오늘 학교에서 배운 유명한 과학자 에디슨과 테슬라에 대해 얘기하다 친구와 말다툼을 하고 말았어.
글쎄 앞으로는 선이 없어도 전기를 보낼 수 있다지 뭐야? 말도 안 돼. 어떻게 그런 게 가능해? 다 그 녀석이 지어낸 얘길 거야. 흥.
“뭘 그렇게 중얼거리니?”
“누…, 누구세요? 어디에서 말하는 거야?”
“나는 전기 에너지를 나르는 ‘전자’야. 위를 봐. 전선 보이지? 난 지금 전선을 타고 세상을 여행하는 중이란다. 방금 미래 전기 세상이 말도 안 된다고 했지?”
“그럼! 그게 말이 돼?”
“그래? 그럼 지금부터 날 따라와 보지 않을래? 짜릿한 미래 전기 세상을 직접 보여 줄게!”
성큼 다가온 신재생에너지!
지금은 2030년 6월 1일이야. 미래의 거리를 본 소감이 어때? 알록달록한 건물 창문과, 도로와 건물 위에 세워진 기둥 위에서 빙글빙글 돌아가고 있는 이상한 물체가 보이지? 미래엔 태양광, 풍력 발전장치 같은 신재생에너지원들이 사람들의 생활 속으로 더 가까이 다가올 거야. 비결이 뭐냐고? 비결은 바로 건물 창문에 태양전지를 붙이고, 거리 곳곳에 풍력발전기를 설치할 수 있게 됐기 때문이야! 와우~! 놀랍지 않니? 자, 그럼 지금부터 이 거리에 숨겨진 비밀을 하나하나 풀어 줄게!
유리창 대신 알록달록 태양전지 창!
‘어린이과학동아’ 친구들의 생활 가까이로 다가갈 태양전지 1순위는 바로, ‘염료감응태양전지’예요. 식물이 광합성하는 원리와 비슷한 방식
으로 전기를 만들어 내지요. 여기에 쓰인 염료라는 물질은 햇빛을 받으면 전자를 내놓는 재료인데, 종류마다 색깔이 다양하면서도 태양전지를 투명하게 만들 수 있어서 창문 등에 사용할 수 있어요. 햇빛을 비추면 염료에서 계속 전자가 나와 전기가 만들어진답니다.
더 작고, 예뻐진 풍력터빈
풍력터빈이 돌아가는 방향을 땅과 평행하게 만들면 더 작고, 다양한 모양의 풍력발전장치를 만들수 있답니다. 이런 풍력발전기는 현재 시험적으로 사용되고 있어요. 미국에서는 휴대전화 전파를 중계하는 기지국에 이 풍력발전기로 만든 전기를 이용하는 시험을 하고 있어요. 또, 우리나라에서 는 경상북도 울진의 후포항에 있는 가로등에 이 풍력발전기를 달아 전기를 공급하고 있지요.
따르릉~! 태양광으로 충전한 전기 자전거 나가신다~!
영~차! 영~차! 자전거를 타고 힘겹게 오르막을 오를 때 손쉽게 언덕을 오르는 자동차를 보고 부러웠던 적 있나요? 친구들도 가까운 미래에는 전기로 모터를 돌려 오르막도 쉽게 달릴 수 있는 하이브리드 전기 자전거를 많이 타게 될 거예요.
전기 자전거는 어떻게 충전할까요? 물론 페달을 밟는 힘으로도 전기를 만들어 충전할 수 있지만, 이것만으로는 부족해 따로 충전이 필요하답니다. 최근 일본에서는 태양전지를 이용한 전기 자전거 충전소가 등장했어요. 이 충전소는 태양전지판에서 전기를 모아 충전지에 보관해 두었다가 자전거를 충전해 줘요. 이젠 길을 가다 전기가 떨어져도 걱정 없겠죠?
꼭꼭 숨어라~! 숨은 전기 보인다!
그게 다가 아니야. 거리에 지나다니는 사람들을 잘 살펴봐. 어때? 입고 있는 옷도, 걸어 다니는 모습도 지금이랑 별 차이가 없어 실망이라고? 바로 거기에 비밀이 숨어 있는 거야!
눈에 잘 보이지 않지만 지금 걷고 있는 사람들은 각자 전기를 만들어 쓰고 있어. 이제 곧 휴대폰이나 MP3 같이 작은 휴대기기들은 사람의 몸에서 직접 만든 에너지를 써서 이용할 수 있게 되거든. 사람들이 걷는 모습이 조금은 우스꽝스러워 보이지 않니? 무릎과 바닥에 있는 발전기를 이용해 더 많은 에너지를 만들어 내려고 그러는 거야.
전기가 통하는 옷?
MP3에서 신나는 음악이 흘러 나오다 갑자기 꺼져버리면? 미래에는 이런 상황에 처했을 때 입고 있는 옷에 MP3를 연결만 하면 다시 음악을 들을 수 있을 거예요. 미국 스탠포드대학교의 이 추이 교수 연구팀은 최근 전기가 통하는 섬유를 개발했거든요. 비결은 바로 ‘탄소나노튜브!’ 육각형 모양의 구멍이 송송 뚫려 있는 *나노미터크기의 탄소나노튜브는 전기를 전달하는 능력이 매우 좋답니다. 연구팀은 옷을 만드는데 쓰는 보통의 섬유를 탄소 나노튜브를 섞어 전기가 통하는 잉크로 염색했는데, 옷을 빨거나 잡아 당겨도 전기를 전하는 능력이 줄어들지 않았어요. 게다가 충전도 가능해 마치 전지처럼 사용할 수 있답니다.
