일상생활에 물과 공기처럼 밀접하게 전기(電氣)와 전자(電子)를 사용하면서도 그 뜻을 제대로 알지 못하고 쓴다. 그런데 전기란 대단한 발견이다. 하느님이 감추어 둔 보물을 찾아낸 것이다. 전기가 없는 세상을 생각하면 끔찍하다. 아직도 화석연료로 발전을 많이 하지만 봄인데도 공기가 그다지 나쁘지 않은 것은 전기차로 매연이 줄어들어서다. 중국에서 불어오는 매연도 확실히 줄어든 것 같다. 석탄 냄새로 끔찍하던 북경의 겨울이 사라진 것도 전기 때문이다. 발전도 좋지만 축전이 또 기술이다. 김장하듯, 물통을 들고 다니듯 전기를 저장하는 축전기술로 이동하면서 계속 전기나 전자를 쓰고 있다. 돈 안들이고 발전을 할 수는 없을까? 피 같은 전기와 전자라서 보통 사람인 내가 겉핥기라도 알아보려는 것이다.

순물질을 구성하는 입자(粒子)를 원자(原子)라고 부른다. 원자는 양성자와 중성자를 가진 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 구성되어 있다. 원소(元素; element)는 화학적 방법으로 더 작은 순물질로 분리할 수 없는 물질이다. 원소는 모든 물질을 구성하는 기본적 요소로, 원자핵 내의 양성자 수와 원자 번호가 같다. 중성 원자의 양성자 개수와 전자의 개수는 같다. 이제까지 원소는 118종이 알려져 있다. 두 개 이상의 원자가 공유 결합에 의해 일정한 형태로 결합한 것을 분자(分子)라고 한다. 원소 그 자체(He, Ne, Ar 등)가 독립된 입자로 행동하는 경우에는 분자가 될 수 있다. 그러니 일반적으로 분자는 원자보다는 크다.

우주의 역사와 함께 원소도 탄생했다. 빅뱅(big bang) 발생 1초 만에 수소가, 3분 후에 헬륨이 만들어졌다. 태양은 수소 92%와 헬륨 8%로 되어 있다. 1번, 수소부터 26번, 철까지의 원소는 항성 속에서 핵융합으로 만들어졌고, 철보다 무거운 원소는 초신성 폭발과 인공 원소 합성으로 만들어졌단다. 신기하기만 하다. 이러한 원소들이 우리 삶을 놀랍게 바꾸고 있다. 그 중에 자석이라는 것이 요상한 물건이다. 철이 산화해서 된 것이지만 자철광이 자력(磁力)을 갖기에 이를 이용하여 전기를 만들게 된다.

모든 물질은 원자로 구성되어 있으며 원자는 원소의 특징을 결정짓는 최소단위로서 원자의 중심에는 (+)전하를 띤 양성자와 전기적으로 중성인 중성자로 구성된 원자핵이 존재하고 원자핵을 중심으로 (-)전하를 띤 아주 가벼운 전자가 주위에서 궤도를 그리며 돌고 있다. 전하(電荷)란 물체가 띠고 있는 정전기(靜電氣)다. 원자핵의 바깥에 있는 전자는 원자핵의 인력(引力)으로부터 쉽게 벗어나 자유로이 이동하기에 자유전자라고 하고 전기가 되는 것이며 또, 전류를 잘 흐르게 한다. 이런 원소로 된 물질이 도체(導體)다. 저항(抵抗)은 전기의 흐름을 제한하여 전류(또는 전압)의 크기를 바꾼다. 저항이 제한하는 것은 전류이지만 결과적으로 저항을 통과하면 전압이 떨어지게 된다. 저항은 자동차의 브레이크나 감속기와 같은 개념이다. 저항이 너무 심하여 전류가 흐를 수 없는 물질이 부도체다. 나무나 유리, 가죽이나 털 같은 것이다.

전기(電氣; Electricity)란 그리스어로 일렉트론(Electron), 즉 호박(琥珀)이라는 보석에서 유래되었단다. 기원전 600년경 탈레스가 호박(琥珀)을 문지르면 털이 달라붙는 현상에서 최초로 발견되었기 때문에 붙여진 이름이란다. 호ː박 (琥珀)은 지질 시대에 수지(樹脂) 따위가 땅속에서 수소·산소·탄소 등과 화합하여 돌처럼 된 광물로 황색이며 거의 투명하고 광택이 나고 마찰하면 전기가 생기는데 절연재나 장식용으로 쓴다. 전기력이 약한 전자들은 언제든 외부의 충격이 있으면 원자 밖으로 빠져나와 무리를 지으면서 한쪽 방향으로 움직이게 되는데 이러한 전자의 흐름으로 전기가 발생한다.

