2022.03.31 (목)

HOT ISSUE

로봇과 드론이 싸우는 미래戰 연료전지로 승부한다

드론, 로봇 등 무인 무기체계 중심으로 전쟁 수행할 미래전
무인무기 작전수행능력 좌우할 에너지원으로 수소 주목
잠수함 동력기관 AIP 시작으로 연료전지 탑재 무기 늘어나

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[월간수소경제 박상우 기자] 지난 2020년 1월 미국은 이란 군부 실세인 가셈 솔레이마니 이란혁명수비대 정예군 사령관을 제거하는 데 성공했다. 미국은 해당 작전에 ‘하늘의 암살자’라고 불리는 무인공격기인 ‘MQ-9 리퍼(Reaper)’를 동원했다.

이 작전을 통해 무인 무기체계가 다수의 특수전 병력과 지상 특수장비를 투입하지 않고도 상대 지휘관을 제거할 수 있다는 것을 증명했다.

이같이 전쟁의 패러다임이 바뀌고 있다. 과거에는 대규모 인명을 살상하는 무기를 중심으로 전쟁을 수행했다면 미래에는 드론, 로봇, 자율주행차 등 원하는 목표만 정밀하게 타격할 수 있는 무인 무기체계를 중심으로 수행될 것으로 예상된다.

지난 2021년 9월 육군은 미래형 지상전투체계인 ‘아미 타이거즈(Army TIGER) 4.0’을 공개했다. 아미 타이거즈 4.0은 드론봇(드론+로봇) 전투체계, 워리어플랫폼(첨단 개인전투체계)과 함께 육군을 대표하는 3대 전투체계이자 이 모든 체계를 아우르는 최상위 개념이다.

아미 타이거즈 4.0은 기동화, 지능화, 네트워크화가 중심이다. 드론과 로봇이 장착된 차세대 차륜형 장갑차와 소형 전술차량 등으로 보병의 기동성과 전투력을 향상시킨다.

또 전투 중 지휘관 등의 의사 결정에 인공지능 기반 첨단 시스템이 상황판단이나 결심을 지원해 전력에 큰 피해를 가져올 수 있는 오판을 최소화한다. 모든 플랫폼은 통합 네트워크 체계로 연결된다.

육군은 아미 타이거즈 4.0을 단계적으로 추진할 예정이다. 올해까지 육군과학화전투훈련단(KCTC)에서 전투실험을, 2025년까지는 차륜형장갑차 2개 대대 규모로 시험적용을 계획하고 있다.

2025년부터는 사·여단 등으로 확대 적용해 2040년에는 모든 보병과 기갑부대는 물론, 통신·공병·군수 등 모든 전투지원 및 근무지원 부대까지 미래형 지상전투체계로 탈바꿈한다는 계획이다.


미래전의 중심이 될 무인 무기체계의 작전지속능력을 유지·강화하려면 고밀도 에너지원이 필요하다. 그런데 현재 개발 중인 대부분의 무인 무기체계는 배터리를 기반으로 하고 있다.

배터리는 용량이 커질수록 중량과 부피가 커지기 때문에 경량화와 소형화가 핵심인 무인 무기체계에 적합하지 않다. 또 경량화와 소형화를 위해 배터리 용량을 제한하면 원하는 만큼의 항속거리나 사용 시간을 확보할 수 없다.

그래서 방위산업은 배터리보다 에너지 밀도가 높고 중량과 부피가 작으며 원하는 만큼의 작전지속능력을 확보할 수 있는 수소연료전지를 주목하고 있다.

‘생존력’ 높이는 연료전지
연료전지는 기존의 발전 방식보다 연기, 소음, 진동이 거의 없다. 이를 통해 은밀성을 유지할 수 있어 적에게 노출될 위험이 낮아 무기 또는 병사의 생존력을 높일 수 있다.

미국 육군전차·차량연구개발센터(TARDEC)는 제너럴모터스(GM)와 수소전기픽업트럭인 ‘콜로라도 ZH2’을 지난 2017년부터 2년간 야전 환경에서 시험 운용했다.

