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3. 공기엔진 비행기
- 공기를 에너지원으로 사용하는 엔진의 원리 -
에너지원으로써의 공기
공해를 발생시키는 값비싼 연료를 사용하지 않고도 사람이 하늘을 마음대로 날아 다니는 것이 과연 가능할까?
그 대답은 ‘가능하다’이다. 그 방법은 여러 가지가 있지만, 이번에는 ‘공기를 에너지원으로 사용하여 움직이는 엔진’의 원리를 소개하기로 한다. 이 원리를 이해한다면 ‘현재의’ 자동차엔진 또는 비행기엔진을 만들 수 있는 ‘기술과 설비’를 가진 사람이면 누구든지 ‘공기엔진’을 만들 수 있을 것이다.
‘공기엔진’을 논하기 전에 종래의 엔진들이 사용하고 있는 ‘에너지원(源)’에 대하여 간단히 정리해 보기로 하자. 엔진(=원동기)은 온도(T)와 압력(P)과 체적(V) 및 질량(N)으로 표현되는 기체(GAS, *기체상태방정식은 PV = NRT 이며 이때 R은 기체상수임)의 ‘열에너지’를 ‘기계적에너지(=운동에너지)’로 바꾸는 장치이다. 종래엔진의 메카니즘상 반드시 동반되는 ‘연료(석유, 천연가스 등)의 연소’는 ‘온도와 압력을 가진 기체의 획득을 위한 공정’에 불과하다.
이 때 얻어진 기체(입력,INPUT)를 단열팽창(과정,PROCESS) 시키면 ‘기계적 에너지(출력, OUTPUT)’를 얻을 수 있다.
엔진의 가동목적은 출력인 ‘운동에너지를 얻는 것’이다. 이 출력을 위해서 필요한 입력은 ‘온도와 압력을 가진 일정량의 기체’이다. 바꾸어 말하면 ‘온도와 압력을 가진 일정량의 기체’만 있으면 엔진은 이것을 ‘운동에너지’로 바꿀 수 있다는 것이다. 엔진의 작동을 위한 ‘직접적인 에너지원’은 석유나 천연가스 등의 ‘연료가 아니라’ ‘온도와 압력을 가진 기체 그 자체’이다. 연료는 ‘온도와 압력을 가진 기체를 만드는 재료’에 지나지 않는다.
그러면, 우리들 주위에서 ‘온도와 압력을 가진 기체’를 찾아보기로 하자. 만일 우리가 찾은 온도와 압력을 가진 기체 중에서 값을 지불하지 않아도 되는 ‘쓸만한 기체’가 있다면, 우리는 에너지원의 문제에 관한 한 노다지광맥을 찾은 것보다도 더 큰 일을 한 것이 된다.
난로에서 피어오르는 따뜻한 공기,
주전자의 뚜껑을 덜썩이게 하는 수증기,
보일러 내부의 고온고압 수증기,
제트엔진 내부의 연소가스,
내연기관 실린더 내부의 연소가스,
소각로 내부의 연소가스,
압공탱크 속의 고압공기,
진공탱크 속의 저압공기,
금성이라는 별에 있는 섭씨 470도 90기압의 이산화탄소로 이루어진 대기,
상상하기 어려울 정도의 온도와 압력을 가진 수소 덩어리인 태양,
지표 어디에나 있는 1기압의 공기,
높은 산위에서 만나게 되는 1기압 미만의 저압공기,
고공을 비행하고 있는 비행기 속에서의 저압공기,
태풍이나 회오리바람 중심부의 저기압 등 ‘온도와 압력을 가진 기체’는 이루 헤아릴 수 없이 많다.
위에서 열거한 모든 상태의 기체들은 ‘온도와 압력을 가진 기체’로 단열팽창(과정, PROCESS)시키면 기계적에너지(출력, OUTPUT)를 얻을 수 있는 ‘에너지원(입력, INPUT)’이 될 수 있다.