1800년에 볼타가 전기배터리를 만들었고 1821년에 패러데이가 전기모터를 만들었다. 패러데이는 자석으로 전기를 만들 수 있을 것이라고 생각했다. 그리고 실제로 전선을 고리모양으로 감은 후 그 고리에 막대자석을 넣었다 뺐다 하는 실험을 하였는데 그 순간 전기가 흐른다는 것을 발견하였다. 그래서 U자 모양의 말굽자석과 구리원판으로 발전기를 만들었다. 말굽자석 사이에 놓인 구리원판을 돌리면 전기가 만들어졌는데 이것이 발전기의 원리가 된 것이다. 1882년에 에디슨이 뉴욕의 맨해튼에 중앙집중식 발전기를 만들고 1884년에 찰스 파슨스가 증기터빈을 발명한다. 발전을 포함한 산업에는 혁명이 일어났고 대규모 공장에서 만들면 다 팔린다는 세이의 판로법칙이 먹혀들었다. 사람살기가 풍요로워졌다.

 

'양자요동 의한 자기유도증폭 발전시스템', 놀라운 위력

 

서양의 많은 과학자들이 이런 노력을 하는 19세기에 조선왕조는 1800년 7월, 순조가 23대 임금으로 등극하고 바로 천주교를 박해한다. 쇄국이다. 그동안 많은 내란(內亂)과 외세의 침입이 있었다. 1863년 12월에 고종이 조선 제 26대 임금으로 등극하는데 1866년의 제너럴 셔먼호 사건으로 1871년에 신미양요가 발발했다. 양요(洋擾)란 ‘서양(미국) 오랑캐가 쳐들어와 소란을 피운’ 사건이다. 우리가 당한 것이지만 흥선 대원군은 척화비를 세우고 쇄국을 강화한다. 그러다가 또 1875년에 운양호 사건을 겪는다. 1894년에 봉기한 동학 농민 운동을 진압하려고 외세를 끌어들인 청일전쟁에 새우 등이 터지고 만다. 회복하지 못할 정도로 다쳐 아직까지 다 아물지를 못하고 있다. 약하면 먹힌다. 수천 년 역사를 통해 증명됐다. 지금 러시아가 우크라이나를 먹고 있지 않은가?

패러데이가 발전의 원리를 알고 발전기를 만든 이래 그 발전의 원리는 왜 바뀌지 않는 걸까? 다른 방법은 없을까? 최근에 경남대학교의 젊은 학자가 양자역학에서 다루는 중첩의 원리를 이용했다며 발전기를 만들었는데 놀라운 위력을 발휘한다. 하부에 자석 4개를 촘촘히 (중첩되게) 배치하고 그 위에 회전자를 두었는데 원리로는 하부 자석의 N극, S극이 회전자의 N극, S극이 근접할 때마다 밀어주기에 가속회전이 되고 자기부상이 되어 마찰 없이 금세 1만 RPM 정도에 도달하는 것을 보았다. 초기 기동을 위해 한번은 외부에서 힘을 가해야 한다는 점과 회전자에 약간이라도 유도전기를 걸어주어야 할 필요는 있는 모양이다. 발전량이 많고 터빈을 돌릴 에너지가 필요 없어 영구적이라는 점에서 획기적이다.

나는 양자역학의 중첩원리가 무엇인지 잘 모른다. 그렇지만 자석을 중첩하여 촘촘하게 배열한 N극, S극이 회전자를 중첩된 힘으로 밀어주는 것에 착안한 점이 놀랍다. 터빈을 돌리는 에너지를 자력(磁力)으로 대신한 것이다. 그러면 화석에너지도 원자력도 필요 없게 된다. 발전의 틀을 바꾸었다. 송전, 변전, 배전, 축전 등의 문제도 중요하겠지만 일단 발전(發電)이 가장 중요한 일이다. 돈 안 들이고 발전을 한다면 땅 짚고 헤엄치기보다 쉬운 일이렷다. 노다지는 이런 때 쓰는 말이다.