그 결과 콜로라도 ZH2는 기존 군용차보다 소음과 열이 현저히 적은 것으로 나타났다. 또 연료전지에서 나오는 유일한 부산물인 순수한 물이 병사들의 식수 등으로 활용됐다.

해당 시험 운용에 참여한 한 병사는 “우리는 탐지되지 않은 채로 적의 진영에 더 가까이 갈 수 있었고 더 효율적으로 지원을요청할 수 있었다”라고 평가했다.

또 연료전지는 낮은 에너지 손실과 높은 효율로 전기와 열을 동시에 생산할 수 있고 적은 설치 면적과 다양한 설치 조건에 유연하게 대응할 수 있다.

여기에 커피, 소변과 같은 수성 액체 또는 휘발유, 천연가스 등 화석연료에서 수소를 추출할 수 있어 제약이 많은 야전에서 유용하게 활용할 수 있다.


미국 해병대는 해군연구청의 지원을 받아 매사추세츠공과대학교(MIT) 링컨연구소와 알루미늄을 활용해 수소를 만드는 장치인 ‘H-TaRP’을 개발하고 있다.

이 장치는 알루미늄이 물과 만나면 열과 수소를 생성하는 원리를 기반으로 한다. 이러한 성질을 이용하면 바닷물, 강물, 소변 등 수성 액체로도 수소를 만들 수 있다. 또 연료 생성 과정에서 남은 증기는 증류해 식수로 사용할 수 있다.

이는 식수, 연료 등 필요한 자원을 공급받거나 획득하기 어려운 혹독한 환경에서 작전을 수행하는 해병대나 특수부대에 필수 장치가 될 것으로 보인다.

또 연료전지는 이차전지보다 충전 속도가 빠르고 한 번 충전하면 사용 시간이 길며 시간의 경과에 따른 자연방전 문제가 적어 신속한 기동과 오랜 시간 작전 수행이 가능하다.

이러한 연료전지를 가장 먼저 적용한 무기가 있다. 바로 재래식 잠수함이다.

재래식 잠수함에는 공기불요추진체계(AIP, Air-Independent Propulsion System)라는 동력 기관이 있다.

AIP는 외부에서 산소를 공급받지 못하는 환경에서도 추진력을 만들 수 있는 동력 기관으로 잠수함의 잠항 능력을 좌우하는 핵심 요소다. AIP의 성능에 따라 잠수함은 최대 한 달 이상 부상하지 않고 잠항할 수 있다.


현재 가장 많이 사용되는 AIP는 스털링 엔진과 연료전지다. 연료전지 기반 AIP는 산소와 수소만 공급해주면 지속해서 발전할 수 있어 외부의 공기를 끌어들이기 위해 위험하게 수면 위로 접근해 스노클을 올릴 필요가 없어 안전한 작전 수행이 가능하다.

또 발전 과정에서 발생하는 소음과 진동이 거의 없고 스털링 엔진보다 출력이 높으며 기존 축전지와 비교할 수 없는 용량이 가능하고 시간의 경과에 따른 자연방전 문제가 적어 수중에서 오랜 시간 동안 조용히 추진력을 만들어야 하는 잠수함에 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.

이 연료전지 기반 AIP를 잠수함에 세계 최초로 적용한 곳이 바로 독일이다. 독일은 지난 2002년 3월 연료전지 기반 AIP가 탑재된 212급 잠수함을 세계 최초로 진수했다.

212급 잠수함의 U-31에는 독일의 지멘스가 개발한 30~40kW급 PEMFC(고분자전해질 연료전지) 9기가 적용됐다. 2003년에 진수한 U-32, 2004년에 진수한 U-33, 2006년에 진수한 U-34에는 지멘스의 120kW급 PEMFC 2기가 적용됐다.

