[지식더하기] 세상에 공짜는 없다

세상에 공짜는 없다

석유 가격이 폭등해서 경제가 흔들리고 전기세는 점점 비싸진다. 하늘이 까매지기는 하지만 화력 발전소를 멈출 수는 없다. 자연만큼 가치있는 전기를 생성하기 위함이기 때문이다. 어디서든 흔히 볼 수 있는 에너지를 향한 투쟁, 아니 생존과 직결된 전쟁이다.

에너지 보존 법칙은 '에너지의 총량은 절대 바뀌지 않는다' 라는 내용이다. 에너지가 보존되기 때문에 더 나아가 에너지의 변화에 대해 생각할 수 있고 이를 통해 운동에너지, 화학에너지처럼 다른 종류의 에너지 간 변환, 그리고 힘처럼 에너지를 변화시키는 요인에 대해 생각할 수 있다. 그리고 생물체는 살아가기 위해 에너지를 먹을 수 밖에 없다. 이렇듯 물리, 화학, 생물 등 다양한 분야에서 공통적으로 쓰이는 과학의 가장 근본적인 법칙 중 하나이다. 특히 현재의 물리학은 에너지가 보존되지 않으면 존재하지 못했을 것이다.

에너지 보존 법칙이 사실이라면 왜 전기와 석유를 아끼며 대체가능한 재생에너지을 찾아야 할까? 그리고 현재 수많은 과학자들이 핵융합을 통한 에너지 생산에 몰두하는 것일까? 그 이유는 전체 에너지가 보존되는 것과 별개로 사람이 원하고 쓸 수 있는 형태의 에너지는 한정되어 있기 때문이다. 다시 말해 전기나 일을 할 수 있는 역학적 에너지로 바꾸기 어려운 형태의 에너지는 사람이 쓰기 어렵다는 것이다. 떨어지는 물의 운동에너지와 퍼텐셜에너지 그리고 석유와 같은 연료에 화학적으로 저장된 에너지는 비교적 쉽게 전기로 바꾸어 쓸 수 있지만 매우 뜨겁거나 차가운 공기라서 온도 차 발전에 기여할 수 있는 공기가 아닌 이상 상온의 공기에서 열을 끌어와 사용가능한 많은 양의 에너지를 생산해내는 것은 어려운 일이다.

사람이 쉽게 쓸 수 있는 에너지의 종류가 정해져 있는 것보다 더 중요한 사실은 사람이 쓸 수 있는 에너지가 쓰기 어려운 에너지로 자연스럽게 바뀐다는 점이다.

자동차를 비롯한 거의 모든 기계는 마찰력에 의해 에너지를 서서히 잃게 된다.

예를 들어 고속도로에서 빠르게 달리는 자동차를 생각해보자. 자동차가 달리는 동안, 자동차의 엔진은 연료를 연소시켜서 나오는 열에너지로 운동에너지를 공급하여 자동차가 움직일 수 있게 한다. 하지만 자동차는 공기 분자와 부딪히며 생기는 마찰 그리고 타이어와 매끈하지 않은 지면과의 마찰에 의해 끊임없이 에너지를 잃으며 느려진다. 이렇게 마찰에 의해 자동차의 손실된 에너지는 공기와 도로 그리고 자동차에게 열에너지로 전환되어 전달된다. 이렇게 전환된 열에너지는 사람이 다시 쓰기 어려운 상태의 에너지로 직접적인 기계적 일을 할 수 없다.

이렇듯 에너지가 보존될 지라도 사람이 쓸 수 있는 에너지는 한정되어 있기 때문에 에너지를 아껴써야 하며 신재생에너지처럼 앞으로 쓰이게 될 에너지 자원에 대한 개발을 해야한다.

공짜 에너지의 시초

귀찮아 하는 것은 인간의 본능일까? 일을 하기 싫어 기계를 만들었지만 이제 기계을 위한 동력을 마련하는 것도 귀찮아진다. 그렇기에 동력이 필요없이 영원히 일하는 기계, 영구 기관은 인류의 오랜 꿈이었다. 영구 기관은 영국의 물리학자 로버트 보일과 베르누이 가문의 장 베르누이 등의 유명한 과학자들도 연구할 정도로 큰 매력이 있는 연구 주제이다. 지금까지도 영구 기관은 인기를 가지고 있으며 주호민 작가의 장편 웹툰 '무한동력' 이나 유머를 담은 영구 기관 cat-toast의 내용을 담은 광고도 있다.

