불과 몇 년 전, 벤캇 비스와나탄(Venkat Viswanathan)은 피츠버그와 샌프란시스코 사이를 연결하는 길게 늘어진 도로를 운전하던 중 약간의 실존주의적인 생각을 하게 되었다. 당시 비스와나탄의 여행은 원활하게 흘러갔다. 비스와나탄 스스로 이동 과정이 거의 원활한 편이라고 생각했다. 수백 마일을 이동하면서 이따금 조용히 노래를 흥얼거리기도 하고 잠깐 차를 세워 식사하거나 초여름의 풍경을 감상하기도 했다. 전형적인 미국 도로 여행의 모습이었다. 비스와나탄이 출발지에서 목적지까지 전기차로만 이동했다는 사실은 크게 놀랍지 않았다.
카네기멜론대학교 소속 과학자인 비스와나탄은 넓지 않은 공간에 최대한 많은 전력을 공급하고자 설계된 고에너지 밀도 배터리 전문가이다. 당시 고에너지 밀도 배터리 설계 과정에는 배터리 기술의 언옵태늄(unobtanium)이라는 매우 희귀하다는 인식이 있는 화학 물질 사용 과정이 포함됐다. 그러나 매우 쉽게 확보할 수 있는 배터리만으로 미국 일대를 횡단한 뒤 배터리 설계를 다른 방식으로 생각하게 되었다. 비스와나탄은 “당시 새로운 배터리를 개발하면 어떨지 생각하게 되었다. 그리고 어느 업계가 배터리를 원할까 고민해보았다”라고 말했다. 비스와나탄은 차량 이외에 다른 수단으로 미국을 가로질러 이동할 수 있다고 생각해, 탄소 중립과는 거리가 먼 배터리를 사용하는 항공기용 배터리 개발을 구상하게 되었다.
지난 몇 년간 배터리 업계는 주로 차량에 집중하면서 꾸준히 수율을 높이며 특별한 과학적 접근방식으로 증분 향상을 이어왔다. 이 과정에는 니켈과 코발트, 망가니즈, 철 등 몇 가지 금속 산화물로 구성된 음극과 흑연으로 구성된 양극 간의 이동이 이루어지는 리튬이온 소재를 활용한다. 이처럼 전형적인 배터리 생산 방법은 매우 훌륭한 성과를 거두었다. 최근 리튬이온 배터리가 지원하는 주행거리는 400마일(약 643.7km) 이상으로 향상되었다. 대다수 내연 기관 차량과 비슷한 수준이면서 일부 전기차 소유주의 주행 거리 우려를 잠재울 수 있는 수준이다. 그러나 에너지 저장량이라는 이론적 한계 탓에 리튬이온 배터리는 여전히 대다수 항공기에 활용하기 부적절한 상태로 남게 되었다.
항공 업계는 항공기에 사용할 적합한 배터리 부제 문제를 해결하는 데 큰 어려움을 겪었다. 항공 업계가 전 세계 탄소 배출량에 차지하는 비중은 약 2%로 상대적으로 적은 편이지만, 세계 항공기 운항률이 증가하면서 항공기의 탄소 배출 문제가 급격히 증가할 수도 있는 상황이다. (매년 10명 중 1명꼴로 비행기를 탑승하며, 2018년 진행된 연구와 함께 전 세계 인구 단 1%가 항공기 배출량의 절반을 차지한다는 결과가 발표된 바 있다) 비스와나탄은 기존 항공기를 전기 항공기로 전환하려면, 배터리 개발을 대대적으로 재고해야 한다고 확신한다. 상대적으로 이동 거리가 짧은 국내선에도 가벼우면서 높은 효율성과 함께 전력이 뛰어난 배터리가 필요하다. 이륙과 안전한 장거리 이동에 충분한 전력이 필요하기 때문이다. 안전한 항공기 운항에 적합한 배터리가 실질적으로 존재하지 않으며, 친환경 항공기에는 수소 연료나 합성 제트 연료 등 다른 접근방식이 필요할 수도 있다.
혹은 배터리의 근본적인 부분을 어느 정도 다시 생각해야 할 수도 있다. 2022년 1월, 비스와나탄은 여러 배터리 전문가, 항공 전문가와 함께 업계에 리튬이온을 넘어선 다른 기초 과학 영역 투자가 필요하다는 경각심을 일깨워준다고 생각하는 논문을 네이처(Nature)에 게재했다. 특히, 논문 저자 모두 이전보다는 새로운 물질을 포함한 새로운 음극을 지지했다. 바로 더 많은 전자가 이동하여 에너지 밀도를 높일 수 있는 전환 반응을 일으킬 수 있는 부분으로의 변화이다. 새로운 음극의 배터리 물질은 1970년대 코발트를 성공적으로 다루기 시작했을 때까지만 하더라도 많은 이들이 생각하지 않았던 물질이다. 미국 에너지부의 프로젝트는 1kg당 500Wh 상당의 에너지를 확보할 수 있는 배터리 개발 목표를 정했다. 비스와나탄 연구팀은 보잉737과 같은 항공기를 생각하며, 대형 항공기가 두 배 증가할 때 새로운 화학 물질이 발생할 수 있다고 생각했다. 비스와나탄은 “전기 항공기를 위한 배터리 구성요소 변화를 시도한다”라고 말했다.
