번개에서 얻는 에너지, 인공 번개 발전

번개에서 얻는 에너지, 인공번개 발전

 

  신재생에너지는 기존 화석연료를 변환하여 이용하거나 재생이 가능한 에너지로 변환하여 이용하는 에너지로, 신에너지와 재생에너지를 합쳐 부르는 말이다. 신재생에너지에는 태양 에너지, 지열 에너지, 해양 에너지, 바이오 에너지 등이 있는데 그중 태양에서 오는 에너지는 태양 내부의 핵융합 반응을 통해 생성된다. 많은 연구진들은 이를 구현하기 위해 핵융합발전, 이른 바 인공태양을 통한 발전을 연구 중에 있다. 그렇다면 인공풍력은 어떠한가? 인공풍력까지는 아니더라도 자연풍이 아닌 환풍기에서 나오는 바람을 이용하여 발전하는 아이디어도 생겼다. 자연을 재현해내려는 인간의 노력은 여기에서 더 빛난다. 바로 인공번개 발전이다.

[사진 1. 번개]

출처: 구글 이미지 '번개'

  번개는 한 번 에너지를 방출할 때 대략 10억 J 이상의 에너지를 지표면으로 전달한다. 이 많은 에너지를 공짜로 얻을 수만 있다면 우리는 번개만으로도 많은 전력을 생산해낼 수 있을 것이다. 그렇다면 번개는 어떻게 생성되는가?

[그림 1. 번개 생성 원리]

출처: 구글 이미지 '번개 생성 원리'

  공기 중에 전하가 많아져 전압차가 높아지면 모여 있던 전하가 순간적으로 전위가 낮은 곳으로 흐르는 방전현상이 일어난다. 쉽게 말하자면 얼음 결정, 수증기 등으로 이루어진 구름이 상승하다 마찰을 일으키면 구름은 대전되어(즉, 전하들이 분리되고 축적된다) 이동하게 된다. 이때 땅과 구름의 기전력 차이에 의해 방전되며, 빛으로 보이는 것이 번개이다. 방전과 동시에 공기는 30,000K의 고온에 달하여 매우 빠르게 팽창하고, 기압의 충격파를 일으켜 천둥(소리)이 울리게 된다. 실제 천둥(소리)은 0.5초로 짧게 일어나지만 방전로의 길이가 2~14km에 이르므로 귀까지 도달하는 시간에서 차이가 생긴다. 따라서 소리가 0.5초보다 길게 들리는 것이며, 이 소리는 30km 정도의 범위까지 들릴 정도로 어마어마한 양의 파동 에너지를 갖고 있다.

  이처럼 공기 중의 전압 차 만으로도 엄청난 빛 에너지와 파동 에너지(소리)를 생성한다. 이 원리를 이용해 번개를 재현한 백정민 UNIST 연구진이 있다. 이들은 말 그대로 번개 구름에서 전하가 분리되는 원리를 이용해 번개와 같이 순식간에 엄청난 전력을 내는 손바닥만 한 ‘인공 번개 발전기’를 개발했다.

[사진 2. 실제 인공 번개 발전기의 모습]

출처: 유니스트 뉴스 센터

  우선 마찰에 대해 알아보자. 마찰은 두 대전체의 마찰 시 전하 이동 현상에 의해 이뤄진다. 이 방식은 다른 전력변환 시스템보다 에너지 변환 효율이 높아서 작은 외부 응력으로 높은 출력을 얻을 수 있다고 한다. 뿐만 아니라 태양이나 바람과 같은 시간적, 공간적 제약으로부터 자유롭기까지 하다. 그러나 한 가지 단점이 있다면 대전체 간의 전하 이동이 제한적이어서 전하 분포가 균열하지 않다는 점이다. 또한 전하가 이동할 때에 손실이 많아 출력이 낮은 부분도 있다. 따라서 연구진들은 기존의 방식을 바꿀만한 혁신적인 신소재를 개발해야 했다. 이들은 번개를 생성시키는 구름을 우선적으로 분석했다. 구름 내의 마찰을 통해 생성되는 전하와 그 전하들이 축적하는 과정을 파악하여 UNIST 연구진은 혁신의 중심 ‘전하펌프’를 고안해냈다.

