배터리 걱정 없는 하늘로: 레이저 전력 공급 드론이 바꾸는 물류, 재난, 안전 보장

드론의 성능은 급속히 진화하고 있다. 고해상도 카메라, 적외선 센서, 인공지능에 의한 자율 비행, 고정밀 측량 기능. 탑재할 수 있는 능력이 늘어나는 한편, 오랫동안 거의 변하지 않는 약점이 있다. 배터리다.

소형 멀티콥터는 비행 시간이 수십 분에 그치는 경우가 많다. 장시간의 감시나 측량을 수행하려면, 여러 기체를 교대시키거나 작업을 중단하고 배터리를 교환해야 한다. 재해 현장, 숲, 해상, 국경, 중요 시설 등 중단 없는 관측이 요구되는 장소일수록 이 제약은 무겁다.

그 한계를 빛으로 극복하려는 연구가 중국에서 진행되고 있다. 중국민항대학과 칭화대학의 연구팀은 지상에서 조사된 레이저 광을 기체 측에서 전기로 변환하여 프로펠러를 움직이는 수전 시스템을 개발했다.

발표된 광전 변환 효율은 38.49％. 숫자만 보면, 지상에서 에너지를 계속 보내는 것으로 드론이 착륙하지 않고 계속 비행할 미래를 상상하고 싶어진다. 그러나 이번 성과는 "영구 비행의 완성"이 아니다. 실증된 범위와 앞으로 해결해야 할 과제를 나누어 생각할 필요가 있다.

날개 아래에서 레이저를 전력으로 변환

연구팀이 개발한 장치는 레이저 광을 받는 페로브스카이트형 셀과 열을 전력으로 바꾸는 열전 변환 소자를 결합한 구조를 가지고 있다.

구조는 태양광 발전과 비슷하다. 지상의 송전 장치에서 레이저를 조사하고, 날개 아래에 부착된 수광 셀이 광 에너지를 직류 전력으로 변환한다. 그 전력으로 모터를 돌리거나 탑재 배터리의 소비를 억제한다.

레이저 급전에서는 특정 파장에 에너지가 집중되어 있다. 다양한 파장을 포함하는 태양광과는 달리, 수광 재료를 송신 레이저에 맞춰 설계하기 쉽다. 페로브스카이트 재료는 조성의 조정에 의해 흡수 특성을 바꿀 수 있어 얇고 가벼운 장치를 만들기 쉽다. 무게가 비행 성능에 직결되는 드론에서는 큰 이점이 될 수 있다.

녹색 레이저를 사용한 시험에서 수전 장치는 입사한 광 에너지의 38.49％를 전기로 변환했다. 하지만, 이 값은 송전 설비가 콘센트에서 받은 전력의 38.49％가 기체에 도달했다는 의미는 아니다.

실제 시스템에서는 전기에서 레이저 광으로의 변환, 광학 장치에 의한 빔 형성, 대기 중의 전송, 기체 측에서의 재변환이라는 여러 단계에서 손실이 발생한다. 실용성을 평가하려면, 발전원에서 기체의 모터까지를 포함한 종합 효율이 중요해진다.

고출력화로 부상한 "열"의 문제

레이저를 강하게 하면 수전할 수 있는 전력은 증가한다. 그러나 수광한 에너지의 모든 것이 전기로 변환되는 것은 아니다. 변환되지 않은 부분의 대부분은 열로 변한다.

초기의 시험에서는 수전 장치의 온도가 80~90도에 달했다고 한다. 온도가 올라가면 변환 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 재료의 열화, 접착부의 손상, 기체 구조에 대한 악영향을 초래한다. 배터리에 열이 전달되면 안전상의 리스크도 증가한다.

지상 설비라면 대형 팬이나 무거운 히트싱크를 추가할 수 있다. 그러나 항공기에서는 냉각 장치를 늘릴수록 무게와 공기 저항이 증가하고, 비행에 필요한 전력도 커진다.

연구팀은 페로브스카이트 층과 전극 사이에 셀렌화 안티몬의 나노 결정체를 배치하여 열의 이동을 제어했다. 또한, 프로펠러가 만들어내는 기류를 날개 안으로 유도하여 수전 장치의 냉각에 이용하는 구조를 채택했다.

이런 노력은 연구의 가치를 이해하는 데 중요하다. 고효율 셀을 연구실에서 만드는 것뿐만 아니라, 실제 항공기에 통합했을 때 발생하는 열, 무게, 공력, 냉각을 동시에 다루려 하고 있기 때문이다.

