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- 달의 미래 주민들에게 건축 자재, 산소, 물, 에너지가 필요할 것, 가능하면 현지 확보해야
- 지구에서 달로 태양광 모듈 운반 대신, 필요한 유리를 달의 표토에서 현장 생산
- 달 표토는 유리 원료인 이산화규소가 약 50%, 산화알루미늄이 약 30%, 산화칼슘이 약 15%, 산화철과 산화티타늄이 몇 퍼센트 함유돼
- 표토 유사체 2500도 가열해 만든 달빛 유리 태양 전지는 최대 10%의 효율을 달성

달의 표토로 만든 태양 전지
달 먼지는 달 기지의 에너지 공급에 필요한 물질의 99%를 제공할 수 있다

달 태양 전지 공장:
미래의 달 기지는 현장에서 전력 공급을 위한 태양 전지를 생산할 수 있으며, 이를 통해 필요한 원자재의 운송 중량을 99% 절감할 수 있다. 지금까지의 실험 결과에 따르면, 태양광 모듈용 유리는 광범위한 가공 과정 없이 달의 표토에서 생산될 수 있다. 웨이퍼처럼 얇은 페로브스카이트 반도체층과 결합하면 최대 10% 효율의 태양 전지가 탄생한다. 

▲ 미래에는 달 기지에 에너지를 공급하는 태양 전지를 달에서 직접 제조할 수 있을 것이다. © Sercan Özen

아폴로 임무와는 달리 이번에는 우주인이 달 우주 정거장과 달 기지를 포함해 지구의 위성에 더 오랫동안 머물게 된다. 하지만 이를 위해서는 달의 미래 주민들에게 건축 자재, 산소, 물, 에너지가 필요할 것이며, 이러한 것들은 가능하면 현지에서 확보해야 한다. 광물 자원의 주요 원천은 달의 표토이고, 태양은 에너지와 열을 제공한다.

운송 중량 99% 절감

포츠담 대학의 줄리안 쿠에르보 오르티스와 그의 동료들은 이제 달에서 태양 전지를 생산하는 방법을 테스트했다. "달 남극의 거의 끊임없는 태양 복사열로 에너지를 공급받는 영구적인 달 기지, 마을, 심지어 도시를 상상해 보세요."라고 팀은 말했다. 하지만 이 태양에너지를 활용하려면 셀 수 없이 많은 태양 전지 모듈이 필요하며, 이 모든 태양 전지 모듈을 로켓으로 달까지 운반할 수는 없다.

▲ 달의 표토를 이용해 유리를 만들 수 있으며, 이를 웨이퍼처럼 얇은 반도체 층과 합치면 태양 전지가 된다. (출처: 관련논문 April 03, 2025Open access / Moon photovoltaics utilizing lunar regolith and halide perovskites / Device)

연구자들은 "우리는 재료 운송에 필요한 무게를 99% 줄이는 솔루션을 제안한다"고 설명했다. 이 아이디어의 배경은 다음과 같다. 지구에서 달로 모든 태양광 모듈을 운반하는 대신, 운반 재료로 필요한 유리를 달의 표토에서 현장에서 생산할 수 있다. "우리 연구의 하이라이트는 태양 전지에 필요한 유리를 어떠한 처리 없이 달의 레골리스(Regolith;표토)에서 직접 추출할 수 있다는 것이다"고 포츠담 대학의 수석 저자 펠릭스 랭이 설명했다.

태양로에서 달 먼지로 유리 생산

달 고원에 있는 달 표토는 유리 원료인 이산화규소가 약 50%, 산화알루미늄(Al2O3)이 약 30%, 산화칼슘이 약 15%, 산화철과 산화티타늄이 몇 퍼센트 함유되어 있다. 현무암이 풍부한 달의 석회암에는 이러한 금속 산화물의 비율이 상당히 높아서 약 13%에 이른다.

연구진은 실험을 위해 두 가지 다른 표토 유사체를 사용했다. 각 달 지역마다 하나씩. 그들은 이 가루를 1,500도에서 녹여서 유리로 굳혔다. 쿠에르보 오르티스와 그의 동료들이 설명했듯이, 달에서는 태양로를 이용해 이에 필요한 열을 매우 쉽게 생성할 수 있다. 이 용광로는 렌즈를 이용하여 대기가 없는 달에 강렬한 태양 복사선을 집중시키고, 이를 통해 필요한 높은 온도에 도달할 수 있다.

