By DANIEL OBERHAUS, WIRED US

지난해 초반, 미국에서 코로나19 사망자가 나오기 불과 몇 주 전, 이차오(Yi Chao) 박사를 중심으로 구성된 소규모 연구팀이 하와이 해안가에서 얇은 금속 튜브를 태평양에 던져두었다. 차오 박사는 나사 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory)에서 20여 년간 해양학자로 근무한 뒤, 전 세계 해양에 갇힌 열에너지의 한계를 관리할 수 있는 해양 발전기를 상업화하고자 했다. 차오 박사가 설립한 기업 시트렉(Seatrec)은 과거 그의 나사 근무지가 있는 패서디나 지역과 같은 길에 있다. 그러나 차오 박사는 주기적으로 하와이에 방문해, 빅아일랜드 일대의 잔잔한 짙은 푸른 수역에 담긴 하드웨어를 테스트한다. 이때, 차오 박사 연구팀은 해양 발전기를 이전보다 수심이 더 깊은 곳에 설치하고자 한다.

외관부터 보았을 때, 시트렉의 해양 열 발전기는 그리 많은 것을 지니고 있지 않다. 해양 열 발전기 ‘SL1’의 높이는 사람과 비슷하고 넓이는 6인치(15.24cm)로, 외부는 매끄럽고 거의 특색이 없는 검은색과 회색이다. 중요한 것은 내부이다. 바닥 부분은 기온에 따라 단계를 변화하도록 특별 설계된 왁스로 가득 차 있다. 왁스는 SL1이 심해의 깊은 곳으로 내려갈 때 응고된다. 그리고, 튜브가 다시 표면에 떠오르면 상대적으로 따뜻한 물이 내부 왁스를 융해한다. 응고된 왁스의 융해 과정에서 왁스 양이 증가하고 튜브 내부의 압력이 증가한다. 발전기를 통해 액체에 힘을 가하며 전기를 생성한다. SL1을 충전하기 위해 필요한 것은 단순히 차가운 수역에 내려가 왁스를 다시 응고시키는 것뿐이다. SL1 체인을 풀거나 내부 부레를 연결하면 된다.

지난해 2월, 차오 박사 연구팀은 3주에 걸쳐 시트렉 발전기 여러 대를 해저 3,000피트(914.4m)에 설치하면서 첨단해저관측 부이를 장착했다. SL1이 해양에 설치된 것은 당시가 세 번째이며, 해저를 잠수하는 발전기가 이전보다 몇백 피트 더 깊은 곳으로 이동하기를 원한다. 그러나 차오 박사 팀이 설치한 다양한 연구 수단에 전력을 공급하기 충분한 수준의 전력을 생성한다. 연구팀은 확실한 성공을 거두었다.

차오 박사는 “SL1 테스트가 효과가 있을 것으로 확신했다. 이번에 확신한 내용을 입증했다. 100% 에너지 중립이기 때문에 두 개의 SL1이 입증한 바는 판도를 바꿀 수 있을 정도로 놀랍다. 바닷속에서 흘러가는 에너지 제약 문제를 해결한 것이다”라고 설명했다.

SL1은 첨단해저관측 부이로 알려진 센서가 가득 장착된 잠수 연구 로봇이다. 표면에서 1마일(약 1,609m) 떨어진 짧은 거리를 이동하면서 데이터를 수집한다. 심해에서 SL1이 표면으로 올라오면 수집한 정보를 위성에 전송한다. 현재 첨단해저관측 부이 수 천개가 아르고(Argo)라는 국제 프로그램의 일환으로 지구상의 해양을 떠돌고 있다. 첨단해저관측 부이는 여전히 과학자들이 위쪽 해양을 원격으로 연구하기 가장 좋은 수단이지만, 수명과 데이터 수집량이 전력에 따라 크게 제한됐다.
 
