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에너지 변천사로 보는 인류 문명

《불, 에너지, 재료의 역사-재료공학자가 들려주는 문명 이야기 ①》은 인류가 살기 전부터 지구에 존재했던 ‘물질(재료)’과 ‘불’을 사용할 수 있게 된 인류가 이들을 바탕으로 한 에너지를 어떻게 이용해 나가는지를 이야기한다. 금속공학과 재료공학을 공부했고, 최근에는 한층 다각화된 시선으로 에너지와 발전 등에 관심을 가지고 있는 저자는 인류가 구축해 온 문명과 역사를 살피기 위한 필수 요소로 ‘불’과 ‘온도’에 주목한다. 인류가 만들어 낼 수 있었던 ‘온도’에 따라 문명이 전환되고 발전되었으며 우리가 알고 있는 위대한 역사적 승패가 갈렸다는 점을 설명하는 것이다.
인류는 자신들의 한계를 매번 뛰어넘으면서 사용 가능한 온도를 올리고, 생산 가능한 금속의 범위를 넓혀가면서 끊임없이 노력해왔다. 본서는 인류가 천재지변 등으로 발생한 야생의 불을 모아 화로 속의 불로 보관하고, 이런 식으로 열을 저장하고 사용하는 법을 익히면서 다양한 재료를 만들어 냈고, 전기, 수력과 풍력, 더 나아가 원자력과 같은 새로운 에너지를 만들어 내는 과정을 풀어 냈다. 그러면서 궁극적으로 우리가 어떤 지향점을 갖고 미래의 환경과 공존하는 삶을 살아갈 것인지, 그리고 현재의 발전 양상을 어떤 식으로 변화시키거나 유지할지를 논함으로써 독자들에게 에너지와 재료를 보는 새로운 시각을 일깨워 줄 것이다.

온도, 인류의 역사를 바꾸다

“그 시대 사람들은 그 온도를 어떻게 만들 수 있었나요?

《불, 에너지, 재료의 역사-재료공학자가 들려주는 문명 이야기 ①》은 이렇게 묻는 것으로 시작한다. 서울대학교 재료공학부 교수인 저자 이경우가 오래전 진행했던 제련공학 수업 시간에 한 학생이 던진 질문 한마디는 문명의 발전과 씨줄과 날줄로 얽혀 있는 불, 에너지, 그리고 재료의 역사를 다루는 본서의 본질을 대변한다.
스위치 하나로 원하는 온도를 얻을 수 있는 현대인들은 ‘온도’를 만들고 유지한다는 것이 얼마나 대단한 것인지를 다시 한번 생각해 보아야 한다. 과장이 아니라 인류 역사의 거의 모든 시간이 필요한 ‘온도’를 얻는 데 바쳐졌다. 이런 노력 끝에 얻은 온도의 범위 안에서 당대 사람들의 의식주뿐만이 아니라 사회와 문명 전반이 발전했다. 농사를 짓고 저장할 수 있는 농기구와 토기, 큰 나무를 자를 수 있는 도끼, 집의 외벽을 만들 수 있는 벽돌, 좀 더 효율적인 생활 도구, 외부에서 쳐들어오는 적을 물리칠 수 있는 칼과 대포 등, 전부 일정 이상의 ‘온도’가 있어야 만들어질 수 있었다.

불, 문명의 포문을 열다

우리가 생각하는 태초의 에너지는 ‘불’일 것이다. 불은 인류의 삶에 크나큰 영향을 끼쳤다. 그리스 신화 중 티탄족의 영웅인 프로메테우스는 최고신 제우스의 명령을 어기고 그가 인간한테서 빼앗아 대장장이신 헤파이스토스의 대장간에 숨겨두었던 불을 돌려 주었다. 그 때문에 그가 제우스의 노여움을 사서 매일 독수리한테 간을 쪼이는 형벌을 받았다는 이야기는 유명하다. 언뜻 들었을 땐 제우스의 잔혹한 처사와 프로메테우스가 겪은 끔찍한 고통에 주목하기 마련이지만, 사실 이 이야기의 핵심은 ‘불’이다. 프로메테우스가 훔친 불은 신에게서 몰래 빼돌려서라도 줄 만큼 인류에게 가치가 높은 에너지이며, 티탄이라는 신족(神族)한테서 받았다는 건 인류가 스스로 이것을 손에 넣기까지는 오랜 시간과 그에 상응하는 노력이 필요했다는 뜻이다. 벼락 맞은 나무에 자연적으로 발생한 야생의 불을 나무 막대기에 옮겨붙인 다음 원하는 장소로 이동하여 보존할 수 있는 안전한 화로 속의 불을 만들어 내기까지, 다시 말해 인류가 에너지를 임의로 제어하기까지 생각보다도 훨씬 더 긴 시간이 필요했다. 그리고 이 불을 기반으로 사람들은 자신들의 삶을 윤택하게 할 다양한 재료와 에너지를 만들어냈다.