  전하펌프는 전하생성기, 전하 분리기, 전하 축적기를 통합한 시스템이다. 즉, 수증기와 얼음결정을 마찰시키는 신소재로 전하를 생성, 분리 및 축적하고, 대전 특성을 크게 향상시켜 외부 전하까지 끌어올 수 있도록 했다.

 

[그림 2. 전하 펌프 기반 인공 번개 발전기의 구성도]

출처: 유니스트 뉴스 센터

  그러나 마찰 전기 발전은 이번이 처음이 아니다. 기존의 마찰 전기 발전기는 우리가 흔히 아는 두 물질이 스치면서 생긴 정전기로 전기를 만드는 2층 구조로 되어있다. 그러나 UNIST 연구진들은 2층 사이에 한 층(접지층)을 추가하여 기존 발전기보다 10~100배 이상 높은 출력 성과를 이루어냈다.

  여기서 추가적으로 삽입한 접지층은 마찰로 인해 생성된 전하가 외부 회로로 이동할 때 전하 손실을 효과적으로 막아주는 역할을 한다. 3층과 접지층에서는 각각 양전하(위)와 음전하(아래)가 분리돼 있다가, 두 층이 마주칠 때 전기를 생성해 접지를 통해 외부로 방출한다. 이때 빠져나간 음전하는 접지층을 통해 외부로부터 인공 번개 발전기 내부로 끌어올 수 있게 된다. 출력 효율이 기존보다 좋아진 ‘인공 번개 발전기’는 실제로 스마트폰의 배터리를 충전할 수도 있다. 이 발전기는 버려지는 미소(微少) 에너지를 거두어 사용할 수 있다는 기대뿐만 아니라 바람, 진동, 소리 등에서 에너지를 찾아내어 전기로 바꾸는 세상을 앞당길 수 있다는 기대를 담고 있다.

 

[그래프 1. 발전기의 저항에 따른 출력 전압 및 전류(왼), 저항에 따른 출력 전력 밀도(오)]

출처: 유니스트 뉴스 센터

  기후변화 문제가 대두되면서 기존의 화석연료 발전을 대체할 신재생에너지의 역할이 중요해지는 요즈음이다. 사람들은 다양한 발전 방식을 시도하고 있으며 그중에서도 어떻게 하면 더 효율적일지, 어떻게 하면 더 경제적일지 끊임없이 궁리한다. 신재생에너지를 보면 알 수 있듯이 자연은 우리에게 많은 선물을 준다. 번개를 통해 발전할 수 있는 아이디어, 태양의 핵융합을 통해 발전할 수 있는 아이디어, 무궁무진한 자원 등등. 그리고 인간은 그 선물을 이제야 감사히 받아들이는 것 같다. 우리는 과거에도 그렇고 현재도 마찬가지며 미래에도 계속해서 더 나은 방법을 찾을 것이다. 환경, 경제, 효율, 자원 등 모든 요소를 고려하여 모두를 만족시킬 궁극의 발전 방식을 찾을 때까지.

 

 

 

 

 

[참고자료]

1. [네이버 지식백과] 신재생에너지 (시사경제용어사전, 2010. 11., 대한민국정부)

(http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=300651&cid=43665&categoryId=43665)

2. [네이버 지식백과] 천둥 [thunder, 雷聲] (두산백과)

(http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1251217&cid=40942&categoryId=32240)

3. [번개처럼 에너지를 만든다, ‘인공 번개 발전기’] (UNIST news center)

(http://news.unist.ac.kr/kor/newsletter/20161006-01/)