에너지 재구성—새로운 종류의 재생 에너지가 기후 변화 해결에 도움이 될 수 있을까?

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/new-kinds-of-renewables-help-solve-climate-change

기후 변화에 대처하기 위한 새로운 종류의 재생 에너지

바람, 태양 등 자연의 힘을 이용하는 재생 가능 기술은 인간의 놀라운 상상력과 창의성을 보여주었고, 화석 연료 없이도 더 깨끗한 공기, 풍부한 자원, 많은 에너지를 갖춘 보다 희망적인 미래를 엿볼 수 있게 해주었습니다.

그러나 전망에도 불구하고 현재의 재생 에너지에는 한계가 있습니다. 기후 변화가 제기하는 실존적 과제를 완전히 충족하려면 과학, 정부, 산업이 훨씬 더 멀리 도달하고 훨씬 더 멀리, 또는 어떻게 보느냐에 따라 "깊숙이" 에너지원을 활용해야 합니다. 이는 바람, 태양, 바다 파도보다 훨씬 더 풍부하고 신뢰할 수 있습니다.

경험적 연구에 따르면 그러한 전력원은 실제로 존재한다고 합니다. 중성미자, 정전 자기력, 핵융합은 언젠가 현재의 재생 에너지보다 더 우수한 에너지원을 제공할 수 있는 정신을 휘젓는 개념 중 일부입니다. 이러한 개념은 현대 사회의 끝없는 에너지에 대한 욕구를 충족시키는 까다로운 문제를 해결하면서 동시에 모든 도전을 우회하고 생성 과정에서 발생하는 모든 유해한 부산물을 제거할 수 있습니다.

힘은 우리 주변에 있습니다

아무리 유망하더라도 이러한 에너지원의 잠재력은 여전히 ​​가설에 불과합니다. 그러나 과학자들은 그 잠재력을 포착하려고 계속 노력하고 있습니다. 예를 들어 중성미자를 살펴보겠습니다.

1930년, 오스트리아 과학자 볼프강 파울리는 우주 전체에 존재하는 무한히 작은 입자의 존재를 가정했습니다. 그 입자는 너무 작아서 "불가능하다"고 묘사했습니다. 몇 년 후, 이탈리아 물리학자 엔리코 페르미는 그것을 중성미자라고 명명했는데, 이는 이탈리아어로 "작은 중성자"를 뜻합니다. 그리고 그 이름이 붙었습니다.

과학자들이 마침내 중성미자의 존재를 확인하는 데는 1950년대가 걸렸습니다. 중성미자는 붕괴라는 과정을 통해 생성되는데, 이는 입자가 한 유형에서 다른 유형으로 바뀔 때마다 발생합니다. 이는 태양과 별에서, 그리고 지구 대기와 상호 작용하는 "우주 복사"에서와 같이 여러 가지 방식으로 발생합니다. 약 140억 년 전에 우주를 창조한 빅뱅 이후에도 여전히 남아 있는 중성미자도 있습니다.

 ©Naeblys

중성미자는 생성되는 웅장한 규모를 감안할 때 매우 풍부합니다. 중성미자는 어디에나 존재합니다. 사실, 중성미자는 우주에서 가장 풍부한 질량을 가진 입자입니다. 1초에 100조 개의 중성미자가 인체를 통과합니다. 중성미자는 풍부할 뿐만 아니라 전력원으로서도 잠재력이 있습니다. 활용만 가능하다면 말입니다. 지금까지는 그 기적처럼 보이는 업적을 수행할 수 있는 기술의 개발이 애매합니다. 그러나 불과 수십 년 전만 해도 태양광과 풍력이 허황된 공상과학으로 여겨졌던 것처럼, 중성미자를 활용하는 것이 곧 현실의 영역으로 전환될지도 모릅니다.

Neutrino Power Cube에 들어가보세요. 독일의 수학자이자 기업가인 Holger Thorsten Schubart는 중성미자로부터 에너지를 생성하는 프로토타입을 개발하는 과학자 그룹을 모았습니다.

