[뉴테크] 6g 초소형 항공기. 태양전지로 1시간 비행

기존 기록은 10분 수준, 목표는 24시간 연속비행
태양전지 하단에 배치해 햇빛 흡수량 늘려

중국 북경항공대 연구진이 개발한 초소형 항공기 '쿨롱플라이(CoulombFly)'의 모습. 1시간 연속 비행이 가능해 기존 초소형 항공기의 비행 시간인 10분보다 크게 개선됐다./네이처

중국 연구진이 초소형 항공기의 비행 시간을 늘리는 새로운 기술을 개발했다. 작고 가벼워 다양한 목적으로 사용할 수 있는 초소형 항공기를 상용화할 돌파구를 마련했다는 평가가 나온다.

치명정 중국 북경항공대 교수가 이끄는 연구진은 18일 국제 학술지 ‘네이처’에 “태양광으로 비행하는 초소형 항공기의 비행 시간을 1시간으로 늘리는 데 성공했다”고 밝혔다. 기존 초소형 항공기는 비행 시간이 10분에 불과했다. 획기적으로 비행 시간이 늘어난 것이다.

초소형 항공기는 무게가 10g 이하인 비행체를 말한다. 최근 군사용도로 주목 받는 드론보다도 훨씬 가볍고 크기는 손바닥만 하다. 저렴한 비용으로 손쉽게 개발할 수 있어 통신, 환경 감시, 정찰 임무 용도로 주목 받고 있다.

하지만 비행 시간이 10분이 채 되지 않아 상용화는 이뤄지지 않고 있다. 초소형 항공기는 내장 배터리로 전자기 모터를 돌려 날지만, 크기가 작아질수록 에너지 효율이 크게 떨어져 비행 시간을 늘리는 데 한계가 있다. 태양전지로 에너지를 얻는 방식도 연구되고 있지만, 동체 크기가 작아 태양전지를 키울 수 없어 전력 생산량이 제한적이다.

북경항공대 연구진은 새로운 설계로 태양전지의 발전과 비행에 필요한 에너지 효율을 최대한으로 끌어올렸다. 연구진은 우선 태양전지를 바꿔 햇빛 흡수량을 늘렸다.

연구진은 태양전지의 무게와 부피를 줄이기 위해 갈륨비소(GaAs)를 얇은 박막 형태로 만들었다. 갈륨비소는 실리콘을 대체할 태양전지 소재로 주목받는 물질이다. 햇빛을 전기로 바꾸는 에너지 변환 효율이 최대 40%로 실리콘 태양전지보다 우수하다.

또 태양전지 패널을 항공기 하단에 배치해 햇빛을 더 받도록 했다. 실험이 진행된 지역에서 한낮의 태양 각도인 48도를 기준으로 가장 많은 햇빛을 받을 수 있도록 했다. 햇빛이 하늘에서 들어오는 만큼 기존에는 상단 프로펠러에 태양전지를 붙였다. 하지만 프로펠러가 회전하기 때문에 태양전지가 받는 햇빛이 적을 수밖에 없었다. 연구진은 태양광 패널을 초소형 항공기 하부에 배치해 프로펠러가 회전하더라도 안정적으로 햇빛을 받을 수 있도록 했다.

프로펠러를 구동하는 추진 시스템의 효율도 개선했다. 비행 시스템의 에너지 효율은 W(와트) 당 30.7g를 달성해 기존 방식의 3배 이상을 달성했다. 적은 에너지로도 오랜 시간 비행이 가능했다.

‘쿨롱플라이(CoulombFly)’로 명명된 이번 초소형 비행기는 시험 결과 8.5㎸의 저전압에서도 1시간 동안 비행했다. 쿨롱은 전하의 단위를 의미하는 용어로, 적은 전력으로도 장시간 비행할 수 있다는 의미를 담았다. 비행기의 무게는 4.21g에 불과하며 탑재체도 최대 1.59g 싣고도 비행에 성공했다.

연구진은 “소형 센서를 부착하면 단순 비행뿐 아니라 통신 중계, 재난 상황에서의 인명 구조, 군사 정찰 임무도 수행할 수 있다”며 “앞으로 후속 연구를 통해 초소형 항공기의 비행 시간을 24시간으로 늘리겠다”고 밝혔다.

참고 자료

Nature(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07609-4

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