Power and Energy Storage

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다양한 수단으로 에너지를 생성하면(이 페이지의 테라젠 스피어에서 쓰이는 에너지원 참조), 즉시 쓸 에너지는 소비자에게 직접 보내고, 나중에 쓸 에너지는 어떤 형태로든 저장해야 한다. 특정 매체가 에너지와 동력을 얼마나 효율적으로 저장하는지 측정하면, 그 매체의 가장 적합한 용도를 판단할 수 있다.

매체의 에너지 밀도는 단위 부피당 매체에 저장된 에너지의 양이며, 단위 질량당 에너지는 비에너지이다. 어떤 용도에서는 비에너지가 가장 중요하다. 예를 들어 로켓 공학에서는 연료를 선박에 싣고 발사해 탑재물과 함께 가속해야 하기 때문이다. 다른 경우에는 에너지 밀도도 중요한데, 작은 차량이나 자체 동력 기계에서는 에너지 저장 시스템의 크기가 중요하기 때문이다.

동력 밀도는 일정한 시간 동안 에너지 저장 매체의 단위 부피에서 얼마나 많은 에너지를 꺼낼 수 있는지를 나타내며, 단위 질량당 동력은 비출력이다. 일부 에너지 저장 매체는 저장된 에너지를 천천히 방출하므로, 많은 동력을 빠르게 요구하는 응용 분야에는 유용하지 않다. 다른 에너지 저장 시스템은 매우 높은 출력을 낼 수 있다. 때로는 이 출력이 무기로 직접 쓰이거나 추진에 활용될 만큼 강력하다.

비교 목적으로, 아래에 나열된 다양한 에너지 저장 매체의 비에너지는 킬로그램당 메가줄 또는 MJ/kg 단위로 표시된다.

시대에 따라 에너지와 동력을 저장하는 다양한 시스템이 사용되어 왔다.

유체 압력 동력 저장

행성 전력망에서 쓸 에너지는 물을 높은 저수지로 펌핑하고 나중에 수요가 높을 때 방출할 수 있다. 이런 종류의 저장은 가이안 또는 행성 개조된(Terraformed) 행성에서 많은 변형으로 상당히 널리 퍼져 있으며, 특히 다양한 고도에 적절한 분화구나 다른 지질학적 구조물이 있는 행성에서 그렇다. 이 형태의 에너지 저장(또는 생성)에는 단점이 있는데, 저수지에 잠긴 땅 때문에 주민이 이주해야 하고 문화적으로나 생태학적으로 민감한 장소를 침수시킬 수 있으며, 댐 자체가 강의 흐름을 방해할 수 있다. 더욱이, 댐 붕괴는 하류 지역 사회에 위험을 초래한다. 반면에, 댐은 전력 생산 외에도 홍수 조절, 관개, 수송과 같은 여러 이점을 제공한다.

자연적인 수문학적 순환이 있는 행성에서, 수력 발전도 주요 전력원이 될 수 있다. 자연 기상 현상(증발, 강수 및 기후학적으로 활성화된 지형)이 물을 중력 위치 에너지가 더 높은 곳으로 "펌핑"한다.

다른 액체들도 비-가이안 유형 세계에서 액체 동력 저장에 사용될 수 있으며, 온도와 조성에 따라 선택이 달라진다. 예를 들어 몇몇 무우 식민지는 동력 저장이나 생성을 위해 메탄의 인공 호수를 사용한다.

이와 비슷하게 압축 공기나 다른 기체로 에너지를 저장할 수도 있다. 예를 들어 호수나 바다 밑에 설치한 수중 풍선에 기체를 저장한다. 이런 저장 방식의 효율은 사용하는 펌프와 발전기의 성능에 달려 있다.

축전기

축전기는 내부에 형성된 전기장의 형태로 전하를 저장하는 장치다. 일반 물질로 제작된 가장 강력한 초축전기는 최대 25 MJ/Kg까지 저장할 수 있지만, 시간이 지남에 따라 전하가 누출되므로 장기 저장에는 유용하지 않다. (여기에서 더 자세한 내용}.

