쓰레기를 밧데리로, DARPA SYMPHONEE

 

영화 속 이야기처럼 들리던 '30년 동안 배터리 교체 없이 구동되는 무인기(드론)와 수중 탐사선'이 현실로 다가오고 있습니다.

미 국방고등연구기획청(DARPA)은 핵폐기물에서 나오는 방사선을 직접 전력으로 변환하는 차세대 '베타전지(Radiovoltaic)' 개발 프로젝트를 본격 가동했습니다. 바로 SYMPHONEE 프로젝트입니다.

 

💡 SYMPHONEE 프로젝트란?

SYMPHONEE는 DARPA의 'Rads to Watts' 프로그램 산하에서 추진되는 핵심 기술 개발 프로젝트입니다.

• 약어 풀이: Strontium-Yttrium Multi-junction PIN-based High-Density Output Nano-system for Extreme Environments
• 핵심 개념: 냉전 시대의 유산이나 사용후핵연료 등 핵폐기물에서 방출되는 베타선(스트론튬-90, 이트륨-90)을 포획하여, 열을 거치지 않고 직접 전기 에너지로 변환하는 기술.
• 목표: 극한 환경(우주, 심해, 분쟁 지역 등)에서 전력망 연결이나 배터리 교체 없이 수십 년간 작동할 수 있는 높은 전력 밀도(W/kg)의 초장수명 원자력 배터리 구현.

🔬 기존 방사성동위원소 열전발전기(RTG)와의 차이점

우주 탐사선에 쓰이던 기존 원자력 배터리(RTG)는 방사성 물질이 붕괴할 때 발생하는 '열'을 이용해 전기를 만들었습니다. 하지만 열 변환 과정에서 손실이 커 전력 밀도가 낮고 장치가 무거워진다는 단점이 있었습니다.

구분	기존 RTG (방사성동위원소 열전발전기)	SYMPHONEE (베타전지 / Radiovoltaics)
변환 방식	방사선 ➔ 열 ➔ 열전소자로 전기 변환	방사선(베타선) ➔ 반도체 직접 전력 변환
핵심 소재	플루토늄-238 등 고가 isotopes	핵폐기물 추출 스트론튬-90 / 이트륨-90
반도체 구조	단순 열전소자	다중접합 탄화규소(SiC) PIN 구조
전력 밀도	상대적으로 낮음 (무거움)	획기적으로 향상된 W/kg 전력 밀도

🤝 학계-산학-연구소 드림팀 연합체

SYMPHONEE 프로젝트는 약 337만 달러 규모의 DARPA 계약을 수주하여 대학, 방산기업, 국립연구소가 역할을 분담해 추진하고 있습니다.

• 모건 주립대학교 (Morgan State University): 프로젝트 주관 및 학술 연구 총괄
• 노스롭 그루먼 (Northrop Grumman): AI 기반 시뮬레이션, 고성능 컴퓨팅 및 방사선 내구성 분석
• 태평양 북서부 국립연구소 (PNNL): 방사선 내성 및 변환 효율 실험실 검증
• 프로젝트 오메가 (Project Omega): 사용후핵연료 및 방사성 폐기물에서 스트론튬-90/이트륨-90 정밀 분리·추출
• ARA & Widetronix: 방사선에 의한 성능 저하를 막는 초박형 반도체 레이어 양산 공정 연결

📅 DARPA SYMPHONEE 주요 연대기 (Timeline)

• 2024년 ~ 2025년 | DARPA 'Rads to Watts' 프로그램 발족
• 차세대 베타전지 기술을 통해 무인 시스템용 초장수명 고전력 밀도 원자력 배터리 개발을 위한 DARPA 차원의 연구 과제 공모 및 기획 추진.
• 2026년 6월 | SYMPHONEE 프로젝트 공식 계약 체결
• 모건 주립대 이끄는 컨소시엄이 DARPA로부터 337만 달러 수주 확정. 기술 실증 및 실체적 시제품 제작을 위한 본격 연구 개발 착수.
• 2026년 ~ 2028년 | 원소 분리 및 SiC PIN 반도체 통합 검증 (진행 예정)
• 핵폐기물 추출 원소(Strontium-90)의 안전한 화학적 추출 및 탄화규소(SiC) 다중접합 반도체 레이어 결합을 통한 초고효율 베타전지 셀 실증.
• 2028년 이후 | 극한 환경 실전 적용 프로토타입 공개 목표
• 심해 탐사 드론, 장기 체류형 군용 감시 자산, 우주 탐사선 등에 탑재 가능한 실물 원자력 배터리 모듈 완성 및 성능 검증.

🔮 SYMPHONEE가 바꿀 미래 기술 지형

1. 지속적인 무인 감시 및 보안 시스템: 연료 재충전이나 배터리 교체가 불가능한 심해 감시 드론, 오지 센서망이 최대 30년 간 지속 작동 가능해집니다.
2. 우주 탐사 패러다임 변화: 태양광이 닿지 않는 외계 행성이나 극지방 탐사선에 가볍고 강력한 지속형 전원을 제공합니다.
3. 핵폐기물의 자원화: 그동안 처리에 골머리를 앓던 고준위 방사성 폐기물을 첨단 국방·우주 산업의 핵심 전략 에너지 자원으로 재활용하는 일석이조의 효과를 거둡니다.