[sciencetimes]공기로 가는 자동차를 꿈꾼다

[주남식]

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공기로 가는 자동차를 꿈꾼다
주남식 공기엔진 개발연구자

	▲ 주남식 공기엔진 개발연구자  ⓒ

휘발유가 리터당 1400원이 넘어버린 고유가 시대. 끊임없는 중동지역의 분쟁과 눈앞에 닥친 에너지 자원의 고갈 또한 우리의 현실이다. 물론 풍력과 수력, 태양열 그리고 원자력에 이르기 까지 오래전부터 대체 에너지를 개발 해왔지만 이 대체 에너지들도 고비용과 자원의 고갈, 오염 등의 위험성 등을 안고 있다. 인류는 경제적이면서, 쉽게 고갈되지 않고, 환경과 인체에 위험하지 않은 새로운 것을 필요로 한다.

많은 발명과 개발의 시작이 그러했듯이 새로운 대체 에너지를 위해서는 꿈과 상상력이 그 시작일 것이다. 그것에 자신이 없다면 꿈을 가진 사람의 이야기를 들어보는 것도 좋을 것이다.

주남식씨는 지난 20여 년간 꿈을 꾸었다. 공기로 가는 자동차, 공기로 가는 비행기, 고갈 걱정 없는 깨끗한 에너지원. 물로 가는 자동차보다 더 황당해 보이는 이 꿈 때문에 그는 사람들에게 미쳤다는 소리도 수없이 들었다. 그의 꿈은 공기엔진이다. 과연, 더 이상 포인트카드를 들고 싼 주유소를 찾아 전전하지 않아도 될 날이 올 것인지. 에어컨 때문에 전기세가 걱정 되는 어느 더운 여름날, 공기엔진(스크롤팽창기)을 개발에 몰두하고 있는 주남식씨를 만나 보았다.

▲ 공기엔진이란 무엇인가?
먼저, 엔진이란 온도와 압력과 체적과 질량으로 표현되는 기체의 열에너지를 운동에너지로 바꾸는 장치를 말한다. 이 엔진에서 변환된 운동 에너지로 (자동차로 예를 들면)차를 운행 할 수 있다. 바꾸어 말해, 차를 움직이기 위해 엔진을 가동시키려면 ‘온도와 압력을 가진 기체’가 필요하다는 것이다. 이 기체가 엔진 작동을 위한 직접적인 에너지원이다.
석유나 가스 등의 연료는 직접적인 에너지원인 ‘온도와 압력을 가진 기체’를 만들기 위한 재료일 뿐 이다. 즉, 기체와 에너지를 변환할 수 있는 단열팽창 장치만 있으면 운동에너지를 얻을 수 있다. 공기 엔진이란 석유나 가스등의 연료 없이 기체인 공기만을 에너지원으로 한 엔진이다.

▲ 원리를 좀 자세히 설명해 달라.
엔진은 기체의 열에너지를 운동에너지로 바꾸는 것이라고 앞서 말씀드렸다. 모든 엔진의 에너지 변환 원리는 ‘단열팽창’ 이다. 쉽게 말해, 외부와 열을 주고받음 없이 기체가 체적 증가 하는 것이다. 체적 증가는 즉 기체의 팽창 이라고 볼 수 있는데 이 과정에서 운동 에너지를 얻는다. 우리 주위에는 이렇게 운동에너지를 얻을 수 있는 온도와 압력을 가진 기체들이 많이 있다.

예를 들면 난로 주위의 따뜻한 공기, 끊는 주전자의 수증기, 각종 탱크 속의 고압 혹은 저압 공기, 태풍이나 회오리 바람 중심의 저기압 공기, 보일러 내부의 고온고압 공기, 지표 위의 1기압 공기 등이다. 이중 가장 손쉽게, 저렴하게 얻을 수 있는 것이 뭘까? 말할 것도 없이 공기다. 공기도 절대온도 293.15K 와 760mmhg, 1기압의 압력을 가진 기체 중 하나다. 우리는 이 공기를 저속 압축, 고속 팽창 시켜 운동 에너지를 얻는다. 단열팽창 장치의 하나인 피스톤을 예로 들어 보겠다.

이 피스톤을 천천히 밀어 압축 시켰다가 고속으로 잡아당기면 그 안의 공기가 고속으로 팽창된다. 엔진이 이 과정을 반복하면서 운동 에너지를 만들게 되는 것이다.