기록에 남아 있는 가장 오래된 영구기관은 8세기 인도의 수학자 랄라가 제안한 영원히 움직이는 바퀴이다. 랄라가 오른쪽 그림에 나와있는 제안한 구슬을 이용해 영원히 돌아가는 바퀴는 오른쪽이 항상 더 무거워 영원히 회전할 것 같지만 구슬과 회전축 간의 거리까지 고려하게 되면 균형을 이루게 되기 때문에 마찰력에 의해 곧 멈추게 된다. 랄라를 시작으로 다양한 개선 방안이 나오게 되는데 증기기관 연구의 선구자인 에드워드 서머셋도 다음과 같은 영구 기관을 개발했다고 한다.

관련동영상 보기

위 영구 기관은 바퀴 속의 경사면에 납공을 굴리고 구슬을 다시 자석이 잡아당기면서 바퀴를 돌릴 수 있도록 고안되었다. 여태까지 자석, 전기 장치, 열과 빛을 이용한 영구 기관 등 수없이 많은 영구 기관이 고안되었고 과학이 발달한 최근까지도 꾸준히 영구 기관이 고안되고 있지만 공식적성공한 영구 기관은 없다.

나는 에너지를 창조했다

영구 기관을 연구하는 사람들 중에는 고의적으로 자신의 발명이 성공하여 부나 명성을 얻으려고 하는 사람들이 있다. 대표적으로는 18세기 초 독일에서 ‘자동 바퀴’ 를 만든 오르피레우스가 있다. 그는 조금 경사지게 설계된 큰 톱니바퀴에 달려있는 4개의 추로 옆에 있는 작은 톱니바퀴가 계속 돌아가게 할 수 있다고 주장하였는데 실제로는 마찰과 공기 저항 등으로 불가능이다. 하지만 그는 장치의 중요 부분에 사람을 숨겨 사람들을 속인 후 부유층에게 거액을 지원받았다.

미국의 존 킬리는 물의 공감적 진동을 이용해 물을 재결합시켜 대량의 에너지를 만들어낸다는 이론으로 1872년 1만 달러의 자본금으로 ‘킬리 모터 회사’를 설립한다. 그 후, 1874년, 킬리는 공개 실험을 하면서 ‘나는 1L의 물로 기차를 필라델피아에서 뉴욕까지 달리게 할 수 있다’ 라고 하였다. 그는 거액의 후원을 부탁하였고 죽을 때까지 그 돈을 탕진하였다. 하지만 킬리는 기계 장치가 검증되지 않도록 교묘히 회피하며 연구를 않았고 20년이 지나서 1898년, 그가 죽을 때에야 투자자들은 킬리 모터가 존재하지 않았다는 것을 깨닫게 되었다.

영구 기관이 가능하다면

“영구 기관을 꿈꾸는 사람은 마치 연금술사와도 같다. 쓸모없는 고생은 그만두는 것이 좋다.”

위는 현대의 과학자가 한 말이 아니라 시대를 앞서간 르네상스 시대의 유명한 과학자인 레오나르도 다 빈치의 말이다. 불변인 과학적 사실이 존재하지 않는 것은 사실이나 현재로써 영구 기관은 열역학 법칙이나 에너지 보존의 법칙 등 현재 인류의 대부분의 과학기술에 어긋나는 결과이기 때문에 영구 기관이 실재한다면 과학이 처음부터 다시 쓰여야 한다는 것을 의미한다. 현재 영구 기관의 일반적 정의는 다음과 같은 3가지 조건을 만족하는 것이다.

외부에서 에너지를 공급받지 않고 계속 일을 할 수 있어야 한다.
순환과정으로 이루어져 계속 일을 할 수 있으며 순환 후 처음 상태로 돌아와야 한다.
순환과정이 반복될 때마다 외부에 일정량의 일을 해야 한다.

영구 기관의 불가능성, 허구성

영구 기관의 종류에는 다음과 같은 3가지가 있다.

