드론의 비행시간 극복
수소전지를 통해 늘어날 드론의 비행시간
드론은 인간의 오래된 꿈인 하늘을 나는 것을 간접적으로나마 대신 만족시켜 주고 있습니다. 직접 사람이 하늘을 날 수는 없지만 조종기 화면을 통해, 좀 더 나아가서는 고글을 통해 좀 더 실감나는 비행을 경험하게 해줍니다.
드론이 뜨는 원리
일반적으로 비행기는 날개의 위·아래에 흐르는 공기의 압력 차이와 반작용을 이용해 하늘을 날게 되고. 드론은 날개를 회전시켜 양력을 발생시킵니다.
날개를 회전시켜 양력을 발생하는 방식은 날개가 클수록, 회전속도가 느릴수록 효율적인데, 드론(회전익)처럼 여러 날개를 빠른 속도로 회전시켜 양력을 발생시키는 방식은 에너지 효율 면에서는 그리 좋은 방법이 아닙니다. 같은 무게의 물체를 띄우는데 비행기(고정익)에 비해 훨씬 많은 에너지가 소모됩니다.
그럼 드론은 이 에너지를 어떻게 얻을까요?
드론의 동력원
현재 여러 곳에서 사용되는 다양한 드론의 동력은 엔진 또는 모터를 통해 얻는데, 우리가 흔히 접하는 드론은 그 크기와 사용목적 및 관리 등 이유로 대부분 모터를 사용하며 배터리로부터 전원을 공급 받고 있습니다.
배터리의 종류는 매우 다양합니다. 대표적으로 리튬폴리머(Lipo), 리튬이온(Lilon), 리튬철(LiFe), 니켈수소(NiMH), 니켈카드뮴(NiCd), 니켈아연(NiZn) 등이 주로 사용 되고 있습니다. 전편의 칼럼에도 다루었듯이 각각의 배터리는 특징도 다르고 관리방법이나 장단점이 모두 다릅니다.
사실 지금의 비행시간조차 엄청난 기술의 발달로 대중화가 가능해졌답니다 ^^
그러나 한 가지 공통점은 모터와 프로펠러의 힘으로만 움직이는 드론의 특성상 전력 소모가 커서 어떤 종류의 배터리를 사용하더라도 비행시간이 짧을 수밖에 없습니다.
이를 극복하기 위해서는 배터리를 크게 만들면 될 것 같지만 배터리가 커지면 무게가 늘어나고, 무게가 늘어나면 그 무게만큼 비행에 더 많은 에너지가 필요합니다. 결국 배터리가 커지면서 좀 더 확보된 에너지는 증가한 무게를 띄우기 위해 또다시 소모되어야 하는 악순환인 것입니다.
이러한 상관관계를 고려해서 배터리의 용량·크기·무게가 효율적으로 정해지게 되었고, 대부분의 드론이 크기는 달라도 비슷한 비행시간을 갖게 되었습니다. 보통 20~30분 비행이 가능합니다. 낮은 기온이나 강풍 속에서는 그나마도 더 짧아지죠.
조종자 입장에서는 상당히 불편 할 수밖에 없습니다. 항상 여러 팩의 배터리를 준비해야 하고, 비행 중에도 수시로 잔여 배터리 용량을 체크해야 하고, 장시간 비행이 필요한 경우에는 사용상 제약이 많습니다.
그리고 드론의 활용분야 확대에도 장애물로 작용합니다. 원거리 물류배송, 항공 감시 업무 등 오랜 체공시간이 필요한 분야는 사용이 어렵습니다.
수소연료전지
여기서 우리가 관심을 가져야 할 연료전지가 있습니다. 수소연료전지입니다. 수소는 우주상 물질의 75%라고 할 만큼 흔한 물질입니다. 이렇게 흔한 물질임에도 지금까지는 활용을 제대로 하지 못하다가 최근에서야 수소연료 자동차 등 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.
