[커버스토리] 세계를 제패할 특별한 무기 ‘공기발전기’

에너지 부족, 에너지 위기... 이젠 문제가 아니다
엔오엔그리드, 국방부 국산화개발 지원사업 과제 선정

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2022/11/14 [13:58]

[커버스토리] 세계를 제패할 특별한 무기 ‘공기발전기’

에너지 부족, 에너지 위기... 이젠 문제가 아니다
엔오엔그리드, 국방부 국산화개발 지원사업 과제 선정

특허뉴스 이성용 기자 | 입력 : 2022/11/14 [13:58]

▲ 출처=freepik  © 특허뉴스


인터스텔라, 마션, 스타트렉 다크니스 등 공상과학 영화는 과학적 내용과 공상적 줄거리를 테마로 제작한 SF 영화이다. 일반적으로 미래가 배경이 되는 SF 영화는 비현실을 사람의 눈 앞에서 실제 일어나는 것처럼 묘사한다. 실제 존재하는 것과 현재는 불가능한 것의 결합으로 두려움을 느끼면서도 그럴듯하다고 가능성을 열어 믿게 한다.

 

만약, 급유 없이 365일 24시간 하늘에 떠 있을 수 있는 비행기가 있다면, 또 하늘에 떠있는 공중주택이 있다면 어떨까? 이에 더해 석유 등 에너지원 공급 없이 자동차가 달리고 기계가 돌아간다고 말하면... 아마도 공상과학 영화를 너무 많이 본 것 아니냐는 비아냥을 들을 수도 있다.

 

그렇다. 급유 없이 떠 있는 비행기, 공중에 떠 있는 공중주택, 에너지원 공급 없이 달리는 자동차 등은 없다. 어떠한 에너지든 공급이 되어야 가능한 일이다. 하지만 간단한 기계장치를 비행기, 주택, 자동차나 기계에 장착하고, 무한 공급되는 공기(air)가 에너지원으로 스스로 전기을 생산해 이를 가능하게 한다면, 더 이상의 무한발전장치나 친환경 에너지 발전장치는 의미가 없을 것이다. 특허뉴스는 세계최초 공기를 에너지원으로 전기를 생산해 친환경 재생에너지를 무한 공급할 수 있는 공기발전기를 개발한 (주)엔오엔그리드 주남식 회장을 만나 공기발전엔진의 원리와 활용범위 등을 집중 조명해 보았다. 

▲ 공기엔진 구조  © 특허뉴스


발전기 원리는 단순하다

 

지금까지 발전기를 돌리기 위해 이용하는 에너지원은 인(人)력, 화력, 수력, 풍력, 원자력 등 다양하다. 이 에너지원을 통해 전기를 만들고, 이 전기는 기계를 돌리고, 자동차를 달리게 한다. 세계 수출 1위인 반도체도 결국 반도체 생산설비를 돌리는 에너지가 없으면 불가능한 일이다. 그만큼 에너지 생산이 중요하다. 최근에는 지구온난화 등으로 에너지 생산에 친환경이 필수가 되고 있다.  

 

원자력, 풍력 등 대부분의 발전장치를 보면 설계도부터 복잡하다. 수많은 부품에 따른 무거운 중량 등으로 발전장치는 대부분 거대하다. 그렇다면 어떤 발전기가 좋은 발전장치일까? 발전기 가치를 평가할 때 크게 5가지를 평가한다. ▲크기는 작을수록 좋고 ▲중량은 가벼울수록 좋다. 또한 ▲제조원가는 저렴할수록 좋고 ▲수명은 길수록 좋고 ▲친환경성을 겸비해 환경에 좋은 영향을 줄수록 좋다. 이러한 발전장치가 흔히 말하는 가성비가 좋다고 평가한다. 평가기준이 있기에 판단하는 기준이 가능하다. 무엇보다 판단의 기준은 누구나 인정해야 할 기준으로 평가해야한다. 때문에 공기발전기가 주목받고 있다. 사실 공기발전기는 원리 자체가 복잡한 게 없고 단순하다. 공기발전기는 소형이고 경량이며 저가이면서 장수명을 자랑한다. 특히 대기 중 공기가 에너지원으로 대표적인 친환경 발전기로 좋은 발전기의 5가지 항목을 이미 입증했다.   

