인공위성마다 충전 시간이 다르다?

디지털 유목민 가라사대.” 비우고 때에 채우면 또 즐거운 거잖아”오늘도 배터리를 채우고 나왔나요?밥은 준비하지 않아도 스마트 폰의 배터리 용량만은 포기할 수 없어요.우주의 모바일 기기, 인공 위성도 매일 충전·방전에 촉각을 곤두세우고 있다고 합니다.그런데 인공 위성마다 충전 시간이 다르다는 사실, 잘 알고 계셨나요?인공 위성 안에 스마트 폰의 배터리가?

인공위성도 스마트폰, 자동차, 카메라와 다르지 않습니다. 전자기기를 탑재한다는 점에서요. 많은 전자 디바이스나 기기를 탑재하기 위해 전력을 공급받아야 하는 것도 마찬가지입니다. 그래서 다 배터리가 들어가요. 배터리에 저장한 전력을 작동시킬 때 소비합니다. 실제로 인공위성은 스마트폰과 동일한 리튬이온 배터리를 탑재하고 있습니다. 물론 크기는 훨씬 큽니다. 라면박스 정도 부피에 셀이 8개 정도 들어갑니다. 충방전 원리도 같다고 생각하시면 됩니다.

인공 위성 배터리에도 스마트 폰 같은 리튬 이온 배터리가 탑재된다.<사진 출처=eaglepicher>에서는 인공 위성은 언제 전력이 필요했을까요?한번 궤도를 타고 궤도 속도로 도는 것으로 궤도를 도는데 쓸 일은 없지만.차도 연료로 움직이지만, 시동을 걸고 회전하는 정지하는 모든 움직임에는 전자 제어 장치가 사용됩니다.위성에서는 이 일을 반작용 휠이 실시합니다.인공 위성이 항상 지구 측을 바라보도록 자세를 바꿔야 합니다.5개의 바퀴를 1초에 수십번 돌리에는 전력 소모가 많지요.이를 한시도 쉬지 않고 돌립니다.위성 안의 컴퓨터는 어떻습니까.1년 365일 24시간 풀 가동합니다.지구 관측 위성이나 기상 관측 위성은 촬영도 끊임없이 합니다.카메라 전 장품에도 전력이 필요합니다.태양 전지판도 계속 태양 쪽을 쳐다보느라는 가끔 회전합니다.이 때도 전력 장치를 사용합니다.각종 전 장품이 계속 일을 하고 있다고 과열될까요?열 제어를 실시하는 히트 파이프도 힘은 항상 ON. 게다가 안전 모드 때도 최소한의 전력은 살리고 두다니, 배터리가 인공 위성의 생명줄을 쥐고 있는 셈이에요.위성마다 충실 방전 횟수가 다른

이렇게 많은 전력이 어디서 나오는지는 잘 아실 거예요. 인공위성 본체 옆에 날개처럼 달려 있는 태양전지 패널입니다. 태양광을 전력으로 대체합니다. 인공위성도 일종의 재생에너지를 사용하는 전자기기인 샘입니다. 대기권이 없는 우주에서는 태양열을 직접 받을 수 있어 지상 태양열 발전보다 에너지 효율도 좋습니다.

인공 위성은 하루 동안 사용 에너지를 계산하여 태양 전지 패널의 개수를 결정하고 태양 전지판을 통해서 모든 전력을 공급한다.사진은 아리랑 3호의 임무 수행 상상도.실제, 재생 에너지는 실과 바늘 같은 에너지 저장 시스템이 불가결합니다.풍력 터빈은 바람이 불 때만, 태양광 시스템은 햇빛을 받을 때만 발전이 가능합니다.에너지를 간직하도록 사용하지 않으면 문제가 생깁니다.발전 출력이 들쭉날쭉하와 전력 품질이 저하하고 항상 일정한 전압 공급이 어렵겠죠.셧다운과 기기의 고장으로 이어질 가능성이 있습니다.그래서 잉여 전력의 저장은 꼭 필요합니다.인공 위성은 태양 광선을 받을 때 배터리에 충분히 충전하고, 태양이 숨어 버리자 방전하는 방식입니다.이 충방전 횟수가 인공 위성마다 다릅니다.높은 궤도를 돌거나 낮은 궤도를 도는가에 의해서 차이가 있습니다.저궤도에서는 위성 속도가 정지 궤도보다 2배 이상 빠릅니다.저궤도를 도는 아리랑 위성은 초속 7.5킬로미터의 속도로 하루에 15번 정도 지구를 주회 합니다.돌면서 태양에 숨어서 재방송을 반복합니다.이 횟수가 충전 주기입니다.100분 정도로 지구를 일주한다는 계산이 됩니다.이 중 낮 영역이 64분, 밤 영역은 36분입니다.충방전을 하루에 15회 반복하는 거에요.