독일을 시작으로 인도, 스페인, 이스라엘, 중국 등 다수의 국가가 연료전지 기반 AIP를 탑재한 잠수함을 도입하고 있다. 현재 작전 중이거나 건조 중인 AIP 탑재 잠수함은 약 120척이며 연료전지를 탑재한 잠수함은 약 70척에 달하는 것으로 알려졌다.

한국은 지난 2006년에 진수한 장보고-Ⅱ급(214급) 잠수함인 손원일함에 지멘스의 120kW급 PEMFC 2기를 적용했다. 손원일함과 같은 장보고-Ⅱ급 잠수함인 안중근함, 김좌진함, 윤봉길함, 홍범도함 등에도 같은 연료전지가 적용됐다.

지난 2018년 세계에서 15번째로 독자 설계해 진수한 장보고-III급 잠수함인 도산안창호함에는 범한퓨얼셀이 독일 지멘스에 이어 세계 두 번째로 개발한 잠수함용 연료전지인 PH1 타입의 150kW급 PEMFC 4기가 탑재됐다.

범한퓨얼셀의 연료전지는 도산안창호함과 같은 장보고-III급 잠수함인 안무함, 신채호함 등에도 적용될 예정이다. 이를 통해 장보고-III급 잠수함은 외부의 공기를 끌어들일 필요 없이 최대 3~4주 물속에서 작전을 수행할 수 있다.


이런 가운데 지난 2월 국방과학연구소는 저장효율이 낮고 별도의 시설을 통해서만 충전할 수 있으며 충전 시간이 긴 수소저장합금 방식을 대체하기 위해 높은 비율로 수소를 포함하는 메탄올을 연료로 활용하고 연료개질 반응을 통해 고순도 수소를 잠수함 안에서 직접 생산할 수 있는 기술을 개발했다.

이를 활용하면 별도의 충전시설이 필요 없고 충전 시간 단축이 가능해 잠수함의 잠항시간을 효과적으로 늘릴 수 있다. 여기에 민간 선박용 연료전지, 산업용 연료전지 분야 기술 이전을 통해 수소경제 사회 구축에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

첨단 무기 핵심 장치가 된 연료전지
이같이 잠수함의 작전수행 능력을 결정짓는 핵심 장치가 된 연료전지가 다양한 첨단 무기에도 적용될 예정이다.

먼저 수소트램, 수소충전소, 수소추출기 등을 개발하는 현대로템은 지난 2021년 10월 19일부터 23일까지 5일 동안 경기도 성남 서울공항에서 ‘서울 국제항공우주 및 방위산업 전시회’에서 상판 교체로 다양한 임무를 수행할 수 있는 연료전지 기반 무인체계 플랫폼인 ‘디펜스 드론’을 선보였다.

디펜스 드론은 국내 국방 분야 최초의 연료전지 기반 무인체계 플랫폼으로 같은해 9월 경기도 고양시 일산 킨텍스에서 열린 ‘2021 수소모빌리티+쇼’에서 선보인 연료전지 기반 무인 모빌리티인 ‘레스큐 드론’을 바탕으로 제작됐다.

디펜스 드론에 적용된 연료전지 기술은 기존에 상용화된 수소전기차에 기반을 두고 있어 연료 효율과 구동 성능이 우수하다. 또 뛰어난 주행 능력과 함께 120km/h 이상의 최고속도, 1회 충전 시 450km 이상의 주행거리를 갖췄다.

현대로템은 향후 연구개발을 통해 플랫폼의 중량을 증대시키는 동시에 연료전지의 구동 성능을 향상시킬 계획이다.

한화디펜스는 장갑차, 전차 등 궤도차량용 하이브리드 전기추진장치를 개발하고 있다. 이 장치는 배터리나 연료전지의 전기에너지로 고출력 모터를 작동시켜 장갑차·전차와 같은 궤도차량을 기동시키는 차세대 동력장치다. 이 장치의 핵심기술을 개발하는 과제가 한화디펜스 주관으로 진행되고 있으며 오는 2025년에 완료될 것으로 보인다.