재료, 인간의 삶을 풍성하게 만들다

열이 에너지가 되기 위해서는 무엇이 필요할까? 어디까지 온도를 올릴 수 있느냐도 중요하지만, ‘일’이 수행되기까지 일정한 ‘온도’를 유지하는 기술이 있어야 비로소 에너지로 사용할 수 있다.
지구상에 존재했던 무수한 물질들은 오랜 세월 동안 지구의 대기 변화나 지각활동에 따라 변화했다. 한참 후에 출현한 인류는 여러 물질 중에서 스스로 다룰 수 있는 재료를 찾아냈는데, 이에 선행되는 조건이 재료를 추출할 수 있는 적정온도를 보유하고 있는가였다. 주변에 있는 재료의 많고 적음보다도 그 재료를 추출할 수 있는 에너지의 수준이 관건이었던 것이다.
우리는 박물관에 가서 유물을 볼 때 유물이 출토된 지역이나 모양을 보고 시대구분을 하는 것을 당연히 여긴다. 하필 왜 이 지역에서 이 재료를 쓴 유물이 그 시기에 만들어질 수 있었는지는 생각하지 않는다. 저자는 과감하게 후자의 시점을 택한다. 이를테면 청동기 유물이 출토된 지역에 특별히 청동의 재료가 많아서가 아니라, 그곳에 살던 사람들이 청동을 주조할 수 있는 '에너지'를 만들어 낼 능력이 있었다고 보는 것이다. 어떤 재료를 자유자재로 다룰 수 있는 특정 ‘온도’를 만들 수 있다는 것 자체가 그 문명의 발전 정도를 알리는 지표인데, 후대의 사람들은 그저 사용된 주재료를 가지고 시대구분을 한 것이다.

에너지, 과거에도 현재에도 우리의 삶을 이끌어가다

우리는 한여름에 얼음을 넣은 차가운 아이스커피를 마신다. 출출하면 실리콘 냄비에 라면을 담아 전자레인지로 끓여 먹는다. 더우면 에어컨을 켜고, 추우면 스위치 하나로 난방을 한다. 일견 공통점이라곤 하나도 없어 보이는 이 상황의 저변에는 인류가 긴 세월에 걸쳐 발전시켜온 다양한 재료와 에너지가 존재한다. 심지어 현재는 당연하게 쓰지만 불과 100년 전까지만 해도 존재하지 않았던 형태의 에너지와 재료가 곳곳에 넘쳐난다. 그리고 그 문명 발전의 구심점에는 인간이 처음으로 손에 넣은 에너지인 ‘불’이 있다. 즉 야생의 불이 에너지로 전환되기까지 인류 역사의 거의 모든 시간이 필요했던 것이다. 이 과정에서 불의 온도가 높아지면서 새로운 재료들이 만들어지고, 문명은 전환되고 발전되었으며, 역사가 바뀌었다. 그러니 스위치 하나로 원하는 온도를 얻을 수 있는 현대인들은 ‘온도’를 만들고 유지한다는 것이 얼마나 대단한 것인지를 다시 한번 생각해 보아야 하지 않을까?
본서를 통해 인류가 만들어 낸 다양한 에너지와 이를 이용해 ‘가공한’ 무수한 재료의 발전사를 살피다 보면 독자들은 인류 문명 발전사를 한층 다양한 시선으로 바라볼 수 있을 것이다.

머리말
프롤로그

1. 불 사용의 시작
인류와 불의 만남
불타는 나무 막대기와 노천불
노천불에서 모닥불로
모닥불을 둘러싼 삶
모닥불 시대의 도구와 재료
전략적인 불의 사용과 자연의 변화
단위

2. 화로에 담긴 불과 재료의 발전
화로로 옮겨진 불
불의 온도
도자기와 불
금속 사용과 불
금속 만들기
금, 은, 납, 수은
구리, 주석, 그리고 청동기 시대
철 그리고 철기 시대
다마스쿠스 칼의 재현이 어려운 이유는?
불의 온도와 재료
석탄 사용과 ‘신’철기 시대
불 전문가
재료와 문명 발전

3. 불에서 에너지로
대포
불과 에너지
증기 기관과 내연 기관의 발명
동서양의 역전

4. 보이지 않는 불 - 전기
전기 현상을 기록한 사람들
전기에 대한 이해와 피뢰침 그리고 전지
전기와 금속 만들기
전기와 일 그리고 불
교류인가 직류인가? 전기를 둘러싼 치열한 전쟁
구리의 귀환
전기가 만드는 세상
20세기 재료와 현대 문명
합성 고분자
실리콘과 반도체

5. 새로운 에너지원의 출현
전기의 등장에 따른 에너지 활용 방법의 변화
전기를 만드는 에너지원
에너지원의 변화와 현황
막대한 에너지는 왜 필요한가?
막대한 에너지 소비에 따라 생기는 문제들
저탄소 에너지원이 확대될 때 일어나는 일
에너지 정책 사례 검토-이탈리아
인류는 에너지 전환을 받아들일 수 있는가?