아파트 고층 정도 일조량이 높게 높은 고도에 오르는 정지 궤도 위성은 항상 태양 광선을 받을 수 있다.<사진 출처=픽사 베이> 높은 궤도에서 지구의 자전 속도로 돌고 있는 정지 궤도 위성은 어떨까요.그 궤도 위성처럼 밤과 낮이 있습니까?태양이 1억 5천만 km거리가 먼 거리여서 대부분 태양을 바라볼 수 있습니다.그 궤도 위성도 똑같이 말하겠지만, 이상하죠.그 궤도는 지구에서 불과 600~800km 떨어진 지점이에요.태양과의 거리와 비교하면 지구에 달라붙어 있는 것과 같습니다.지구의 뒤에 숨은 때는 밤이 될 수밖에 없습니다.정지 궤도 위성은 이보다 훨씬 높은 3만 6000km고도에 있어 햇빛을 골고루 받을 수 있습니다.아파트도 고층 정도 일조량이 높은 것과 같은 이치네요.정지 궤도 위성도 태양에 막힘이 있다

저궤도 위성은 스마트 폰처럼 충전·방전을 반복, 정지 궤도 위성은 종일 충전기를 끼는 것과 같습니다.충전 걱정 등은 없어 보이는 정지 궤도 위성도 태양에 막힘이 있습니다.나이에 2번만 춘분, 추분 점입니다.지구처럼 돌고 있는 정지 궤도 위성은 지구의 공전 위치에 의해서 태양 광선을 받는 각도도 조금씩 바뀝니다.춘분, 추분 점에서는 지구의 자전축 기울기(황도 경사)이 0도로 되고 낮과 밤의 길이가 같게 됩니다.이때 태양의 뒤편에 있다고 지구 그림자에 의해서 완전히 숨습니다.이렇게 숨은 시간이 수십초에서 최대 72분까지입니다.우리 연구진은 정지 궤도에 타고 있는 천리안 2A호에 대해서”올해 3월 21일 춘분점 때는 거의 태양에 노출됐다.공백은 수십초 정도였다”라고 전하고 있습니다.항상 충전 중인 정지 궤도 위성 배터리도 이때는 방전됩니다.

정지 궤도 위성은 춘분, 추분 점 외에 달에 의해서도 태양을 덮는다.<그림의 출처=perkinselearning>춘분, 추분 점 외에도 달에 의해서 햇빛이 막힘이 있습니다.태양-월-정지 궤도 위성-지구가 일직선상에 놓일 때입니다.이 시간은 최대 150분 정도 걸립니다.정지 궤도 위성은 항상 배터리를 빵과 충전하는 것으로 이 정도면 후하게 견딜 수 있습니다.게다가 인공 위성은 슬기롭게도 충전·방전을 스스로 실시합니다.태양 전지 패널에서 오는 전압이 낮아지면”배터리 전압을 가져오도록”프로그래밍됩니다.충전도 일정 전압 이상이 들어갔을 때만 시작됩니다.인공 위성도 스마트 폰처럼 충전·방전 회수로 배터리의 수명이 결정됩니다.저궤도 위성의 임무가 3년이면 365일×15회×3년=1만 8000회로 제한됩니다.정지 궤도 위성은 계속적으로 잔여 용량을 감시하는 방법으로 배터리의 수명을 관리합니다.배터리 교환이 불가능한 인공 위성은 아마도 스마트 폰보다 배터리 관리를 철저히 해야 할 것 같네요.기획/제작:항공 우주 Editor오·요한자문/감독:정지 궤도 복합 위성 사업단용기력 박사