이들 기체중 언제 어디서나 가장 손쉽게 얻을 수 있는 기체가 무엇인가? 그것은 바로 우리들이 마시고 그 속에서 생활하는 ‘공기’이다. 공기도 다른 모든 기체와 마찬가지로 ‘온도(섭씨 20도일 경우 절대온도로는 293.15도K 임)와 압력(1기압, 760 mmHg)을 가지고 엔진의 에너지원(입력,INPUT)이 될 수 있는 한 종류의 기체’일 뿐이다.
이 공기를 ‘에너지원’으로 사용한다면 우리는 대기권 내의 어느 곳에서나 필요한 만큼의 ‘기계적 에너지’를 ‘공기로부터’ 직접 얻을 수 있다.
공기엔진의 작동원리
‘엔진의 전문가’라면 이상에서 설명한 내용만으로도 이미 ‘공기엔진의 원리’를 완전히 이해하였을 것이다.
그러나, ‘비전문가들’을 위하여 공기엔진의 원리를 좀더 자세히 안내하기로 한다.
유체(기체 또는 액체)가 갖고 있는 내부에너지를 운동에너지로 변환시키는 모든 엔진에서 공통적으로 사용되는 에너지변환의 원리는 ‘단열팽창(斷熱膨脹)’이다. 단열팽창이란 ‘계(界)의 외부와 열에너지를 주고받음이 없이 이루어지는 유체(보통 기체임)의 체적의 증가’인데, 팽창하는 기체는 계의 외부에 대하여 ‘일(에너지의 사용)’을 하게되고 그 결과 계의 ‘온도와 압력’이 떨어진다. 즉, 유체를 단열팽창시키면 운동에너지를 얻을 수 있으며, 단열팽창한 유체는 변환된 운동에너지 만큼 온도와 압력이 감소한다.
이것을 다시 한번 정리해 보면 “기체(혹은 유체)를 단열팽창시키면 운동에너지가 나오며, 기체로부터 운동에너지를 얻기 위해서 필요한 것은 ‘그 기체’와 ‘단열팽창장치’뿐이다”라는 말이 된다. ‘기체와 단열팽창장치만 있으면 운동에너지를 얻을 수 있다’는 것이 공기엔진을 비롯한 모든 엔진의 ‘핵심원리’이다.
이 원리를 ‘에너지 보존의 법칙’에 따라 표기해 보면
단열팽창전의 기체가 갖고 있던 에너지(Eo) = 단열팽창후의 기체가 갖고 있는 에너지(Eo') + 운동에너지(Em)
의 관계가 성립된다.
단열팽창 전후의 총 에너지의 량은 같으나 에너지의 형태와 분포는 바뀌게 된다. 즉, 단열팽창후의 기체가 잃어버린 에너지(Eo - Eo')는 새롭게 생긴 운동에너지(Em)와 같다. ( Eo - Eo' = Em )
이 원리를 활용하면 우리는 우리주위의 모든 유체(공기, 바닷물 등)로 부터 손쉽게 운동에너지를 얻을 수 있다.
공기엔진의 경우 공기를 단열팽창장치를 이용하여 단열팽창시키면 운동에너지가 나오며 운동에너지를 잃은 공기는 차가워지고 체적도 줄어든다.
단열팽창장치에는 피스톤기관, 스크류기관, 터어빈기관, 스크롤기관 등이 사용될 수 있는데 있는데 분자와의 충돌조건을 최적화하기가 용이한 터빈기관이 가장 유익할 것으로 보인다.
공기엔진의 개발이 늦어졌던 이유
그렇다면 왜 지금까지는 이 장치를 개발하여 사용하지 못하였는가?
그 이유는 현재의 엔진들을 개발했거나 사용하고 있는 사람들의 사고(思考)의 기준이 ‘상대적 기준(相對的基準)’을 벗어나지 못했기 때문이다. 상대적 기준이란 운동에너지를 얻기 위해서는 ‘온도낙차(ΔT)’ 혹은 ‘압력낙차(ΔP)’를 가진 ‘두 개의 열원’이 독립적으로 제공되어야 한다는 사고방식상의 기준이다.
즉, 고온열원과 저온열원이 있거나 고압열원과 저압열원이 반드시 처음부터 있어야 운동에너지를 얻을 수 있다는 사고이다.