 

이에 더해, 이미 공기발전기 개발을 마치고 산업에 적용하고 있는 주남식 엔오엔그리드 회장은 “공기발전기 기술은 현재의 과학기술에 따라 공기/수열발전기로 응용해 생산할 수 있기 때문에 물속에서도 구동시킬 수 있을 뿐 아니라 하나의 열원만으로 전기를 생산할 수 있기에 헬륨을 동작유체로 사용할 경우 대기권 밖에 존재하는 열에너지도 쓸 수 있다”며 “이 기술이 상용화된다면 인류는 지구 안의 공기로 충분히 청정 전기를 자급할 수 있다”고 피력했다. 그는 이어 “우주개발이 시작됐다. 대기권 밖에는 공기가 없다. 달, 화성 등 우주개발시대에 맞춰 공기 없이도 발전할 수 있는 발전기를 개발하고 있다”고 말해 우주시대의 희망를 전했다.

 

공짜로 무한 공급되는 공기의 가치가 있을까? 공기가 없으면 사람은 살 수 없기 때문에 그 가치를 평가하기 어렵다. 주남식 회장은 “공기 중 에너지를 휘발유로 환산하면, 지구전체에 10m정도 채울 수 있는 에너지다. 지구의 표면적이 정해져 있어 돈으로 환산하면 100해원의 가치가 된다”며 공기를 에너지원으로 사용하게 되면 공기세를 내야할 날이 다달았음을 예고했다. 

 

사실, 공기 중 공기가 가지고 있는 에너지는 엄청나다. 물 1리터는 1000그램, 공기 1리터는  1.29그램이고, 표준공기 온도는 0℃ 1기압의 건조공기로, 1초에 공기분자는 500m 움직인다. 물론 공기의 온도와 압력에 따라 다르고, 수증기가 있으면 공기는 가벼워진다. 

 

기압차가 생기면 바람이 불어 공기가 이동한다. 저기압이다. 공기의 빈자리에 공기가 가면 태풍이 되고 엄청난 위력의 토네이도가 되어 공기는 폭탄이 된다. 운동에너지는 속도, 질량에 따라 다르다. 에너지는 질량에 비례하고 속도의 제곱에 비례하기 때문에, 50km로 달리는 속도에서의 자동차 사고보다 100km 속도에서 자동차 사고가 발생했을 때 4배 큰 에너지가 작용해 피해가 커지는 원리다. 

 

▲ 공기발전기를 이용한 공중주택 이미지(출처=freepik) © 특허뉴스


에너지, 발상의 전환이 필요한 이유

 

러시아와 우크라이나 전쟁으로 비롯된 전세계 에너지 위기사태가 이어지고 있는 가운데, 과연 이번 전쟁으로 인해 에너지 부족사태가 벌어졌는지가 관건이다. 산유국의 생산에 따라 국가 유가는 변동되고 이를 수입하는 각국의 유가는 변동된다. 만약, 기름 한방울 나지 않는 각국에서 에너지를 자체 생산할 수 있다면, 석유를 시추해 수출하는 중동국가 등이 지금처럼 잘사는 국가가 됐을까 싶다. 발상의 전환이 필요한 이유다. 

 

우리가 에너지를 충분히 확보할 수 있으면 물질에 관한 문제도 쉽게 해결된다. 인류의 역사는 에너지에 관한 기록이라고 해도 과언이 아니다. 불을 비롯하여 증기기관, 내연기관, 전기, 원자력 등 새로운 형태의 에너지원이 발견될 때마다 인류사는 변혁을 겪게 되었다. 지금까지 발견된 모든 에너지는 상식적인 발상 속에서 발견된 것이 아니다. 새로운 발견과 발명은 반드시 비상식적인 발상에서 출발한다. 실제 지금 우리가 알고 있는 모든 상식의 처음은 비상식이었다. 미국의 발명가 토머스 에디슨은 1,000종이 넘는 발명을 했고, 우리의 생활을 윤택하게 만들어준 백열전구를 개선·발전시켜 생산법을 발명하며 위대한 발명가로 잘 알려져 있다. 에디슨의 전구실험 중 발견한 에디슨 효과는 20세기 들어 열전자 현상으로 연구되고 진공관에 응용되어 전자공업 발달의 바탕이 되었다. 혁신적이고 가치있는 새로운 것은 반드시 비상식에서 출발한다는 사실이다. 