▲ 그렇다면 공기로 어느 정도의 에너지를 얻을 수 있나?
공기 1kg(공기 1입방 미터의 질량은 약 1.29kg)이 가진 분자 운동 에너지는 약 125kJ 이다. 만약 1초당 공기 1kg을 사용 한다면 125kw (약 166마력)의 에너지를 사용 할 수 있게 된다.

▲ 생각보다 상당히 큰 에너지를 만드는 군요.
이해하기 쉽게 차를 예로 들었지만 공기엔진을 가정과 산업현장에 설치하여 전력을 생산 할 수도 있다. 쓰고 남은 전력을 저장하거나 파는 것도 가능하다. 또한 팽창하여 운동 에너지를 내고 난 후의 공기는 온도와 기압이 매우 낮아지기 때문에 에어컨과 냉장고 등으로도 사용 할 수 있다. 이렇게만 해도 오존 파괴의 주범인 프레온 가스를 줄일 수 있다.

▲ 경제적으로나 환경적으로 획기적인데, 이론적으로 정말 가능한가?
공기엔진 이론과 시뮬레이션 실험은 연세대학교 기계공학부 윤웅섭 교수에 의해 검증되어 그 타당성을 인정받았고 공기엔진 장치도 직접 실험 중에 있다. 이미 특허 출원도 해 놓았지만 기술 제공은 누구에게나 열려 있다. www.freechal.com/airengine  에서 모든 실험 결과를 보실 수 있다. 또한, 공기 엔진은 이미 세계의 주요 자동차 회사들이 개발 중인 ‘희박 연소 엔진’에서 그 이론적 가능성을 예상할 수 있었다. ‘희박 연소 엔진’이란 엔진의 연소 실린더에서 연료에 대한 공기의 비율을 종전보다 높여서 열효율과 연비를 높이는 것이다. 즉 연료의 비율을 점점 낮추는 것인데, 결국 연료의 비율을 0%까지 낮출 수 있다면 공기 엔진이 가능하다는 말이다.

▲ 그렇다면 실용화가 멀지 않았다고 보이는 우리에게 구체적으로 어떻게 이용되나?
공기엔진으로 자동차는 물론 비행기 등에 이용할 수 있고, 산업과 가정에서 필요한 전력도 공기 엔진으로 직접 공급할 수 있다. 가장 중요한 것은 공해를 유발하는 화석연료와 위험한 핵에너지를 사용 하지 않아도 된다는 것이다. 인류와 환경에 가장 안전하고 깨끗한 것이다. 또한 고비용의 대규모 발전소나 에너지에 대한 가정의 경제적 부담도 현저히 줄일 수 있다. 아직은 기획 단계 이지만 실용화 되면 정부의 대체에너지 지원 정책에 따라 공기 엔진의 설치 자금을 보조 받아 각 가정과 산업 현장에서는 아주 저렴하게 설치를 해 사용 할 수 있다. 물론 한번 설치하면 전기세와 연료 걱정은 사라진다.

▲ 어떻게 공기엔진개발에 매달리게 되었나?
모든 답은 자연에 있다. 무한한 자연의 힘과 신비로움에서 인간의 존재가치에 대한 생각을 했다. 우리는 그저 지금의 자연을 잠시 빌려 쓰고 있을 뿐인데 너무 많은 것을 훼손하고 파내어 써버리는 것이 안타깝고 후손에게 미안한 마음이 들었다. 자연은 있는 그대로 훼손하지 않고 사용해서 후손들에게 아름답게 물려주어야 한다. 그런 생각을 가지고 살다 보니 모든 자연 현상에 관심을 가지게 되었다. 저는 태풍이나 비, 회오리바람 등의 기상현상에서 공기 즉, 기체의 힘을 느꼈다. 그 거대한 에너지를 쓸 수 있다면 좋겠다는 단순한 꿈 같은 생각에서 시작한 것이 벌써 17년이 되어 버렸다.

▲ 어려운 점은 없었나?
과학자도 연구원도 아닌 일반인으로 혼자 연구를 하다보니 시간도 오래 걸렸지만, 가장 힘들었던 것은 어느 정도 연구가 진행되어 가능성이 보임에도 불구하고 아무도 인정해 주려 하지 않고 특히 관련 단체들이 혼자 연구한 것을 받아들이려 하지 않아 힘이 들었다. 이제는 학술적으로도 어느정도 인정을 받았고 실용 단계만 남아 있는데도 알리거나 연구 지원을 받는 것이 쉽지 않다.

