번개의 원리로 전기를 생산하는 연구

Home - SCIENCE WAVE

 

 

번개에서 전기가 생겨나는 원리를 이용하여, 언제 어디서나 전류를 얻는 기술이 발전하기 시작했다. 이 방법은 대기 중에 습기만 있으면 된다. 아직 큰 전류를 발생시키지 못하지만, 날씨를 가리지 않고 밤이나 낮이나 무공해 청정(淸淨) 에너지를 얻는 방법으로 발전할 가능성이 있다.

​

 

번개가 발생하는 원인

번갯불(lightning)이 번쩍이면 지그재그로 흐르는 섬광(閃光) 주변의 온도는 태양 표면 온도보다 5배나 높은 30,000℃ 이상이 된다. 이 정도의 고온은 섬광 주변의 공기를 순식간에 폭발하듯이 팽창시켜 충격파(衝擊波)를 형성한다. 천둥(thunder)은 이 충격파가 만든 소리이다.

​

 

섬광이 번쩍이고 3초 후에 천둥소리가 들린다면, 그 번개는 약 1km 거리에서, 15초 후라면 5km, 동시에 들렸다면 지근(至近) 거리에서 발생한 것이다. 번개의 발생 이유와 여러 가지 현상에 대해 많은 연구가 이루어져 있지만, 아직 잘 모르는 부분도 많이 있다.

 

 

 

 

번개가 잘 발생하는 구름을 뇌운(雷雲 thundercloud) 또는 적란운(積亂雲)이라 하고, 뇌운에서 쏟아지는 비를 뇌우(雷雨 thunderstorm, lightning storm)라 한다. 뇌운은 지면(地面)으로부터 500∼16,000m(평균 5,000m) 높이에 형성되며, 뇌운의 상부는 대장간에서 쇠붙이를 두드리는 모루처럼 편편하다고 하여 ‘모루구름’이라는 이름도 가지고 있다.

 

​구름에서 일어나는 전기적 현상

일반적으로 뇌운의 아래에서는 상승기류가 빠른 속도로 위로 올라가고, 모루처럼 생긴 구름의 상부는 기온이 –15∼-25℃이기 때문에 얼음 입자가 가득한 상태에 있다. 한편 뇌운의 중간 부분에서는 수증기 분자가 상승하는 도중에 응결하여 눈의 결정(結晶)으로 변한다. 이 과정은 굉장한 기류의 소용돌이 속에서 이루어진다.

​

 

뇌운의 소용돌이 속에서 형성된 눈의 결정들은 상승하는 도중에 위에서 내려오는 얼음 입자들과 충돌하게 된다. 이때 하강하던 얼음 입자는 눈의 결정으로부터 전자를 빼앗아 음전하(-)를 가진 상태로 내려가고, 반대로 상승하던 눈의 결정은 전자를 뺏기면서 양전하(+)가 된 상태로 구름의 상부로 올라간다. 아래의 영상들을 보자

 

 

 

 

뇌운 안에서 일어나는 전자의 이동 상태를 나타낸다, 상승하는 눈송이는 위에서 내려오는 얼음 입자(흰 공, 싸라기)와 충돌하면서 전자를 잃어버려 양전하(+)를 가진 눈송이(붉은 +눈송이)가 되어 위로 올라간다. 반면에 하강하던 싸라기는 전자를 얻은 (–)얼음 입자가 되어 구름의 아래로 내려온다. (위키피디어)

 

 

 

 

위쪽 그림과 같은 현상이 일어나는 동안 구름의 평평한 상부는 양전하가 가득한 상황이 되고, 구름 중앙에서는 전자가 가득한 (황색 -)얼음 입자가 아래로 내려간다. 이 (-)얼음 입자는 비가 되어 지상으로 떨어진다.

뇌운의 아래가 음전하(-)로 가득해지면, 지면에 양전하(적색 +)가 유도되어, 구름과 지면 사이에 전압의 차이가 생기고, 전압 차이가 커지면 구름과 지면 사이에 방전(번개)이 일어난다.

 

 

 

 

뇌운 아래에 전자들이 모여 음전하(-)를 갖게 되면 자연히 지면에는 양전하(+)가 유도된다.

 

 

 

 

공기는 절연체이지만 전압의 차이가 커지면 구름에 축적된 음전하가 지상으로 내려간다.

 

 

 

 

구름의 음전하가 지면으로 내려가는 동안, 지상에서 유도된 양성자(양전하)를 만나면서 번개가 발생하고, 천둥소리가 만들어진다.

​

 

번개의 전기를 이용하려는 과거의 실험

자연의 재난 중에 인명피해를 가장 많이 주는 것이 번개라는 사실을 사람들은 잘 이해하지 못한다. 알고 보면, 피뢰침이 설치되어 있어도 세계적으로 매년 약 2,000명의 사람이 낙뢰로 사망하고 있다.

​

 

과학의 역사에서 전자기와 관련된 분야만큼 이야기가 넘치는 곳은 없을 것이다. 미국의 독립에 큰 공헌을 한 플랭클린(Benjamin Flranklin 1706-1790)은 정치가인 동시에 과학자로도 유명하다. 전기에 대한 연구가 맹열하던 당시, 그때까지만 해도 번개가 전기라는 것을 실험으로 증명하지 못하고 있었다. 이유는 번개의 위력이 너무나 두려웠기 때문이었다.

​

 

1752년 7월 어느 날, 필라델피아시에는 비가 내리면서 번개도 치고 있었다, 번개가 전기라고 확신하고 있던 플랭클린은 구름의 전기를 지상까지 끌어오는 방안으로 하늘에 연을 날릴 생각을 했다. 그가 만든 연에는 철선이 열결되어 있었고, 연줄은 명주실로 만들었다.

