수소의 과거와 미래 (1)

기획·칼럼

수소의 과거와 미래 (1)
[과학기술 넘나들기] 기구와 비행선

2017.11.10 10:09 최성우 과학평론가

수소(Hydrogen; 水素)는 매우 독특한 원소이면서 우주에서 가장 많은 원소이다. 원자번호 1로서 가장 가벼운 원소이고, 두개의 원자로 구성된 수소 분자 역시 가장 분자량이 작고 가벼운 기체이며, 끓는점은 영하 252.9 ℃로 극히 낮다. 지구상에 존재하는 대부분의 수소 원자는 수소기체보다는 물의 형태로서 존재한다.수소는 연소 시 이산화탄소와 같은 지구온난화 가스나 오염물질을 배출하지 않으므로 화석연료를 대체할 수 있는 무공해 에너지자원으로 꼽히기도 한다.

현대 문명의 여러 이기들을 일찍이 예측한 것으로 유명한 프랑스의 SF소설가 쥘 베른은, 1874년에 발표한 자신의 소설 ‘신비의 섬’에 등장하는 인물들의 대화를 통하여, 향후에 인류 문명에 필요한 에너지는 물로부터 추출하는 수소에서 얻는 날이 올 것이라 예언한 바 있다. 수소의 과거와 미래에 대해 알아보는 것도 여러모로 큰 의미가 있을 듯하다.

수소를 처음 발견한 캐번디시. ⓒ Free photo

수소를 처음 발견한 사람은 부유한 귀족 출신이자 사람 만나기를 꺼려한 은둔형 과학자로 알려진 영국의 캐번디시(Henry Cavendish; 1731-1810)이다. 그는 1766년에 수소의 존재를 확인하였으나, 새로운 원소라고 인식하지는 못하였다. 수소의 성질 등을 명확히 밝힌 과학자는 ‘근대 화학의 아버지’라 불리는 프랑스의 라부와지에(Antoine Laurent de Lavoisier; 1743-1794)이다. 그는 물을 분해하여 수소를 얻는 데에 성공하였고, 역으로 수소를 태우면 물이 생성된다는 사실도 밝혀내었다. 수소의 영문명인 Hydrogen은 그리스어로 ‘물(hydro)을 만들어낸다(gennao)’는 데에서 유래한 것이다.

수소를 인류가 사용하기 시작한 것은, 에너지원보다는 운송수단으로서 활용한 것이 먼저였다. 즉 가벼운 기체인 수소를 커다란 구에 넣어서 만든 수소기구가 18세기에 탄생하였다. 다만 인간을 태우고 하늘을 여행할 수 있게 된 최초의 수단인 기구(氣球)는 수소기구 방식보다 뜨거운 연기를 주입하는 열기구가 선보였다. 열기구를 발명한 사람은 제지업자 집안의 몽골피에 형제, 즉 조제프 몽골피에(Joseph Mongolfier; 1740-1810)와 쟈크 몽골피에(Jacques Mongolfier; 1745-1799)이다.

샤를의 수소 기구가 하늘을 나는 모습. ⓒ Free photo

그러나 비슷한 시기에 프랑스의 물리학자 샤를(Jacques Charles; 1746-1823)은 수소기구를 개발하였고, 1783년 12월 수십만의 파리시민이 지켜보는 가운데 샤를 자신이 직접 수소기구를 타고 하늘 높이 올랐다가 무사히 내려오기도 하였다. 열기구와의 경쟁에서 차츰 우위를 점하게 된 수소기구는 1785년 1월 도버해협의 횡단비행에 성공하기도 하였다.

수소기구도 하늘을 날 수는 있었지만 대중적인 교통수단으로 널리 이용되었다고 보기는 어렵고, 본격적인 공중 교통수단의 출발은 비행선이라 볼 수 있다. 커다란 수소기구에 기구에 엔진과 조종장치를 부착한 것이 바로 비행선이며, 최초로 비행선을 제작한 사람은 프랑스의 앙리 지파르(Henri Jacques Giffard; 1825-1882)이다. 그는 1851년에 ‘비행선에 증기를 사용하는 것’이라는 특허를 취득한 후, 길이 44m, 직경 12m의 거대한 유선형 공기주머니에 증기기관과 프로펠러를 탑재한 비행선을 제작하여 1852년 9월 시속 10km 정도의 속도로 비행에 성공하였다.

비행선을 본격적인 교통수단으로 개발한 사람은 독일의 체펠린 백작(Ferdinand Adolf Zeppelin; 1838-1917)이다. 독일군의 장군 출신이었던 그는 제대 후에 비행선 개발에 몰두하여, 독일 공업협회의 후원 아래 비행선 제조회사를 세워서 1900년에 가솔린 엔진과 알루미늄으로 된 프로펠러를 장착한 대형 비행선을 완성하였다. 체펠린은 비행선의 성능을 계속 개량하여 탑승 가능한 승객의 수도 크게 늘려갔고, 그의 사후에 민간여객용 비행선이 더욱 활발히 개발, 보급되었다. 그의 이름을 딴 ‘체펠린 백작호’가 독일의 127번째 비행선으로 1929년에 만들어지기도 하였는데, 길이 235m에 550마력의 엔진을 5개나 장착한 이 초대형 비행선은 65명의 승객을 태우고 평균 시속 110km의 속력으로 세계 일주 비행에 성공하였다.

1930년대까지는 비행선의 시대라고 할 수 있을 만큼 세계 각국의 ‘초대형 럭비공’들이 하늘을 주름잡고 있었으나, 비행선에는 몇 가지 약점이 있었다. 첫째, 덩치가 너무나 크고 바람에도 취약해서 이리저리 떠밀려 가기 쉬웠다. 게다가 크기에 비해 탑승 가능한 승객은 적은 편이었고, 속력도 느리며 보관 및 유지도 쉽지 않았다. 그러나 무엇보다도 위험한 것은, 폭발하기 쉬운 ‘수소’ 가스가 선체에 가득 차 있다는 점이었다.

폭발사고를 일으킨 힌덴부르크호. ⓒ Free photo

1935년에 제작된 독일의 129번째 비행선 ‘힌덴부르크(Hindenburg)호’는 체펠린 백작호보다도 훨씬 큰 초호화 비행선으로서 많은 승객들을 날랐으나, 1937년 5월 미국의 한 공항에서 큰 폭발사고를 일으키고 말았다. 이 사고는 해상에서의 ‘타이타닉호’ 사고에 비견될 만큼 큰 충격을 주었다. 힌덴부르크호는 90여명의 탑승자 중에서 30여명의 사망자를 냈는데, 물론 사망자 수는 1500여명이 희생된 타이타닉호의 경우보다 크게 적었지만 사고의 충격이나 여파는 그에 못지않았다. 이후로 독일에서는 비행선의 제작과 이용이 금지되었고, 결국은 세계적으로도 비행선이 대중적 교통수단에서 퇴출되는 계기가 되었기 때문이다.

물론 비행선에 비해 작고 속력이 빠르며 다른 성능도 우수한 ‘비행기’가 본격적으로 발전한 이후로 하늘의 교통수단을 두고 비행선이 비행기와 경쟁하기는 어려웠겠지만, 결국 수소기체를 활용한 교통수단은 종막을 고한 셈이다. 오늘날에는 수소 대신에 안전한 헬륨가스를 이용하는 비행선이 있기는 하지만, 광고용, 기상관측용 등의 특수한 목적에 쓰일 뿐, 일반 여객용으로는 거의 이용되지 않고 있다.

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