 

우리 주위에서 발견되는 에너지 중에서 난로에서 나오는 열기나 통제권 안에 들어있는 전기 및 원자력처럼 우리가 원하는 것이 있는 반면에, 기계장치에서 불필요하게 발생하는 열이나 벼락(번개) 및 방사능처럼 우리가 원하지 않는 것도 있다. 엄격히 말하면 에너지는 우리가 원하든 원하지 않든 존재하고 작용할 따름이다. 

 

그럼 어떤 에너지를 이용해야 하나

 

우리가 익숙히 알고 있는 에너지보존의 법칙(열역학 제1법칙). 이 법칙의 내용은 ‘에너지가 여러가지 형태로 바뀌어도 우주에 존재하는 에너지의 총량에는 변함이 없다’는 것이다. 즉, ‘절(寺)간 안에 있는 고깔이 어디가랴’라는 우리의 속담을 연상시킨다. 

 

우리는 흔히 ‘에너지를 소비한다’ 또는 ‘에너지를 절약한다’는 말을 쓴다. 이 말들은 어떤 의미일까? 에너지가 하나의 형상에서 다른 형상으로 바뀔 때 이를 이용한다. 다시 말해, ‘에너지를 소비한다’는 것은 에너지 자체를 없앤다는 것이 아니고 다른 형상의 에너지로 변환시킨다는 말이다. 에너지의 총량에는 전혀 변화가 없는 것이다. 때문에 에너지보존법칙은 우리에게 무한한 가능성을 제공해 주는 법칙이다.

 

또 하나의 에너지법칙인 ‘열역학 제2법칙’이다. 열역학 제1법칙(에너지 보존의 법칙)이 에너지의 총량에 관한 법칙이라면 열역학 제2법칙은 가용에너지는 한정되어 있다는 것을 나타내는 법칙이라고 이해하는 사람들이 있다. 그러면 우리의 에너지사용에 대한 욕구에 정면으로 도전하는 열역학 제2법칙은 도대체 어떠한 법칙인가?

 

‘하나의 열원에서 열을 받아 그것을 전부 일로 변화시키고 그 외에는 어떠한 변화도 일으키지 않은 채 연속적으로 작동하는 기관은 있을 수 없다’(1851년 L. Kelvin 또는 W. Tomson의 표현)’는 것이 열역학 제2법칙의 핵심이다. 다시 말해 어떠한 변화라도 남겨야만 단일열원으로부터 역학적 에너지를 얻어낼 수 있다는 것이 열역학 제2법칙이다.

 

  © 특허뉴스


그렇다면, 어떤 에너지원을 이용해야 할까? 우리가 사용할 수 있는 에너지원은 대가를 지불해야 획득할 수 있는 에너지 즉, 석유나 가스 등이고, 또 하나는 에너지를 획득하기 위하여 돈을 지불하지 않아도 되는 에너지원이 있다. 우리가 원하는 에너지원이 모두 대가를 지불하지 않아도 되는 에너지원이라면 전세계는 환영할 것이다. 에너지가 삶을 유지하기 위해서 반드시 필요하기 때문이다. 또한 더 이상의 에너지를 얻기 위해 전쟁을 하거나 위기를 맞을 필요가 없기 때문에 에너지문제는 문제로서의 자격을 상실하게 될 것이다.