제1종 영구 기관

제2종 영구 기관

제3종 영구 기관

제 1종 영구 기관은 외부 에너지의 공급없이 일을 끊임없이 할 수 있는 기관이다. 하지만 에너지의 양이 일정하게 보존된다는 열역학 제1법칙에 어긋나므로 불가능하다. 예로는 아르키메데스의 수차를 이용하여 물이 떨어지면서 동시에 물을 끌어올리는 영구 기관이 있다. 이는 원래 있던 자리까지 물을 되돌려 놓고 싶지만 수차를 돌리는 에너지가 있기 때문에 물을 제자리에 다시 위치시키지 못해 불가능하다.

제 2종 영구 기관은 공급되는 열에너지를 전부 일로 변환할 수 있는 장치이다. 이는 열은 스스로 고온에서 저온으로 흐르기 때문에 열에너지가 모두 역학적 에너지로 전환되는 것은 불가능하다고 하는 열역학 제2법칙에 어긋난다. 그 예로는 앞쪽으로 바닷물을 빨아들여 열을 빼앗아 일을 하고 차가운 물을 뒤로 흘려보내는 바닷물을 이용하는 엔진이 있다. 하지만 이는 온도가 낮은 바닷물에서 상대적으로 뜨거운 엔진에 열을 이동시킬 수 없다는 사실에 반하기 때문에 불가능하다.

제 2종 영구 기관의 한 가지 더 재미있는 예를 들자면 물리학자 맥스웰이 한 사고 실험, 맥스웰의 도깨비가 있다. 이에 대해 설명하기 위해서는 엔트로피에 대해 먼저 알아야 한다.

엔트로피는 쉽게 말해 무질서도로 엔트로피가 증가하면 에서지나 소모된다. 뜨거운 기체와 찬 기체를 칸막이가 있는 상자에 각각 따로따로 넣은 뒤 칸막이를 치우면 어떻게 될까? 두 기체는 결국 섞여 상자 속 기체는 어디서든 같은 온도가 될 것이다. 이는 엔트로피가 증가했다는 것과 같은 의미인데 그 이유는 더 이상일 온도 차로 일을 할 수 없는 상태, 즉 에너지가 소모되었기 때문이다. 더운 기체가 든 상자와 찬 기체가 든 상자를 맞붙여 놓으면 같은 온도가 될 것인데, 이 과정은 엔트로피가 증가한 예이다.

맥스웰의 도깨비는 엔트로피를 감소시키는 일을 한다. 먼저 균일한 온도로 차 있는 두 상자 사이의 벽에 조그만 구멍을 하나 뚫는다. 그 다음, 구멍을 열고 닫는 것을 반복하여 빠른 기체 분자와 느린 기체 분자를 서로 구분한다. 따라서 처음과 달리 두 상자에는 온도 차가 존재하고 따라서 엔트로피가 감소하였다. 이때 이론적으로 에너지의 손실없이 문을 닫을 수 있게 만든다면 맥스웰의 도깨비는 어떠한 에너지도 소모하지 않고 엔트로피를 감소시켰으므로 열역학 제2법칙을 어긋나게 된다. 이는 과학자들을 오랫동안 고민에 빠지게 한 사고실험이다.

하지만 추후 분석을 통해 도깨비가 속도에 따라 분자들을 분류하는 동안 늘어나는 엔트로피가 도깨비가 분자들을 분류함에 따라 감소하는 엔트로피보다 크다는 결론에 따라 이 실험도 불가능하다는 것을 알 수 있었다.

제 3종 영구 기관은 절대 온도 0도까지 냉각할 수 있는 기관을 말한다. 이는 절대 온도 0도에 접근할 때 계의 엔트로피가 일정한 값을 갖는다는 열역학 제3법칙에 어긋나며 따라서 이는 가능하지 않다.

위와 같이 영구 기관은 과학적으로 불가능하기 때문에 현재 세계 각국은 영구 기관의 발명에 대해 회의적인 시각을 가지고 있어 특허 신청 자체가 불가능하거나 작동 가능한 실제 기관을 제출하게 되어있다.