화학 배터리

화학 배터리는 셀에 화학 형태로 전기 에너지를 저장하며, 활성화되면 그 에너지를 방출한다. 1차 배터리는 재충전이 불가능하지만, 2차 배터리는 여러 번 재충전할 수 있다. 따라서 1차 배터리를 에너지 저장 장치로 쓰면 제작 비용도 시스템 운용비에 포함된다. 2차 배터리도 초기 비용은 비슷하지만, 재충전에는 수명 전체에 걸쳐 시간과 비용이 든다.

가장 효율적인 화학 배터리는 약 10 MJ/kg의 비에너지를 가진다. 화학 배터리는 중간기술(Mid-tech) 사회에서 사용되지만, 대부분의 고등 기술 사회에서는 대개 초전도 저장 루프나 다른 방식으로 대체된다.

화학 연료

에너지 저장용 화학 연료를 만들려면 제조 단계에서 에너지를 투입해야 하며, 연료나 배터리를 사용하여 얻는 에너지는 항상 제조 중에 사용된 에너지보다 적다. 단, 연료가 기존의 고에너지 원천으로부터 제조될 수 있는 경우는 제외된다.

극소수의 세계에서 화석 연료나 다른 가연성 물질의 매장량이 쉽게 이용 가능하지만, 이는 에너지 저장 매체가 아니라 주요 에너지원이다. 화석 연료는 과거 시대에 생명체가 오랫동안 번성했던 정원 세계(Garden World)에서만 발견되며, 이런 환경에서는 퇴적암 안에 케로겐이 생기고, 이것이 결국 석유와 다른 화석 연료로 변한다. 거의 모든 정원 세계가 보호 구역이기 때문에, 화석 연료 채굴과 시추는 거의 허용되지 않는다.

산소 대기에서 사용하기 위해 제조되는 가장 일반적인 화학 연료는 수소, 등유, 그리고 알코올이다. 수소는 목성형 행성에서 대량으로 이용 가능하지만, 행성의 중력권에서 꺼내는 비용과 그 밖의 운송비 때문에 수소를 채굴하여 연소에 사용할 수 있는 세계나 서식지로 가져오는 것은 경제적이지 않다. 수소 대기에서는 산소를 연료로 간주할 수 있지만, 기술적으로 산소는 항상 산화제(전자 수용체)이며, 수소-산소 연소에서 수소는 항상 연료(전자 공여체)이다.

산소가 풍부한 대기에서 연료로 사용되는 수소는 120 MJ/kg이라는 매우 높은 연소 에너지를 지니지만, 수소 저장 시스템에서 유용하게 추출할 수 있는 에너지의 양은 다소 작다. 열기관에서 연료를 태워 얻을 수 있는 실제 일(기계적 또는 전기적)은 훨씬 적을 수 있다(일반적으로 열에너지의 3분의 1에서 5분의 1). 수소는 밀도가 매우 낮아 압축되거나 액화되어야 하므로, 지구와 같은 온도에서 액체인 일부 탄화수소 연료보다 덜 편리하다.

탄화수소 연료는 산소 대기에서 사용될 때 최대 40MJ/kg의 높은 연소 에너지를 내며, 일부 혼합물은 비교적 저장하고 유통하기 쉽다. 구 지구에서 화석 연료, 특히 석유의 발견은 산업 시대(Industrial Age) 동안 그 행성의 경제에 큰 활력을 주었고, 인간 기술 문명의 초기 성공에 기여했다. 탄화수소 화석 연료가 초기 행성간 시대(Interplanetary Age)에 희소해졌을 때, 심각한 경제 불황이 뒤따랐다.

이러한 연료들은 고체 로켓 연료, 히드라진, 금속 나노분말을 포함한 다른 연료들과 마찬가지로 차량, 특히 우주선(여기에서 더 자세한 내용)에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있으며, 많은 화학 연료는 연료 전지의 발전용 연료로 유용하다.

생화학적 저장

생화학적 저장은 생명체가 환경의 에너지를 저장 가능한 화학 에너지로 바꾸는 일련의 반응 또는 가역 반응이다. 저장한 에너지는 나중에 생명 활동에 동력을 공급할 때 방출된다. 대표적인 예(테라젠 생물학에서)는 생물학적 세포에서 아데노신 삼인산의 "크렙스 회로"로, 운동 작용을 위해 다른 세포 구조가 활용하는 분자를 생성한다. 예를 들어, 자당은 산소 대기에서 대사될 때 17 MJ/kg의 비에너지를 가진다. 이러한 에너지가 풍부한 화합물은 생명체에 에너지를 공급하려고 인공적으로 제조하거나 유기적으로 길러 수확할 수 있다. 에너지가 풍부한 영양소는 생명체의 식량으로만 사용되는 것이 아니라, 바이오나노 및 시나노 기술에 동력을 공급하는 데에도 사용된다.