 

그러한 에너지원이 있을까? 바로 ‘공기’이다. 너무 흔해 인식되지도 않고 무한하게 공짜로 사용할 수 있어 에너지원이라 생각하는 경우가 드물다. 엔오엔그리드 주남식 회장이 ‘공기’로부터 에너지를 얻어낼 수 방법을 찾았다. 

 

공기를 에너지원으로 사용하는 ‘공기엔진’

 

에너지원으로써의 공기를 상상해 본적이 없었다. 지구 어디서나 대기권 내에 무한히 공존하고 있는 공기가 에너지원이 된다면, 공해의 걱정도 없고 값비싼 연료를 사용하지 않고도 비행기가 24시간 365일 떠 있을 수 있다. 급유를 할 필요 없이 공기를 에너지원으로 사용하여 움직이는 엔진이 있다면 가능하다. 공상과학 영화를 얘기하는 것이 아니다. 

 

▲ (주)엔오엔그리드 주남식 회장     ©특허뉴스

엔오엔그리드 주남식 회장은 그 해답을 인간이 살아가는데 반드시 필요한 매개체 ‘공기(Air)’에서 찾았다. 지난 30여 년간 자연 전기에너지 토네이도 번개 원리를 연구해 온 엔오엔그리드 주남식 회장은 ‘무한 지속공급이 가능한 공기로 전기에너지를 만들 수 있다’는 사실을 발견하고 이를 실현하기 위해 30년 이상의 시간을 연구에 연구를 거듭해 세계 최초 ‘공기발전기’ 기술 개발에 성공했다.

 

공기발전기를 개발한 주남식 회장은 “이 원리를 이해한다면 현재의 자동차엔진 또는 비행기엔진을 만들 수 있는 기술과 설비를 가진 사람이면 누구든지 ‘공기엔진’을 만들 수 있다”며 “공기엔진은 기체의 열에너지를 기계적에너지(=운동에너지)로 바꾸는 장치이다. 종래엔진의 메카니즘상 반드시 동반되는 ‘연료(석유, 천연가스 등)의 연소’는 ‘온도와 압력을 가진 기체의 획득을 위한 공정’에 불과하다. 이 때 얻어진 기체를 단열팽창시키면 기계적 에너지를 얻을 수 있다”고 설명했다. 

 

‘공기’에서 에너지를 발견하다

 

지구가 무한으로 선물하는 공기로 우리는 숨을 쉬고 살아간다. 돈을 주지 않아도 지구는 공기를 계속 공급한다. 말 그대로 공짜다. 이러한 공짜로 공급되는 공기가 석탄, 석유, 원자력 등 화석연료를 대체하는 에너지라면 청정에너지 그 자체일 것이다. 이런 상상이 현실이 될 것으로 보인다.

 

순수 공기가 전기에너지를 만들어 낸다. 사실일까?

천둥소리가 들리기 전 번개가 치면 무려 1,000만kw의 전기에너지가 만들어진다. 이는 원자력 발전소 10개가 만들어내는 에너지에 비할만한 규모다. 만약, 우리가 이 에너지를 활용해 일률적으로 전기에너지를 생산할 수 있다면, 전세계가 갈망하는 지속가능하면서도 온실가스를 배출하지 않는 청정 전기에너지를 생산할 수 있다.

 

에너지의 신기원이 열리는 것이다. 하지만, 번개는 매일 일률적으로 치지 않는다. 그렇다면, 우리가 일상적으로 번개를 만들어 낼 수 있다면 어떨까?

 

▲ 공기가 흡입되어 토네이도 번개 원리를 이용해 기체가 액체가 되며 진공상태가 이루어 진다  © 특허뉴스


공기발전기의 발견 그리고 개발... 청정 전기에너지 기술로 주목

 

어떠한 매체든 움직임이 있으면 에너지를 생성한다. 원자력이나 화력, 풍력, 태양광도 움직일 수 있는 원동력이 되기 때문에 전기에너지를 발전할 수 있다. 그렇다면 공기가 발전기를 돌릴 수 있을까? 이 의문이 공기발전기의 개발의 시작점이었다.