*나노미터 : 1㎝보다 1000만 배 작은 길이.
버려지는 에너지도 다시 보자!
자동차가 지나가면서 땅이 울리는 진동이나 사람의 움직임도 모두 에너지예요. 지금까지 이런 에너지들은 더 이상 쓸 수 없다고 생각돼
왔지요. 그런데, 이 에너지를 모아서 유용하게 쓰는 ‘에너지수확기술’이 연구되고 있어요.
2007년 매사추세츠공과대학교의 대학원생 제임스 그레이엄은 압력을 받으면 전자를 내보내 전기를 발생시키는 압전물질을 이용해 많
은 사람들이 지나다니는 거리를 발전장치로 만드는 ‘군중발전소’를 생각해 냈어요. 사람들이 걸으면서 땅이 받는 압력으로부터 전기를 만들어 내는 거지요.
둘둘 마는 전자 종이 덕분에 책가방 안녕~!
얇고, 둘둘 말 수 있는 휴대용 전자종이가 있으면 얼마나 좋을까요? 휴대용 전자종이를 만들기 위해서는 투명하고 자유롭게 휘어지는 액정이 필수! 이런 액정을 만들려면 전기가 통하는 투명한 판을 만들 수 있어야 하는데, 현재는 ‘그래핀’이라는 재료가 가장 유력한 후보예요.
연필심을 만드는 데 쓰이기도 하는 흑연은 육각형의 구멍이 뚫린 그물이 층층이 쌓인 구조를 하고 있는데, 그래핀은 그물 모양의 층 하나를 말하지요. 이 그래핀은 잘 구부러지면서도 전기가 잘 통하는 성질이 있답니다.
친환경 전기 자동차 타고 씽씽~!
아무리 걸어다니면서 전기를 만든다지만 그래도 명색이 미래 도시인데 사람들이 걸어 다니기만 하는 모습에 실망했다고? 잠깐만 기다려 봐~! 그렇지! 저기 있구나! 짜잔~, 미래 도시를 누빌 전기 자동차를 소개할게!
사실 전기 자동차는 1873년에 석유를 태워 얻은 힘으로 달리는 가솔린 자동차보다 먼저 개발됐어. 가솔린 자동차보다 소음과 진동이 적고, 무엇보다 환경오염을 일으키는 각종 공해 물질을 내뿜지 않는 장점이 있었지. 하지만, 전지를 충전하는 데 걸리는 시간이 길고 무게가 무거운데다, 한 번 충전했을 때 달릴 수 있는 거리가 80~130㎞ 안팎으로 짧아서 널리 쓰이지 못 했단다. 그런데 이런 전지의 단점들이 하나 둘 해결되면서 전기 자동차의 시대가 다시 찾아오고 있어.
전기 자동차를 울고 웃게 한 전지 이야기
이탈리아의 화학자 알레산드로 볼타는 1800년에 최초의 전지를 개발했어요. 전자는 마치 구슬이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러 내려가는 것처럼 -극에서 +극으로 흘러 가는데, 전기는 전자가 흐르는 방향과 반대로 +극에서 -극으로 흐른다고 말하지요. 전지에는 한 번 쓰고 나면 다시 쓸 수 없는 1차 전지와, 충전하면 다시 쓸 수 있는 2차 전지가 있어요. 우리가 흔히 휴대폰이나 MP3 등에 쓰는 2차 전지는 충전을 하면 전기 에너지가 +극에 있는 전자를 -극으로 보내 줘서 다시 쓸 수 있게 하는 거랍니다. 전기 자동차처럼 여러 번 충전해야 하는 장치에도 꼭 필요하지요. 오늘날에는 2차 전지 중에서도 같은 무게로 더 많은 에너지를 만들 수 있는 리튬이온전지를 많이 쓴답니다.
하이브리드 자동차는 누구~?
한 번 충전한 전기로 달릴 수 있는 거리가 짧은 전기 자동차의 단점을 극복 하기 위해 가솔린 엔진과 전기 모터를 함께 넣어서 만든 자동차를 말해요. 상황에 따라 전기 모터와 가솔린 엔진을 이용해 달릴 수 있고, 브레이크를 밟아 정지할 때 마찰력을 이용해 전지를 충전할 수도 있지요. 그래서 연료 인 휘발유를 아끼면서도 오래 달릴 수 있어요.
한국에서도 2009년 7월에 현대자동차에서 하이브리드 자동차를 출시했어요. 최근에는 전자 제품처럼 전기 코드를 꼽아 충전하는 방식의 플러그인 하이브리드 자동차도 만들어졌답니다.
미래 전기 자동차는 내가 만든다!
금속공기전지는 +극을 금속이 아닌 산소를 포함한 막으로 만들어 무게가 가벼워요. 공기 중의 산소를 이용해 전기를 만드는 게 핵심 원리! 현재 전기 자동차에 쓰이는 리튬이온전지의 절반 밖에 안 되는 무게로도 더 많은 에너지를 만들 수 있지요. 그래서 미래 전기 자동차에 많이 쓰일 것으로 기대되고 있답니다
전선 없이 전기를 보낸다!