 

 

 

 

플랭클린은 연실 끝에 커다란 열쇠를 달았다. 연을 하늘에 올려두고 열쇠에 손을 대는 순간 감전(感電)의 충격을 확인했다. 그의 이러한 실험은 매우 위험했지만, 번개가 전기라는 것을 확신하게 했다. 이후 그는 피뢰침을 발명하여 구름의 전기가 땅으로 유도되도록 하여 낙뢰(落雷)를 예방할 수 있도록 했다. 필라델피아 박물관에 걸린 이 그림은 당시의 실험 장면을 신화적으로 표현한 것이다.

 

​

플랭클린의 이러한 실험이 있은 뒤, 크로아티아 태생의 미국 물리학자이며 발명가인 테슬라(Nikola Tesla 1856-1943)도 1900년경에 구름으로부터 전류를 끌어오는 실험을 시도했다고 전한다.

​

 

번개의 평균적인 전압은 1억 볼트 이상이고, 전류의 세기는 50,000암페어 이상이라고 알려져 있다. 이 정도의 전기 에너지는 100와트 전구 7,000개를 8시간 밝힐 수 있다고 한다.

​

 

번개 원리로 전기를 얻는 연구1

대기 중에서는 수증기가 항시 상승하고 있다. 구름과 같은 규모는 아니지만 수증기 분자가 상승하면 공기 분자들과의 충돌에 의해 전자가 떨여져 나와 미약하지만 전류가 발생할 수 있을 것이다. 이런 생각을 한 매사추세츠 대학의 전기과학자 야오(Jun Yao) 팀은 2020년부터 대기 중에서 전류를 생성시키는 방법을 연구하기 시작했다.

 

 

그들이 이러한 연구를 하게 된 동기는 박테리아 종류 중에 전자를 에너지로 이용하는 것이 있다는 것을 알게 된 것이다. 전기 박테리아 또는 케이블 박테리아라 불리는 이 미생물은 산소가 없는 환경에서 생존하며, 무산소 환경에서 적응하는 방법으로 금속 물질의 전자를 이용한다. 21세기 이후에 알려진 이런 전기박테리아에는 다음과 같은 종류가 알려져 있다.

​Shewanella, Geobacter, Methanobacterium palustre, Methanococcus maripaludis, Mycobacterium smegmatis (본사 블로그에서 '케이블 박테리아' 검색하여 참고 바람)

​

 

구름에서 생성되는 고압의 전류와 박테리아 몸에서 이용되는 미소한 전류의 규모는 비교할 수가 없을 것이다. 그러나 야오 팀은 전기 박테리아의 단백질을 나노와이어로 이용하여 대기 중의 수증기 분자를 끌어모으고, 이 수증기 분자가 작은 구멍 속으로 이동하도록 하여 전자가 방출되게 하는 방법을 발견했다. 그들의 실험은 모두 나노필름(nanofilm), 나노와이어(nanowire), 나노 구멍(nano pore) 규모로 이루어졌다.

​

 

그들의 실험 결과는 2023년 5월에 발행된 <Advanced Materials>에 소개되었다. 이 미소 발전 시스템에서 생성된 전류는 수백만 분의 1와트였다. 그러므로 이 발전 시스템은 어떤 마이크로 전자장치에도 이용될 수는 없다. 그러나 대기 중의 수증기 이동을 이용하여 전류를 얻는 방법의 하나가 된 것이다.

 

Journal: X. Lui et al. Generic air-gen effect in nanoporous materials for sustainable energy harvesting from air humidity. Advanced Materials. Published online May 5, 2023.

 

Journal: X. Lui et al. Power generation from ambient humidity using protein nanowires. Nature. Vol. 579, February 17, 2020,

 

 

또 다른 전류 생산기술

야오 팀이 개발한 전류 생산 시스템과 다른 방법이 포르투갈 루소포나 대학의 여성 화학자 류브치크(Svitlana Lyubchik)가 개발에 성공하고 있다. 류브치크가 연구한 전류 생산 시스템은 가로세로 길이가 4cm인 박막(薄膜) 형태이다. 이것은 1.5V의 전류를 생산할 수 있다고 한다.

 

 

 

 

류브치크의 전류 발생 박막 구조이다. 나노박막(nanoporous thin film)에는 수증기 분자가 통과할 나노 크기의 구멍이 있고, 박막 아래위에 전극(top electrode, bottom electrode)이 있다. 수증기 분자는 아래 전극에서 위 전극 쪽으로 이동하면서 전자를 방출하여 전극에 전류가 흐르도록 한다.

 

​

류브치크 팀은 캐쳐(CATCHER)라 부르는 이 박막을 가로세로 1m 규모로 만들고 있다. 이런 크기가 되면 10kWh의 전력을 생산할 수 있을 것이라고 한다. 류브치크의 캐쳐가 대규모 발전(發電) 시스템으로 발전하려면 태양광 패널처럼 거대하게 만들어야 한다. 그러면 이 패널은 밤낮이나 날씨와 관계없이, 대기 중에 수증기 분자만 있으면 전류를 생산할 것이다.

​

 

번개의 전기를 이용하는 것은 과학자들의 오랜 꿈이지만 아직 방법을 찾지 못하고 있다. 그 대신 번개의 원리를 따라 전류를 생산하는 방법이 연구되기 시작했다. 이런 기술로 만든 발전 시스템은 태양전지보다 더 편리하게 활용될 가능성이 있다. 과학을 좋아하는 미래의 과학자들에게 남겨진 과제 중의 하나일 것이다. - YS

 

 

철새처럼 대륙을 이동하는 모나크나비 이야기