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번개를 전기에너지 

사용할 수 있을까?



EBS 어린이 프로그램 모여라 딩동댕번개맨을 아시나요? 그에게는 남에게 없는 특별한 능력이 하나 있는데요. 바로 번개 파워를 가지고 있다는 점입니다. 악한 행동의 벌로 번개 파워를 맞은 악당들은 하나같이 감전된모습을 보이는데요. 이를 통해 번개가 전기 에너지의 특징을 띠고 있다는 사실을 알 수 있어요.


 



최근 물, 햇빛(태양열)을 전기 에너지로 전환해 사용하는 대체 에너지가 주목받고 있는데요. 그렇다면 번개도 이들처럼 전기 에너지로 쓰일 수 있을까요?

 



번개의 발생 원리는?


 

▲ 구름 속 전하들의 싸움, 번개


 

 

번개는 비가 올 때 그 모습을 드러냅니다. 비구름은 작은 물방울과 얼음 알갱이로 형성되는데요. 이 중 작은 것은 전기적으로 음(-) 전하(電荷), 큰 것은 양(+) 전하를 띠어요. 이들이 서로 끌어당기거나 충돌하면서 전기 에너지가 방출되죠. 이렇게 전기가 방출되는 현상을 우리가 번개라고 부른답니다.




 

▲ 구름과 구름 사이에서 발생하는 '번개' (좌) / 구름과 땅 사이에 발생하는 '벼락' 

 



그렇다면 번개는 벼락과 어떤 차이가 있을까요? 번개와 벼락 사이의 차이는 바로 발생하는 형태에 있습니다. 구름과 구름 사이에서 발생하는 불꽃 현상번개라 칭하고, 구름과 땅 사이에 발생하는 불꽃벼락이라 부른답니다. 발생 형태에만 차이가 있을 뿐, 벼락 역시 번개와 같은 전기 에너지의 특징을 띠고 있습니다.

 



번개의 엄청난 에너지



번개(혹은 벼락)가 공급하는 전력량은 얼마나 될까요? 번개는 광속(빛의 속도)의 10분의 1 정도로 빠르며 벼락이 지나간 주변 온도는 27000도로 태양 표면 온도의 4배나 된답니다. 또 전압은 1~10억 볼트, 전류는 수만 암페어에 이르지요



실제로 번개가 한 번 내리칠 때 발생하는 전기 에너지는 100W 짜리 전구 10만 개를 약 1시간 동안 켤 수 있는 전력량(1시간당 1kWh)과 같습니다. 굉장히 훌륭한 에너지 자원이죠하지만 이러한 번개를 전기 에너지로 사용하기에는 몇 가지 제약이 존재합니다



첫 번째, 번개는 빠르게 사라지기 때문에 꾸준한 전력 생산이 불가능합니다. 실제 번개의 지속 시간은 최대 100분의 1초 정도로 매우 짧답니다. 인간이 세운 발전소를 대체하려면 1분에 한번 이상은 벼락이 쳐야해요



두 번째, 번개 에너지를 붙잡아서 저장하기가 어렵습니다. 번개 에너지를 온전하게 잡기 위해선 전기저항이 0에 가까운 초전도 저장 장치가 필요한데요. 하지만 이런 저장 장치는 아직 생산이 불가능하답니다



마지막으로, 벼락이 칠 위치를 예측하기 어렵다는 점입니다. 벼락이 일정한 장소에 쳐야 그 곳에 발전소를 세울 수 있는데, 최신 기상 기술로도 장소 예측이 불가능하죠.

 



그럼에도 시도는 계속된다


번개가 지닌 엄청난 에너지를 저장활용하기 위한 노력은 전세계적으로 계속되고 있습니다국내 UNIST(울산과학기술원) 백정민-양창덕 교수 공동 연구팀도 번개의 원리를 이용해 전기를 생산하는 마찰전기 발전기를 개발했어요. 이 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴(Science Advances)'지에 실리기도 했는데요.




▲ 출처 : 유니스트 홈페이지

 

 


마찰전기 발전기는 구름 안에서 수증기 분자가 얼음 결정과 마찰하면서 전하가 분리되고 축적된 이후 엄청난 에너지가 방출된다는 원리에서 힌트를 얻어 탄생했습니다수증기 분자와 얼음처럼 서로 마찰할 수 있는 신소재를 개발이 신소재로 마찰 전기 발전기 시스템을 구성한거죠

 


마찰전기 발전기는 두 물체가 스칠 때 만들어지는 전하 불균형을 이용해서 전기를 생산한답니다. 서로 다른 물체가 접촉하면, 각 물체에 있는 음전하와 양전하가 이동하는데요. 이 때문에 두 물체가 분리될 때 각 물체에 전하 불균형이 생겨요. 이런 불균형으로 인해 전자가 이동하며 이런 움직임이 바로 전류랍니다. 마찰전기 발전기는 이 전류를 수확하는 장치고요. 






▲ Science Advances 지에 실린 연구 결과. 

출처 Science Advances 홈페이지





해당 발전기는 양전하를 모으는 '금속 전극'과 음전하를 모으는 '고분자 유전체'로 이뤄져있는데요. 연구팀은 유전체로 쓰이는 고분자의 특성을 변화시켜 전기 출력 효율을 20배 이상 높이는 방법을 찾아냈답니다. 하지만 현재 마찰 전기 발전기를 통해 만들어지는 전력은 스마트폰과 스마트 시계의 배터리를 충전할 수 있는 정도의 적은 양이라고 하는군요.



 

지금 이 순간에도 다양한 에너지 자원을 전기 에너지로 전환하려는 노력은 계속되고 있습니다. 미래에는 기술이 발전해서 번개 에너지를 고품질 청정 에너지 자원으로 사용할 수 있게 되기를 바랍니다.

 

 

 

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  • 번개맨 2018.07.23 09:55 신고
    번개를 전기에너지로 전환할 수 있다면 얼마나 좋을까요? 그야말로 친환경에너지네요.ㅎㅎ 먼지 않은 미래에 이런 기술이 개발되면 좋겠어요!!
  • 이진호 2019.03.08 16:39 신고
    와우 이런 기술이 혹시나 있을까해서 검색해보다 개발이 되고있었네요 좋은 글 보고 갑니다