 

그렇다면 공기가 뭘까? 공기가 뭔데 전기를 생산할 수 있을까? 공기는 지금 우리가 숨 쉴 때 들숨과 날숨을 반복하는 바로 그 공기로 지구가 탄생했을 때부터 자연에 존재했다. 그런데 어떻게 전기를 생산할까? 

 

주남식 회장은 “토네이도 번개가 치면 엄청난 양의 전기를 생산한다. 그 전기를 생산하는 매개체가 바로 공기다. 공짜 전기를 얻을 수 있는 공기발전기의 원리는 이미 있었다. 하지만 공기발전기의 현상은 자연 상에서 1년에 몇 번씩 밖에 일어나지 않는다”며 “자연의 번개 현상으로 공짜전기를 1년 내내 얻을 수 있을까가 공기발전기의 첫 시작이었다”며 개발배경을 설명했다.

 

그렇다면 번개 치는 것을 미리 알 수 있을까? 일기예보를 보면 어느 정도 알 수 있겠지만 100% 맞는 것도 아니다. 번개가 치는 조건인 기압, 습도 등 몇 가지 정보를 알면 번개 치는 조건을 알 수 있다. 그 조건을 맞추면 번개를 만들 수 있다는 결론이 나온다.

 

공기발전기의 핵심은 자연에 있는 번개의 원리 그대로를 발전기에 접목했다는 것이 핵심이다. 공기 중에 저기압이 되었을 때 번개가 친다. 그럼 발전기 안에 저기압을 만들 수 있을까? 저기압은 진공청소기와 같은 원리다. 빨아들이면 저기압 상태가 된다.

 

쉽게 말해 원리는 이렇다. 진공청소기 원리로 바람을 빨아들일 때 들어가는 공기가 터빈을 돌리고 제네레타가 전기를 생산하는 원리다. 공기는 에너지를 많이 뺏기면 온도가 낮아진다.

 

주남식 회장은 “공기발전기를 작동하면 전기를 생산하며 에너지를 뺏긴 공기의 온도가 낮아져 발전기 내부온도가 낮아진다. 결국 온도와 전기의 상관성이 성립된다는 말이다. 전기를 많이 출력할수록 온도는 더 낮아지고 발전기 내 체적이 줄어들어 기체가 액체로 바뀌면 체적이 1/1000(진공상태)로 줄어든다”며 “그렇게 되면 모터를 돌리는 소비동력이 확 줄어들고 생산되는 전기량은 늘어나 잉여전기를 생산할 수 있다”고 밝혔다. 이 원리로 만들어지는 발전기가 공짜 공기를 이용해 청정 전기에너지를 생산하는 바로 그 ‘공기발전기’이다.

 

토네이도 번개 원리 이용한 공기발전기

 

공기발전기는 공기 중의 상태를 저기압, 즉 고도의 진공상태로 만들게 되면 그 안으로 공기가 유입되면서 터빈을 돌려 전기를 생산한다는 원리다. 토네이도 번개의 원리를 통해 공기에서 전기를 만들어내는 발전기다.

 

주남식 회장은 “공기 발전기의 에너지원은 174PW에 달하는 대기권 안의 태양열에너지로부터 온다”며 “전체에서 쓰는 전력은 태양에서 오는 에너지 총량의 1/63,500뿐인 2.74TW에 불과하기 때문에, 우리는 태양이 살아 있는 한 무한히 공급되는 에너지를 활용할 수 있다”고 밝혔다.

 

과학자 토리첼리의 진공실험에서 증명된 에너지 채집 방식으로 공기엔진을 개발, 토네이도의 원리를 이용해 저압의 진공상태를 만들어, 순간적으로 공기가 유입되는 토리첼리의 진공상태를 만들어 전기로 바꿀 수 있는 에너지발생 시스템을 구축한 것이다. 결국 진공상태가 계속되면 소비되는 에너지보다 생산되는 에너지가 더 많아 잉여 전기에너지를 저장할 수 있다는 것이다.