‘어린이과학동아’ 열혈독자라면 라이벌 과학자 에디슨과 테슬라에 대해서 알고 있겠지? 테슬라가 끝내 이루지 못한 꿈, 바로 무선으로 전기를 주고받는 일이 미래에는 당연한 일이 될거야. 도대체 어떻게 전선이 없이 전기를 보낼 수 있을까 궁금하지? 날 따라와 봐~!
2010 무선으로 전기를 받아 쓰는 전자제품들
델 노트북 래티튜드 Z
테슬라처럼 전기장을 이용해 무선으로 전기를 보내는 방법을 쓴다. 정해진 위치에 꼭 맞춰 놓지 않으면 충전이 잘 되지 않는 단점이 있다.
휴대기기용 무선 충전 장치 파워매트
컴퓨터 마우스를 올려 놓는 패드처럼 생긴 충전 장치 위에 휴대용 전자제품을 올려 놓으면 충전된다. 하지만 충전 장치를 벗어나면 충전이 되지 않는다.
하이얼 무선 텔레비전
자기장을 이용해 텔레비전에 전기를 공급하는 방식이다. 전기장을 이용한 방법보다 먼 거리까지 전기를 보낼 수 있어서 자유롭게 충전할 수 있다.
테슬라의 꿈을 넘어, 우주발전소까지!
테슬라는 땅 위의 발전소에서 만든 전기를 무선으로 보낼 생각을 했지만, 2030년에는 우주에서 만든 전기를 지상으로 보낼수 있을 예정이에요. 일본은 2030년까지 우주에 태양광발전소를 짓고, 만들어진 전기를 전파로 지구에 보내 각 가정에서 사용할 수 있도록 하겠다는 계획을 세우고 있답니다.
우주에 태양광 발전소를 지으면 24시간 날씨 걱정 없이 전기를 만들어 낼 수 있고, 대기가 없어 지상에서보다 더 많은 태양빛을 받을 수 있어요. 그래서 우주 발전소에 서는 똑같은 태양전지판을 이용해 지구에 서보다 10배나 많은 전기를 만들어 낼 수 있다고 해요.
되살아난 테슬라의 꿈
나는 전선 없이 전세계 어디나 전기를 보내는 꿈을 꿨어. 그래서 라디오나 텔레비전 신호를 보내는 것처럼 전기 에너지를 전파의 형태로 바꿔서 높은 *송전탑을 이용해 주고받는 방법을 생각했지. 하지만 내 꿈을 실현할 만한 큰 송전탑을 만들기에는 돈이 부족해서 결국 실험해 볼 수 없었어. 그런데 2007년 매사추세츠공과대학교의 대학원생 안드레 커스가 둥근 금속 코일에서 만들어지는 자기장을 이용해 전선없이 에너지를 주고받는 데 성공했어. 그러니 이제 곧 내 꿈이 실현될 수 있겠지?
*송전탑 : 전기를 보내기 위해높이 세운 탑
니콜라 테슬라 (1859~1943) 체코 출신 미국의 과학자이자 발명가.
첨단기술로 전기 절약을 꿈꾸다
왠지 낯익지 않니? 그래 맞아. 이 곳은 2030년의 너희 집이야. ‘띠리리릭~!’ 무슨 소리냐고? 사람이 온 걸 알고 자동으로 모니터가 켜지는 소리란다. 어젯밤에 충전하고 남아 있는 전기가 얼마나 되는지 알려 주고, 지금 전기 요금이 얼마인지도 알려 주지. 어떻게 그런 게 가능하냐고? 조명과 에어컨이 내 기분에 꼭 맞춰 쾌적한 환경을 만들어 주는 똑똑한 집에는 특별한 도우미, ‘스마트 그리드’가 있기 때문이야!
전기는 화력, 원자력, 수력발전소 등에서 만들어 그물망처럼 전선으로 연결된 전력망을 타고 집까지 보내져. 이 전력망을 ‘그리드’라고도 해.
지금까지는 발전소에서 전기를 일방적으로 각 가정으로 보냈어. 하지만 전력망에 인터넷과 같은 통신망이 결합된 ‘스마트 그리드’가 만들어지면 전기를 만드는 발전소와, 전기를 받아 쓰는 가정은 전기가 부족한지적당한지, 고장 난 곳은 없는지 서로의 상황을 속속들이 알 수 있게 된단다. 주고받는 전기를 조절한 수 있게 된 거야! 어때? 더 똑똑해졌지?
가전제품의 지휘자, 스마트 미터
2030년엔 스마트가 대세! ‘스마트 미터’는 작은 인공 지능 컴퓨터라고 할 수 있어. 단순히 집에서 쓰는 전기 사용량을 기록하는 것을 넘어, 집 안의 전자기기들이 상황에 맞게 작동할 수 있도록 전기가 만들어지고 공급되는 모든 정보를 제공하거든. 물론 전기를 공급하는 공급자에게는 가정에서 전기를 얼마나 쓰고 있는지를 알려 주지. 예를 들어 집으로 공급되는 전기가 부족하게 되면 스마트 미터가 가전제품들이 절전모드로 작동하도록 신호를 보내. 그리고는 각 가정에서 저축해 놓았던 전지에서 부족한 전기를 가져다 쓰도록 하는 거야.