▲ 앞으로 다른 개발 계획도 있는가?
공기엔진을 통해 얻는 에너지로도 불편 없이 살 수 있겠지만 이것이 에너지 개발의 마지막이라고 보지는 않는다. 땅 속이나 대기권을 벗어나면 공기가 존재하지 않기 때문에 이러한 곳에서는 공기엔진을 위해 공기탱크를 가지고 다녀야 하는 불편함이 있을 것이다.

어느 때가 될지는 모르지만 인류는 분명히 공기가 없는 곳에서도 많은 일들을 하게 될 것이다. 그렇다면 그때에는 지금의 공기 엔진처럼 우주 공간에서 가장 보편적으로 존재하는 ‘어떤 것’을 찾아야 할 것이다. 추측 하건대 아마도 다음 에너지원은 중력파(혹은 물질파)가 아닐까 한다. 그 일도 누군가는 해야 하는 일이다. 나부터 시작 해보려 한다. 아득한 우주를 바라보면 할 일이 너무도 많은 것 같다.

두 시간여 동안 인터뷰 하며, 상식에 얽매이지 않고 생각과 상상으로 작업을 하는 예술가의 모습과 오랜 시련 끝에 결국 결과를 만들어내는 발명가의 고되지만 당당한 모습을 동시에 볼 수 있었다.

/유지은 객원기자  

	2004.08.05 ⓒScience Times

[antivirs]

공기엔진에 대한 두가지 의문이 드는데요... 공기엔진의 피스톤을 아무리 저속 압축시킨다해도 에너지가 필요로 하는데 어디서 얻는 것이고, 고속팽창시키려면, 바깔의 대기압을 이길 만큼 에너지를 공급해야 하는데 에너지 보존이 안되는 것 같습니다 그리고 보통의 엔진은 자체 화학에너지로 내부에서 피스톤을 미는데

[antivirs]

공기엔진은 외부에서 피스톤을 당겨 주는 게 의아스럽습니다.

[antivirs]

두번째는 공기 분자의 운동에너지를 소모시켜 동력을 얻는다는 것 같은데, 아무리 1 kg의 공기의 운동에너지가 125kJ 이더라도 여기서 얼마나 뽑아 낼지가 문제인데, 우리가 얻을 수 있는 것은 공기의 운동에너지 감소한 양 만큼 얻을 수 있습니다. 근데 125 kJ을 얻어 낸다는 것은 1 kg의 공기의 운동에너지를 완전히

[antivirs]

얻어내고 공기는 운동에너지가 0이 된다는 가정인데 이것은 갑자기 피스톤 내부를 절대온도 0도로 떨어뜨린다는 것을 뜻합니다. 그리고, 충분히 고속팽창이라면, 실린더 내부 공간이 갑자기 증가 한ㅏ는 것인데 이 경우는 공기 분자의 운동에너지가 감소할 수가 없습니다 외부 도움없이 자체적으로

[antivirs]

고속팽창을 하려면 실린더 외부 기압이 0이거나 매우 낮은 기압이 되어야 하는데 외부를 낮은 기압을 유지하려면 역시 에너지를 소모해야 하는데.... 그리고, 어떻게 하든 외부 기압이 내부 실린더에 절대적으로 영향을 안줄 방법이 없죠... 의문이 드네요...

[카르마]

광고성 글입니까? 정보성 글입니까? 분간하기 어렵군요..

[노이즈]

(1)외부에서 에너지를 넣지 않고 에너지를 만들어 쓴다는 생각은 열역학 2법칙인 에너지보존의 원리르르 위배하는 것으로 불가함. (2) 공기의 운동에너지를 뽑아서 쓴다는 것은, 운동에너지는 곧 절대온도에 비례하므로 기체의 온도를 냉각시키고 그 발열 에너지를 자동차에 쓴다는 것으로 납득하기 어려움.

[노이즈]

(3) 10%의 기체 운동에너지의 사용은 절대온도(섭씨+273도) 10%를 낮춘다는 말과 같으므로 기체의 온도를 30도 이상 낮춘다는 의미이다. 운동에너지의 20%를 사용하게되면 공기의 온도를 대략 60도 낮추게 된다. 운동에너지를 모두 사용한다는 것은 절대영도(-273도)로 공기분자가 고체로 변하여 움직이지 않는 상태이다.