응집물질 저장

특정 형태의 응집물질은 에너지 저장에 사용할 수 있다. 대표적인 예가 초고밀도 뤼드베리 중수소다. 이 물질에서는 원자가 납작해져 평면 집단으로 배열된다. 감압될 때 이런 종류의 물질은 15 GJ/kg를 방출할 수 있지만, 이 형태의 에너지 저장에 필요한 자기유체역학 장비는 뤼드베리 물질 시스템에 일정량의 질량을 추가한다.

반물질

반물질은 대형 아마트 농장(Amat farm)에서 생성되거나, 가스 거성과 같이 최소한 그만큼 강력한 자기장을 가진 다른 천체 주변의 공간에서 수집될 수 있다. 모도소폰트 사회는 고등 기술 수준이어도 생산 과정이 상대적으로 비효율적이지만, 반물질의 비에너지(킬로그램의 일반 물질과 결합될 때 1.8 x 10e10 MJ/kg)가 너무 커서 이 물질의 제조 및 사용은 여전히 널리 퍼져 있다. 그러나 반물질은 일반 물질과 접촉하는 순간 폭발하므로 위험하다.

반물질은 행성간 시대와 제1 연방 시기 동안 이용 가능한 가장 강력한 에너지 저장 매체였으며, 신흥 초월지성(Transapient)이 마그매터 기술을 개발할 때까지 그 지위를 유지했다.

가장 일반적인 저장 매체는 전원이 공급되는 한 반물질을 저장할 수 있는 자기/정전기 병이다. 다른 방법으로는 레이저 포획과 나노·미세 규모 포획 시스템이 있다. (여기에서 더 자세한 내용)

각운동량 저장 (플라이휠)

플라이휠의 회전을 사용한 기계적 에너지 저장은 플라이휠 재료의 최대 강도와 밀도에 따라 한계가 정해진다. 이러한 한계 때문에 플라이휠은 고성능 화학 연료, 배터리 또는 축전기와 유사한 양의 에너지를 저장할 수 있다. 최대 용량은 50 MJ/kg이며, 적절한 안전 여유를 두면 15에서 25 MJ/kg이다.

플라이휠에 저장된 에너지의 양은 부피에 따라 달라지고, 휠의 베어링에서 손실되는 에너지는 면적에 따라 달라지므로, 더 큰 플라이휠은 에너지를 더 효율적으로 저장할 수 있다. 그러나 소규모 플라이휠도 용도가 많다. 여기에서 더 자세한 내용.

비틀림 배터리

기계적 에너지는 고대 시계 태엽처럼 탄소 나노튜브 장치를 비틀어 저장할 수 있다. 이러한 기계적 에너지 저장 수단은 플라이휠이나 초전도 저장 장치와 동일한 물리적 제약으로 제한되므로, 킬로그램당 유사한 양의 에너지를 저장할 수 있다. 비틀림 배터리가 풀릴 때, 기계적 일을 하거나 발전기를 돌려 전기를 생산할 수 있다. 이러한 배터리는 플라이휠처럼 방전되지 않기 때문에, 에너지를 무기한 저장할 수 있다. 또한 나노봇과 같은 나노 규모 장치에 동력을 공급하는 데 더 적합하다. 더 큰 규모로 쓸 때는 많은 나노튜브를 결합하여 더 크고 딱딱한 탄소 스프링으로 만들 수 있다.

초전도 저장 장치

일반 물질로 만든 초전도 저장 장치는 최대 50 MJ/kg까지 저장할 수 있으며, 전기 에너지를 무기한 저장할 수 있고, 무손실 에너지 전송이 가능하다. 안전 문제 때문에 대개 이러한 장치의 유효 비에너지는 약 25MJ/kg로 제한된다.

초전도 저장 장치는 다양한 종류의 초전도 솔레노이드 형태를 취하며, 특히 유용한 것은 '구조 배터리'로 알려진 유형이다. 구조 배터리는 사용하는 동안 자기력으로 팽창한다. 초전류는 자기 압력으로 구조에 장력을 유지한다. 초전도체가 이런 방식으로 팽창될 때 구조를 지탱하기 위해 높은 인장 강도 재료가 필요하다. 초전류가 모두 표면을 흐르므로, 초전도체의 얇은 층을 강도를 위해 탄소 나노튜브 권선이나 그래핀 시트로 둘러쌀 수 있다.

