나사는 Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space (SPEARS) 프로젝트의 일환으로 달의 혹독한 환경에서 안전하게 작동하도록 설계된 전고체 배터리를 개발하고 있다. 이 프로젝트는 비상 장비와 탐사 로봇부터 과학 도구와 로버에 이르기까지, 향후 아르테미스 임무에 전력을 공급하는 것을 목표로 한다.
달 남극 인근의 야간 기온은 화씨 약 328도, 즉 섭씨 영하 200도까지 내려간다. 이러한 온도 범위는 기존 배터리에 도전이 된다. 기존 배터리는 액체 전해질에 의존하기 때문에 극심한 추위에서 전해질이 얼거나 우주의 진공에서 증발할 수 있으며, 달의 낮 동안 높아지는 온도의 영향도 받는다.
열 시험 결과
소형 초기 셀은 버지니아주에 있는 나사 랭글리 연구센터의 연구팀이 실시한 열 및 진공 시험에 사용됐다. 셀은 화씨 176도, 즉 섭씨 80도까지의 온도에서 양호하게 작동했으며, 화씨 영하 76도까지도 계속 작동했다. 화씨 영하 112도, 즉 섭씨 영하 80도에서는 성능이 소폭 저하됐다.
랭글리의 SPEARS 프로젝트 시험 및 연구 책임자인 Yi Lin은 연구팀이 이 셀이 섭씨 영하 80도에서 작동할 수 있다는 사실을 처음으로 입증했다고 말했다. 또한 시험 결과 배터리는 화씨 212도에서 화씨 영하 274도, 즉 섭씨 100도에서 섭씨 영하 170도에 이르는 변동에 노출된 뒤에도 손상을 입지 않은 것으로 나타났다.
실제로 무엇이 달라지는가?
SPEARS 프로젝트는 액체 전해질을 세라믹 또는 폴리머로 만든 고체 물질로 대체한다. 그렇다고 배터리가 달 표면에서 노출될 수 있는 최저 온도에서 작동한다는 뜻은 아니다. 셀은 작동을 재개하기 전에 제한적인 가열이 필요하다. 그러나 고체 전해질은 액체 전해질과 같은 방식으로 얼지 않으므로, 배터리가 손상되지 않은 채 극심한 추위에 노출되는 것을 견딜 수 있다.
이 접근법은 배터리를 계속 따뜻하게 유지해야 할 필요성을 줄일 수 있으며, 이에 따라 달 탐사선과 달 시설의 열 관리 시스템 질량을 줄이고 더 가벼운 설계와 더 긴 운용을 지원할 가능성이 있다. 다만 이러한 이점은 소형 시험 셀에서 우주비행 적격 장비로 기술을 발전시킬 수 있는 능력과 연관되어 있다.
달의 도구에서 지상 응용 분야까지
나사는 그늘진 분화구 안에서 작동하는 드릴, 로버, 비상 전력 팩 및 장시간 작동하는 과학 장비에 배터리를 사용하는 방안을 연구하고 있다. 나사에 따르면 배터리의 화학 조성은 에너지 밀도, 출력 또는 내구성과 같은 서로 다른 우선순위를 달성하도록 조정할 수 있다.
SPEARS 프로젝트는 나사 연구기술임무국 산하 첨단 연구기술 부문의 자금 지원으로 2026년에 시작됐다. 초기 단계에서는 기술 개발에 초점을 맞추며, 이후 상업적 협력으로 전환될 가능성이 있다. 에임스 연구센터는 시험 패널과 전자장치를 포함한 비행 하드웨어를 개발하고 있으며, 이를 바탕으로 우주 환경에서 배터리를 시험할 예정이다.
프로젝트의 주요 동기는 우주에 있지만, 나사는 전고체 배터리가 자동차, 휴대전화, 통신 장치 및 무인 항공기에서 더 폭넓게 사용될 가능성도 언급한다. 현재의 결과는 초기 셀이 혹독한 열 조건을 견딜 수 있음을 입증하지만, 완전한 운용 준비가 끝났거나 달 임무에 사용될 수 있음을 아직 입증한 것은 아니다.