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생명의 근원 ‘태양에너지의 원리’

  • 2015.09.21.
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20150921_한수원_태양에너지_01

 

혹시 여러분은 지구에서 살아가는데 있어 가장 중요한 게 무엇이라고 생각하시나요?

돈, 전기, 식량 등 현재를 살아가기 위해서 필요한 것만을 생각하기 쉽습니다.
하지만 지구에서 생명체가 살아갈 수 있도록 순환시켜주는 에너지가 있습니다.

바로 태양에너지입니다. 오늘은 생명의 근원인 태양에너지에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

◆ 생명의 근원인 태양에너지

태양은 지구에 사는 생명체에게 필요한 에너지를 제공하는 근원입니다. 땅 속이나 깊은 심해에 사는 소수 생명체를 제외하고 지표 근처에 사는 대부분의 생명체는 태양에너지를 이용해서 살아가고 있습니다.

식물은 광합성과정을 통해서 태양에너지를 다른 형태의 에너지인 영양소로 바꾸어 사용하며 뿌리나 줄기 잎, 그리고 열매등에 저장하게 되죠.

그런 식물을 초식동물이 먹고 육식동물은 그 초식동물을 먹이로 잡아먹고 살아가고 있습니다. 결국 지구에 사는 모든 생물들은 태양에너지를 기반하여 살아가게 되는 것입니다.

 

20150921_한수원_태양에너지_02

 

◆ 에너지를 발산하는 태양

지금 태양의 나이가 대략 50억 년 정도인데 총 수명이 100억 년 정도 될 것으로 추정되므로 사람과 비교하면 인생의 반 정도를 산 젊은 시절을 보내고 있는 별입니다.

태양은 현재 초당 약 3.9×1028J에 해당하는 에너지를 생산하는데 이는 핵폭탄 약 천조(1015)개에 해당하는 에너지입니다. 만약 이런 엄청난 에너지를 내는 태양이 어느 날 빛을 잃는다는 것은상상만 해도 끔찍하지만 만약 그런 일이 일어난다면 지구의 모든 생명체는 멸종하고 말 것입니다.

그러나 약 50억 년 후에는 그런 일이 일어나게 된다고 합니다. 그때 태양은 빛을 잃고 수명을 다해 죽은 별이 될 것이기 때문입니다.

태양은 태양계의 모든 천체들 중 스스로 빛과 열을 만들어내는 유일한 별입니다. 약 50억 년 전 우리은하의 귀퉁이인 나선팔의 한 구석에는 그전에 살았던 어떤 별이 폭발한 잔해이자 가스덩어리로 이루어진 성운이 존재했을 것입니다.

이 성운은 주로 수소로 이루어져 있었으며 더불어 현재 태양계를 구성하고 있는 물질들인 다양한 원소들로 구성되어 있었다. 그 성운은 중력에 의해 서서히 서로 뭉쳐지고 커졌으며회전하기 시작했고, 성운이 수축하면서 낮아진 위치에너지가 열에너지로 바뀌어 내부의 온도는 점점 상승하여 수소가스 덩어리는 희미한 빛을 내기 시작했을 것입니다.

이런 상태의 별을 원시성이라고 하는데 이 원시성의 온도가 약 1억도 가까이 되면 내부에서 수소핵융합반응이 일어나기 시작했을 것입니다. 이때부터 우리가 알고 있는 태양의 모습을 갖추기 시작했습니다.

 

◆ 수소의 핵융합반응

핵융합반응이란 가벼운 원소의 핵이합쳐져무거운 원소의 핵을 만드는 반응입니다. 수소핵융합반응은 2개의 수소가 모여 하나의 헬륨으로 바뀌는 과정인데 2개의 수소의 원자량은 4.0312인데 반해 생성된 헬륨 1개의 원자량은 4.0026입니다.

즉 2개의 수소의 원자량에 비해 1개의 헬륨의 원자량이 0.0286만큼 적어진 것인데 질량으로 바꾸어보면 5.02×10-26g이 줄어들게 되는것입니다. 줄어든 이 물질은 어디로 갔을까요?

줄어든 질량은아인슈타인의 특수 상대성 이론인 E = mc2에 의해 에너지로 전환되게 됩니다. 즉 줄어든 질량에 빛의 속도의 제곱 값을 곱한 만큼의 에너지가 생성되는 것인데요. 이 결과 태양을 비롯한 별들이 엄청난 열과 빛을 내는 에너지를 만들어내게 됩니다.

현재 태양의 표면온도는 약 6,000K도이고 내부는 1,600만K도로 이 모든 에너지가 수소핵융합과정에 의해 만들어지게 됩니다. 태양의 지름은 약 139만km로 지구지름의 109배, 부피는 지구의 130만 배 정도이며, 질량은 약 2×1030kg으로 지구의 33만 배 정도이니 엄청난양의 에너지를 만들 수 있는것이죠.

 

20150921_한수원_태양에너지_03

 

◆ 핵융합에너지를 직접 만들다

아직은 50억 년이나 남은 태양을 벌써부터 걱정할 필요는 없지만 태양에너지와 같은 원리로 에너지를 얻을 수 있는 기술개발이 계속되고 있습니다.

그 에너지는 바로 핵융합에너지입니다. 핵융합발전은 아주 작은 ‘인공 태양’을 만들고, 거기서 나오는 에너지로 전기를 생산해 사용하는 것입니다. 또한 핵융합에너지는 꿈의 에너지라고 불리고 있는데요. 그 이유는 지구온난화에 미치는 영향이 거의 없고 사고 위험에도 안전하기 때문입니다.

핵융합에 필요한 원료 또한 거의 무한하다고 볼 수 있는데요. 핵융합의 원료로 중수소나 리튬 등이 필요한데 바닷물 속에서는 중수소가 무한정 들어 있고 리튬도 마찬가지여서 무한 에너지로 쓸 수 있습니다.

욕조 반 분량의 바닷물에서 추출할 수 있는 중수소와 노트북 배터리 하나에 들어가는 리튬의 양만으로도 한 사람이 30년간 쓸 수 있는 전기를 생산할 수 있으니 효율이 엄청난 에너지입니다.

 

오늘은 생명의 근원이 되는 태양에너지에 대해서 알아보았는데요.
아직은 태양에너지가 충분하지만 아주 먼 미래에는 태양에너지의 고갈을 대체할 수 있는 에너지원이 필요할 것입니다.

영화 속 이야기처럼 태양을 찾아 다른 행성으로 이주를 할 수 도 있으며, 아니면 태양에너지를 대체할 무엇인가를 만들 수도 있을 것입니다. 하지만 중요한 건 태양이 우리에게 얼마나 소중한 에너지원인지 다시 한번 생각해보는 게 아닐까요?

 

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