6. 미래의 에너지원
인류에게 남아 있는 에너지원은?
재생에너지가 전기 생산의 주력이 될 수 있는가?
미래에 사용될 새로운 에너지원은?
지속 가능한 미래를 위한 에너지

참고문헌
부록
감사의 글
찾아보기

학생: “교수님 질문 있습니다. 그 시대 사람들은 어떻게 그 온도를 얻을 수 있었나요?”
교수: “음, 내가 미처 생각해 보지 않았는데, 당시에는 나무 이외의 다른 연료는 없었을 테니 아마도 화로를 잘 만들고 나무를 건조해서 태우면 얻을 수 있었을 것 같네요.”

당시에는 이 질문이 얼마나 중요한 것인지 잘 인식하지 못했다. 나도 높은 온도 실험을 많이 했지만, 온도를 얻기 위해서는 장치에 원하는 온도를 설정하고 전원을 넣으면 되었기 때문에 온도를 어떻게 얻을 수 있는가에 대해서는 별다른 생각을 해 본 적이 없었다. 그런데, 다음 학기 강의를 준비할 때 그 질문이 떠올라서 생각도 해 보고, 자료도 찾아보니 불의 온도는 연료의 종류와 조건, 화로의 구조, 공기를 불어 넣는 방법 등 여러 가지 요인에 의해서 결정되는 것으로 높은 온도를 얻는 것이 그렇게 간단한 문제가 아니었다. 더구나 높은 온도는 사고의 위험도 크기 때문에 불의 온도를 올리는 것이 정말 힘들고 위험한 과정이었다는 것을 새삼 깨닫게 되었다.

-8쪽, 머리말

옛날 옛적에 뱀이 없었고, 전갈도 없었고,
하이에나도 없었고, 사자도 없었고,
들개도 없었고, 늑대도 없었고,
두려움도 없었고, 공포도 없었고,
인간은 적이 없었다.
…
이 시는 우르크 제1왕조 제2대 왕 엔메르카르가 ‘광물’이 풍부한 아라타를 복속시키고 ‘금속’과 ‘돌’을 확보하는 이야기로 구성되어 있는데, 청동기 시대의 이야기를 다룬 것으로 보아 청동기 시대 또는 철기 시대에 쓰인 작품일 것이다. 그럼에도 이때 생각한 유토피아가 맹수의 위협이 없는 곳이라는 것은 역설적으로 그 시기까지도 인류는 강한 동물들을 두려워하고 있
었다는 것을 보여 준다.
불을 사용해서 생태계 정상을 차지하고, 동굴을 점령하고 살면서 그 유적을 남길 수 있었지만, 다른 맹수에게 절대적으로 강한 것이 아니고 언제나 공격에 노출되어 생존이 위협받을 수 있었다. 이를 극복하고 안정적 생존과 번영을 확보하기 위해서는 인류에게 지속적인 기술 개발과 체계적인 집단화가 필요해진다.

-38쪽, 불 사용의 시작 〈모닥불을 둘러싼 삶〉

인류가 불과 도구를 활용하게 되면서 확보할 수 있는 식량이 늘어나고 위생의 향상, 열악한 환경 극복 등이 가능해지면서 인구가 늘어나게 되었을 것이다. 그런데 이렇게 지속적으로 인구가 늘어나면 자연 질서에 따른 수렵과 채집만으로는 식량 공급이 어려워지고, 이를 극복하기 위해서 사람들은 의도적으로 자연환경을 변화시켜 자원을 확보하는 행동을 하게 된다. 그 과정에서 불의 전략적인 활용이 중요해지는데 대표적인 불 활용법은 의도적인 불 지르기를 통해 채집 및 수렵 그리고 토지 정리를 하는 것이다.