슈바트는 "중성미자전지" 기술이 "지구의 생태적 균형을 파괴하지 않고도 인류의 증가하는 에너지 수요를 충족할 수 있는" 기회를 제공한다고 믿습니다 . 그는 이를 "미래의 힘"이라고 부릅니다. 

이 장치는 그래핀의 쌓인 층으로 구성되어 있으며, 각각은 단일 탄소 원자 층으로 구성되어 있습니다. 그래핀 층은 중성미자가 통과하면서 생성된 운동 에너지를 전기로 변환할 수 있습니다.

중성미자의 가장 큰 장점은 무한한 공급입니다. 어디에나 존재하고 풍부하기 때문에 태양이 빛나거나 바람이 불 때뿐만 아니라 언제 어디서나 활용할 수 있는 무한한 전력원을 제공합니다. 중성미자는 이상적인 청정 에너지원으로 태양광과 풍력을 능가할 뿐만 아니라 현재 우리가 알고 있는 발전 및 송전 역학을 근본적으로 바꿀 것입니다. 중성미자 파워 큐브는 어디에 있든 필요할 때마다 전기를 생성할 수 있습니다.

중성미자 파워 큐브의 초기 응용 프로그램은 모바일 폰을 충전할 것입니다. 결국 더 큰 규모로 적용되어 전기 자동차와 가전 제품에 전원을 공급할 수 있습니다.

연료 없는 전기

중성미자는 무한히 작고 풍부한 연료원을 제공함으로써 전기 생산 과정을 변화시킬 수 있지만, 연료가 전혀 필요 없이 전기를 생산함으로써 과정을 한층 더 단축할 수 있다고 상상해보세요.

1930년대에 독일 해군 대위이자 발명가인 한스 콜러는 Magnetstromapparat , 즉 "자석 전류 장치"라는 장치를 개발했습니다.

이 장치는 정적 배열의 영구 자석, 구리 코일, 콘덴서로만 구성되어 있으므로 움직이거나 변하지 않습니다. 장치에 에너지나 운동이 도입되지 않습니다. 이 장치는 그것을 구성하는 데 사용된 재료에서 생성되는 일정한 전자기력에 따라서만 전류를 생성할 수 있습니다.

이것이 인상적이지 않을 수도 있지만, 대부분의 전기가 생성되는 방식을 생각해 보세요. 전기는 다양한 장치에서 생성되지만, 거의 대부분이 동일한 기본 원리, 즉 와이어 코일로 둘러싸인 전자기 터빈의 회전으로 작동합니다. 이 운동 또는 운동 에너지는 전자가 움직이기 시작하게 합니다. 이 움직이는 전자는 전류를 형성하고, 전류는 와이어를 따라 이동합니다. 이러한 와이어는 더 많은 와이어에 연결되어 있으며, 전류를 사용자(공장, 건물, 가정)에게 전달합니다. 이는 수력 발전 댐, 증기 및 가스 터빈, 풍력 터빈을 포함한 모든 발전기의 기본 원리입니다.

이러한 모든 장치는 발전기 내에서 운동을 시작하고 유지하기 위해 어떤 형태의 에너지가 필요합니다. 수력 발전 댐에서는 떨어지는 물의 힘이 터빈을 구동합니다. 기존 발전소에서는 석탄, 가스 또는 기타 연료를 연소하여 열을 생성한 다음 증기를 포집하여 터빈을 움직이는 데 사용합니다. 연소 터빈에서는 뜨겁게 팽창하는 가스가 메커니즘을 구동합니다. 마지막으로 풍력 터빈은 바람의 힘에 의존하여 터빈을 구동하는 블레이드를 직접 또는 풍력 터빈 내부에 있는 벨트와 기어 시스템을 통해 움직입니다.

이러한 모든 연료원에는 한계가 있습니다. 석탄과 가스는 소비되기 전에 추출하여 터빈 현장으로 배달해야 합니다. 또는 수력 또는 풍력 터빈은 연료가 풍부하고 활용할 수 있는 곳에 위치해야 합니다. 이는 일반적으로 외딴 지역에 위치하여 전기를 인구가 많은 지역에 전송하는 복잡한 과정이 필요합니다. 또한 석탄과 가스를 연소하면 유해한 온실 가스가 배출됩니다. 풍력 자체는 깨끗하지만 항상 풍부하고 일정하지는 않습니다.

