태양 ‘에너지’의 전망

배열된 반사경들이 61‘미터’ 높이의 “동력탑”의 한 초점에 집중되어 있다. 이것은 1,000개의 태양을 능가하는 섭씨 2300도에 달하는 열을 생산할 수 있다.

‘에너지’ 부족 시대에, 지상의 모든 거민에게 그 풍족한 빛과 온기를 내리쬐는, 무진장한 ‘에너지’원인 태양이 간과될 수는 없다. 그것은 지구에 안락한 평균 기온을 유지시켜 준다. 그리고 식물의 성장뿐 아니라 모든 생물에게 필요한 ‘에너지’를 공급해 준다. 이러한 유익이 너무나 확실하기 때문에 많은 사람들은 그것을 당연한 일로 받아 들이고 있다.

그러나 우리는 태양의 복사열을 직접적으로 유용할 수 없기 때문에 다른 많은 용도를 위해 다른 ‘에너지’ 형태에 의존하지 않을 수 없었다. 만일 다른 ‘에너지’ 자원이 줄어들고 고갈된다면, 태양 광선으로 우리의 가정이나 공장들을 따뜻하게 하는 것이 가능할 것인가? 태양 광선을 다른 형태로 변화시켜서 가정의 전등 ‘모우터’ 및 ‘라디오’와 ‘텔레비젼’을 위한 전기를 생산할 수 있을 것인가? 우리의 자동차나 비행기에 연료를 공급하기 위해 태양 ‘에너지’를 ‘탱크’에 보존할 수 있을 것인가?

이러한 가능성들이 지금 신중히 고려되고 있다. 많은 실험실에서 과학자들은 태양 ‘에너지’를 이용할 여러가지 방도에 대한 기본적인 연구를 하고 있다. 충분한 개발 가능성이 있음에는 의문의 여지가 없다. ‘아리조나’ 주에 있는 단 26‘킬로미터’ 평방의 지역에 내리쬐는 태양 복사열은 미국 내의 모든 전력 발전소에서 생산해 내는 ‘에너지’량과 맞먹는다. 그렇다면 무엇이 문제인가?

우리가 직면하고 있는 첫 번째 문제는 태양 광선이 원래 확산되는 성질이 있다는 것이다. 한정된 크기의 집광기는 비교적 적은 양의 ‘에너지’ 만을 흡수한다. 그러나 심지어 이러한 확산력도 어떤 용도를 위해서는 충분하다. 태양 광선을 받아들이게 설계된 건물은 난방용으로 필요한 많은 양의 연료를 보존할 만큼 충분한 열을 얻을 수 있다. 물 역시 목욕을 하고, 설겆이를 하고, 세탁을 하기에 충분한 만큼 지붕에 있는 ‘탱크’에서 가열시킬 수 있다.

태양 ‘에너지’에 대한 또 다른 천연적인 한계는 우리가 그것을 사용하고 싶을 때 항상 그곳에 있지 않다는 점이다. 그것은 해가 지면 꺼지고, 구름 역시 태양 동력을 차단시킨다. 태양 광선의 강도, 낮 시간의 길이 및 구름낀 날의 수는 위도와 계절에 따라 모두 다르다. 다목적용으로, 태양력을 선택할 것이냐 하는 것은 밤이나 흐린 날씨에도 그 동력을 사용할 수 있도록, 태양이 비취고 있는 동안 ‘에너지’를 저장해 두는 방법에 달려 있다.

태양 ‘에너지’를 저장할 수 있는 한 가지 간단한 방법은 낮 동안 물을 데워서 밤에 사용할 수 있도록 절연된 ‘탱크’ 속에 보관해 두는 것이다. 그 뜨거운 물은 난방용으로 ‘라디에이터’를 통해 회전 될 수 있을 것이다. 나쁜 일기 동안, 이 장치는 다른 ‘에너지’원으로부터 보충을 받도록 해야 할 것이다. 그러나 보조 난방 장치로서, 이미 태양 ‘에너지’는 ‘가스’나 전기 소모를 줄이기 위해 사용되고 있다.