 

주남식 회장은 “인류의 역사상 공기에 포함되어 있는 열을 추출해 새로운 전기에너지로 만드는 발상은 지금까지 없었다”며 “공기발전기는 태양으로부터 대기권에 흡수되어 눈에 보이지 않는 에너지가 각종 자연재해를 일으키는 원리를 적용한 것”이라고 설명한다.

 

무엇보다 공기발전기는 ‘공기’를 모아 열을 추출해 전기에너지를 만드는 방식으로, 공기가 있는 곳이면 어디서든 전기를 만들어 낼 수 있기에 지역적, 환경적 요인을 받지 않는다.

 

실제, 엔진의 가동목적은 출력인 ‘운동에너지를 얻는 것’이다. 이 출력을 위해서 필요한 입력은 ‘온도와 압력을 가진 일정량의 기체’이다. 바꾸어 말하면 ‘온도와 압력을 가진 일정량의 기체’만 있으면 엔진은 이것을 ‘운동에너지’로 바꿀 수 있다는 것이다. 엔진의 작동을 위한 ‘직접적인 에너지원’은 석유나 천연가스 등의 ‘연료가 아니라’ ‘온도와 압력을 가진 기체 그 자체’이다. 연료는 ‘온도와 압력을 가진 기체를 만드는 재료’에 지나지 않는다는 말이다. 그렇다면 우리 주위에 ‘온도와 압력을 가진 기체’는 무엇이 있을까? 만일 우리가 찾은 온도와 압력을 가진 기체 중에서 값을 지불하지 않아도 되는 ‘기체’가 있다면, 우리는 에너지원의 문제에 관한 한 노다지 광맥을 찾은 것보다 더 큰 일일 것이다. 

 

▲난로에서 피어오르는 따뜻한 공기 ▲주전자의 뚜껑을 덜썩이게 하는 수증기 ▲보일러 내부의 고온고압 수증기 ▲에어컨 내부의 냉매 ▲제트엔진 내부의 연소가스 ▲내연기관 실린더 내부의 연소가스 ▲소각로 내부의 연소가스 ▲압공탱크 속의 고압공기 ▲진공탱크 속의 저압공기 ▲지표 어디에나 있는 1기압의 공기 ▲높은 산위에서 만나게 되는 1기압 미만의 저압공기 ▲고공을 비행하고 있는 비행기 속에서의 저압공기 ▲태풍이나 회오리바람 중심부의 저기압 등 ‘온도와 압력을 가진 기체’는 이루 헤아릴 수 없이 많다.

 

이러한 모든 상태의 기체들은 ‘온도와 압력을 가진 기체’로 단열팽창시키면 기계적에너지를 얻을 수 있는 ‘에너지원(입력, INPUT)’이 될 수 있다. 실제, 소각로에서 발생하는 수증기를 이용해 전기를 생산하는 발전장치가 있다. 

 

에너지원으로 각광을 받는 ‘공기’

 

기체 중 지구촌 언제 어디서나 가장 손쉽게 얻을 수 있는 기체가 우리가 마시고 그 속에서 생활하는 ‘공기’이다. 공기도 다른 모든 기체와 마찬가지로 ‘온도(섭씨 20도일 경우 절대온도로는 293.15K 임)와 압력(1기압, 760 mmHg)을 가지고 엔진의 에너지원(입력,INPUT)이 될 수 있는 한 종류의 기체’이다. 이 공기를 ‘에너지원’으로 사용한다면 우리는 대기권 내의 어느 곳에서나 필요한 만큼의 ‘기계적 에너지’를 ‘공기로부터’ 직접 얻을 수 있다.

 

엔진 전문가라면 ‘공기엔진의 원리’를 쉽게 이해할 수 있지만 간단한 설명만으로도 누구나 공기엔진의 원리는 이해할 수 있다. 

