DARPA가 그리는 '30년 가는 AA 건전지'의 꿈: Rads to Watts 프로그램

"충전 없이 30년을 작동하는 AA 건전지 크기의 원자력 전지"

방위고등연구계획국(DARPA)이 추진 중인 'Rads to Watts' 프로그램이 국방 및 산업 생태계에 가져올 파장이 뜨겁습니다. 무겁고 거대한 냉각 장치 없이, 원자력 에너지를 직접 전기로 바꾸는 이 기술의 전말과 향후 연대기를 정리해 드립니다.

1. 개요: 기존 원자력 전지의 한계 극복

기존의 원자력 전원(원자로 또는 심우주 탐사선 Voyager에 쓰인 RTG)은 열을 이용해 전기를 생산합니다. 문제는 막대한 열이 발생한다는 점입니다. 이 열을 식히고 장비를 보호하기 위해 배보다 배꼽이 더 큰 무겁고 거대한 냉각 시스템이 필요했고, 이는 "휴대 가능한 원자력 전원"의 최대 걸림돌이었습니다.

DARPA의 프로그램 매니저 태비사 도슨(Tabitha Dodson) 박사는 이 한계를 극복하기 위해 방사성 발전(Radiovoltaics)에 주목했습니다.

• 원리: 태양광 패널이 햇빛(광자)을 전기로 바꾸듯, 방사성 물질에서 나오는 입자를 반도체에 직접 충돌시켜 열 변환 과정 없이 즉각적인 전기(전류)를 생산합니다.
• 난제: 강한 에너지를 낼수록 방사선이 내부 반도체 자체를 빠르게 파괴(Self-destruction)한다는 물리적 한계가 존재합니다.

 

2. Rads to Watts 주요 연대기 (Chronology)

DARPA는 단계별 로드맵에 따라 정교하게 프로젝트를 이끌고 있습니다.

시기 / 단계	주요 이정표 및 사건	세부 내용
태동기 (2020년대 초반 이전)	저전력 방사성 발전의 한계	비상구 표지판, 야광 시계 등 아주 미미한 전력이 필요한 곳에만 한정적 적용. 강한 방사선을 견디는 소재 미비.
프로그램 착수 (2024년 ~ 2025년)	DARPA 'Rads to Watts' 발족	DARPA가 수백만 달러 규모의 자금을 투입하여 공모 시작. 서로 다른 기술적 접근을 하는 7개 경쟁 연구팀(Prime Performers) 최종 선정.
1차 실증 (2026년 7월 - 현재)	출력 성능 10 W/kg 달성	7개 참여 팀 전원이 kg당 10와트 이상의 전력 밀도 실증 성공. (기존 RTG 대비 2~3배 효율). 최종 목표는 10~100 W/kg 달성.
시제품 완성 (2026년 하반기 ~ 2027년 초)	15개월 차 프로토타입 완성	알파선·베타선·신소재·액체금속 등 팀별 독자 기술이 적용된 1차 시제품 제작 완료 단계.
검증 단계 (2027년 중순 ~ 2028년 초)	9개월 내구성 및 환경 테스트	자체 내부 방사선으로 인한 열화 테스트 및 극지·사막·우주 등 외부 극한 환경에서의 9개월 연속 동작 시험 진행.
실전 배치 (2028년 이후)	군용 및 상업용 상용화	검증을 통과한 기술을 군용 우주 위성, 야전 무전기, 심장 박동기, 컴퓨터 칩 내장 배터리 등으로 양산 및 배치.

3. 7개 팀의 4가지 파격적인 기술 접근법

방사선으로 인한 반도체 파괴를 막기 위해 7개 팀은 각기 다른 매력적인 방식으로 접근하고 있습니다.

1. City Labs (안정성 중심)
   • 에너지원: 약한 베타선 (삼중수소, Tritium)
   • 특징: 반도체를 손상시키지 않는 안전한 에너지원을 사용하되, 고밀도 화학·공학 패키징을 통해 좁은 공간에 삼중수소를 고밀도로 집약해 출력을 확보.
2. BWXT & 존스홉킨스 APL (AI 신소재)
   • 에너지원: 강력한 알파선 (Alpha Particles)
   • 특징: 타격력이 강한 알파선을 견디기 위해 AI 시뮬레이션으로 수십억 개의 결정 구조를 탐색하여 강한 방사선을 버티는 초강력 신소재 반도체 개발.
3. Avalanche Energy (액체 금속 충격 완화층)
   • 에너지원: 알파선 + 액체 금속 (Liquid Metal Buffer)
   • 특징: 알파선이 반도체에 직접 충돌하지 않도록 중간에 '액체 금속 흡수층'을 배치. 강한 충격을 다루기 쉬운 전자로 1차 완화 후 전력을 생산하는 2단계 프로세스.
4. 모건주립대 & Project Omega & 노스롭그루먼
   • 에너지원: 고에너지 베타선 (Strontium-90)
   • 특징: 스트론튬-90의 강력한 베타선을 활용하며, 노스롭그루먼의 AI 시뮬레이션을 통해 내방사성 신소재를 설계.

4. 미래 전망: 어떤 변화가 생길까?

Project Omega의 CEO 스태프 시헌(Staff Sheehan)은 "우리는 기존 AA 건전지를 30년 동안 지속되는 원자력 전지로 대체할 것"이라고 호언장담했습니다.

• 국방: 야전 부대의 시끄럽고 매연이 심한 디젤 발전기 대체, 전술 무전기의 무제한 전원 공급.
• 우주: 태양광이 닿지 않는 심우주 탐사선 및 초소형 위성의 수명 혁신.
• 민간/의료: 배터리 교체 수술이 필요 없는 인공 심장 박동기, 반도체 칩 자체에 영구 내장되는 독립 전원.