이러한 초보적인 이용을 넘어서면 태양열 사용 방법이 더욱 복잡하다. 태양 광선을 집중시킴으로 훨씬 더 높은 온도를 얻는 것이 가능하다. 태양 광선의 초점을 확대경으로 종이 위에 집중시키면, 그을다가 마침내는 불길로 옮겨 붙는 시험을 해보지 않은 사람이 누구이겠는가? 바로 이 원리가, 대규모적으로 응용된다. 즉 휘어진 반사경을 사용하여 태양 광선을 작은 지역의 눈부신 백열점에 집중시켜 가장 강한 내화성 물질을 녹이기에 충분한 열을 생산하는 것이다. 남부 ‘프랑스’에 있는 이런 태양로(爐)에서, 초점에 장치된 한 ‘보일러’는 전국 동력계에 공급되는 전기를 발전시키기 위해서 사용되고 있다. 그 제조업자는 1,000‘킬로와트’ 용량을 지닌 태양력 발전소를 판매하겠다고 한다.

이러한 종류의 보다 정교한 장치가 대규모 동력 발전소의 경제성을 타진하기 위해서 ‘뉴우멕시코’의 ‘알부커쿠’ 부근에 건축되고 있다. 배열된 반사경들이 61‘미터’ 높이의 “동력 탑”의 한 초점에 집중되어 있다. 각 반사경은 1.2‘미터’ 평방의 크기이고, 그 중 25개는 “일광 반사 장치”에 정방형으로 장치되어 있다. 태양이 이동함에 따라 일광 반사 장치 역시 태양의 운동에 따라 표적에 그 빛을 계속 반사할 수 있도록 동시에 기울여지도록 되어 있다. 그 탑 북쪽의 삼각 지면 위에 222개의 일광 반사 장치가 설치되어 있다. 한 대의 ‘컴퓨우터’가 그 거리와 방향에 따라 각 장치를 개별적으로 조종한다.

그것들이 탑으로 초점이 모아지게 되면, 0.8‘헥타아르’에 내리쬐는 모든 광선은 약 0.5평방 ‘미터’ 지점 위로 집중된다. 1000개 이상의 태양을 합친 것보다 강한 열로서 섭씨 2,300도에 달한다. 이른 시험에서, 일광 반사의 장치의 빛살은 순식간에 강철판을 녹여 구멍을 뚫었다.

동력탑의 급수 ‘보일러’에 대한 시험이 행해진 후에, ‘캘리포오니아’ 주, ‘바스토우’에 10,000‘킬로 와트’ 용량의 태양력 발전소가 건립될 계획이다. 거기에서, 이르면 아마도 1981년까지는 남부 ‘캘리포오니아’에 있는 동력 ‘그리드’로 연결될 수 있을 것이다.

태양 광선으로부터 전기를 얻는 방법

한편으로, 다른 과학자들은 태양 광선을 직접 전기로 전환시키는 일을 장기간의 목표로 삼고 노력하고 있다. 그 원리 자체는 새로운 것이 아니다. 이미 우리는 수년 동안 광전기(光電氣) 효과에 근거한 여러 가지 장치들을 사용해 오고 있다. 예를 들어 ‘카메라’의 광전지는 앞에 놓인 장면의 광도에 알맞은 정확한 ‘렌즈’ 개방을 알려 준다. 그 빛은 극소한 전류를 발생시키고 그것은 문자판의 바늘을 움직이게 한다. 유용한 일을 할만큼의 충분한 전류에까지 증가시키는 일은 엄청난 일이지만 커다란 보상이 뒤따른다.