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리튬이온 배터리는 화학적으로 매우 이상적인 물질로 구성됐다. 리튬이온과 전자는 충전을 통해 떨어지게 된다면, 재결합할 방법을 찾아 나선다. 그러나 배터리 셀 전반에 걸친 전자의 이동은 전류를 생성하는 요소이다. 이러한 측면에서 단 하나의 전자를 포기해야 하므로 리튬에 제한이 있다. 이론적으로 주변을 이동하는 전자 대부분 에너지가 높다는 사실을 의미해, 간혹 다른 요소를 제공할 수도 있다.
그러나 한 가지 결점이 있다. 현재 배터리와 관련된 장점은 리튬이온이 아무 문제 없이 이동할 수 있다는 점이다. 리튬이온은 삽입이라는 과정에 따라 음극에 갇히다가 방출된다. 그러나 한 번 음극 안에 들어가게 되면, 이온은 다른 물질과 반응하지 않고 원자 배열을 인식한다. 다른 일부 물질은 이온과 같은 반응을 일으키지 않는다. 스토니브룩 주립대학교 소속 배터리 과학자인 에스터 다케우치(Esther Takeuchi) 박사는 “처음부터 존재하지 않았던 새로운 물질을 얻게 되었다”라고 말했다. 따라서 전환 반응이라는 표현을 사용한다. 화학 반응은 복잡하며, 그 결과 물질량 변화는 물론이고 전기 화학 변화까지 발생하게 된다. 그러나 전환 반응을 일으키는 배터리의 가장 큰 문제는 재충전 방법이다. 배터리 내부 물질을 변경한 후에는 사용 전과 같은 상태로 물질을 되돌릴 수 없기 때문이다.
다케우치 박사가 연구 중인 배터리는 재충전 과정이 필요하지 않다. 다케우치 박사는 의학 장비와 같이 단 한 차례의 충전으로 긴 배터리 수명을 보장하기 위해 좁은 영역에 최대한의 에너지를 채우는 데 전문적인 지식을 갖추었다. 심지어 다케우치 박사는 수술 시 배터리 충전이나 교체가 필요할 수도 있다는 점에서 영구적으로 사용 가능한 배터리도 개발할 수 있다. 다케우치 박사가 오래전 설계한 배터리 모델 중 바나듐 소재 배터리는 오늘날 심박 조율기에 보편적으로 사용된다. 그러나 다케우치 박사 연구팀은 그 후 불화탄소나 아이오딘 등과 같은 전환 화학 물질 기반 배터리 성능 향상을 연구해왔다.
항공기에도 장거리 이동에 공간과 무게 절감 원칙을 적용할 수 있다. 그러나 일회용 배터리는 모든 다리에 충전이 필요한 비행기에는 사용할 수 없다. 다케우치 박사 연구팀은 실험실에서 전환 반응을 변환하는 데 성공했으나 또 다른 문제를 발견했다. 연구팀이 개발한 배터리 중 가장 먼 거리까지 전력 공급이 가능한 배터리는 리튬황 배터리였다. 리튬황은 저렴한 가격과 황의 매장량이 풍부하다는 점에서 매우 바람직한 화학 물질이다. 그러나 양극의 황과 전해액 간 원하지 않는 반응을 일으킬 수 있다. 결국, 시간이 지나면서 재충전 능력을 잃게 되는 화학 구성요소를 생성하게 된다. 간혹 서서히 확장돼 결과적으로 음극과 양극을 연결해 서킷의 짧은 거리를 생성하는 돌기와 같은 성가신 요소를 형성하여 화재 사고를 일으키기도 한다.
전환 반응에는 여러 가지 새로운 화학 물질이 포함되지만, 다케우치 박사는 지금까지 개발한 다양한 배터리가 채택한 전력 공급 경로를 전체적으로 포기하지 않았다. 음극 화학 물질은 흑연 이외의 물질로 구성된 새로운 양극과 같은 배터리 성능의 단기 향상 성공 여부에 달려있다.
