햇볕이 따사롭게 내리쬐는 7월, 본격적인 여름이 찾아왔습니다. 올해 장마는 평년보다 더 길게 이어질 것으로 예상되는데요. 그만큼 천둥·번개가 시시때때로 세상을 놀라게 하는 경우도 적지 않을 것 같습니다. 가만히 번개가 세상을 번쩍번쩍 밝히고 있는 모습을 보다 보면, 번개의 에너지는 실로 어마어마하다는 생각이 듭니다. 실제로 번개의 전압은 1억에서 10억 볼트, 전류는 수만 암페어에 이르는데요. 그렇다면 번개의 에너지를 실생활에서 전기로 이용할 수 있는 방법은 없는 걸까요?

천둥, 번개, 벼락은 어떻게 다를까?

먼저 번개는 구름과 구름, 구름과 지표면 사이에서 공중 전기의 방전이 일어나 만들어진 불꽃을 뜻합니다. 구름 안에는 작은 물방울과 얼음 알갱이가 들어있는데, 이들은 크기에 따라 전기 성질상 음(-)과 양(+)의 전하를 띄는데요. 이들끼리 서로 끌어당기다 충돌하면서 전기가 방출되는데, 이때 하늘에서 전류가 방전되는 현상이 바로 ‘번개’랍니다.

그리고 번개가 치면 순간적으로 온도가 섭씨 3만도 가까이 상승하는데요. 이 열에너지가 주위의 공기를 급격히 가열하고, 이때 공기의 부피가 폭발적으로 팽창해 나는 소리가 바로 천둥입니다. 천둥의 소리 자체는 0.5초로 짧게 일어나지만, 방전로의 길이가 2~14km에 이르므로 귀까지 도달하는 시간에서 차이가 발생합니다. 따라서 천둥의 소리는 길게 들리며, 30km 정도의 범위까지 전해집니다.

벼락은 하늘에서 땅으로 내리치는 번개로, 구름 아래쪽의 음(-)전하가 지상의 양(+)전하와 만나면서 전류가 흐르는 현상입니다. 벼락의 주변 온도는 약 섭씨 2만 7,000도가량 되며, 전압은 최대 10억 볼트가 됩니다. 이 벼락의 전력량은 100와트 전구 10만 개를 1시간 동안 켤 수 있는 전력량에 달하죠. 그렇다면. 벼락의 에너지를 실제 전기로도 사용할 수 있을까요?

벼락, 전력으로 쓸 수 있을까?

쉽게 말하자면, 벼락을 전력으로 바꾸어 생산하는 것은 불가능합니다. 이에는 몇 가지 이유가 있는데요. 첫째로는 번개는 눈 깜짝할 사이에 빠르게 사라지기 때문에, 꾸준한 전력 생산이 불가능하기 때문입니다. 실제 번개의 지속 시간은 100분의 1초 정도로 아주 찰나에 불과하죠. 만일 전력 발전소를 대체하려면 1분에 한 번 이상은 벼락이 쳐야 가능합니다.

두 번째로, 번개를 붙잡는 것이 불가능하기 때문입니다. 번개의 에너지를 오롯이 포획하기 위해서는 전기 저항이 0에 가까운 초전도 저장 장치가 필요하지만, 이런 저장 장치는 아직 개발되지 않았습니다. 마지막으로는 벼락이 칠 위치를 예측하기 어렵기에 발전소를 세우기가 어렵습니다. 만약 벼락이 일정한 장소에 치거나 최신 기상 기술로 벼락이 칠 위치를 예측할 수 있다면 해당하는 곳에 발전소를 세울 수 있겠지만, 이는 현재로서는 불가능한 일입니다.

실제 번개가 어렵다면, ‘인공’ 번개는 어떨까?

여기서 한 가지 의문점이 생기는데요. 만약 자연 현상인 번개를 에너지로 활용하기 어렵다면, 인공으로 만든 번개는 어떨까요? 실제 울산과학기술원(UNIST)의 백정민 교수팀은 지난 2016년 번개의 원리를 이용해 전기를 생산하는 ‘마찰 전기발전기’를 개발한 바 있습니다. 번개 구름에서 전하가 분리되는 원리를 인공적으로 구현, 순간적으로 엄청난 전력을 만들 수 있는 기술을 개발해 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’에 발표하기도 했죠.

▲ 전하 펌프 기반 인공 번개 발전기의 구조도와 모습 (출처:UNIST)

백정민 교수팀은 번개가 만들어질 때 구름에서 벌어지는 현상을 면밀히 분석해 전하가 생성되고, 분리·축적되는 과정을 통해 ‘전하 펌프’라는 새로운 개념을 고안했는데요. 이는 수증기 분자와 얼음처럼 마찰시킬 신소재를 만들고 3층 구조의 마찰·전기 발전기를 만든 것이랍니다. 이 시스템은 외부 전하까지도 마찰 전기 발전기로 퍼 올릴 수 있어 전력 생산 효율을 높일 수 있습니다. 연구진은 인공 번개 발전기로 스마트폰과 스마트워치에 있는 배터리를 충전할 수 있는 사실을 확인했습니다.

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신비로운 과학 이론이 섞인 자연 현상을 접목하여,
모두에게 도움이 될 만한 새 기술을 탄생시킨 인류.
이러한 기술의 발명이 켜켜이 쌓인다면,
세상은 눈부신 발전을 이룩할 수 있을 것입니다.

한국에너지기술연구원도 미래를 밝힐 새로운 에너지의 발견을 위해 앞장서겠습니다.

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[참고 자료]

https://news.unist.ac.kr/kor/20161006-01/

http://newsteacher.chosun.com/site/data/html_dir/2017/08/08/2017080800322.html

https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1251217&cid=40942&categoryId=32240