또 한화디펜스는 열관리장치, 공기공급장치, 전력분배장치, 연료전지용 DC-DC 컨버터, 배터리용 DC-DC 컨버터 등 연료전지시스템 구성품 설계와 도면, 기술자료 등 개발 산출물 작성 등에 참여할 연구인력을 오는 6월까지 모집한다는 공고를 올리는 등 연료전지 기반 무기 개발에 박차를 가하고 있다.

LIG넥스원은 민수와 국방 분야를 아우르는 연료전지 기반 대형 카고드론을 개발하고 있다. LIG넥스원은 지난 2021년 5월 산업통상자원부 국가연구개발사업‘자동비행과 원격조정 비행이 가능한 연료전지 기반 탑재중량 200kg급 카고드론 기술 개발’ 수행기관으로 선정된 바 있다.

LIG넥스원은 광주광역시를 비롯한 다수 참여기관과의 긴밀한 협력을 통해 오는 2025년 200kg 수준의 고중량 화물을 운송할 수 있는 카고드론을 선보일 계획이다. 개발이 완료되면 ‘도심형항공모빌리티(UAM, Urban Air Mobility)’와 연계한 상용화는 물론 군용 수송드론으로도 활용이 가능할 것으로 전망된다.

국내 유일 군용차량 전문업체인 기아는 모하비 기반 지휘차, 2.5t 트럭, 5t 트럭을 수소전기차로 전환하고 디젤발전기 또는 이동형 발전차를 연료전지 기반으로 개발하는 등 수소 기술을 군용 분야에 적용할 계획이다.

송호섭 기아 사장은 지난 2021년 9월에 열린 ‘2021 수소모빌리티+쇼’에서 기자들과 만나 “기아의 수소모빌리티 전략은 우선 군용 시장에 집중한 뒤 오는 2028년부터 순차적으로 승용차 라인업을 강화하는 것”이라며 “수소시스템은 군용 분야에서 이동뿐만 아니라 발전까지 적용할 영역이 무궁무진하다”고 밝힌 바 있다.

정부 차원에서도 방위산업에 연료전지를 활용하는 전략을 수립하고 있다.

산업통상자원부와 국방부는 지난 2월 7일 정부세종컨벤션센터에서 ‘제9회 방위산업발전협의회’를 공동 개최하고 민군협력을 통해 국가안보 및 산업 경쟁력을 강화하고 방위산업을 수출 선도형 산업으로 전환하기 위한 안건을 논의했다.

방위사업청은 군용 연료전지 추진기술 세계 최선두권을 확보하고 체계 실증 추진을 목표로 군 기동무기 체계 연료전지 기반 탄소중립 추진계획을 발표했다. 방위사업청은 수소경제를 선도하는 국내 민수 핵심기술을 국방에 접목해 연료전지시스템을 개발한다.

산업부는 방위사업청과 한국자동차연구원 등 민간기관 간 협력체계 구축을 지원한다. 올해에는 200kW급 차륜형 장갑차용 연료전지와 전동화 추진시스템 개발을 ‘소재부품기술개발사업’으로 지원할 계획이다.

방위사업청은 지난 2021년 5월 두산모빌리티이노베이션과 신속시범획득 사업제도를 통해 8억 원 규모의 수소 파워팩 드론 구매계약을 체결했다.

수소 파워팩 드론은 배터리 드론보다 장시간 비행(탐지장비 탑재 기준 90분 이상)이 가능하고 가솔린 드론보다 소음과 진동이 적어 은밀한 감시·정찰 임무 수행이 가능하다.

방위사업청은 6개월간 수소 파워팩 드론의 제조·검사과정을 거쳐 지난 2021년 11월부터 공군에서 시범 운용하고 있다.

해외의 경우 미국 해군연구소(NRL)는 수소와 태양광 발전으로 움직이는 연료전지 무인기인 ‘하이브리드 타이거(Hybrid Tiger)’를 개발하고 있다. 하이브리드 타이거는 지난 2009년 23시간 17분 비행해 세계 신기록을 수립한 연료전지 무인기인 이온 타이거를 기반으로 한다.