남는 전기 팔아요~!
“자~, 전기가 왔어요! 전기가 부족하신 분은 말씀해 주세요~!” 큰 용량, 빠른 충전 속도. 미래엔 날로 발전해 온 전지 덕분에 밤에 값이 싼 전기를 사서 저장해 두었다가 필요할 때 꺼내 쓸 수도 있게 돼. 또, 태양과 바람을 이용한 발전은 자연환경의 영향을 받을 수밖에 없어. 하지만, 미래에는 전지가 가진 넉넉한 저장 능력 덕분에 발전장치에서 만든 전기를 저장해 놓을 수 있게 될 거야. 각 가정에서는 만들어 쓰고 남은 전기를 필요한 사람이나 전기회사에 팔 수도 있단다.
해커의 공격을 막아라!
“미래 전기 세상 여행이 어때? 정말 신나지 않니?”
“하…, 하지만 통신망과 전력망이 결합된 거라면, 인터넷을 통해 해킹을 하듯이 누군가 나쁜 생각을 가진 사람이 전력망을 해킹해서 전기를 도둑질하거나, 온 나라를 정전시킬 수도 있지 않을까? 또, 전기 코드를 꼽아 충전하는 전기 자동차는 내가 충전을 했는지 다른 사람이 했는지 어떻게 알 수 있지?”
“네 말이 맞아. 사실 그게 미래 전기 세상의 가장 큰 골칫거리란다. 그래서 모든 과학자들이 나쁜전기 도둑을 막기 위한 방법을 연구하고 있지.”
전기도둑 꼼짝 마!
인터넷을 통해 침투한 바이러스나 해커의 공격으로 컴퓨터가 망가지는 것처럼, 통신에 연결된 전력망도 바이러스가 침투하거나 해커의 공격을 받을 수 있어요. 그렇게 되면 한 가정뿐만 아니라 수많은 가정이 피해를 입을 수 있답니다. 예를 들어 ‘어린이과학동아’ 친구들의 집에 엄청난 양의 전기가 흘러가게 해서 집안의 전기 기구들을 고장 내고, 발전소가 고장 나게 할 수도 있어요. 이런 문제를 막기 위해 컴퓨터에
서 사용하는 백신처럼 바이러스를 막고, 공인인증서를 이용해 집주인이나 전기 자동차의 주인이 맞는지 확인하는 기술이 꼭 필요하답니다.
정전 걱정 뚝! 전기가 전달되는 통로인 전선에 사고가 생기면 전기 공급이 얼마 동안 끊기고, 사람들은 전선을 고치거나 다른 전선을 통해 전기가 공급될 때 까지 불편한 정전을 겪지요. 하지만 전기 기술과 통신 기술이 결합한 스마트 그리드 환경에서는 전선에 문제가 생기면 모든 전선의 상태를 감시하는 컴퓨터가 그 즉시 전력 공급자에게 알릴 거예요. 그러면 또 다른 컴퓨터가 자동으로 전기를 공급할 수 있
는 가장 빠른 다른 전선을 찾아서 전기를 공급해 주기 때문에, 전기가 끊길 걱정이 줄어들 거랍니다.
우와~! 말도 안 된다고 생각했던 친구의 얘기가 미래에는 현실이 될 수 있다는 걸 보니 가슴이 두근거리는 거 있지? 예전 과학자들이 꿈꿨던 세상이 다양한 기술의 발전으로 조금씩 가능해지다니! 우리가 꿈꾸는 모든 것에 불가능은 없다는 생각이 들어.적은 양의 전기가 모여서 유용하게 쓰이는 것처럼, 나도 미래 전기 세상을 만드는 데 조금이라도 도움이 되고 싶어졌어. ‘어린이과학동아’ 친구들은 어떤 기술을 발전시키고 싶니?
한 눈에 이해가 쏙쏙 특집 한 걸음 더!
우리는 하나! 뭉치면 세져요~! 하나하나의 작은 발전기는 여러 개를 모아도 큰 발전 에 비해 만들 수 있는 전기량이 적어요. 하지만 작은 풍력발전기들을 무시하면 큰코 다친답니다! 캘리포니아 공과대학교 존 데비리 박사 연구팀은 풍력발전기들을 잘 배열하면 발전 효율을 높일 수 있다는 사실을 알아 냈어요. 물고기떼가 무리지어 움직일 때, 한 마리가 움직일 때보다 저항을 더 적게 받는다는 것에서 생각해 낸 거예요. 실제로 풍력터빈들을 물고기떼 모양으로 배열해 보니, 풍력터빈이 서로 돌아가면서 생기는 바람의 혼란이 줄어들었어요. 그 그 결과, 정말 마법 같이 여러 개의 작은 풍력발전기가 큰 발전기만큼의 전기를 만들어 냈답니다.
전기장? 자기장?
전기장 : +전하와 -전하 같이 서로 다른 전하 사이에는 잡아당기는 힘이 생기고, +전하와 +전하처럼 같은 전하 사이에는 미는 힘이 생겨요. 이 힘이 미치는 공간을 전기장이라고 하지요. 사람의 몸을 이루는 분자들은 전기적인 결합으로 이루어져 있기 때문에 이 전기장의 영향을 받아요. 많은 전기를 보내려면 전기장의 세기가 세야 하는데, 이 때 사람의 건강에 나쁜 영향을 미칠 수 있다고 해요.