이 사고는 근원적인 오류를 범하고 있다. 이상기체(理想氣體, Ideal Gas)가 아닌 모든 실존하는 기체에서 열역학적인 과정인 단열팽창 및 단열압축은 비가역적이다. 특히, 단열팽창과정에서 상변화(相變化)가 발생한다. 따라서 팽창시와 압축시의 비가역성에 의하여 과정을 잘못 운용하면 역학적 에너지를 투입해야 하지만 잘 운용하면 역학적 에너지를 얻어 낼 수 있고, 역학적 에너지를 얻어내고 난 작동유체는 출력된 역학적 에너지에 해당하는 만큼 내부에너지(엔탈피)가 감소한다.
어떤 열원으로부터 역학적 에너지를 얻기 위하여 그보다 낮은 저온열원이 반드시 필요한 것은 아니다. 고온열원은 에너지를 사용하고 나면 자연히 저온열원으로 바뀐다.
‘에너지가 전혀 없는 공간(동시에 물질이 전혀 없는 공간)’을 기준으로 비교한다면 실존하는 모든 유체는 온도와 압력을 지니고 있으므로 열낙차로 표현되는 ‘가용에너지’를 갖고 있는 셈이 된다. “유체가 존재하는 한(절대 0도 절대 0기압 상태의 유체는 없으므로) 그 유체로 부터 운동에너지를 얻을 수 있다.”는 것이 공기엔진의 근본적인 발상의 기초이다.
공기엔진의 에너지원의 분량
지표상에서 질량으로 보아 가장 많은 유체가 물(H2O)이고, 다음이 공기(N2, O2, CO2 등의 혼합물)이다. 물과 공기중 언제 어디서나 손쉽게 얻을 수 있는 유체는 바로 공기이다. 공기는 대기권 내의 어디에나 존재한다. 단위질량의 공기가 갖고 있는 에너지의 량은 지역(적도 또는 극지방)과 고도(지표 또는 고공)에 따라 다소 차이가 있지만 모든 곳의 공기가 ‘충분한 가용에너지’를 함유하고 있다.
우리는 대기권 내의 어느 곳에서라도 흡입(INPUT), 단열팽창(PROCESS), 출력(OUTPUT) 공정을 가진 ‘공기엔진’을 이용하여 운동에너지를 얻어 사용할 수 있다.
공기엔진의 내부상태는 외부(일반적인 상태의 대기)에 비하여 ‘온도와 압력이 현저히 낮다’. 그러므로 외부와의 온도낙차(ΔT) 및 압력낙차(ΔP)에 의해 운동에너지가 얻어진다. 따라서 공기엔진을 내부온도를 기준으로 보면 ‘콜드엔진(COLD ENGINE, 차가운 엔진)’이라 부를 수도 있다.
공기엔진의 부수적 효과
에너지를 뽑아 사용하고 난 후의 공기(공기엔진의 ‘배기가스’)는 온도가 매우 낮으므로 ‘냉동수요(냉장고, 에어콘 등)’에 활용할 수 있으며, 이 때 공기중의 수증기는 응축되므로 동시에 ‘물’도 얻을 수 있다. 이 물은 ‘새로운 수자원’이 될 것이다.
‘공기엔진’은 ‘운동에너지’와 함께 ‘냉동효과’도 얻을 수 있으므로 오존층 파괴의 주범인 ‘후레온가스’의 사용을 완전히 멈추게 할 것이다.
이와 같은 사실들을 토대로 미래를 예측하면 ‘공기엔진’이 ‘연료혁명(에너지혁명, 환경혁명)’과 함께 ‘소재혁명(엔진내부의 온도 및 압력이 상온과 상압 미만이기 때문에 플라스틱 등이 엔진의 소재로 폭넓게 선택될 것임)’ 및 ‘경제혁명(모든 재화와 용역의 값이 획기적으로 낮아질 것임)’을 주도하게 될 것이다.
