태양 수소 에너지

머리말 / 7
감사의 말 / 9

1부

1. 개요 / 13
2. 오늘날 에너지를 어떻게 얻는가? / 17
3. 파멸의 이야기-환경오염 / 30
4. 온실효과 / 44
5. 산성비의 해로움 / 59
6. 오존층의 구멍 / 71
7. 스모그, 먼지 그리고 암 / 81
8. 핵에너지 학습 / 90
9. 요약 / 105

2부

10. 태양에너지-최고의 답 / 113
11. 태양-수소 결합 / 121
12. 산업 연료 / 130
13. 집을 위한 에너지 / 142
14. 비행기, 기차, 차 그리고 배 / 156
15. 언제? / 173
16. 하지만 이것이 안전한가? / 180
17. 당신이 할 수 있는 일 / 193
18. 가장 근본적인 부분 / 207

1. 개요

갈수록 대중매체와 일상대화를 통해 우리들은 우리들이 제어할 수 없거나 아직 삶을 지배하고 있는 행동들로 인해 환경이 오염되며 망쳐지고 있다는 것을 알게 된다. 예를 들어, 우리들은 세상이 갈수록 온도가 올라가고 있고 북극빙하가 녹음에 따른 해수면 상승에 대한 사실 즉, 온실효과(greenhouse effect)를 들어봤다. 하지만 계속 진행되고 있는 또 다른 것들이 있다. 대량의 열을 주로 함유하는 비는 갈수록 산성화되어가고 있으므로, 물고기들은 강에서 죽어간다. 우리들 주변에 있는 숲들은 죽어가고 있다. 몇몇 빌딩들은 산성비로 인해 부식되어가고 있다. 그리고 인간건강은 늘어나는 환경오염으로 인해 고통받고 있다.
이러한 것들로 인해, 나라들은 공약과 응급조치로서 이러한 문제점을 다루고 있다. 주된 공약은 ‘현상들의 연구’이며, 이 책에 언급되어 있듯이, 이런 문제점들의 원인들은 잘 알려져 있고 몇 년간 연구되어 온 것들이다.
가끔, 다양한 나라들의 최근 발표에 의하면, 교정하는 조치들이 약속된다. 그러므로 황의 양은 연료로부터 줄여나갈 수 있을 것이며, 마을로부터 연기가 멀리 날아가게 하기 위하여 공장 굴뚝은 높게 만들어진다. 그러나 기본적인 문제점은 언급되지 않았다. 우리는 우리가 현재 사용하고 있는 탄소를 함유하고 있는 연료들에서 탄소를 빼낼 필요가 있다, 그리하여 연료들이 이산화탄소를 만들지 않게 하며, 이 가스는 지구온난화를 발생시키는 원인이기 때문이다.
만약 우리가 이런 연료들을 화학 성분들로 생각하면, 그들은 두 원소, 탄소와 수소를 함유하고 있는 분자들로 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 하지만 사실상, 이 두 성분들 중, 수소만 무공해 에너지를 발생시키는데 필요하다. 그 이유는 연료 중 수소가 연소 반응 속에서 (그리고 연소반응은 따뜻함과 다양한 에너지 운송 매개체인 전기를 생산하는 데에 이용된다) 해롭지 않은 증기와 물을 형성하기 위해 산소와 결합하기 때문이다. 그러나 현재 사용하고 있는 화석연료에 탄소(다른 화학 물질과 더불어)가 존재함에 따라서, 연소반응 이후에 배기가스나 굴뚝 공해물질로 나타나고 이산화탄소(CO2)를 방출한다.
여러 해 동안, 공기 중에 많은 양의 이산화탄소가 배출되었다. 이런 이산화탄소는 태양의 열을 가둬놓고 지구의 대기층을 따뜻하게 하는, 즉 온실의 유리창과 같은 역할을 한다. 현재는 그다지 큰 영향을 주지 않지만, 아마 1/2 ℃ 정도, 하지만 시간이 지남에 따라 온도는 올라가게 될 것이다. 최근 여름철 기후는 급격한 온도증가 현상이 발생할 것이라는 것을 보여주고 있고, 현재의 탄소함유연료를 계속 사용하게 된다면 우리들은 미래에 숨 막히게 더운 열 이외에 아무것도 기대할 수 없다. 그래서 이 책을 통해 우리들은 열의 원인에 대해 설명하고, 왜 그리고 어떻게 이것이 발생하며, 교통수단들과 공장들의 동력으로 탄소함유연료를 계속 사용하게 방치한다면 어떠한 현상이 발생할 것인지를 알려줄 것이다. 이 책은 이런 연료를 사용할 필요가 없다는 방법을 보여줌으로써, 즉 다른 탄소가 없는 연료를 사용함으로써, 침울한 시나리오에서 벗어나 밝은 시나리오로 인도해 줄 것이다. 이는 국가적인 차원에서 해결해야 할 문제들이다. 하지만 사람들이 바꿔야할 필요가 있다고 주장해야 추진할 수 있다. 반대론자들은 이러한 변화는 많은 비용을 요구할 것이라고 말하지만 사실상 비싸지 않다. 세계경제 파탄을 방지하기 위해서 새로운 청정 연료를 점차적으로 사용하여야 한다.
이 책의 중요한 부분은 간단하다. 만약 우리들이 탄소함유연료를 계속 사용하게 된다면 열 때문에 질식사할 것이다. 더군다나, 이렇게까지 할 필요도 없다. 광대한 제조업을 위해 탄소가 없는 연료가 준비되어 있고, 사람들은 그런 연료가 생산되어야 한다고 요청하여야 한다. 변화를 일으키는 원동력은 여러분들 손에 달려 있다.