자기장 : 자석의 N극과 S극 사이에는 서로잡아당기는 힘이, 같은 극 사이에는 미는 힘이 작용해요. 이 힘이 미치는 공간을 자기장이라고 한답니다. 자기장은 전기장에 비해 사람의 건강에 미치는 영향이 크지 않다고 알려져 있어요.
글쎄 앞으로는 선이 없어도 전기를 보낼 수 있다지 뭐야? 말도 안 돼. 어떻게 그런 게 가능해? 다 그 녀석이 지어낸 얘길 거야. 흥.
“뭘 그렇게 중얼거리니?”
“누…, 누구세요? 어디에서 말하는 거야?”
“나는 전기 에너지를 나르는 ‘전자’야. 위를 봐. 전선 보이지? 난 지금 전선을 타고 세상을 여행하는 중이란다. 방금 미래 전기 세상이 말도 안 된다고 했지?”
“그럼! 그게 말이 돼?”
“그래? 그럼 지금부터 날 따라와 보지 않을래? 짜릿한 미래 전기 세상을 직접 보여 줄게!”
지금은 2030년 6월 1일이야. 미래의 거리를 본 소감이 어때? 알록달록한 건물 창문과, 도로와 건물 위에 세워진 기둥 위에서 빙글빙글 돌아가고 있는 이상한 물체가 보이지? 미래엔 태양광, 풍력 발전장치 같은 신재생에너지원들이 사람들의 생활 속으로 더 가까이 다가올 거야. 비결이 뭐냐고? 비결은 바로 건물 창문에 태양전지를 붙이고, 거리 곳곳에 풍력발전기를 설치할 수 있게 됐기 때문이야! 와우~! 놀랍지 않니? 자, 그럼 지금부터 이 거리에 숨겨진 비밀을 하나하나 풀어 줄게!
‘어린이과학동아’ 친구들의 생활 가까이로 다가갈 태양전지 1순위는 바로, ‘염료감응태양전지’예요. 식물이 광합성하는 원리와 비슷한 방식
으로 전기를 만들어 내지요. 여기에 쓰인 염료라는 물질은 햇빛을 받으면 전자를 내놓는 재료인데, 종류마다 색깔이 다양하면서도 태양전지를 투명하게 만들 수 있어서 창문 등에 사용할 수 있어요. 햇빛을 비추면 염료에서 계속 전자가 나와 전기가 만들어진답니다.
더 작고, 예뻐진 풍력터빈
풍력터빈이 돌아가는 방향을 땅과 평행하게 만들면 더 작고, 다양한 모양의 풍력발전장치를 만들수 있답니다. 이런 풍력발전기는 현재 시험적으로 사용되고 있어요. 미국에서는 휴대전화 전파를 중계하는 기지국에 이 풍력발전기로 만든 전기를 이용하는 시험을 하고 있어요. 또, 우리나라에서 는 경상북도 울진의 후포항에 있는 가로등에 이 풍력발전기를 달아 전기를 공급하고 있지요.
따르릉~! 태양광으로 충전한 전기 자전거 나가신다~!
영~차! 영~차! 자전거를 타고 힘겹게 오르막을 오를 때 손쉽게 언덕을 오르는 자동차를 보고 부러웠던 적 있나요? 친구들도 가까운 미래에는 전기로 모터를 돌려 오르막도 쉽게 달릴 수 있는 하이브리드 전기 자전거를 많이 타게 될 거예요.
전기 자전거는 어떻게 충전할까요? 물론 페달을 밟는 힘으로도 전기를 만들어 충전할 수 있지만, 이것만으로는 부족해 따로 충전이 필요하답니다. 최근 일본에서는 태양전지를 이용한 전기 자전거 충전소가 등장했어요. 이 충전소는 태양전지판에서 전기를 모아 충전지에 보관해 두었다가 자전거를 충전해 줘요. 이젠 길을 가다 전기가 떨어져도 걱정 없겠죠?
꼭꼭 숨어라~! 숨은 전기 보인다!
그게 다가 아니야. 거리에 지나다니는 사람들을 잘 살펴봐. 어때? 입고 있는 옷도, 걸어 다니는 모습도 지금이랑 별 차이가 없어 실망이라고? 바로 거기에 비밀이 숨어 있는 거야!
눈에 잘 보이지 않지만 지금 걷고 있는 사람들은 각자 전기를 만들어 쓰고 있어. 이제 곧 휴대폰이나 MP3 같이 작은 휴대기기들은 사람의 몸에서 직접 만든 에너지를 써서 이용할 수 있게 되거든. 사람들이 걷는 모습이 조금은 우스꽝스러워 보이지 않니? 무릎과 바닥에 있는 발전기를 이용해 더 많은 에너지를 만들어 내려고 그러는 거야.
전기가 통하는 옷?
