우주는 냉장고가 아니다: 태양광 데이터센터의 열역학과 경제성

우주가 차갑다는 사실과 우주에서 기계를 쉽게 냉각할 수 있다는 명제는 다르다. 태양광을 대기 손실 없이 받는 궤도에 AI 연산장치를 배치한다는 구상은 매력적이다. 그러나 연산에 사용한 전기는 거의 모두 열이 되고, 진공은 열을 자동으로 빼앗아 가지 않는다. 이 차이가 우주 데이터센터의 기술적 가능성과 경제적 타당성을 가르는 출발점이다.

태양광이 풍부하다는 말의 정확한 범위

지표면의 맑은 날 최대 일사량을 약 1,000W/m², 지구 대기권 밖 태양복사량을 약 1,360W/m²로 비교하면 입사 에너지에 약 36% 차이가 있다. 이는 태양전지 변환효율 자체가 36~40% 높다는 뜻은 아니다. 궤도와 자세, 그림자, 발전설비 질량과 열화, 저장장치, 배전 손실을 별도로 고려해야 한다. '우주에서는 항상 24시간 발전한다'는 설명도 특정 궤도·자세 조건에 의존한다. 지구 저궤도 위성은 식을 겪을 수 있다.

-270°C의 그늘과 열을 버리는 속도

우주배경복사 온도 약 3K를 주변 공기 온도처럼 이해하면 오류가 생긴다. 진공에는 뜨거운 물체를 둘러싼 대류성 냉매가 없다. 물체 내부와 열전달장치에서는 전도가 가능하지만, 최종적으로 빈 공간에 열을 방출할 때는 적외선 복사에 의존한다. 태양빛을 피하는 것은 추가 가열을 줄일 뿐 이미 발생한 열을 없애지 않는다.

스테판–볼츠만 법칙의 단순화는 다음과 같다.

P = ε σ A (T⁴ − T_bg⁴)

여기서 ε는 방사율, A는 유효 복사면적, T는 절대온도, σ는 상수다. 실제 궤도에서는 지구 적외선과 반사광, 태양 입사, 방열판의 상호 가림과 양면 사용 가능 여부도 따져야 한다.

프라이팬 사고실험: 검은 표면과 광택 금속의 차이

질량 1.5kg, 비열 450J/(kg·K), 방열면적 0.10m², 초기 200°C, 배경 3K라는 단순 모델을 놓는다. 냉각 미분방정식은 mc dT/dt = -εσA(T⁴−T_bg⁴)이다. 방사율 0.8인 어두운 표면에서는 100°C까지 약 8분, 50°C까지 약 17분, 20°C까지 약 25분이 걸린다는 예시 계산이 제시되었다. 방사율 0.1인 광택 금속은 각 시간이 대략 여덟 배로 늘어난다. 이 수치는 균일 온도, 태양열 유입 없음, 고정 방사율을 가정한 사고실험이지 실제 특정 팬의 측정치가 아니다.

핵심은 우주에서 복사 냉각이 전혀 일어나지 않는다는 말도 틀리다는 것이다. 온도가 높고 방사율과 면적이 크면 상당히 빠르게 식는다. 다만 데이터센터처럼 열이 계속 공급되면 그 열을 지속적으로 내보낼 방열면적과 열전달망을 확보해야 한다.

국제우주정거장의 실물 해법

국제우주정거장(ISS)은 내부 장비와 거주공간의 열을 내부 물 냉각회로와 열교환기로 수거하고, 외부 암모니아 냉각회로를 거쳐 라디에이터에서 복사로 방출한다. 내부에는 공기와 팬을 통한 열이동도 존재한다. 따라서 'ISS에는 팬이나 대류가 없다'는 표현은 틀리다. 우주 진공으로 향하는 마지막 열 배출이 복사라는 것이 정확하다. 액체 루프, 펌프, 열교환기, 라디에이터는 냉각시설이 사라진 것이 아니라 형태가 달라졌음을 보여준다.

구글 Project Suncatcher가 제시한 것과 아직 제시하지 않은 것

구글의 Project Suncatcher는 태양광 발전과 TPU 연산을 위성군에 분산하고 광통신으로 연결하는 탐색적 구상으로 소개되었다. 대화에서 언급된 약 81기 위성 편대는 설계 연구의 예이지 이미 80여 기가 모두 운용된다는 확인이 아니다. 구글의 관련 문서에는 히트파이프와 라디에이터를 이용한 열 관리가 거론되었다. 수동 열전달 선호라는 보도도 소개되었지만, 구체적인 냉매·면적·수명·검증 결과를 확정 설계로 간주해서는 안 된다. '우주라 냉각설비가 불필요하다'는 언론 서술과는 구별해야 한다.

5GW 열부하의 규모를 계산하다

5GW를 연속 사용하는 데이터센터는 장기적으로 거의 같은 규모의 열을 방출해야 한다. 방사율 0.9, 깊은 우주만 바라보는 이상적 단면 복사면적을 가정하면 400K(127°C)에서 약 3.83km², 600K(327°C)에서 약 0.76km², 1,000K(727°C)에서 약 0.098km²가 나온다. 이는 A=P/(εσT⁴)에 의한 이론적 최소 수준의 예시다. 서버가 허용하는 칩·냉각재 온도, 열교환기의 온도차, 태양과 지구로부터 흡수하는 복사, 패널 두께와 구조, 펌프 전력, 한쪽 또는 양쪽 면의 유효성에 따라 실제 필요 면적은 달라진다. 고온 방열의 면적상 이득을 그대로 서버 냉각 설계로 적용할 수는 없다.

가능한 계통은 태양광 어레이와 배전망 → TPU 모듈 → 칩 콜드플레이트와 열수송 장치 → 열교환기·히트파이프 또는 펌프 루프 → 태양 차폐된 복사 라디에이터다. 여기에 궤도 식에 대비한 저장전력, 방사선 내성, 자세제어, 지상·위성 간 광통신, 고장 격리와 모듈 교체 가능성을 더해야 한다. 이는 개념설계이지 검증된 5GW 사업계획이 아니다.

왜 지상이 아니라 우주인가: 비용과 전략의 서로 다른 주장

우주는 지상 송전망과 물 사용의 제약을 일부 회피할 가능성이 있다. 그러나 발사, 조립, 방열판, 차폐, 교체와 통신의 비용을 새로 부담한다. 현재 대화에서 우주가 동일 연산량 기준 지상보다 싸다는 총소유비용 계산은 제시되지 않았다. 따라서 '경제성 없음이 확정'이나 '비용 절감이 입증' 모두 지나친 단정이다.

전쟁·폭격·가뭄·폭염에 대한 인프라 분산이라는 가설은 흥미롭지만 구글의 공식 동기로 확인되지 않았다. 특히 '미국 정부로부터 도피할 계산 자산'이라는 해석은 논리적으로 검토할 수 있는 지정학적 사고실험일 뿐 기업의 실제 의도를 설명하는 증거가 아니다. 위성도 지상국, 부품 공급망, 발사·주파수 허가와 통신에 의존한다. 궤도상의 물리적 거리와 국가 권력으로부터의 법적 독립은 별개다.

남는 질문

핵심 비교 단위는 태양전지 효율이 아니라 연산 1단위당 총비용, 방열면적과 질량, 고장 이후의 수명, 지상과의 데이터 왕복 비용이다. 구글 문건의 열 설계는 방향을 제시하지만 5GW 상업시설의 경제성을 증명하지 않는다. 지상 데이터센터의 용량과 냉각체계는 세계 데이터센터의 연산 지리를 함께 참고할 수 있다.