아르고의 첨단해저관측 부이는 일반적으로 5년 혹은 수백 미터를 잠수할 때에만 훌륭한 성능을 자랑하는 리튬이온 배터리가 장착된 채로 바다를 표류한다. 배터리 의존도는 얼마나 많이 잠수할 수 있는가에 따라 제한된다. 일반적으로는 10일에 한 번씩 바닷속에 들어간다. 첨단해저관측 부이는 일반적으로 배터리 수명이 다한 후, 버려진다. 수명이 다한 첨단해저관측 부이를 수집하는 비용보다 폐기 비용이 비교적 저렴하기 때문이다. 지금까지 첨단해저관측 부이 비용은 신형 차량과 맞먹는 수준이며, 해양 폐기물보다 비싸다.

시트렉과 관련이 없는 우즈홀 해양 연구소 수석 과학자 스티브 제인(Steve Jayne) 박사는 “무엇이든 바닷속을 탐험하도록 물속에 넣은 기기는 배터리 때문에 제약이 있다. 제한 없이 에너지를 사용할 수 있다면, 10일 간격이 아니라 매일 데이터를 수집할 수 있을 것이다”라고 말했다.

시트렉의 해양 발전소는 많은 에너지를 생성하지 않으며, 각각의 충전 사이클은 AA 알칼리성 배터리 하나에 필요한 절반의 에너지로 충전한다. 그러나 일반적으로 첨단해저관측 부이에 장착되는 저전력 센서에 필요한 전력 이상의 에너지를 공급하기에 충분하다. 차오 박사는 더 많은 전력이 필요한 장비에는 발전소의 크기를 확대하거나 단순히 데이지 체인 방식으로 더 작은 기기를 연결하면 된다고 말한다. 첨단해저관측 부이는 북극 얼음에 갇혀 있든 열대 지역에서 상어 무리 사이를 돌아다니는 해양 환경에 상관없이 작동하도록 설계됐다. 기기가 다른 지역에 적응하는 데 필요한 요소는 왁스와 같이 내장된 화학 물질을 조절해, 적절한 온도에서 응고시키고 녹이는 것이다.

차오 박사는 시트렉의 해양 발전소가 1980년대, 유명 해양학자 더글라스 웹(Douglas Webb)과 헨리 스토멜(Henry Stommel)의 첫 번째 개념을 실현하기를 바란다. 웹과 스토멜은 나사가 외계 행성 탐사 목적으로 발사한 로봇과 같은 능력과 자율성, 수명을 지닌 채로 바닷속을 탐험할 수 있는 지구를 떠도는 미사일 형태의 해저 연구 로봇 ‘슬로쿰 글라이더(Slocum glider)’를 구상했다. 시트렉의 SL1과 마찬가지로 해저 온도의 차이에 따라 전력을 얻는다.

과거, 웹과 함께 연구한 적이 있는 우즈홀 해양 연구소의 해양 관측소 계획 담당 프로그램 엔지니어 맷 팔란자(Matt Palanza)에 따르면, 웹과 스토멜, 그리고 그들의 협력자들은 세계를 떠도는 해저 로봇 슬로쿰 제작에는 성공했지만, 여전히 비전 실현을 위한 작업이 진행되고 있다. 해양 관측소의 팔란자 박사 연구팀은 세계에서 총 50대로, 가장 많은 슬로쿰을 관리한다. 그리고, 팔란자 박사는 자금이 부족해, 전 세계 해양을 돌아다니는 로봇을 수 천대까지 둘 수 없다고 말한다. 그는 “기술을 지니고 있으며, 계속 개발되고 있다”라고 언급했다.