 

  


유체(기체 또는 액체)가 갖고 있는 내부에너지를 운동에너지로 변환시키는 모든 엔진에서 공통적으로 사용되는 에너지변환의 원리는 ‘단열팽창’이다. 팽창하는 기체는 계의 외부에 대하여 ‘일(에너지의 사용)’을 하게 되고, 그 결과 계의 ‘온도와 압력’이 떨어진다. 즉, 유체를 단열팽창시키면 운동에너지를 얻을 수 있고, 단열팽창한 유체는 변환된 운동에너지만큼 온도와 압력이 감소한다. 정리해 보면 “기체(혹은 유체)를 단열팽창시키면 운동에너지가 나오고, 기체로부터 운동에너지를 얻기 위해서 필요한 것은 기체와 단열팽창장치뿐 이라는 결과이다. 바로 공기엔진의 핵심원리인 ‘기체와 단열팽창장치만 있으면 운동에너지를 얻을 수 있다’는 것이다. 이 원리를 활용하면 우리 주위의 모든 유체(공기, 바닷물 등)로 부터 손쉽게 운동에너지를 얻을 수 있다. 환경적 문제를 발생하는 석유, 원자력, 화력 등의 에너지를 사용하지 않아도 된다는 말이다. 

 

언제 어디서나 손쉽게 얻을 수 있는 유체는 공기이다. 공기는 대기권 내의 어디에나 존재한다. 단위질량의 공기가 갖고 있는 에너지 양은 지역(적도 또는 극지방)과 고도(지표 또는 고공)에 따라 다소 차이가 있지만 모든 곳의 공기가 ‘충분한 가용에너지’로 존재한다. 대기권 내의 어느 곳에서라도 흡입(INPUT), 단열팽창(PROCESS), 출력(OUTPUT) 공정을 가진 ‘공기엔진’을 이용하여 운동에너지를 얻으면 앞서 언급한 24시간 365일 하늘을 날수 있는 비행기나 공중주택이 가능하다. 

 

또한 공기엔진 적용시 부수적인 효과도 엄청나다. 에너지를 뽑아 사용하고 난 후의 공기(공기엔진의 ‘배기가스’)는 온도가 매우 낮아 ‘냉동수요(냉장고, 에어콘 등)’에 활용할 수 있고, 이 때 공기 중의 수증기는 응축되므로 동시에 ‘물’도 얻을 수 있다. ‘새로운 수자원’이 될 수 있다는 말이다. ‘공기엔진’은 ‘운동에너지’와 함께 ‘냉동효과’도 얻을 수 있어 오존층 파괴의 주범인 ‘프레온가스’의 사용을 줄일 수도 있다. 

 

때문에 ‘공기엔진’이 상용화되면 ‘연료혁명(에너지혁명, 환경혁명)’과 함께 ‘소재혁명(엔진내부의 온도 및 압력이 상온과 상압 미만이기 때문에 플라스틱 등이 엔진의 소재로 폭넓게 선택될 것임)’ 및 ‘경제혁명(모든 재화와 용역의 값이 획기적으로 낮아질 것임)’을 주도하게 될 것으로 보인다. 

 

공기엔진의 원리가 대기권 내에서 발생하는 모든 기상현상에 있다. 태풍(비, 바람 등)은 공기의 열에너지가 단열팽창에 의해 운동에너지로 바뀐 것이다. 이때 수증기는 에너지를 잃고 상변화를 하여 물(비, 이슬)과 얼음(눈, 우박)으로 변하여 땅으로 떨어진다.

 

기상현상은 자연에서 발생하는 ‘단열팽창에 의한 에너지 변환’의 전형적인 현상으로 지금 이 순간에도 끊임없이 계속되고 있다. 종래의 엔진도 이 ‘자연현상’과 동일한 원리지만 엔진에 사용되는 열원의 온도와 압력이 외부보다 높은 ‘고열원’이라는 차이점이 있다.

 

공기엔진이 상용화하면 더 이상 화석연료를 사용하지 않아도 된다. 방사능 피해가 있는 원자력도, 위험한 핵에너지도, 값비싼 태양전지도 사용할 필요가 없다. 공기엔진을 장착한 자동차로 연료비 걱정 없이 운전할 수 있고 공기엔진을 장착한 비행기를 저렴하게 이용할 수 있게 된다. 

