2022.10. VOL.130
17세기, 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 떨어지는 사과를 보고 만유인력의 법칙을 생각했다. 4세기가 지난 지금, 사람들은 떨어지는 물체를 보고 에너지를 생각한다. 전 세계에 동등하게 존재하며 고갈되지 않는 힘, 중력. 이 힘이 재생 에너지원으로 새롭게 주목받고 있다.
중력(Gravity, 重力)이란, 질량이 있는 모든 물체 사이에 작용하는 만유인력(萬有引力)과 지구 자전에 따른 원심력(遠心力)을 더한 힘을 말한다. 흔히 ‘지구와 물체가 서로를 끌어당기는 힘’으로 정의된다. 중력의 크기는 물체 사이의 거리(높이)와 물체의 질량에 따라 변한다. 바꿔 말하면, 물체는 수직 위치에 따라 중력에 의해 잠재적으로 에너지(위치 에너지)를 갖는다. 또한 중력은 지구 어디에나 존재하고, 고갈되지 않는다는 특징이 있다. 이러한 특징은 재생 에너지원으로서 가능성을 보여준다.
사실 사람들은 오래전부터 중력에 의해 위에서 아래로 떨어지는 물체의 움직임을 에너지원으로 이용해왔다. 대표적인 예가 물레방아다. 조금 더 규모를 키우면, 수력발전이 있다. 물은 중력의 영향으로 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되어 있다. 수력발전은 위치 에너지인 낙차(落差)를 이용해 수차를 회전시키고, 수차와 연결된 발전기에서는 이 힘을 전기 에너지로 전환한다. 또 양수식발전은 높낮이 차이가 나는 두 개의 저수지를 두고, 전력이 필요할 때는 중력을 이용해 물을 아래로 흘려보내고, 전력이 남을 때는 아래쪽 저수지에서 위쪽 저수지로 다시 물을 올려보내는 방식으로 전기를 생산한다,
그러나 앞의 두 발전 방식은 지형적 요건이 갖추어져야 한다는 한계가 있다. 중력은 어디에나 존재하지만, 수력발전이나 양수식발전은 어디에나 존재할 수 없는 이유가 이 때문이다. 따라서 중력의 위치·운동 에너지를 이용하되, 공간 제약이 없는 발전 방식이 계속 연구되고 있다.
그래비티라이트(GravityLight)는 중력이 에너지원이 될 수 있다는 가능성을 더욱더 명확히 보여준다. 그래비티라이트를 만든 사람은 영국의 제품 디자이너 짐 리브스(Jim Reeves)와 마틴 리디포드(Martin Riddiford)다. 이들은 아프리카에 방문했다가 사람들이 등유 램프를 사용하는 것을 보고, “안전하고 환경에도 이로운 등(燈)을 만들자”라는 생각으로 중력 램프를 만들어낸다.
중력 램프의 발전 방식은 다음과 같다. 모터 박스 끝에 달린 고리에 가방을 매단다. 가방에는 돌멩이나 모래를 채워 10kg 정도의 무게가 되게 한다. 고리에 가방을 걸면 당연히 중력에 의해 밑으로 떨어지고, 이때 발생하는 운동 에너지는 전기 에너지로 변환된다. 운동 에너지가 톱니바퀴를 움직일 때마다 0.1와트(W)의 전기를 생산하고, LED 램프에 불을 밝히는 것이다. 주머니가 내려오는 약 20~30분 동안만 전등이 켜지고, 사람이 주머니를 위로 올리는 수고를 해야 하지만, 전기가 없어 어쩔 수 없이 등유 램프를 써야 하는 최빈국에는 귀한 발명품이 아닐 수 없다. 또 등유 램프처럼 연기가 나지 않아서 실내에 설치해도 인체에 무해하다. 덕분에 이 제품은 미국 시사잡지 <타임>이 꼽은 ‘2013년 최고의 발명품 25개’ 중 하나로 이름을 올리기도 했다.
중력을 활용해 에너지를 저장하는 시스템(Energy Storage System, ESS)도 주목할 만하다. 2017년 설립된 스위스 에너지 전문 스타트업 ‘에너지볼트(Energy Vault)’는 대형 콘크리트 블록을 이용한 중력 에너지 발전시스템(중력전지)을 개발했다. 신재생 에너지 산업은 계속 발전하고 있지만, 날씨, 기후 등에 따라 에너지 공급량이 달라진다는 한계를 쉽게 해결하지 못하고 있다. 그러나 해당 시스템에서는 재생 에너지의 잉여 전력과 지상 110m 높이에 설치된 6대의 크레인으로 개당 35톤 무게의 콘크리트 블록을 쌓아 올리고, 에너지 공급이 필요할 때는 블록을 순차적으로 낙하시켜 전력을 공급한다. 양수식 발전과 원리는 비슷하지만, 양수식 발전과 달리 지리적 제한이 적다는 장점이 있다. 블록은 폐기물을 재활용해 만든다는 점에서 친환경적이다. 자국에서 기술 상용화를 마친 에너지볼트는 지난 3월부터 중국 장쑤성 지역에 100MWh 규모의 설비를 건설 중이며, 미국, 캐나다에도 시설을 공급할 예정이다.
러시아-우크라이나 사태로 전 세계가 에너지 안보 문제를 해결하는 데 혈안이 되어 있다. 이번 사태가 아니더라도 인류는 새로운 에너지 자원을 찾아야 한다는 공동의 과제를 안고 있다. 사람을 땅 위에 서고 또 앞으로 나아가게 하는 중력. 훗날 이 힘이 전 세계를 움직이는 중심(中) 에너지가 될지도 모르겠다.