시트렉의 차오 박사 연구팀은 무한대로 사용할 수 있는 청정에너지로 기기 수명을 늘린다면, 해양 연구 기기의 수가 많이 증가할 수 있다고 믿는다. 그러나 과거, 다른 기업이 시트렉보다 앞서 해양 관측 로봇 수명 연장 기술을 연구했다. 2003년, 웹은 온도 차이를 이용해 해양에서의 상승과 하강을 제어할 수 있는 열 글라이더 원형을 제작했지만, 배터리에 의존한다는 한계점이 있었다. 2008년, 우즈홀 해양 연구소 소속 연구팀이 카리브해에 온도 차이를 이용해 전기 추진 시스템에 전력을 공급하는 다른 종류의 글라이더 원형을 배치하는 데 성공했다. 이듬해, 차오 박사와 나사, 스크립스 해양 연구소(Scripps Institution of Oceanography) 소속 연구팀은 솔로 트렉(Solo-Trec)을 배치했다. 바로 순수하게 온도 차이로 생성된 전력으로만 에너지를 공급받는 세계 최초의 첨단해저관측 부이이다.

차오 박사는 “시트렉은 해저 발전소 측면에서는 과거에 발견된 것으로 진전을 거두고 있다. 웹은 부이 제어 초반에 문제의 절반을 해결했다. 그러나 우리 연구팀은 문제를 완벽히 해결하고 싶었으며, 에너지 중립을 원하기도 했다. 우리 연구팀의 혁신은 기계 확장을 이용한 전기 생산이다”라고 말했다.

차오 박사는 자신이 개발한 에너지 발전 기술을 적용 연구가 시작 단계라고 본다. 그렇게 된다면, 시트렉은 언젠가 해양 세계의 테슬라와 같은 기업이 될 것이다. 시트렉은 이미 모든 유형의 해저 글라이더와 통합할 수 있는 수정된 버전의 SL1 전력 발전 시스템을 사용한다. 차오 박사가 시트렉에서 향후 몇 개월 후, 세계 최초로 배치하기를 원한다고 밝힌 전력 발전 시스템이다. 또, 나중에는 이 글라이더가 시트렉의 발전기로만 구동돼, 유례없는 규모로 태평양을 단독으로 떠돌도록 할 계획이라고 언급했다.

또한, 시트렉은 국방 부문에서도 주목받고 있다. 지난해, 시트렉은 미국 방산업체 노스롭그루만(Northrop Grumman)과 협력해, 시트렉의 발전소를 이용한 해양 기반 충전과 수중 자율주행 차량의 데이터 중계소 네트워크를 구축 가능성을 연구했다. 또, 지난해 8월에는 새로운 해양 관측 기술 개발 측면에서 미국 에너지부와 미국 해양대기청에서 수상하고, 추가 개발 계획에 청신호가 켜졌다.

차오 박사는 해양 관측 기술이 급격히 부상하는 다른 해양 애플리케이션의 수요도 맞출 수 있다고 주장한다. 예를 들어, 아쿠아컬처(Aquaculture)는 물고기와 게, 해초 및 각종 해산물을 잡으면서 해산물 증가 추세를 충족한다. 그러나 오늘날 많은 양식장은 지속가능성을 저해하는 디젤 발전기로 운영된다. 만약, 발전소를 바꾸어 재생 에너지로 운영하게 된다면, 탄소 발자국을 늘리지 않고 수경 재배를 늘릴 수 있다. 동시에 에너지 비용을 절감할 수 있다.

해양의 자연적 기온 차이를 이용해 청정에너지를 만드는 것은 유망한 일이지만, 시트렉은 기술을 상업적으로 널리 보급하기 전까지 해결해야 할 일이 많다. 제인 박사가 지적한 바와 같이 해양학자는 일반적으로 철저히 검증되기 전까지 새로운 기술을 받아들이는 것을 꺼리는 편이다. 많은 과학자가 원하지 않는 부분이 있다면, 1년간 임무 수행에 실패한 연구용 차량을 배치하는 것이다. 그러나 차오 박사는 해양 열에너지가 미래라고 확신한다.

차오 박사는 “바다에 무수히 많은 로봇이 배치된 모습을 구상한다. 2020년대 말이면 3차원 해양 데이터를 실시간으로 얻고, 해양 환경 경제에 전력을 공급하게 되리라 생각한다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
The Plan to Build a Global Network of Floating Power Stations