이러한 한계를 해결하려면 엄청난 상상력이 필요하지만, 한스 콜러가 거의 100년 전에 한 일이 바로 그것입니다. 그의 장치는 운동 에너지의 필요성을 없앰으로써 전자기 발전의 개념을 재구성합니다. 다시 말해, 그는 터빈이 없는 발전기를 개발하여 연료의 필요성을 없앴습니다.

이 장치는 와이어 코일 내부에 감긴 여러 개의 영구 자석으로 구성되어 있습니다. 이들의 배열, 특히 이들의 분리는 긴장이나 저항을 생성하여 궁극적으로 작은 전류를 생성합니다. 이런 방식으로 이 장치는 운동이나 연료의 도움 없이 자석 자체에서 전기를 생성합니다.

©CCO

콜러는 또한 두 번째 장치를 개발했는데, 이를 Stromzeuger 또는 "전류 생성기"라고 불렀습니다. 이 장치는 비슷한 방식으로 제작되었지만, 프로세스를 시작하기 위한 작은 입력을 제공하는 건전지가 추가되었습니다.

콜러는 2차 세계 대전 중 폭탄에 파괴되기 전까지 몇 년 동안 이 장치의 대형 버전을 사용하여 집에 전력을 공급했다고 합니다. 영국 정보부는 전쟁이 끝난 후 콜러의 두 장치에서 작동 방식을 발견했습니다. 콜러가 그런 방식으로 집에 전력을 공급할 수 있었다면 비슷한 장치를 사용하여 다른 집에도 전력을 공급할 수 있을 것입니다.

태양처럼 힘을 얻다

중성미자 큐브와 콜러의 현재 발전기가 마이크로 발전을 다시 상상하는 반면, 핵융합은 훨씬 더 큰 규모로 우주의 신호를 받아 전력을 생산하는 것을 구상하고 있습니다. 그것은 태양과 다른 별에 전력을 공급하는 것과 동일한 과정을 복제하며, 우주에서 엄청난 에너지를 생산하는 과정의 경우, 지구에서 전력을 생산할 수 있는 잠재력은 은하계에 못지않습니다.

핵융합을 이해하려면 핵분열이라는 프로세스로 구동되는 현재의 원자로에서 핵 전력이 어떻게 작동하는지 살펴보는 것이 도움이 됩니다. 두 프로세스는 놀라울 정도로 유사해 보이지만 상당히 다릅니다.

간단히 말해서, 핵분열 은 우라늄 원자를 분열시켜 열을 생성하고, 이 열을 이용해 전기를 생성하는 것을 말합니다. 핵융합 은 그 반대 원리로 작동합니다. 수소 원자를 압축하거나 결합하여 융합하여 헬륨으로 만듭니다. 이 과정은 또한 많은 양의 에너지를 생성하여 전기를 생성하는 데 사용할 수 있습니다.

과학자와 엔지니어는 약 1세기 전에 핵융합을 발견한 이래로 핵융합을 재현하려고 노력해 왔습니다. 언젠가는 그들이 그것을 제대로 해낼 것이고, 그렇게 되면 그 출력은 너무나 엄청나서 전 세계의 모든 에너지 수요를 충족시킬 수 있을 것입니다.

전통적인 핵분열 반응로는 대중의 반대와 방사선에 대한 두려움을 비롯한 고유한 과제에 직면해 있는 반면, 핵융합의 가장 큰 과제는 에너지 생산에서 순이익을 달성하는 것입니다.

©VecorMine

핵융합 과정은 핵에서 반응을 일으키기 위해 엄청난 에너지가 필요합니다. 성공적인 핵융합로는 소비하는 것보다 더 많은 전력을 생성해야 하며, 이것이 극복해야 할 가장 큰 장애물이었습니다. 핵융합이 엄청난 양의 전력을 공급할 수 있는 잠재력이 있다는 것은 의심할 여지가 없지만, 지금까지 아무도 이 과정에서 소비하는 것보다 더 많은 전력을 생성하는 방법을 알아내지 못했습니다.