MP3에서 신나는 음악이 흘러 나오다 갑자기 꺼져버리면? 미래에는 이런 상황에 처했을 때 입고 있는 옷에 MP3를 연결만 하면 다시 음악을 들을 수 있을 거예요. 미국 스탠포드대학교의 이 추이 교수 연구팀은 최근 전기가 통하는 섬유를 개발했거든요. 비결은 바로 ‘탄소나노튜브!’ 육각형 모양의 구멍이 송송 뚫려 있는 *나노미터크기의 탄소나노튜브는 전기를 전달하는 능력이 매우 좋답니다. 연구팀은 옷을 만드는데 쓰는 보통의 섬유를 탄소 나노튜브를 섞어 전기가 통하는 잉크로 염색했는데, 옷을 빨거나 잡아 당겨도 전기를 전하는 능력이 줄어들지 않았어요. 게다가 충전도 가능해 마치 전지처럼 사용할 수 있답니다.
*나노미터 : 1㎝보다 1000만 배 작은 길이.
버려지는 에너지도 다시 보자!
자동차가 지나가면서 땅이 울리는 진동이나 사람의 움직임도 모두 에너지예요. 지금까지 이런 에너지들은 더 이상 쓸 수 없다고 생각돼
왔지요. 그런데, 이 에너지를 모아서 유용하게 쓰는 ‘에너지수확기술’이 연구되고 있어요.
2007년 매사추세츠공과대학교의 대학원생 제임스 그레이엄은 압력을 받으면 전자를 내보내 전기를 발생시키는 압전물질을 이용해 많
은 사람들이 지나다니는 거리를 발전장치로 만드는 ‘군중발전소’를 생각해 냈어요. 사람들이 걸으면서 땅이 받는 압력으로부터 전기를 만들어 내는 거지요.
둘둘 마는 전자 종이 덕분에 책가방 안녕~!
얇고, 둘둘 말 수 있는 휴대용 전자종이가 있으면 얼마나 좋을까요? 휴대용 전자종이를 만들기 위해서는 투명하고 자유롭게 휘어지는 액정이 필수! 이런 액정을 만들려면 전기가 통하는 투명한 판을 만들 수 있어야 하는데, 현재는 ‘그래핀’이라는 재료가 가장 유력한 후보예요.
연필심을 만드는 데 쓰이기도 하는 흑연은 육각형의 구멍이 뚫린 그물이 층층이 쌓인 구조를 하고 있는데, 그래핀은 그물 모양의 층 하나를 말하지요. 이 그래핀은 잘 구부러지면서도 전기가 잘 통하는 성질이 있답니다.
아무리 걸어다니면서 전기를 만든다지만 그래도 명색이 미래 도시인데 사람들이 걸어 다니기만 하는 모습에 실망했다고? 잠깐만 기다려 봐~! 그렇지! 저기 있구나! 짜잔~, 미래 도시를 누빌 전기 자동차를 소개할게!
사실 전기 자동차는 1873년에 석유를 태워 얻은 힘으로 달리는 가솔린 자동차보다 먼저 개발됐어. 가솔린 자동차보다 소음과 진동이 적고, 무엇보다 환경오염을 일으키는 각종 공해 물질을 내뿜지 않는 장점이 있었지. 하지만, 전지를 충전하는 데 걸리는 시간이 길고 무게가 무거운데다, 한 번 충전했을 때 달릴 수 있는 거리가 80~130㎞ 안팎으로 짧아서 널리 쓰이지 못 했단다. 그런데 이런 전지의 단점들이 하나 둘 해결되면서 전기 자동차의 시대가 다시 찾아오고 있어.
전기 자동차를 울고 웃게 한 전지 이야기
이탈리아의 화학자 알레산드로 볼타는 1800년에 최초의 전지를 개발했어요. 전자는 마치 구슬이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러 내려가는 것처럼 -극에서 +극으로 흘러 가는데, 전기는 전자가 흐르는 방향과 반대로 +극에서 -극으로 흐른다고 말하지요. 전지에는 한 번 쓰고 나면 다시 쓸 수 없는 1차 전지와, 충전하면 다시 쓸 수 있는 2차 전지가 있어요. 우리가 흔히 휴대폰이나 MP3 등에 쓰는 2차 전지는 충전을 하면 전기 에너지가 +극에 있는 전자를 -극으로 보내 줘서 다시 쓸 수 있게 하는 거랍니다. 전기 자동차처럼 여러 번 충전해야 하는 장치에도 꼭 필요하지요. 오늘날에는 2차 전지 중에서도 같은 무게로 더 많은 에너지를 만들 수 있는 리튬이온전지를 많이 쓴답니다.
하이브리드 자동차는 누구~?
한 번 충전한 전기로 달릴 수 있는 거리가 짧은 전기 자동차의 단점을 극복 하기 위해 가솔린 엔진과 전기 모터를 함께 넣어서 만든 자동차를 말해요. 상황에 따라 전기 모터와 가솔린 엔진을 이용해 달릴 수 있고, 브레이크를 밟아 정지할 때 마찰력을 이용해 전지를 충전할 수도 있지요. 그래서 연료 인 휘발유를 아끼면서도 오래 달릴 수 있어요.
한국에서도 2009년 7월에 현대자동차에서 하이브리드 자동차를 출시했어요. 최근에는 전자 제품처럼 전기 코드를 꼽아 충전하는 방식의 플러그인 하이브리드 자동차도 만들어졌답니다.