하이브리드 타이거는 날개에 장착된 태양광 패널을 통해 얻은 에너지와 몸체에 장착된 50리터 극저온 액체 수소탱크가 달린 연료전지를 통해 얻은 에너지로 비행한다. 낮에는 태양광 발전 에너지로 비행하다 밤이 되면 연료전지로 충전과 비행을 수행하며 높이를 유지한다.

하이브리드 타이거는 지난 2020년 11월 미국 메릴랜드주에서 진행된 시험비행에서 외부 지원 없이 24시간 비행에 성공했다. 당시 기온이 영하로 떨어지고 강풍이 불고햇빛이 적었음에도 24시간 비행에 성공한 것이다. NRL은 1회 충전으로 48시간동안 1,800km 이상 비행할 수 있도록 개발할 예정이다.


독일 연방방위군은 독일의 연료전지 공급업체인 SFC에너지와 연료전지를 탑재한 이동식 발전기인 에밀리(Emily)를 고도화하고 있다. SFC에너지는 2011년부터 독일 연방 방위군에 에밀리를 공급해오고 있으며 현재는 차세대 에밀리인 ‘에밀리 12000’를 개발하고 있다.

에밀리 12000는 메탄올을 연료로 하며 최대 500W의 전력을 공급한다. 이를 통해 탱크, 곡사포와 같은 대형전투차량도 엔진을 가동하지 않고도 야전 초소나 위치에서 준비 태세를 유지할 수 있다. 또 열 발생, 가스 배출 등이 현저히 적어 적의 정찰로부터 보호할 수 있다.

또 SFC에너지는 독일군과 북대서양조약기구(NATO)에 보병들이 사용할 수 있는 휴대용 연료전지인 제니( Jenny) 600S를 공급하고 있다.

이 장치는 무게가 1.7kg에 불과해 배낭처럼 메고 다닐 수 있으며 350ml 메탄올 연료 카트리지가 3~4개 탑재돼 최대 72시간 동안 사용할 수 있고 하루에 600Wh의 에너지를 공급한다.

미래전의 핵심 에너지 될 수소
저출산과 고령화로 인해 세계 인구가 감소하고 있다. 미국 워싱턴대학이 지난 2020년 7월에 발표한 세계 인구에 대한 논문에 따르면 2050년까지 세계 195개국 중 151개국이 인구를 유지할 수 없다고 주장했다. 또 2017년 생산가능인구인 15~64세 증가율이 1% 미만으로 집계됐다.

인구감소로 인해 가용할 수 있는 병력도 줄어들고 있다. 한국국방연구원에 따르면 병역자원은 이미 급감하기 시작했으며 2036년부터는 현역 입영대상자 수가 필요한 병력인 20만 명에 미치지 못할 것으로 전망된다.

그런데 병력을 양성하는 데 드는 비용이 만만치 않다. 예를 들어 2020년 기준으로 공군 전투기 조종사 1인을 양성하기 위해서는 약 10억 원 정도의 비용이 들어간다.

그래서 미래전의 주요 목표는 아군의 인적자원 손실을 최소화하면서 적은 비용으로 수립한 작전을 완벽하게 성공적으로 완수하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 미래전의 핵심인 무인 무기체계를 고도화해야 한다.

고도화된 무인 무기체계를 갖추기 위해서는 고밀도 에너지원이 필요하다. 그래서 핵잠수함 등 원자력 에너지를 기반으로 하는 첨단 무기가 개발되고 있다. 그러나 소형화와 대량화를 이루기가 쉽지 않은 데다 안전성에 대한 논란이 있어 주력이 되기까지는 다소 시간이 걸릴 것으로 보인다.

이러한 점에서 수소에너지가 미래전의 핵심인 무인 무기체계의 주력 에너지원이 될 가능성이 크다. 방위산업에서 연료전지를 주목하는 이유다.





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