그러면 광전지 내에서 광선이 어떻게 전기를 생산할 수 있는가? 그 비밀은 반도체(半導體) 원소의 사용에 있다. 대부분의 금속의 경우처럼 좋은 전도체는 그 전자가 매우 느슨하게 원자에 부착되어 있다. 전자들은 자유롭게 움직이며 전류를 전달한다. 절연체 내에서, 전자들은 자체 궤도 내에 엄격히 제한되어 있고 유리해서 돌아다닐 수 없다. 반도체가 그 사이에 끼워 있다면, 전자들은 제한돼 있기는 하지만 그리 엄격 하지는 않다. 그래서 조금만 자극을 주어 밀면 그것들은 유리되고 마음대로 움직이게 된다.

순수한 규소는 불량 도체이다. 그러나 약간의 불순물을 띄면 한결 나은 전도체가 된다. 예로서, 비소같은 원소의 형태는 규소가 지니고 있는 네 개의 전자보다 하나 더 많은 다섯 개의 전자를 갖고 있고 결정체에 자유로운 전자를 공급한다. 적은 붕소는 단지 세 개의 외부 전자를 갖고 있기 때문에 불안정 상태를 야기시킨다. 이 행방불명이 된 전자들을 공백이라고 부른다. 인접한 원자로부터 다른 전자들이 그 공백 속으로 쉽사리 뛰어 드는데 그것은 마치 그 공백이 움직이고 있는 것과 같은 효과를 나타내어 양 전류가 흐르게 한다.

첫 번째 종류의 불순한 규소는 ‘n-도우프’ 규소라고 불리운다. 왜냐하면 그것은 여분의 전자(음전기)를 갖고 있기 때문이다. 두번째 종류는 ‘p-도우프’라고 불리우는데 왜냐하면 그것은 여분의 공백(양전기)을 갖고 있기 때문이다. 만일 이 두 종류의 규소를 대면시키면 n-p접면(接面)을 형성한다. 전자는 이 점면을 지나 오직 한 방향으로만 흐른다. 이것이 바로 ‘트랜지스터’의 원리이다. 이것은 과거의 큼직한 진공관을 오늘날의 작은 ‘실리콘 칩’으로 바꾸어 놓았다.

자 이제 각각 한 장의 n과 p의 ‘실리콘’ 둘을 서로 맞붙여 놓았다고 가정해 보자. 이제 우리는 ‘트랜지스터 칩’ 대신에 태양 ‘볼타’ 전지를 갖게 된 것이다. 이것이 태양에 노출되면, 개개 광속 즉 광자에 있는 ‘에너지’는 흡수되고 전자들을 ‘실리콘’ 원자로부터 떼어 놓는 역활을 수행한다. 만일 전지의 두 면이 하나의 회로를 형성하도록 연결된다면, 전자는 n면에서 p면으로 흐르게 될 것이다. 이 전류는 이용할 수 있는 전류이다. 이것이 바로 태양 광선에서 만들어진 전기이다.

태양 광선에 함유된 모든 ‘에너지’가 다 전기로 생성될 수 있는 것은 아니다. 색상에도 빨강부터 보라빛까지의 범위가 있듯이, 광선의 광자에 포함된 ‘에너지’도 1.5에서 3.0전자 ‘볼트’에 이르기까지 다양하다. 그러나 ‘실리콘’ 광선에 있는 전자를 유리시키는데 단지 1.0전자 ‘볼트’ 정도를 필요로 한다. 그러므로 ‘에너지’의 나머지 양은 열로 유실된다. 각 ‘실리콘’ 전지의 이론상 효율 최대량은 약 22‘퍼센트’이다. 실제로 지금까지 만들어진 가장 효율성있는 전지는 약 15‘퍼센트’ 성능을 갖고 있다. 여러 가지 상이한 원소의 반도체를 여러 겹으로 결합시키면 태양 광선 ‘에너지’의 전환은 적어도 50‘퍼센트’가 이루어질 수 있을 것이라고 기대된다.