-47쪽, 불 사용의 시작 〈전략적인 불의 사용과 자연의 변화〉

과거 금속 가공기술이 다양하지 않았던 시기에 주조는 다양한 모양의 제품을 쉽게 만들 수 있는 방법이었고, 청동은 특히 주조가 잘 되는 금속이었다. 따라서 주석이 많이 들어간 청동은 그 전 단계인 구리-비소 합금보다 뛰어난 재료 성질과 쉬운 제조 및 가공 과정으로 인하여 한 단계 도약한 청동기 무기와 도구를 만들 수 있게 되고 그 덕분에 사회가 급격하게 발전하게 된다.
이러한 액체 청동의 제조와 주조를 통한 청동기 제작은 1000도를 넘은 온도를 확보하면서 가능해질 수 있었다. 1000도가 넘은 온도를 만드는 것은 여러 노력이 있었지만, 특히 두 가지 중요한 개선을 통해서 이루어졌다. 하나는 연료가 나무에서 목탄으로 바뀐 것이다. 물론 이 당시의 목탄 기술은 아직 발전 중이어서 중간 단계 정도였지만, 그래도 나무보다는 높은 온도를 만들 수 있었다. 그리고 연료의 변화와 함께 공기를 불어 넣는 방법이 개선되었다. 본격적인 청동기 시대로 접어들면서 제련로 유적에는 송풍구(tuyere)와 발로 공기를 불어 넣을 수 있는 풀무가 연결된 것으로 보이는 조각들이 나온다.

-87~88쪽, 화로에 담긴 불과 재료의 발전 〈구리, 주석, 그리고 청동기 시대〉


화약과 대포는 인류에게 불의 새로운 역할을 부여한 새로운 혁신의 시작이었다. 앞서 이야기했지만 대포는 불이 만드는 열을 이용해서 포탄을 멀리 날아가게 하는 장치이다. 이렇게 어떤 사물에 힘을 주어 움직이게 만드는 것을 과학에서는 ‘일(work)을 한다’고 표현한다. 그리고 일을 하게 만들 수 있는 능력을 ‘에너지(energy)’라고 표현한다. 그러면 화약이 만든 열은 포탄에게 일을 하도록 만들었기 때문에 에너지의 한 종류인 ‘열에너지’가 된다. 그리고 대포는 열에너지로 일을 할 수 있다는 것을 보여 주는 첫 번째 사례가 되고, 이를 통해서 열과 운동이 연결되어 일을 할 수 있는 새로운 방법이 제시된 것이다.

-125쪽, 불에서 에너지로 〈불과 에너지〉


이처럼 에디슨이 세운 발전소의 또 다른 특징은 증기 기관을 사용해서 발전을 한 것이다. 즉, 불이 전기를 만들기 시작한 것이고 불-운동-전기로 연결되는 새로운 에너지 사용 방법이 정립된다. 뉴욕 발전소는 직류를 만들었고 수요자들은 전구를 밝히기 위해 전기를 사용했지만, 이후 교류 발전소의 건설과 교류 모터의 개발 및 사용에 따라 모터를 통해서 전기가 일을 하
게 된다. 발전소를 통해서 전기가 만들어지고, 모터를 통해서 전기가 일을 할 수 있게 되면서 이제 인류에게는 불을 사용할 수 있는 또 다른 방법이 생기게 되었다.
-139쪽, 보이지 않는 불-전기 〈전기와 일 그리고 불〉

현대 사회는 에너지 소비량 자체가 매우 많다. 2018년 세계의 1차 에너지 공급량은 138억 TOE이다. 여기서 TOE라는 단위는 다양한 에너지원들의 발열 능력을 공통의 단위로 비교하기 위해서 만들어진 것이다. TOE는 Ton of Oil Equivalence의 약자이며, 그 의미는 어떤 에너지의 값을 석유 1톤의 발열량과 비교했을 때의 상대적인 값이어서 석유환산톤이라고 부를 수 있다. 이 값을 계산하기 위해서는 대상이 되는 일정량의 에너지원이 만들어 낼 수 있는 열량 값을 107kcal７로 나누어 주면 된다. 예를 들어서 천연가스 1톤은 1.178×107kcal의 연소열을 내기 때문에 1.178TOE이며, 석탄은 종류에 따라서 편차가 큰데, 연료용으로 사용되는 무연탄 1톤은 0.45~0.58TOE 범위를 갖는다. 따라서 연간 1차 에너지 소비량이 138억TOE라는 것을 단순히 이야기하면 매년 석유 138억 톤에 해당하는 열량을 인류가 쓴다는 의미이다. 이 값은 인구 1인당 1.8톤에 해당하는 막대한 값이다.
이렇게 인류가 막대한 양의 연료를 사용한다는 사실을 알게 되면, 아래와 같은 의문이 들 것이다.
대체 이 막대한 에너지는 어디에 쓰이는가?
이렇게 에너지를 쓰고 있는데 문제가 생기지 않을까?
우리는 앞으로 얼마나 더 이렇게 막대한 에너지를 쓸 수 있는가?

-175~176쪽, 새로운 에너지원의 출현 〈에너지원의 변화와 현황〉