금속공기전지는 +극을 금속이 아닌 산소를 포함한 막으로 만들어 무게가 가벼워요. 공기 중의 산소를 이용해 전기를 만드는 게 핵심 원리! 현재 전기 자동차에 쓰이는 리튬이온전지의 절반 밖에 안 되는 무게로도 더 많은 에너지를 만들 수 있지요. 그래서 미래 전기 자동차에 많이 쓰일 것으로 기대되고 있답니다
전선 없이 전기를 보낸다!
‘어린이과학동아’ 열혈독자라면 라이벌 과학자 에디슨과 테슬라에 대해서 알고 있겠지? 테슬라가 끝내 이루지 못한 꿈, 바로 무선으로 전기를 주고받는 일이 미래에는 당연한 일이 될거야. 도대체 어떻게 전선이 없이 전기를 보낼 수 있을까 궁금하지? 날 따라와 봐~!
2010 무선으로 전기를 받아 쓰는 전자제품들
델 노트북 래티튜드 Z
테슬라처럼 전기장을 이용해 무선으로 전기를 보내는 방법을 쓴다. 정해진 위치에 꼭 맞춰 놓지 않으면 충전이 잘 되지 않는 단점이 있다.
휴대기기용 무선 충전 장치 파워매트
컴퓨터 마우스를 올려 놓는 패드처럼 생긴 충전 장치 위에 휴대용 전자제품을 올려 놓으면 충전된다. 하지만 충전 장치를 벗어나면 충전이 되지 않는다.
하이얼 무선 텔레비전
자기장을 이용해 텔레비전에 전기를 공급하는 방식이다. 전기장을 이용한 방법보다 먼 거리까지 전기를 보낼 수 있어서 자유롭게 충전할 수 있다.
테슬라의 꿈을 넘어, 우주발전소까지!
테슬라는 땅 위의 발전소에서 만든 전기를 무선으로 보낼 생각을 했지만, 2030년에는 우주에서 만든 전기를 지상으로 보낼수 있을 예정이에요. 일본은 2030년까지 우주에 태양광발전소를 짓고, 만들어진 전기를 전파로 지구에 보내 각 가정에서 사용할 수 있도록 하겠다는 계획을 세우고 있답니다.
우주에 태양광 발전소를 지으면 24시간 날씨 걱정 없이 전기를 만들어 낼 수 있고, 대기가 없어 지상에서보다 더 많은 태양빛을 받을 수 있어요. 그래서 우주 발전소에 서는 똑같은 태양전지판을 이용해 지구에 서보다 10배나 많은 전기를 만들어 낼 수 있다고 해요.
되살아난 테슬라의 꿈
나는 전선 없이 전세계 어디나 전기를 보내는 꿈을 꿨어. 그래서 라디오나 텔레비전 신호를 보내는 것처럼 전기 에너지를 전파의 형태로 바꿔서 높은 *송전탑을 이용해 주고받는 방법을 생각했지. 하지만 내 꿈을 실현할 만한 큰 송전탑을 만들기에는 돈이 부족해서 결국 실험해 볼 수 없었어. 그런데 2007년 매사추세츠공과대학교의 대학원생 안드레 커스가 둥근 금속 코일에서 만들어지는 자기장을 이용해 전선없이 에너지를 주고받는 데 성공했어. 그러니 이제 곧 내 꿈이 실현될 수 있겠지?
*송전탑 : 전기를 보내기 위해높이 세운 탑
니콜라 테슬라 (1859~1943) 체코 출신 미국의 과학자이자 발명가.
첨단기술로 전기 절약을 꿈꾸다
왠지 낯익지 않니? 그래 맞아. 이 곳은 2030년의 너희 집이야. ‘띠리리릭~!’ 무슨 소리냐고? 사람이 온 걸 알고 자동으로 모니터가 켜지는 소리란다. 어젯밤에 충전하고 남아 있는 전기가 얼마나 되는지 알려 주고, 지금 전기 요금이 얼마인지도 알려 주지. 어떻게 그런 게 가능하냐고? 조명과 에어컨이 내 기분에 꼭 맞춰 쾌적한 환경을 만들어 주는 똑똑한 집에는 특별한 도우미, ‘스마트 그리드’가 있기 때문이야!
전기는 화력, 원자력, 수력발전소 등에서 만들어 그물망처럼 전선으로 연결된 전력망을 타고 집까지 보내져. 이 전력망을 ‘그리드’라고도 해.
지금까지는 발전소에서 전기를 일방적으로 각 가정으로 보냈어. 하지만 전력망에 인터넷과 같은 통신망이 결합된 ‘스마트 그리드’가 만들어지면 전기를 만드는 발전소와, 전기를 받아 쓰는 가정은 전기가 부족한지적당한지, 고장 난 곳은 없는지 서로의 상황을 속속들이 알 수 있게 된단다. 주고받는 전기를 조절한 수 있게 된 거야! 어때? 더 똑똑해졌지?
가전제품의 지휘자, 스마트 미터
2030년엔 스마트가 대세! ‘스마트 미터’는 작은 인공 지능 컴퓨터라고 할 수 있어. 단순히 집에서 쓰는 전기 사용량을 기록하는 것을 넘어, 집 안의 전자기기들이 상황에 맞게 작동할 수 있도록 전기가 만들어지고 공급되는 모든 정보를 제공하거든. 물론 전기를 공급하는 공급자에게는 가정에서 전기를 얼마나 쓰고 있는지를 알려 주지. 예를 들어 집으로 공급되는 전기가 부족하게 되면 스마트 미터가 가전제품들이 절전모드로 작동하도록 신호를 보내. 그리고는 각 가정에서 저축해 놓았던 전지에서 부족한 전기를 가져다 쓰도록 하는 거야.