태양 전지의 응용

태양 전지는 우주선(船)에 동력을 공급하기 위해 사용되었고, 현대 과학 기술에 중요한 요소임이 이미 입증되었다. 태양 전지는 이러한 응용에 이상적으로 적합하다. 행성간을 여행할 때, 그것들은 햇빛에 완전히 전 시간(선회시에는 시간의 절반 이상) 노출된다. 구름도 방해가 되지 않고, 비나 바람도 영향을 주지 않는다. 그 비용은 우주 탐사 예산에 이미 포함되어 있다.

그래서 우리는 화성으로 보내졌던 ‘스카이랩’이나 ‘바이킹’ 호의 그림자에 나타난 가장 인상적인 특징이 그들에게서 뻗어나온 커다란 태양 날개임을 기억한다. 태양 동력 전지는 신뢰할만 하고 내구성이 있음이 입증되었다. 인공 위성 ‘바이킹’ 호에 있는 동력 장치는 화성에 착륙한지 이년이 지났을 때에도 여전히 600‘와트’의 동력을 생산하고 있었다. 이 필요로 하는 작업에서 발휘한 그 성능은 확실히 그 가치를 입증한다. 이렇게 완전성을 보증해 준 태양 전지를 제조하는 데 든 엄청난 비용과 세심한 주의는 ‘바이킹’ 호에서 충분히 발휘되고 보상을 받았다. 그러나 그것들이 지상에서 전력으로서의 경제성을 지니기 위해서는 현재 가격의 20분의 1이하로 그 비용이 줄여져야 할 것이다. 이것은 태양 전력의 전망을 먼 미래로 밀어버린 것으로 보일지 모르지만 우리가 이미 살펴본 반도체 장치의 엄청난 비용의 절약은 보다 빠른 시기에 성공을 볼 것이라는 기대를 갖게 한다. 많은 실험실에서 연구가들은 보다 값싼 태양 ‘에너지’를 만들어 내기 위해 자동적인 과정을 향한 연구를 활발히 추진하고 있다. 열성적인 옹호자들은 2000년까지는 미국이 필요로 하는 ‘에너지’량의 20‘퍼센트’를 태양이 공급할 수 있을 것이라고 주장한다.

태양 전력은 전기를 생산해 내는 많은 다른 방법들과 현저히 다른 하나의 면을 지니고 있다. 그것은 고유한 ‘모듀울라’이다. 즉 생산의 기본 단위가 작은 단일 ‘모듀울’(규격)이다. 보다 많은 동력을 얻기 위해서는, 단순히 보다 많은 ‘모듀울’과 결합시킨다. 증기 발전기의 경우는 그렇지 않다. 석유나 석탄을 태워서 값싼 동력을 만들기 위해서는 거대한 공장이 필요하다. 핵 동력의 경우에도 마찬가지이다. 그리고 핵 융합력의 경우는 더욱 그러하다. 그러나 태양이 생산하는 전기만은 큰 공장에서와 같이 작은 공장에서도 똑같이 값이 저렴할 것을 약속한다.

이것은 자극적인 질문을 일으킨다. 이것이 현 제도에 필수적인 광범위한 전력망을 제거할 수 있을 것인가? 아마도 미래의 동력 공장은 한 사회나 부락에서 보다 많이 계획될 것이며, 심지어는 격리된 개인 주택에 까지도 적합할 것이다. 이러한 생각은 거대한 지역에 심지어는 전국적인 조직을 가지고 전기 생산을 조직한 사람들을 혼란시키고 있다. 현 제도에 쏟은 막대한 투자가 위협을 받는다고 느끼는 산업체의 지도자들이 이러한 급진적인 혁신을 열성적으로 지지할리 없다는 것은 이해할 만하다. 만일 이들이 질질 끌지 않는다면, 태양 동력은 보다 신속히 개발될 수 있을 것이라고 일부 인사들은 주장한다.