그중 한 가지 물질은 리튬 금속이다. 흑연은 안정성 측면에서 훌륭한 물질이지만, 리튬 금속은 전기화학 특성을 어느 정도 개선했으며, 기존 설계보다 적은 공간을 차지한다. 스웨덴 배터리 제조사 노스볼트(Northvolt)가 인수한 리튬 금속 배터리 스타트업 큐버그(Cuberg) CEO 리차드 왕(Richard Wang)은 큐버그의 리튬 금속 배터리의 에너지 밀도는 리튬이온 배터리 대비 70% 더 높다고 설명했다. 왕은 에너지 밀도 개선 가치가 더 높다는 점에서 항공 업계의 배터리 공급에 집중한다고 설명했다. 큐버그는 상대적으로 크기가 작은 항공기에 전력을 공급하며, 단거리 항공편을 운항하는 수직 이륙 항공기 제작을 희망하는 여러 스타트업과 협력 관계를 체결했다.
리튬 금속 양극을 더 많은 실험용 음극 화학물질과 함께 사용해 대형 항공기의 전력을 공급하는 방안을 생각할 수도 있지만, 왕은 불확실하다고 말한다. 항공기 제조사는 큰 도약을 이뤄낸 기술이 효과가 있다는 점을 확신하고자 하지만, 배터리 스타트업과 배터리 기업의 잠재적인 투자 기업 모두 진행 중인 실험이 결과적으로 미래에 활용되리라 확신할 필요가 있다는 배터리 개발의 전형적인 난제가 뒤따른다. 왕은 항공기 제조사가 대형 항공기의 전기화가 유용하지 않다고 판단했다고 전했다. 항공기 제조사는 단거리 지역 이동 경로를 지원하는 배터리 사용을 결심했을 수도 있다. 기존 배터리 실용성이 낮은 장거리 이동에는 하이브리드 접근방식을 대신 택할 수 있다. 주로 가스 엔진을 이착륙 시 사용하거나 친환경 방식으로 문제를 해결한 기반 시설 확보 시 친환경 제트 연료나 수소를 활용할 수 있을 것이다.
항공기 제조사 바이 에어로스페이스(Bye Aerospace) 창립자인 조지 바이(George Bye)는 항공 업계의 배터리 개발 상황을 전기 항공기 혁신의 여백이라고 표현한다. 바이 에어로스페이스는 개발하는 2인용 혹은 4인용 항공기와 같은 소형 전기 항공기에 전력을 공급하는 리튬이온 배터리 발전의 확고한 발전선을 먼저 이루고자 한다. 그 후에는 리튬 금속 배터리, 그리고 혁신 마무리 단계에 접어든 전고체 배터리의 혁신 라인을 그리고자 한다. 그리고 어떤 결과를 얻을 수 있을까? 전혀 예측할 수 없다. 바이 에어로스페이스는 대형 항공기의 배터리로 리튬황 배터리 개발 방안을 모색했으나 결국 리튬황 배터리를 활용할 준비가 되지 않았다는 결론을 내렸다. 바이는 “리튬황 배터리는 개발 상황이 약간 뒤처졌다”라고 말했다. 바이 에어로스페이스의 리튬황 배터리 개발 협력사 한 곳은 파산했다.
바이는 한 가지 희망적인 부분이 있다면, 복잡한 제트 엔진을 전기 배터리로 교체할 때 얻을 수 있는 무게와 균형의 이점은 항공기가 대기에서 더 효율적으로 이동하도록 개발할 수 있다는 사실을 의미한다고 설명했다. 결과적으로 주행거리와 탑승 정원 확대에 도움이 될 것이다. 바이는 “일각에서 지적할 수 있는 바와 같이 제트 엔진과 전기 배터리를 비교하는 것이 적합하지는 않다”라고 언급했다. 바이 에어로스페이스는 훈련용 항공기의 미국 연방항공청(FAA) 승인 작업을 펼쳐 비행 학교와 항공사에 항공기 수백 대를 공급할 수 있기를 바란다. 가장 큰 어려움 중 하나는 항공기의 화재 위험 관리와 배터리 팽창 시 긴급 착륙 문제이다. 항공기 화재 위험성은 단순히 화학 물질만이 원인이 되는 것이 아닌 배터리 팩의 구조 설계가 원인이 될 수도 있다.
기존 배터리와는 완전히 다른 새로운 배터리를 탑재한 대형 전기 항공기가 등장하기까지 수십 년이 걸릴 전망이다. 그러나 다케우치 박사는 배터리 동력 제트 개발을 낙관적으로 볼 수 있다고 주장한다. 다케우치 박사는 “간혹 그동안 상상해왔던 배터리 동력 대형 항공기 운항이 가능한지 물어보기도 한다. 이와 같은 질문에 항상 가능하다고 답변한다”라고 말했다. 다케우치 박사 연구팀은 초기에 구상한 항공기의 미래에 전기화 전략이 있었다는 사실을 지목한다. 1884년, 세계 최초 왕복 전기 비행선인 라 프랑스(La France)는 대형 염화아연 배터리로 동력을 공급받았다. 150여 년이 지난 현재, 다케우치 박사는 전기 항공기가 다시 등장할 준비가 되었다고 생각한다.
** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)
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