▲ 달 태양 에너지 공급 전략에 대한 개요. ISRU(in situ resource utilized)를 사용해 레골리스에서 문글라스를 생산한 다음 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지를 증착하는 달에서의 구상된 페로브스카이트 태양 전지 제작. 달로 가져온 1kg의 페로브스카이트 전구체와 약 1.12톤의 레골리스는 ESA17에서 제시한 달 기지 시나리오와 같은 달-페로브스카이트 태양 전지 약 400평방미터에 충분하다. 또한 발사된 질량당 전력인 문글라스 기반 페로브스카이트 태양 전지의 유효 비전력을 기존 기술과 최근에 제안된 기술과 비교해 보여준다. 문글라스 제작 패널의 경우 Stapperfend Berlin et al.18에서 적용한 레골리스 용융물의 압출이 표시된다. (출처:관련논문 April 03, 2025Open access / Moon photovoltaics utilizing lunar regolith and halide perovskites / Device))

초박형 반도체층

그 결과, 고지대 표토에 포함된 금속 산화물 혼합물로 인해 약간만 흐릿해진 유리가 만들어진다. 실험 결과, 1mm 두께의 레골리스 유리는 파장 범위 700nm의 방사선의 65%를 통과시키는 것으로 나타났다. "이것은 할로겐화물 페로브스카이트의 흡수와 완벽하게 일치한다"고 팀은 설명했다. 현무암 트레골리스로 만든 유리는 금속 산화물 함량이 높아 거의 불투명했기 때문에 그다지 좋지 않았다.

다음 단계에서 연구진은 페로브스카이트와 인듐이 도핑된 주석 산화물(ITO)의 얇은 분리층, 전극 구성 요소를 포함하여 태양 전지에 필요한 반도체 층을 유리 표면에 증기 증착했다. 이 활성층은 또 다른 초박형 유리 층으로 덮였다. 페로브스카이트는 용액으로 사용할 수 있으며, 연성이 뛰어나고 특히 방사선, 빛 및 온도 변화에 강하다. 이는 달 탐사에 중요한 특성이다.

▲ 레골리스 기반 Moonglass (A 및 B) TUBS-T 및 TUBS-M 레골리스 모의물과 이를 사용하여 만든 유리의 사진. (C–E) TUBS-T 문글라스의 다양한 두께에 대한 횡단면 및 평면도 현미경 이미지와 투과 스펙트럼.

최대 10%의 효율성

실험 결과, 이 달빛 유리 태양 전지는 최대 10%의 효율을 달성했다. 랭은 "현재 우주여행에 사용되는 태양 전지는 30~40%의 효율을 달성한다"며 "하지만 운송 중량을 99%까지 줄이면 초고효율 태양 전지는 필요 없다. 달에서 더 많이 생산하면 된다"고 말했다. 우주 탐사선의 태양돛과는 달리 달 표면에는 우주 문제가 없다.

랭은 "이 태양 전지는 두께가 500~800nm인 반도체층만 필요하므로 지구에서 얻은 페로브스카이트 원료 1kg으로 달에서 400㎡의 태양 전지를 생산할 수 있다"고 말했다.

▲ 문글라스 위의 페로브스카이트 기반 태양 전지 (A) 다양한 제조된 장치의 레이어 스택. (B) 문글라스 위의 페로브스카이트와 Cu, Cu/Ag/MoO3, IZO 상단 접촉이 있는 유리에 대한 PCEAM0. 또한 완전한 장치에서 측정한 pPCEel과 순수한 필름에서 측정한 pPCEpl이 표시. 상자 그림은 10, 25, 75, 90% 범위와 평균 선을 나타낸다. (C) 다양한 기판 및 상단 접촉 구성에 대한 통합 Jsc가 있는 챔피언 장치의 해당 EQE. (D) 다양한 기판 및 상단 접촉 구성에 대한 J-V(실선) 및 pJ-Vel 곡선(점선).

추가 최적화가 필요

연구자들에 따르면, 이 기술은 현지에서 달 태양 전지를 생산할 수 있는 길을 열어줄 것이라고 한다. "우리의 레골리스 기반 페로브스카이트 태양 전지는 미래의 달 거주지에 전력을 공급하는 가장 유망한 방법이다"고 그들은 말했다. 하지만 그 전에 해야 할 일이 많이 남아 있다. 페로브스카이트 층을 만드는 데 사용된 방법은 현재 진공에서는 작동하지 않는다. 달의 낮은 중력이 이 과정에 부정적인 영향을 미치는지는 불분명하다.

따라서 쿠에르보 오르티스와 그의 동료들은 그들의 기술을 더욱 최적화하고자 한다. 그들은 가까운 미래에 태양 전지 공장의 시제품을 달에 보내 실제 조건에서 시험해 볼 수 있기를 바라고 있다.
(Device, 2025; doi: 10.1016/j.device.2025.100747)
출처: Cell Press, Universität Potsdam

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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