수소연료전지의 기본 구성은 연료극/전해질층/공기극으로 접합되어 있는 셀(cell)이며, 다수의 셀을 겹겹이 포개어 묶음을 구성함으로써 원하는 전압 및 전류를 얻게 됩니다.
연료인 수소가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온과 전자로 산화되며, 공기극에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소환원반응이 일어납니다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생 시킵니다.
수소전지 원리-산업통상자원부 홈페이지
수소연료전지와 드론의 만남
갑자기 왜 수소연료전지를 언급 했을까요? 바로 기존 배터리를 대체할 훌륭한 물건이기 때문입니다. 수소연료전지는 매우 효율적이고 안전하며 친환경적입니다.
가장 연구가 앞서고 있는 자동차 분야의 경우 기존 전기차에 비해 수소차량의 효율성은 이미 여러 가지로 입증되고 있습니다. 배터리 충전에 비해 짧은 수소 충전 시간, 긴 항속거리, 무공해 연료, 안전성 등이 있습니다.
수소차 개념도-산업통상자원부 홈페이지
일반 전기차에 비해 장점이 많아 정부에서도 수소차의 저변확대를 위해 현재 전국 십여개에 불과한 수소충전소를 300여개로 확대 할 방침입니다.
그 뿐만 아니라 수소연료의 다양한 활용방안을 구상중이며 일반 가정용 연료전지 개발도 연구 중입니다.
수소보급확대 로드맵-산업통상자원부 홈페이지
이런 수소연료전지와 드론이 만난다면 어떨까요? 효율이 높은 수소연료전지는 비슷한 크기의 기존 배터리와 비교하면 현재 20~30분인 드론의 비행시간을 2시간으로 늘일 수 있습니다. 드론을 운용하는 입장에서는 획기적인 발전입니다.
그동안 배터리의 단점이었던 드론활용 시 비행거리 제약, 비행시간 제약, 장비부피 제약이 일시에 해결 되는 것입니다.더 먼 곳으로 물류 배송이 가능하고, 더 무거운 물건을 들어 올릴 수 있고, 더 장시간 드론을 활용한 작업이 가능합니다.
이미 국내 기업 두산모빌리티이노베이션은 이 기술을 드론에 접목 시키고 있습니다. 드론용 수소연료팩을 개발하였고 이를 장착한 수소드론을 개발하였습니다. 제작기업에서는 긴 비행시간을 바탕으로 건설현장 맵핑, 시설물 안전점검, 산불 모니터링, 장거리 긴급 물품 운반 등에 쓰일 것이라고 전망 하고 있습니다.
수소연료드론의 풍력발전기 점검-두산모빌리티이노베이션
우리 경찰에서는 긴 비행시간을 백분 활용하여 실종자 수색, 용의자 추적, 교통단속 등 다양한 치안드론 분야에서의 활용을 기대 할 수 있습니다. 다만 아직은 풀어야 할 숙제도 많습니다. 취미용 드론처럼 대중화가 되려면 수소연료전지의 소형화가 더 필요하고 높은 제작단가 해결, 전기 배터리처럼 충전의 접근성 등 넘어야 할 산이 많이 남아 있습니다.
또한 단순 배터리 성능개발뿐 아니라 긴 비행시간을 견딜 수 있도록 드론 부품의 전체적인 내구성 향상도 이루어 져야 합니다. 이러한 숙제들이 하나 둘 풀린다면 드론의 활용 분야도 우리들 상상 이상으로 확대 될 것입니다.
WRITER 최연수
드론에 대한 작은 관심으로 시작해서 현재는 드론을 활용, 경찰 업무 도입을 위한 전문적 학습 공동체(폴드론 아카데미)일원으로 활동하고 있고, 드론을 활용한 경찰 업무와 연관하여 법률적 검토 및 관련 법률을 연구하고 있습니다. gmrfyd853@naver.com
폴드론아카데미는 전원 현직경찰관들로 구성되어 활동하는 전문적학습공동체로, 드론을 활용하여 효율적인 치안업무의 도움을 주고자 연구하는 경찰 내 현장학습동아리 입니다.