위 동영상 채널에서는 직접 만든 영구 기관들에 대해 설명하고 있다. 마찰력이나 설계 상의 오류로 작동이 잘 되지 않는 것들도 있지만 잘 작동되는 것처럼 보이는 것도 있다. 하지만 무한히 작동하는 것을 본 것도 아닐 뿐더러 영상에서 보이지 않는 기계 장치가 숨어있을 수 있으므로 영구 기관들이 실제로 가능하다고 판단하면 안 된다.

현대판 영구 기관, EmDrive

Em Drive, Radio Frequency Resonant Cavity Thruster은 영국의 과학자 로저 쇼이어 박사가 2001년에 개발한 전자기파 추진기이다. Em Drive와 기존의 엔진의 가장 큰 차이는 Em Drive는 추진체가 필요없다는 것이다. 일반적인 엔진, 예를 들어 로켓 엔진이라면 연료를 연소시킬 때 나오는 배기가스를 빠른 속도로 내뿜어 로켓을 가속하게 된다. 최근 개발하고 있는 이온 엔진이나 플라즈마 엔진의 경우에도 무언가를 진행 방향과 반대 방향으로 뿜어내는데 이는 운동량 보존의 법칙때문이다.

운동량 보존의 법칙이라는 것은 다양하게 해석될 수 있는데 그 중 하나는 외력의 합이 0인 한 계의 질량 중심의 속도가 일정하다는 것이다. 예를 들어, 빙판 위에 서서 두 사람이 서로를 밀면 두 사람은 둘 다 뒤로 밀려나게 되는데 그 이유는 두 사람의 질량중심의 속도가 지표면에 대해 일정해야 하기 때문이다. 또한 탄성충돌의 경우, 에너지 보존의 법칙과도 동치이다.

제작자인 로저 쇼이어 박사에 따르면 Em Drive의 대략적인 원리는 양 쪽의 면적이 다른 공간의 내부에 마이크로웨이브를 쏘게 되면 한 쪽으로 면적이 상대적으로 좁은 방향으로 추력이 생긴다는 것이다. 이는 추진체가 없다는 면에서 운동량 보존의 법칙과 에너지 보존의 법칙을 어기게 되므로 처음에는 학계에서 무시되어 오다가 여러 연구진 및 NASA에서 연구되기 시작함에 따라 주목을 받기 시작했다.

처음에는 단순 측정 오류 또는 명성이나 돈을 위한 사기극이라고 생각하였지만 독자적인 연구에서도 비슷한 결과가 나오자 과학계에 새로운 패러다임이 왔다고 하기 시작했다. 하지만 이후 다양한 연구에 의해 열로 인한 질량 중심 이동, 실험기기 간 전자기적 상호작용, 로렌츠 힘 등의 결과를 해석하려는 노력이 계속되었고 결론적으로 지구 자기장과 전선 구리의 상호작용으로 벌어진 현상이라는 것이 밝혀졌다.

그 다음은 뭘까?

영구 기관, Em Drive. 이들의 공통점은 기존 과학을 뒤엎어야 성공한다는 것과 성공하기만 하면 엄청난 명성과 부를 얻을 수 있다는 것이다. 그렇기에 사람들에게 더 사랑을 많이 받을 수 있고 끊임없이 연구되었을 것이다. 과연 그 다음, 희망고문을 하는 기계는 무엇이 될까?

필요한 피직스 2019 봄호

작성자: 19-124 황제욱

분야: 역학

참고문헌:

[1] 네이버 지식백과 - 살아있는 과학 교과서 - [과학 속의 역사, 역사 속의 과학] 영구 기관을 만들 수 있을까?

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1524191&cid=47341&categoryId=47341

[2] 네이버 지식백과 - 상위 5%로 가는 물리교실1 - 인류의 꿈, 영구 기관

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3389511&cid=47338&categoryId=47338

[3] zum 학습백과 - 고등셀파 - 영구 기관

http://study.zum.com/book/11554

[4] 한국과학창의재단 - STEAM 교육

https://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:ykKseb5xhxIJ:https://steam.kofac.re.kr/wp-content/plugins/download-attachments/includes/download.php%3Fid%3D1216+&cd=10&hl=ko&ct=clnk&gl=kr&lr=lang_ko%7Clang_en