이러한 초전도체 저장 장치는 에너지가 추가될 때 스스로 팽창하며, 쓰지 않을 때는 간편하게 수축해 접힌다. "구조 배터리"에서 다른 용도로 전기 에너지를 지나치게 많이 빼내면, 구조가 붕괴된다.

마그매터 저장 장치

초전도 솔레노이드, 축전기, 플라이휠과 같은 물리적 저장 장치는 일반적으로 마그매터로 제작될 때 훨씬 더 큰 에너지 저장 용량을 가진다. 결합 강도가 더 크기 때문이다 — 마그카본벅키섬유(Magcarbon buckyfibre)는 일반 물질의 질량 대비 강도의 4.7x 10e8배이다. 일반 물질 에너지 저장 장치는 강도 때문에 적절한 안전 계수를 적용하면 비에너지가 약 15에서 25 MJ/kg로 제한된다. 따라서 마그매터 저장 장치는 약 4.5 x 10e9 MJ/kg에서 1.2 x 10e10 MJ/kg를 저장할 수 있다. 이러한 장치에 저장된 각운동량은 매우 크며, 따라서 설계에 충분한 안전장치를 넣어야 한다. 이러한 안전장치 때문에 실제 저장 용량은 대개 다소 줄어든다.

소규모 장치는 매우 작은 마그매터 에너지 저장 장치를 사용할 수 있어, 장기간 지속적으로 작동할 수 있다. 예를 들어 아주 작은 공간에 알려진 일반 물질 가운데 내열성이 가장 높은 물질 1세제곱미터를 분해할 만큼의 동력을 저장한 사례도 있다.

치명적 고장의 위험

특정 종류의 화학 배터리나 생화학적 영양소와 같은 일부 형태의 에너지 저장은 심각하게 손상되어도 안전하다. 다른 저장 매체는 매우 위험할 수 있다. 압축 액화 연료는 탱크가 파손되면 빠르게 팽창해 끓는 액체 팽창 증기 폭발, 즉 BLEVE를 일으킬 수 있다.

반물질은 격리 시스템이 고장나면 극도로 위험하며, 반물질(Amat) 트랩은 약간의 수정만으로 즉석 폭발 무기로 사용될 수 있다.

초전도 루프도 금이 가거나 부러지면 파국적으로 고장난다. 이때 생긴 기전력은 순환 전류를 공기 틈으로 강제로 흘려 플라즈마 아크 방전을 만든다. 플라즈마 아크는 닿는 재료를 침식해 틈을 넓히고 에너지 손실을 가속한다. 몇 밀리초 안에 장치 대부분은 태양 표면보다 뜨거운 고압 플라즈마와 미세한 모래로 분해된다. 격리 선체의 구조가 고장나면서, 전류에 작용하는 자기 압력은 용기를 파열시켜 더 많은 균열과 플라즈마 아크를 생성한다. 그 결과 고압 플라즈마가 폭발하고 자기 압력까지 더해져 장치는 완전히 분해된다. 이 폭발은 동등한 질량의 TNT의 약 3에서 5배의 폭발력을 낸다(또는 솔레노이드가 최대(불안전) 용량까지 에너지를 공급받으면 8배).

초축전기도 플라즈마 아크 방전으로 폭발하듯 분해되지만, 자기 압력이 부족하다(축전기의 판이 밀어내지는 것이 아니라 함께 압축된다).

나노-플라이휠과 비틀림 배터리는 손상되면 모래와 나노튜브 솜을 흩뿌리며 폭발하고, 그 결과 비슷한 규모의 폭발파를 일으키지만 아크 섬광은 없다. 탄소 나노튜브는 흡입되면 건강에 상당한 위험을 초래할 수 있지만, 대부분의 노출 정도라면 치료할 수 있다.

마그매터 저장 시스템은 고장 날 때 훨씬 더 큰 에너지를 방출하며, 예를 들어 마그매터 구동 스웜-봇은 충분히 큰 응력을 받으면 연쇄 반응으로 폭발할 수 있다.