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역사를 바꾼 원소들

원소와 원소에 얽힌 인류의 역사에 대해 알아봅니다.

올챙이 적을 기억한다- 니켈(Ni) -

아름다운 치아
청동기와 철기를 사용하면서 금속은 다양한 용도로 이용되었다. 많은 금속은 순수한 상태보다 합금일 경우 더 뛰어난 성능을 가졌다. 금속 혼합물인 합금은 금속의 섞인 비율에 따라 원래 금속들과는 완전히 다른 성질을 나타낸다. 합금들 중에는 특정한 모양을 기억하는 ‘형상기억합금’이 있다. 이 합금으로 만든 물체는 모양이 달라져도 일정한 온도 이상이 되면 원래의 모습으로 돌아가는 신기한 성질을 갖고 있다.










치아교정용 보철기 예를 들어 형상기억합금으로 만든 치아 교정용 보철기는 치아에 느슨하게 붙여도 체온에 의해 온도가 올라가면 원래의 형태가 되려는 힘이 생긴다. 이러한 복원력으로 치아를 오랫동안 작용하기 때문에 치아가 점차 교정하려는 형태로 가지런하게 배열되는 것이다.




달 안테나
1969년, 형상기억합금은 아폴로 13호와 함께 달나라에 착륙하였다. 우주선이 지구와의 송신하려면 안테나가 필요했다. 그러나 접시 모양의 파라볼라 안테나가 문제였다. 안테나는 가벼웠지만 펼쳐진 상태의 안테나를 우주선에 싣기에는 너무 컸기 때문이었다.










달 탐사선의 형상기억합금 안테나 (cc) Wikipedia commons(http://wikipedia.org) 이 문제를 해결한 것은 형상기억합금이었다. 높은 온도에서 형상기억합금으로 만든 안테나를 우산처럼 접었다. 아폴로 11호에 의해 달에 설치된 이 안테나는 태양열에 의해 온도가 약 200도까지 순식간에 원래의 접시 모양으로 펼쳐진 것이었다. 우주선에 전기를 공급하는 태양전지판도 형상기억합금 와이어로 묶어서 우주로 쏘아 올린다. 마찬가지로 태양열에 의해 와이어가 풀리면 태양전지판이 펼쳐지는 것이다. 형상기억합금으로 만든 안경테는 휘어지더라도 온도가 올라가면 원래 상태로 복원된다. 형상기억합금은 손상된 신체의 연결부나 골격, 휘어진 등뼈를 펴거나 지지하기도 한다. 또한 자동차를 형상기억합금으로 만든다면 사고로 찌그러져도 걱정할 필요가 없다. 뜨거운 물만 부으면 원상태로 복원할 수 있기 때문이다. 가격이 싼 형상기억합금만 개발된다면 불가능한 상상만은 아닐 것이다.




니티놀
형상기억합금은 어떤 재료로 만들까? 1950년대에 금과 카드뮴 형상기억합금이 발견되었지만 금은 비싸고 카드뮴은 환경에 나쁜 영향을 미치기 때문에 널리 사용되지 않았다. 1963년, 바닷물에서도 녹슬지 않는 잠수함 용 합금을 개발하던 연구원이 니켈-티타늄 합금을 상관에게 보고하고 있었다. 그런데 뜻밖에도 구부러졌던 합금이 똑바로 펴지는 것이었다. 그것은 상관이 물고 있던 담배 파이프의 열 때문이었다. 새로운 형상기억합금이 탄생한 것이었다. 이 합금은 니켈과 티타늄, 그리고 해군 연구소 이름으로부터 ‘니티놀’로 불렸다. 이후 여러 형상기억합금이 발견되었지만, 니티놀의 가장 우수했다. 가장 큰 단점은 티타늄의 가격이었다.










형상기억합금의 상변화 형상기억합금의 비밀은 무엇일까? 대부분의 금속은 힘을 받으면 구부러져 그 상태를 유지한다. 이것은 금속의 특징이자 널리 사용되는 이유이다. 반면에 형상기억합금은 고온에서의 형상을 기억했다가 그 온도가 되면 복원되는 능력을 갖고 있다. 따라서 니티놀 합금은 400~500℃에서 30분 정도 가열하여 특정 형태를 기억시키게 된다. 니티놀은 고온에서 오스테나이트 상을 갖는다. 이것은 온도가 낮아지면 쉽게 변형되는 마르텐사이트 상이 된다. 그러나 이것에 열을 가하면 구조는 다시 오스테나이트 상, 즉 원래의 형태로 복원되는 것이다.




수소저장합금
현재 가장 많이 사용하는 화석연료는 환경오염과 온실효과와 같은 부정적인 면이 날로 부각되고 있다. 화석연료의 문제점을 해결하기 위해 대체․정정에너지원으로 수력, 풍력, 지열, 태양열, 수소, 식물유연료, 핵융합 등의 에너지원가 개발되고 있다. 그 중에서도 직접 발전이 가능하며, 오염물질이 배출되지 않는 수소에너지가 주목을 받고 있다. 수소 에너지의 가장 큰 문제는 수소 저장법이다. 즉, 수소를 사용하려면 매우 높은 압력으로 매우 낮은 온도에서 액화시켜야 하는 것이다. 그러나 이 경우 폭발할 수 있으며 이를 보관할 저장 용기의 개발이 어렵다. 수소를 안전하게 보관하는 방법은 없을까? 그것은 란탄-니켈 합금과 같은 수소저장합금을 이용하는 것이다. 이 합금에 수소를 접촉시키면 수소 분자는 수소 원자로 분해되면서 금속의 틈새로 끼어 들어간다. 수소의 압력이 높아지면 수소는 계속 틈새로 들어가 합금 원자의 두 배 정도가 흡수된다. 이러한 금속수소화물로 만들면 수소의 부피는 약 1/1,500로 감소하며 액화수소보다 수소를 더 많이 저장할 수 있다. 또한 수소저장합금은 무거운 고압 가스통이나 극저온에서 액화시킬 필요가 없어 안전하기 때문에 수소 자동차의 핵심 기술이다. 그러나 수소저장합금은 무겁고, 수소를 내놓으려면 높은 온도로 가열해야 하는 단점이 있다.










수소저장합금의 원리




아폴로 13과 연료전지
2차 세계대전 이후 풍요를 누리던 미국은 소련이 1957년 무인 우주선 ‘스푸트니크’를 발사하자 충격에 빠졌다. 이를 계기로 미국은 머큐리, 제미니, 아폴로 우주 탐사 계획을 진행시켰다. 1969년 마침내 아폴로 11호가 달에 착륙했으며 암스트롱(1930~)이 역사적인 첫 발걸음을 내디뎠던 것이다. 이후 1972년 아폴로 17호까지 아폴로 13호를 제외한 모두 6회에 걸쳐 달착륙에 성공하였다. 톰 행크스(1956~) 주연의 ‘아폴로 13’은 우주 비행 도중 연료전지용 산소 탱크의 폭발로 맞은 위기를 극복하고 기적적으로 귀환하는 아폴로 13호를 재현한 영화이다. 연료전지란 무엇일까?










연료전지의 원리 1801년, 데이비(1778~1829)는 전기분해로 물을 구성 원소로 분해할 수 있다고 주장했다. 1839년, 그로브(1811~1896)는 물에 전기를 가하여 수소와 산소로 분해하는 것과는, 반대로 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시켰다. 이 원리를 이용한 것이 연료전지이다. 즉 연료인 수소를 연료극에 공급하면 수소의 산화로 전자가 발생한다. 그리고 이 전자는 외부 도선을 통하여 공기극으로 이동하여 산소를 환원시키면서 전기가 흐르는 것이다. 연료전지는 화석연료가 엔진과 터빈을 이용하는 것과 같은 중간과정 없이 연료로 직접 전기를 만들기 때문에 효율이 높다. 또한 엔진이나 터빈이 없어 조용하며 환경친화적이다. 수소와 산소의 반응으로 생긴 열은 난방에 이용할 수 있어 미래의 에너지원으로 손꼽히는 것이다. ‘물로 가는 자동차’는 이러한 연료전지를 이용한 자동차를 말한다. 그런데 실제로는 물을 전기분해하여 생긴 수소를 이용하여 전기를 발생시키려면 더 많은 에너지가 소모되기 때문에 비효율적이다. 그럼에도 불구하고 수소자동차를 연구하는 이유는 무엇일까? 수소자동차는 그 자체로 에너지를 절약하는 것이 아니다. 단지 전지를 이용하여 에너지를 효율적이며 환경친화적으로 저장하는 것이다. 즉, 심야시간 대의 전기로 물을 전기분해하여 얻은 수소를 자동차에 사용하는 것이다. 이것은 양수발전의 원리와 같은 것이다.










연료전지 자동차 구조 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Bbqjunkie 수소자동차에 쓰이는 수소는 주로 물의 전기분해나 탄화수소의 열분해로 얻는다. 탄화수소를 산소가 없는 상태에서 높은 온도로 가열하면 탄소와 수소가 분리되는데 여기서 나오는 수소를 얻는 것이다. 그러나 이 방법도 기본적으로는 탄화수소를 사용하기 때문에 미래 에너지의 수소를 얻는 방법으로 물의 전기분해이다. 간단하게는 알루미늄이나 아연 등을 염산에 녹이면 쉽게 얻을 수 있다.




양수발전
양수발전은 여름처럼 물이 많거나 야간에 풍부한 전력으로 펌프를 가동하여 아래쪽 저수지의 물을 위쪽으로 퍼 올린 후, 물이 부족해지거나 주간처럼 전력이 많이 필요할 때 방수하여 발전한다.










무주 양수발전소 양수발전을 하려면 발전소보다 충분히 높은 곳에 많은 물을 저장할 수 있는 저수지가 필요하다. 자연유량으로 대규모의 발전을 할 수 있는 곳은 대부분 개발되었고, 전력 수요는 날로 증가되기 때문에 양수 발전은 점차 중요해지고 있다. 그러나 양수발전을 위한 저수지를 건설하는데 많은 건설비가 소요된다.




초내열 합금





제트 엔진 / 위키백과(www.wikipedia.org) (cc)danidantje 단단한 철도 1,200 oC에서는 급속히 물러지며 1,539℃에서 녹는다. 따라서 고온의 연소 가스를 이용하는 제트엔진이나 로켓, 열교환기 등은 높은 온도에서도 강도를 유지하는 금속 재료가 필요하였다. 특히 제2차 세계대전 당시 영국과 독일의 제트엔진 개발 경쟁은 초내열 합금의 탄생을 촉진시켰다. 초내열 합금은 항공기 엔진에서 뜨거운 열기를 뿜으며 고속 회전하는 선풍기 날개 모양의 터빈 블레이드의 주재료이다. 이 합금은 니켈에 녹는점이 높은 크롬 등을 첨가하여 만든다. 최근 초내열 합금은 발전기 터빈의 핵심 소재로 사용된다. 왜 그럴까? 지구 온난화와 같은 환경 문제의 주범은 화석연료의 사용이다. 그러나 지속적인 경제성장을 위해서 오히려 사용량이 증가하고 있기 때문에 효율이 높은 발전기가 필요한 것이다. 발전기의 효율은 터빈을 회전시키는 연소 가스의 온도에 의해서 결정된다. 따라서 고속으로 회전하는 터빈의 블레이드는 고온에서 강도를 유지하며 연소 가스에 의해서 부식되지 않아야 한다. 초내열 합금은 환경을 지키는 금속인 것이다.




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