실증은 "비행 중의 실기"가 아닌 모형 단계

"레이저로 비행 중의 드론을 충전했다"는 헤드라인에서, 야외를 날아다니는 기체에 지상에서 빔을 계속 쏘았던 시험을 상상하는 사람도 있을 것이다.

그러나 공개된 연구 정보에 따르면, 현 단계에서는 정지한 드론 모형의 날개 아래에 수전 장치를 부착하고, 조사한 레이저에 의해 프로펠러를 구동한 개념 실증이다. 실제 경량 드론을 야외에서 추적하고 장시간 날린 단계는 아니다.

이 차이는 작지 않다.

고정된 모형이라면 레이저의 초점을 수광면에 계속 맞추는 것이 비교적 쉽다. 실제 기체는 바람에 흔들리고, 선회하며, 속도와 고도를 바꾼다. 날개의 각도도 변화한다. 빔이 수광면에서 벗어나면 공급 전력은 급격히 저하될 가능성이 있다.

송전 측에는 기체의 위치와 자세를 실시간으로 파악하고, 진행 방향을 예측하면서 레이저를 추적시키는 기술이 필요해진다. 카메라, 적외선 센서, 레이더, 기체에서 보내지는 위치 정보 등을 조합하게 될 것이다.

빔을 두껍게 하면 맞추기 쉬워지지만, 에너지가 분산된다. 가늘게 조이면 고밀도의 급전이 가능하지만, 추적 정밀도와 안전성에 대한 요구가 높아진다. 이 어려운 균형이 실용화의 큰 벽이다.

연구팀도 정밀한 실시간 추적을 앞으로의 과제로 삼고 있으며, 다음 단계에서 경량 실기를 사용한 야외 시험을 계획하고 있다.

비, 안개, 연기――빛이기 때문에 생기는 약점

레이저 급전에는 송전 장치와 수전 장치 사이에 시야가 필요하다. 건물, 나무, 지형에 가려지면 전력을 보낼 수 없다.

게다가 비, 안개, 구름, 먼지, 화재의 연기 등은 빛을 산란·흡수하여 도달하는 에너지를 줄인다. 관련 연구에서는 대기의 흔들림이 중간에서 강해지면, 레이저 급전 드론을 사용한 통신망의 성능이 명확히 저하된다는 분석도 있다.

이는 아이러니한 문제이기도 하다. 레이저 급전이 기대되는 재해 현장에서는 폭우, 연기, 분진이 발생하기 쉽다. 숲 감시에서는 나무들이 장애물이 되고, 도시에서는 고층 건물이나 다른 항공기가 빔 경로에 들어갈 가능성이 있다.

따라서 실용 시스템은 하나의 레이저 장치로 넓은 지역을 덮는 것이 아니라, 여러 급전 거점을 배치하고 기체의 이동에 맞춰 송신원을 전환하는 형태가 될지도 모른다. 하늘에 보이지 않는 "충전 회랑"을 만들어 드론이 그 범위 내에서 임무를 계속하는 구상이다.

완전한 무한 비행이 아니어도 가치는 있다

레이저만으로 영구히 날 수 없어도, 배터리의 소비를 억제하고 비행 시간을 몇 배로 늘릴 수 있다면 충분히 가치가 있다.

재해 대응에서는 피해 지역의 영상을 끊임없이 전송하고, 실종자를 수색하며, 통신을 중계할 수 있다. 산불에서는 연소 방향이나 바람 방향을 장시간 관측할 수 있다. 홍수나 지진으로 도로가 끊긴 지역에 임시 통신 기지국을 공중에 띄우는 용도도 생각할 수 있다.

농업에서는 넓은 농지의 생육 상태나 병해를 지속적으로 확인할 수 있다. 인프라 점검에서는 송전선, 철도, 파이프라인, 다리, 해상 설비 등을 장시간 순회할 수 있다. 선박이나 열차, 경비 차량의 상공을 계속 날며 진행 방향이나 주변을 감시하는 사용법도 상정할 수 있다.

물류에서는 어디로든 자유롭게 날아가는 배송기보다 정해진 항로를 왕복하는 기체가 먼저 실용화될 가능성이 있다. 급전 설비를 설치한 거점 간을 날아가며 중간에 전력을 보충하는 방식이라면 추적 범위와 안전 구역을 한정하기 쉽다.

미국도 추진하는 "빛의 송전망"

레이저에 의한 전력 전송은 중국만의 연구 주제가 아니다.