2. 오늘날 에너지를 어떻게 얻는가?
인류의 에너지로 사용되어지기까지 어떠한 특별한 계획이 있지 않았다. 그냥 발생하였다. 에너지 사용이 발전함에 따라, 우리의 개발도 발전하게 되었다. 미개발 사회에서 똥을 모으는 것으로부터 오늘날 사용하는 석유, 천연가스나 석탄을 사용하는 에너지 기술로 발전하였다. 에너지는 우리에게 빛과 열 같은 기본적인 편리함을 주고, 먼 곳까지 공기, 육지, 바다를 통해 여행할 수 있게 해주고, 공장을 만들고 작동하게 하거나, 세탁기나 컴퓨터로부터 전동 칫솔에 이르는 노동력을 절약하는 기기들까지 가능하게 해 주었다. 하지만 에너지 사용이 많아지고 더욱 복잡하게 됨에 따라, 아무도 지구가 해를 입을 것이라는 사실을 알 수 없었다.
이 장을 통해, 어떠한 에너지인지는 간략히 살펴보고 현재 어떻게 에너지를 사용할 것인지를 알아보자. 먼저 에너지를 정의하여 볼 것이다. 이것은 그렇게 쉽지 않다. 마치 도깨비불(a will o??the wisp)을 묘사하려고 노력하는 것과 같다. 꼬집을 수 있는 것이나 무게가 있는 건 아니지만 에너지가 존재한다는 사실은 자연스럽게 안다.
ㆍ예를 들어, 열은 명백한 의미에서 따뜻함을 제공해 주는 근원이기도 하고, 일반적으로 느끼기엔 에너지이다. 열은 물을 끓여 만든 증기로 터빈을 작동시켜 전기를 생산하기도 한다. 그러므로 우리는 열은 에너지라는 걸 알 수 있다.
ㆍ금속을 구부리는 것은 힘들 수 있지만 두 자동차가 부딪칠 땐 금속들이 구부러진다. 이런 충돌은 움직일 때 발생하는 에너지 또는 운동에너지이며 이 힘은 차를 망가뜨릴 수 있을 정도이다.
ㆍ일반적으로 알려진 다른 형태의 에너지로는 저장에너지가 있다. 석탄은 에너지를 저장한 것이다. 그 이유는 공기 중에 있는 산소와 같이 연소시킬 때 열을 제공하여 물을 끓이고 터빈을 돌려서 전기를 생산할 수 있기 때문이다.
현재 3가지 기본적인 에너지의 형태(열, 운동, 저장)가 있다는 것을 알았을 것이다. 하지만 3가지 형태와 관련된 2가지 에너지 형태들이 더 있다. -화학 에너지와 전기 에너지.
ㆍ화학에너지는 석탄에 저장된 에너지이고 화학 반응이 발생하는 곳에서만 방출된다. 예를 들어 석탄과 산소를 현존하는 열과 함께 반응 또는 일반적으로 연소라고 불리는 것들을 들 수 있겠다.
ㆍ전기에너지는 또 다른 형태의 에너지이다. 몇몇 화학반응이 일어날 때 전자들은 방출되고 전류를 발생시킨다. 배터리는 이러한 방법으로 전기를 생산하는 한 종류이다. 전기는 자기장에서 전선 코일을 감아서 생산해 낼 수 있다. 이는 동력의 근원이다. 반대로, 전기에너지는 금속을 자화시킴으로써 자기전동기에 유용하게 이용된다. -예를 들어, 엘리베이터에서처럼.
많은 형태의 에너지가 존재하고 인류사회가 발전함에 따라 에너지를 얻는 방법이나 사용 방법에서도 발전하게 된다. 앞으로 몇몇 장들을 통해 볼 주요 문제들은, 대부분 우리들이 필요로 하는 연료들이 탄소를 함유하고 있다는 것이다.