남는 전기 팔아요~!
“자~, 전기가 왔어요! 전기가 부족하신 분은 말씀해 주세요~!” 큰 용량, 빠른 충전 속도. 미래엔 날로 발전해 온 전지 덕분에 밤에 값이 싼 전기를 사서 저장해 두었다가 필요할 때 꺼내 쓸 수도 있게 돼. 또, 태양과 바람을 이용한 발전은 자연환경의 영향을 받을 수밖에 없어. 하지만, 미래에는 전지가 가진 넉넉한 저장 능력 덕분에 발전장치에서 만든 전기를 저장해 놓을 수 있게 될 거야. 각 가정에서는 만들어 쓰고 남은 전기를 필요한 사람이나 전기회사에 팔 수도 있단다.
“미래 전기 세상 여행이 어때? 정말 신나지 않니?”
“하…, 하지만 통신망과 전력망이 결합된 거라면, 인터넷을 통해 해킹을 하듯이 누군가 나쁜 생각을 가진 사람이 전력망을 해킹해서 전기를 도둑질하거나, 온 나라를 정전시킬 수도 있지 않을까? 또, 전기 코드를 꼽아 충전하는 전기 자동차는 내가 충전을 했는지 다른 사람이 했는지 어떻게 알 수 있지?”
“네 말이 맞아. 사실 그게 미래 전기 세상의 가장 큰 골칫거리란다. 그래서 모든 과학자들이 나쁜전기 도둑을 막기 위한 방법을 연구하고 있지.”
전기도둑 꼼짝 마!
인터넷을 통해 침투한 바이러스나 해커의 공격으로 컴퓨터가 망가지는 것처럼, 통신에 연결된 전력망도 바이러스가 침투하거나 해커의 공격을 받을 수 있어요. 그렇게 되면 한 가정뿐만 아니라 수많은 가정이 피해를 입을 수 있답니다. 예를 들어 ‘어린이과학동아’ 친구들의 집에 엄청난 양의 전기가 흘러가게 해서 집안의 전기 기구들을 고장 내고, 발전소가 고장 나게 할 수도 있어요. 이런 문제를 막기 위해 컴퓨터에
서 사용하는 백신처럼 바이러스를 막고, 공인인증서를 이용해 집주인이나 전기 자동차의 주인이 맞는지 확인하는 기술이 꼭 필요하답니다.
는 가장 빠른 다른 전선을 찾아서 전기를 공급해 주기 때문에, 전기가 끊길 걱정이 줄어들 거랍니다.
우와~! 말도 안 된다고 생각했던 친구의 얘기가 미래에는 현실이 될 수 있다는 걸 보니 가슴이 두근거리는 거 있지? 예전 과학자들이 꿈꿨던 세상이 다양한 기술의 발전으로 조금씩 가능해지다니! 우리가 꿈꾸는 모든 것에 불가능은 없다는 생각이 들어.적은 양의 전기가 모여서 유용하게 쓰이는 것처럼, 나도 미래 전기 세상을 만드는 데 조금이라도 도움이 되고 싶어졌어. ‘어린이과학동아’ 친구들은 어떤 기술을 발전시키고 싶니?
한 눈에 이해가 쏙쏙 특집 한 걸음 더!
우리는 하나! 뭉치면 세져요~! 하나하나의 작은 발전기는 여러 개를 모아도 큰 발전 에 비해 만들 수 있는 전기량이 적어요. 하지만 작은 풍력발전기들을 무시하면 큰코 다친답니다! 캘리포니아 공과대학교 존 데비리 박사 연구팀은 풍력발전기들을 잘 배열하면 발전 효율을 높일 수 있다는 사실을 알아 냈어요. 물고기떼가 무리지어 움직일 때, 한 마리가 움직일 때보다 저항을 더 적게 받는다는 것에서 생각해 낸 거예요. 실제로 풍력터빈들을 물고기떼 모양으로 배열해 보니, 풍력터빈이 서로 돌아가면서 생기는 바람의 혼란이 줄어들었어요. 그 그 결과, 정말 마법 같이 여러 개의 작은 풍력발전기가 큰 발전기만큼의 전기를 만들어 냈답니다.
전기장? 자기장?
전기장 : +전하와 -전하 같이 서로 다른 전하 사이에는 잡아당기는 힘이 생기고, +전하와 +전하처럼 같은 전하 사이에는 미는 힘이 생겨요. 이 힘이 미치는 공간을 전기장이라고 하지요. 사람의 몸을 이루는 분자들은 전기적인 결합으로 이루어져 있기 때문에 이 전기장의 영향을 받아요. 많은 전기를 보내려면 전기장의 세기가 세야 하는데, 이 때 사람의 건강에 나쁜 영향을 미칠 수 있다고 해요.
자기장 : 자석의 N극과 S극 사이에는 서로잡아당기는 힘이, 같은 극 사이에는 미는 힘이 작용해요. 이 힘이 미치는 공간을 자기장이라고 한답니다. 자기장은 전기장에 비해 사람의 건강에 미치는 영향이 크지 않다고 알려져 있어요.