미국 방위고등연구계획국의 POWER 계획은 2025년, 약 8.6킬로미터 떨어진 수전 장치에 800와트를 초과하는 전력을 30초간 보내고, 시험 기간을 통해 1메가줄 이상을 전송했다. 시험은 지상 설비끼리 이루어졌지만, 장거리 광급전의 가능성을 보여주는 성과였다.

미국 PowerLight Technologies도 이동하는 고정익 드론을 추적하면서 킬로와트급 전력을 보내는 시스템을 개발하고 있다. 2026년에는 미국 방위성 관련 시험에서 군용 클래스의 고정익 드론을 수시간에 걸쳐 비행시켰다고 보도되었다.

중국의 이번 성과는 페로브스카이트 수광 셀과 열전 변환을 일체화하여 경량 수전 장치의 효율과 냉각을 높인 점에 특징이 있다. 한편, 미국 측의 개발은 장거리 전송, 이동체 추적, 안전 제어, 기체와의 통신을 포함한 통합 시스템에 중점을 둔다.

같은 레이저 급전이라도 경쟁은 단순한 변환 효율의 비교가 아니다. 재료, 광학, 추적 제어, 항공기 설계, 에너지망의 운영까지를 포함한 종합 기술의 경쟁이 되고 있다.

가장 큰 수요는 군사 분야인가

장시간 체공하는 드론을 가장 필요로 하는 분야 중 하나가 군사·안보이다.

정찰기가 장시간 날면 부대나 차량의 움직임을 연속적으로 감시할 수 있다. 통신 중계기를 높은 위치에 유지하면 지상 부대의 통신 범위를 넓힐 수 있다. 국경, 연안, 기지 주변의 경계에도 이용할 수 있다.

다만, 레이저 급전은 기체를 자유롭게 하는 한편, 지상의 송전 설비에 대한 의존을 낳는다. 큰 전력원과 정밀한 광학 장치를 갖춘 기지는 발견·공격될 가능성이 있으며, 날씨나 지형에 따라 이용할 수 있는 범위도 제한된다. 레이저의 위치가 광학 센서로 감지되면 송전 거점이나 비행 경로를 추측당할 우려도 있다.

그럼에도, 전선 기지, 함선, 고정 시설의 주변에서 감시기나 통신 중계기를 상시 체공시키는 용도에는 강한 수요가 있다. 민간 이용보다 군사 이용이 선행하는 것이 아닐까 하는 견해가 나오는 이유다.

SNS의 반응――"대단하다"로 끝나지 않는다

공개 SNS나 기술 게시판에서는 레이저 급전 그 자체에 대한 놀라움이 두드러진다. "무선 송전이 이렇게까지 발전했을 줄은 몰랐다", "SF 같다"며 기술적 진보를 평가하는 반응이 있다.

용도로는 재해 감시, 농지의 정기 관측, 선박이나 열차의 선행 감시, 임시 통신 기지국 등이 거론되고 있다. 특히, 일정한 지점이나 좁은 범위에 머무는 드론이라면 이동 범위가 넓은 배송기보다 현실적이라는 의견이 많다.

한편, 실용성에는 엄격한 의문도 제기되고 있다.

가장 많은 것은 수전 장치의 무게와 공기 저항이다. 기체에 새로운 장치를 싣으면 그만큼 비행에 필요한 전력이 증가한다. 수전 장치를 싣기 위해 큰 기체가 필요해지면 급전량도 더욱 늘려야 한다.

비용 면에서는 "예비 배터리나 두 번째 드론을 준비하는 것이 더 싸지 않을까"라는 지적이 있다. 짧은 시간의 착륙이 허용되는 업무라면 자동 충전 도크나 배터리 교환 설비가 더 단순하고 안전한 경우도 많다.

안전성을 묻는 목소리도 강하다. 레이저가 사람이나 동물의 눈에 들어갔을 경우의 위험, 빔 경로에 항공기나 새가 들어갔을 경우의 정지 기능, 고장이나 사이버 공격으로 조사 방향이 어긋났을 경우의 대책 등이다.

또한 "결국은 상시 감시나 전쟁에 사용되는 것이 아닐까"라는 우려도 있다. 24시간 하늘에 머무는 카메라가 도시나 국경에 배치되면 방재나 치안 유지에 도움이 되는 한편, 감시가 일상화될 가능성도 있다.

이들은 SNS 전체를 통계적으로 분석한 결과가 아니라, 공개된 관련 게시물이나 게시판 상의 의견을 정리한 정성적인 경향이다. 그럼에도 이용자가 변환 효율의 숫자