마력부터 핵력까지
선사시대 사람들은 일을 성취하기 위해 근육의 힘만을 사용했었다. 바퀴가 달린 마차를 끄는 말처럼 가정에서 키우는 동물들은 우리의 근력을 대체해주는 에너지의 초기 중요한 수단이었다. 그래서 우리는 특정한 일을 하기 위한 동력(단위 시간당 에너지)을 말들의 수가 가지는 동력 즉 마력으로 측정하기 시작했다.

뉴커먼 엔진
토마스 뉴커먼은 과거의 마차를 만드는데 힘썼다. 1712년 바로 전에 그는 최초로 실용적인 증기엔진을 만든 발명가이다. 그의 엔진은 석탄으로 보일러를 데워서 증기로 엔진을 구동시키는 단기통 엔진이었고, 채굴장에서 물을 퍼 올렸다. 채굴장 작업자들에게 그의 발명품은 유용할 뿐만 아니라 뒤따르는 모든 증기기관의 선두주자였다.
하지만 그가 간과했던 것은 그의 영특한 발명품과 그 이후에 나온 것들이 이산화탄소를 공기 중으로 방출한다는 것이었다. 수년간, 석탄과 목재 그리고 나중에 석유와 가스가 연소함에 따라 이산화탄소와 그 밖에 다른 화학물질들이 점차적으로 대기 중에 축적되고 세계 인류를 위협하는 온실효과(4장 참조)가 열을 가둬두고 있다.

펌프에서 기차까지
석탄과 목재를 태움으로써 열을 얻는 다는 것은 명백한 사실이지만, 어떻게 한 형태의 에너지인 열이 유용한 에너지, 기계적인 에너지, 어떤 일을 할 수 있는 형태로 전환되는가?
뉴커먼 엔진에서는, 물이 끓을 때까지 가열된 후 수증기는 압력상태에서 피스톤이 들어있는 실린더로 공급된다. 고압상태로 수증기가 실린더에 들어가면 그 순간 빠져 나가려고 하는데 이 방법으로 피스톤을 밀어내고 펌프 축을 구동시킬 것이다. 만약 피스톤이 펌프 대신 바퀴와 연결되었다면 바퀴는 회전했을 것이다. 이게 1814년 조지 스테펜슨이 발명했던 초기 증기기관차 로케트(The Rocket)의 원리이다.