과학자, 정부, 기업이 탐색을 계속하는 것을 막지는 못했습니다. 아마도 가장 주목할 만한 것은 국제 열핵 실험로( ITER ) 프로젝트일 것입니다. iter 라는 단어는 라틴어로 "길"을 의미합니다. 이 프로젝트에서 중국, 유럽 연합, 인도, 일본, 한국, 러시아, 미국을 포함한 35개국이 협력하여 "무한한 에너지원"으로 기대되는 핵융합의 힘을 활용하고 상용화하는 "길"을 찾고 있습니다.

마크 헨더슨은 ITER 기구의 전자 사이클로트론 섹션 리더입니다. 그는 프로젝트를 맥락에 맞춰 설명하면서, 세계가 필요로 하는 에너지는 "융합에 있을 것"이라고 말합니다.

ITER의 초점은 자기 핵융합을 기반으로 하는 원자로인 세계 최대의 토카막을 건설할 프랑스 남부의 프로젝트입니다. 순 에너지를 생산하는 최초의 핵융합 장치, 장기간 핵융합을 유지하는 최초의 장치, 핵융합으로부터 전기를 상업적으로 생산하는 데 필요한 성분을 테스트하는 최초의 장치가 될 것입니다. ( ITER 웹사이트 참조 )

이는 생산할 수 있는 에너지의 양과 맞먹는 엄청난 노력입니다. ITER는 50MW의 입력에서 500MW의 핵융합 전력을 생산할 것으로 예상됩니다. 이는 오늘날 운영되는 평균 규모의 발전소와 비슷한 수준이며, 수십만 가구에 불을 밝힐 수 있는 전기를 공급합니다. 순 출력이 450MW인 이 발전소는 핵융합이 에너지 수익성이 있을 수 있음을 보여주며, 높은 기준을 제시합니다.

©Oak Ridge National Laboratory, CC BY 2.0

ITER는 2035년까지 가동되지 않을 것으로 예상됩니다. 실제 세계에서 실행 가능한 결과를 내기까지는 진전이 느리지만, ITER와 다른 핵융합 프로젝트의 지지자들은 그 혜택이 시간과 노력을 들일 만한 가치가 있다고 주장합니다. 핵융합은 핵분열보다 무한히 안전하고, 풍부하고 저렴한 재생 연료를 사용합니다. 핵융합에서 수소를 소비하면 온실 가스가 배출되지 않습니다(하지만 핵융합에 사용하기 위해 자연 상태에서 수소를 추출하는 과정은 사용된 방법에 따라 온실 가스가 배출될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다).

ITER의 헨더슨은 이를 미래를 위한 장기 투자라고 설명합니다. 그는 혜택이 "우리 세대를 넘어선다"고 설명하지만, "그것이 시도하지 않는 변명은 아니다"고 말합니다.

결론

역사를 통틀어 인류는 과학적 연구와 독창성으로 겉보기에 난해한 문제를 해결할 수 있는 능력을 보여왔습니다. 태양광 전지, 풍력 터빈 및 기타 기술은 자연에서 발견되는 보충 가능한 연료를 활용하여 지구와 대기를 낭비하지 않고 에너지를 생성할 수 있음을 보여줍니다.

세계 인구가 증가하고 기후 변화에 대한 싸움이 가속화됨에 따라 태양과 바람만으로는 미래의 에너지 수요를 충족시키기에 충분하지 않을 수 있습니다. 모든 옵션이 고려될 것입니다.

연구에 따르면 더 강력하고 풍부한 재생 에너지원이 있으며 이를 활용할 수 있습니다. 중성미자 파워 큐브, 전류 발전기, 핵융합은 언젠가는 태양 전지판과 풍력 터빈이 그랬던 것처럼 옹호자들의 상상에서 에너지 생산의 주류로 넘어갈 수 있습니다.

아니면 아직 발견되지 않은 다른 기술이 등장할지도 모른다.

*Richard Laezman is a freelance writer in Los Angeles, California. He has a passion for energy efficiency and innovation. He has been covering renewable power and other related subjects for more than ten years.