자연에서 발견되는 공기엔진의 원리
공기엔진의 원리가 ‘자연에서 발견되는 것’으로는 대기권(大氣圈,공기권)내에서 발생하는 모든 기상현상(氣象現象)이 있다. 태풍(비, 바람 등의 모든 기상현상을 망라함)은 공기(보통 수증기를 함유하고 있음)의 열에너지가 단열팽창(고도의 상승에 따른 기압의 감소에 의해 공기의 부피가 늘어나면서 ‘일’을 하게됨)에 의해 운동에너지로 바뀐 것이며, 이때 수증기는 에너지를 잃고 상변화를 하여 물(비, 이슬)과 얼음(눈, 우박)으로 변하여 땅으로 떨어진다.
기상현상은 자연에서 발생하는 ‘단열팽창(혹은 단열압축)에 의한 에너지 변환’의 전형적인 현상으로 지금 이 순간에도 끊임없이 계속되고 있다. (化學辭典, 日本 森北出版株式會社, 1989, p.746 참조) 종래의 엔진도 이 ‘자연현상’과 동일한 원리인데 엔진에 사용되는 열원의 온도와 압력이 외부보다 높은 ‘고열원’이라는 것만이 차이점이다.
공기엔진의 용도
공기엔진을 상용화하면 우리는 공해를 유발시키는 화석연료를 전혀 사용하지 않아도 된다.
위험한 핵에너지를 사용하지 않아도 된다.
장치가 비싸게 먹히며 복잡한 태양전지도 사용할 필요가 없다.
우리는 ‘공기엔진을 장착한 자동차’로 어디든지 갈 수 있으며,
‘공기엔진을 장착한 비행기’로 세계 각국을 무료로 여행할 수 있다.
산업과 가정에 필요한 전기(電氣)는 필요한 장소에서 직접 ‘공기엔진으로 발전’할 수 있다.
대규모의 발전소나 변전소 및 전기의 장거리 송전을 위한 설비는 전혀 필요 없게 된다.
정부와 한국전력공사가 2015년까지 67조원의 자금을 동원하여 추진할 계획으로 있는 ‘핵발전소 14기를 포함한 106기의 발전소 건설계획’(1999.12.11 조선일보)은 취소해도 된다.
또한, 현재 가동중인 핵발전소를 비롯한 모든 화력발전소도 ‘공기발전방식’으로 바꾸거나 폐기할 수 있다.
고전압(高電壓)전기의 사용으로 인한 인명(人命)의 위험도 근원적으로 사라진다.
에너지를 획득하기 위해 많은 비용을 지불해야 하는 시대는 사라지게 된다.
인류와 환경
인류는 공해와 결별하고 빈곤으로부터 탈출하여 환경을 보호하며 ‘자연과 우주와 인간이 한 덩어리’가 되어 행복하게 살 수 있는 시대를 맞을 수 있다.
이제 남은 일은 이 장치를 만들고 널리 보급하는 것이다.
누가 그 일을 하여야 할 것인가!
지금 이 글을 읽고 있는 독자 여러분이 바로 그 일의 책임자이다.
‘우리들의 일은 우리들의 손으로’하지 않으면 안된다. 우리의 일을 누구에게 맡길 것인가? ‘남이 해 주기만을 바라는 것’은 이제 그만두어야 한다.
공기엔진의 에너지 수지
참고로 공기엔진의 에너지 수지(收支, 단열팽창에 실린더를 사용한 경우)를 살펴보면 다음과 같다.
Ev ........ 최초에 엔진 내부를 진공으로 만들기 위해 필요한
에너지
Ee ........ 1 회의 팽창싸이클에서 얻어지는 운동에너지
(1회 팽창에 사용되는 공기의 팽창전 내부에너지
- 팽창후의 내부에너지)
Ef ........ 1 싸이클에서 소비되는 마찰에너지
Ec ........ 단열팽창 후 내부에너지가 줄어든 기체(혹은 액체)를
엔진의 외부(大氣中)로 배출시키기 위한 에너지
라고 했을때,
N 싸이클 이내에
1. 장치로부터 에너지를 얻어 다른 곳에 사용할 수 있을 조건은
N ( Ee - Ef - Ec ) > Ev 이고,
2. 장치가 지속적으로 가동은 되지만 장치로부터 에너지를 얻어낼 수 없는 조건은
N ( Ee - Ef - Ec ) = Ev 이며,
3. 장치가 에너지를 소비만 하고 정지할 조건은
N ( Ee - Ef - Ec ) < Ev 이다.
