권에서 장기간 체공하기 위해서는 오랫동안 전력을 확보ㆍ저장ㆍ운용하는 기술과 에너지 효율 극대화를 위한 초경량 기체 기술이 가장 핵심"이라며 "리튬-황 등 고성능 배터리 개발과 탄소섬유 복합 재료 등 소재ㆍ부품 기술 확보, 다양한 활용분야를 고려한 임무장비 개발 등이 절실하다"고 설명했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr