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201708.18

로봇이 좋아할 최고의 에너지는?

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/717

 70년대 당시 어린이들을 사로잡았던 로보트 태권V부터 선가드, 골드런에 이어 최근 또봇, 카봇까지 스토리도 등장인물도 각양각색이지만 ‘로봇’이란 주제는 시대를 막론하고 어린이들을 사로잡는 최고의 소재라는 사실은 변함이 없습니다.

 

 최근에는 만화 뿐 만 아니라 CG의 발달로 마치 현실에 존재하는 듯 생생하게 느껴지는 로봇영화들 덕분에 어린이 뿐 아니라 어른들까지도 로봇의 매력에 푹 빠져있다고 해도 과언이 아닙니다.

 

 이렇게 상상 속에서만 존재하는 거대 로봇들이 실제로도 존재한다면 어떨까요? 모두들 한 번 쯤은 이런 상상을 해보셨을텐데요.

 

 미국, 일본과 같은 나라에서는 실제로도 거대로봇을 제작하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다고 하니, 만화나 영화 속에서 보던 거대 로봇들을 언젠가는 실제로 만날 수 있을 것이라는 기대감이 듭니다.

 

 하지만 사람보다 몇 배, 혹은 수십 배에 달하는 거대한 로봇들이 실제로 존재한다면 이들은 어떤 에너지를 사용해서 움직이게 될까요?

 


가장 흔하게 쓰이는 연료! 석유?

 

 가장 기본적으로는 석유를 생각할 수 있습니다. 인류가 사용하는 가장 대표적인 기계인 자동차가 석유를 사용하듯이 기계의 일종인 로봇의 에너지원으로도 사용할 수 있을 것입니다. 그러나 석유를 사용하기에는 문제점이 몇 가지 있습니다.

 

 

 

 가장 먼저, 효율성 문제입니다. 자동차를 예로 들어보면, 크기, 성능, 도로상태 등 다양한 요건에 따라 달라질 수 있지만 평균적으로 기름을 가득 주유한 자동차의 경우 400~800km 정도를 주행할 수 있습니다. 1리터당 10~15km 정도를 주행할 수 있는 것이죠.

 

 자동차보다 훨씬 큰 비행기의 경우에는 어떨까요? 대표적인 항공기 모델인 보잉747-400의 경우 연료탱크를 가득 채우면 약 216,840리터가 들어갑니다. 이 모델의 경우 최대 13,450km를 날아갈 수 있다고 하니 연비는 0.062km/1L가 됩니다. 최근 기술 발달로 기존보다 연비를 약 20% 가량 낮춘 항공기들이 등장했다고 하나, 크기가 커지고 무게가 무거워질수록 엄청난 연료가 든다는 사실은 변함이 없습니다.

 

 로봇들 중 작은편에 속하는 영화 트랜스포머의 ‘옵티머스 프라임’의 크기가 약7m, 영화 퍼시픽림의 ‘집시 데인저’가 약 80m라고 보았을 때 비행기 이상의 크기에 다양한 기능들을 가지고 있는 로봇의 연비는 상상 이상일 것입니다.

 

 효율성 외에도 석유 자원의 양은 한정적이고, 석유를 사용하는 과정에서 배기가스 배출로 인해 환경에 악영향을 미칠 수 있다는 점도 로봇의 에너지로 석유를 사용하는 것이 적절치 않아 보입니다. 
 

 

충전으로 간편하게? 전기에너지!

 

 석유 대신 배터리를 이용해 전기에너지를 사용하는 건 어떨까요? 자동차 역시 환경오염 등 다양한 문제로 인해 내연기관에서 전기 방식으로 진화하고 있듯 로봇 역시 전기를 사용한다면 장점이 많을 것입니다.

 

 

 

 하지만 배터리 충전을 통해 전기에너지를 사용하는 방식에는 ‘배터리 효율’이라는 중요한 문제가 남아있습니다. 현재 출시되는 전기차는 충전시간 약 30분에 1회 충전으로 150~300km 정도를 이동할 수 있습니다. 하지만 이마저도 고속 운행 시에는 주행 거리가 급격히 감소할 수 있어 배터리 성능을 높이는 것이 전기자동차 업계의 가장 큰 숙제로 남아있습니다.

 

 현재 전기차 업계의 1차적 목표인 배터리 성능 2배 향상을 조만간 이룬다고 할지라도, 일반 자동차 주행거리 수준이기 때문에 현재 기술 수준으로는 로봇을 움직이는 것은 불가능에 가깝습니다. 향후 배터리 성능이 폭발적으로 향상된다고 하더라도, 다양한 활약을 펼쳐야 하는 로봇이 충전량이 정해져있는 배터리로 움직이는 것은 갑작스런 ‘방전’ 등 위험이 뒤따를 수 있습니다. 또한, 아무리 효율이 좋더라도 결국은 시간이 소요되는 ‘충전’을 거쳐야 하는 점도 거대로봇을 운영하는 데 단점이 될 수 있습니다. 


 

로봇 에너지를 위한 마지막 방법?

 

 로봇이 사용하기에 적절한 에너지를 찾는 일이 결코 쉽지 않아 보입니다. 하지만 마지막 방법이 남아있습니다. 바로 로봇에 직접 소형발전소를 장착해 에너지를 직접 생산하는 방식입니다. 인류는 이미 화석연료, 원자력, 최근에는 바람, 물, 태양과 같은 자연 등을 이용하여 인류가 사용할 수 있는 에너지를 생산하고 있습니다.

 

 그 중에서 원자력에너지는 대용량의 전기를 생산할 수 있고 온실가스를 배출하지 않는다는 점에서 로봇의 에너지로 가능성이 높아 보입니다. 게다가 이미 로봇처럼 크기와 무게가 어마어마한 잠수함이나 항공모함 등에 소형원자로를 장착하여 에너지발생원으로 사용하고 있기 때문에 실현 가능성도 높습니다.

 

 그러나 치명적인 단점이 존재합니다. 바로 안전성 문제입니다. 원자력에너지, 즉 핵분열에너지는 사고가 발생하지 않는다면 매우 안정적으로 풍부한 에너지를 공급할 수 있지만 사고가 발생한다면 심각한 방사능 오염문제를 일으킬 수 있으며, 폐기물 처리 문제도 존재합니다. 인류에게 이로운 각종 역할을 수행하게 될 로봇의 에너지로 사용하기에는 아쉬움이 남습니다.

 


로봇과 인류를 위한 최고의 에너지!

 

 그렇다면, 대용량의 전기생산이 가능하며 친환경성과 더불어 안전성까지 고루 갖춘 에너지는 없을까요?

 

 

 

 힌트는 태양 속에 있습니다. 태양은 이미 무한하고 청정한 에너지를 만들어내고 있기 때문입니다. 수소 기체 덩어리인 태양 내부에는 고온과 고압의 환경 속에서 수소핵 두 개가 서로 부딪치는 핵융합 반응이 끊임없이 일어나고 있는데, 이 과정에서 엄청난 에너지가 발생합니다. 

 

 지구에서도 이미 태양과 유사한 환경을 만들어 태양처럼 무한하고 청정한 에너지를 만들어내기 위한 ‘인공태양’ 연구가 진행되고 있습니다. ‘인공태양’ 장치인 핵융합로는 중수소와 삼중수소를 이용하여 핵융합 반응을 일으킵니다. 핵융합 연료 1g은 석유 8톤에 해당하는 에너지를 만들 수 있을 정도로 효율이 높고, 온실가스도 배출하지 않는 청정한 에너지입니다.

 

 또한, 안전성 측면에서도 뛰어납니다. 핵융합 반응을 일으키는 핵융합로의 경우 연료 주입을 중단하거나 핵융합로를 가동시키는 전기를 차단하는 것만으로도 핵융합 반응을 즉시 멈출 수 있습니다. 고준위방사성폐기물도 발생시키지 않아 후처리 역시 용이합니다.

 

 로봇에 소형 핵융합로를 장착해 에너지를 생산할 수 있다면, 적은 연료량으로도 많은 에너지를 생산할 수 있어 전체 무게를 줄일 수 있고 에너지를 필요한 만큼 생산할 수 있기 때문에 에너지가 갑자기 고갈되는 일도 없을 것입니다.

 

 ‘핵융합에너지’에도 물론 단점은 존재합니다. 아직 핵융합에너지 상용화까지 기다림이 필요하다는 것입니다. 실제 핵융합 반응을 통해 전기 생산을 실증할 수 있게 되는 것은 약 2040년대가 될 것으로 예상됩니다. 하지만 이는 대형 발전소 건설을 위한 연구로 로봇에 탑재할 수 있는 작은 핵융합로를 만들기까지는 더 오랜 시간이 필요할 것입니다. 

 

 핵융합에너지는 로봇을 위한 최고의 에너지원가 될 것으로 기대되기도 하지만, 상용화가 된다면 무엇보다 인류가 당면한 에너지 고갈, 환경오염 문제를 근본적으로 해결해 줄 인류 전체를 위한 최고의 에너지가 될 것입니다. 

 

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