엔진의 설계자들이 제 1 의 조건(장치로부터 에너지를 얻어 사용할 수 있는 조건)이 되도록 엔진을 설계하는 것은 매우 쉬운 일이다.
분자의 평균운동속도의 1/2에 해당하는 속도로 팽창한 후 가능한 한 저속으로 압축하면 제1의 조건을 만족시킬 수 있다.
4. 에너지의 미래
공기엔진을 통하여 얻어지는 에너지로 우리는 아무런 불편을 느끼지 않을 것이다. 그러나 공기엔진이 에너지개발의 마지막이라고는 보지 않는다.
땅 속이나 대기권을 벗어나면 공기가 존재하지 않는다. 그러한 곳에서 공기엔진을 가동하려면 지금의 연료탱크처럼 공기탱크를 갖고 다녀야 할 것이다. 그것은 매우 불편한 일이 될 가능성이 매우 높다.
그 대안을 우리의 손으로 수립할지 우리들의 후손이 찾게 될지는 잘 알 수 없으나 그때에 가서도 지금의 공기엔진처럼 우주공간에 가장 보편적으로 존재하는 ‘어떤 것’을 찾기 위하여 노력할 것이다. 추측하건대 공기엔진의 다음으로 선택될 에너지원은 중력파(혹은 물질파)가 아닌가 한다.
필요는 발명의 어머니이니까 필요하다면 누군가가 중력파엔진도 개발할 것이다.
5. 우리의 꿈은 이루어질 것인가
우리는 어떤 꿈을 가지고 있을까? 사람마다 다를 것이다. 그러나 가장 공통된 꿈은 ‘행복하게 사는 것’일 것이다.
우리가 행복하게 살기 위해서 필요한 것은 무엇인가? 행복의 파랑새를 자기 마음속에서 찾을 수 있는 마음의 여유를 갖는 일 뿐이다.
공기엔진은 우리에게 충분한 재화를 공급하게 될 것이다. 그러나 우리들의 행복은 우리자신이 만들어 나가지 않으면 결코 얻을 수 없을 것이다.
6. 우리의 후손을 위해 우리가 할 수 있는 일
우리들이 살고 있는 환경은 우리 후손들의 것이다. 우리가 잠깐 빌어 쓰는 것에 불과하다. 우리는 환경을 있는 그대로 두고 사용하여야만 한다.
우리의 후손이 이 환경을 어떻게 사용하려고 할지 우리는 모르기 때문이다. 우리가 자연에 우리가 살고 갔다는 흔적을 남기기 위해 애쓰지 않아도 대자연은 우리를 모두 기억한다. 우리가 환경을 파괴하지 않고 잘 사용했다는 것을 대자연은 우리들의 후손에게 잘 이야기해 줄 것이다.
우리는 자연을 잘 알아야만 한다. 자연과 친해져야 한다. 우리들의 작은 속삭임도 자연이 알아들을 수 있도록 자연에 상처를 내지 말아야 한다. 이것이 후손에게 모범되는 일이 되기도 하며 우리자신들의 행복을 보장받을 수 있는 것이다.
7. 아름다운 세상, 아름다운 우주
세상에 존재하는 모든 것은 아름답다. 그것이 우리들의 눈에 보여서 아름답고, 눈에 보이지 않는 것은 우리의 무한한 상상력으로 채색할 수 있는 여지를 남기고 있기에 더욱 아름답다. 나 자신도, 나의 아내도, 나의 아들딸과 조상들도 아름답다. 삼라만상이 저마다 아름답다.
내가 우주를 생각할 수 있다는 것은 신비하다. 무한대로 커져 가는 우주! 무한소로 작아져 가는 우주 둘 다 나에게는 신비할 따름이다.
나는 이러한 신비함에서 나의 존재가치를 찾아낸다. 아득한 우주를 바라보며.....
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