직접적인 태양 전기의 기타 유익들은 확실히 우리의 관심을 끈다. 깨끗하고, 소음이 없고, 신뢰할 수 있는 것이다. 교체할 부분이나 닳아서 마멸될 부분이 없다. 사용하기 간편하고 아무런 공해도 일으키지 않는다. 또 나날이 계속되는 태양 광선으로부터 무료로 동력을 공급받을 수 있고 항상 갱신될 수 있다. 당신은 이러한 ‘에너지’원에 대한 전망이 그 주창자들로 태양 동력의 조기 달성을 향해 온갖 노력을 기울이도록 움직일 것으로 보는가?

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‘아리조나’ 주에 있는 단 655평방 ‘킬로미터’의 지역에 내리쬐는 태양 복사열은 미국내의 모든 전력 발전소에서 생산해 내는 ‘에너지’량과 맞먹는다.

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열성적인 옹호자들은 2000년까지는 미국이 필요로 하는 ‘에너지’양의 20‘퍼센트’를 태양이 공급할 수 있을 것이라고 주장한다.

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직접적인 태양 전기의 유익: 공해가 없고, 소음이 없고, 닳아서 없어지지 않고, 나날이 계속되는 태양 광선으로부터 무료로 동력을 공급 받을 수 있고 항상 갱신될 수 있다.

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우주로부터의 태양 동력

전력을 구하는 수단으로 태양을 향하는 엄청난 착상은 모두 과학 공상 영화에서 나왔을 것이다. 총 50평방 ‘킬로미터’에 달하는 지역에 광대하게 배열된 태양 ‘채널’이 우주 가운데 설치될 것이다. 이 ‘에너지’ 수집 정거장은 높이 36,000‘킬로미터’ 궤도에 설치될 것이고, 그곳에서 적도 위의 한 선택된 지점에 고정될 것이다. 생산된 전력은 초단파로 지름이 10‘킬로미터’인 지상의 한 수신 ‘안테나’로 송전될 것이다. 생산된 오백만 ‘킬로와트’는 아마 ‘뉴우요오크’ 시가 사용하기에 충분할 것이다. 이 계획은 지상의 태양열 수집가들에게 명백한 유익이 된다. 우주 동력 공장은 하루 24시간 작동하게 될 것이며, 흐린 날씨도 ‘에너지’ 수집이나 초단파로 ‘에너지’를 송전하는 일에 방해가 되지 않을 것이다.

그러나 그러한 거대한 건축물은 현 우주 과학 기술 시대 내에는 건립되지 않는다. ‘로켓’을 개발하고, 우주 내로 일꾼들과 자제들을 운송하는 데는 수십억 ‘달러’가 소요될 것이다. 그리고 사람들은 빗나가는 초단파가 수신소 부근에 살고 있는 사람들에게 위험이 되지 않을까 두려워하고 있다. 또한, 그것이 ‘이온’ 층과 기후 그리고 ‘라디오’나 ‘텔레비젼’에 어떠한 영향을 미칠 것인가? 천문학자들은 공중에 떠 있는 이러한 물체가 대우주에 대한 그들의 탐구를 영원히 종식시킬지도 모른다고 불평한다. 왜냐하면 이러한 연구는 어두운 하늘을 필요로 하기 때문이다. 공익 사업 집행부는 이 계획을 장려할지 모른다. 왜냐하면 여전히 당신은 그들의 배전 조직에 의존해야 할 것이기 때문이다.

그러나 만일 당신이 밤새 ‘에너지’를 저장할 수만 있다면, 이 복잡하게 설계된 우회로 대신 태양이 당신의 집을 비추고 있는 동안 태양으로부터 직접 태양 동력을 얻기를 좋아할 것이다. 어쨌든 태양 위성이 현실이 될 때까지, 당신은 당신의 지붕 위에 3평방 ‘미터’의 작은 태양 전지를 설치함으로 당신의 가정이 사용하기에 충분한 양의 태양 동력을 얻을 수 있을 것이다.