 

엔오엔그리드 주남식 회장은 “산업과 가정에 필요한 전기는 필요한 장소에서 직접 ‘공기엔진으로 발전’할 수 있다. 대규모의 발전소나 변전소 및 전기의 장거리 송전을 위한 설비는 전혀 필요 없게 된다”고 말했다. 

 

 

사막 녹화프로젝트 제안한 ‘공기엔진기술’

 

“860만㎢인 사하라사막은 한반도 면적의 약39배에 이른다. 사하라사막을 녹화하면 유익하게 사용할 수 있다” 공기발전기를 개발한 주남식 회장의 말이다. 

 

주 회장의 이러한 발언은 이미 자연에 존재하는 공기에너지를 기계화한 공기발전기 실험으로 증명하고 있다. 공기엔진은 공기를 에너지원으로 전기와 물, 그리고 차가운 공기를 생산하기 때문에 사막을 녹지로 만들 수 있다는 말이다. 이 프로젝트가 성공하면 사하라사막의 4배나 되는 지구 전체의 사막도 개발할 수 있는 길이 열린다. 

 

실제, 지난 26일 ASK 글로벌 대체투자 콘퍼런스에서 “친환경 에너지 전환에 앞으로 30여 년간 9조2000억 달러(약 1경3000조원)가 필요하다”는 말처럼 친환경 에너지 전환에는 엄청난 자금이 필요하지만, 이미 자연에 무한 존재하고 무한 공급이 가능한 공기를 에너지원으로 발전하는 공기발전기의 경우 투자비용을 천문학적으로 절약할 수 있다는 말이다.  

 

공기엔진으로 365일 24시간 공중 체공 

 

최근 국방과학연구소는 항공기에서 레이저 빔을 쏘아 대공미사일을 무력화하는 기술을 개발했다고 발표했다. 한화도 국방과학연구소가 주관하는 레이저 발진기 시제 제작 사업을 240억 규모로 수주했다고 밝혔다. 드론 같은 소형 무인기의 공격에 맞설 ‘한국형 스타워즈 무기’ 개발이다. 

 

 

레이저 무기의 장점은 속도다. 레이저는 초당 30만㎞를 날아가고, 고출력 에너지를 모아 빛의 속도로 정밀 타격(개별표적)도 가능한 무기다. 또한 비행기에 레이저 무기를 장착해 공격 및 방어가 가능하다. 출력에 따라 무인기, 로켓, 순항 미사일을 타격할 수 있고 탄도 미사일 및 극초음속 미사일을 공격 및 방어할 수 있다. 

 

이러한 레이저 무기의 강점에도 불구하고 빛의 특성인 직선으로만 발사된다는 단점도 있다. 때문에 지상에서 레이저를 발사해도 산이나 건물 등에 부딪쳐 출력이 감쇄된다. 공선발사가 안되기 때문이다. 대공미사일을 방어하기 위한 요격용 미사일인 패트리어트 미사일의 유효사거리가 40km, 사드는 150km로 알려져 있다. 

 

엔오엔그리드 주남식 회장은 “레이저 무기를 산 넘어 까지 출력하려면 비행기에 레이저 무기를 장착하면 가능하다. 조건은 언제 있을지 모를 공격에 대비해 365일 24시간 비행 중이어야 한다”며 “정찰 임무에 투입되는 글로벌 호크도 38시간에서 42시간에 걸쳐 1만 2,500해리 범위 내에서 정찰한다. 급유 때문인데, 공기엔진을 장착하면 무한 시간동안 비행할 수 있다”며 “공기엔진은 공기를 에너지원으로 사용하기 때문에 거대한 발전기가 비행기에 장착되어 자체 발전으로 전력을 공급해 비행한다”고 말했다. 

 

주 회장은 이어 “또한 미사일의 에너지원을 연료나 화약 대신 공기를 에너지원으로 사용하면 2만km 거리의 지구 반대편은 물론 사거리는 무한대가 된다”고 설명했다. 

 

주남식 회장의 설명에 따르면, 미사일을 발사하는 에너지 또는 레이저 무기를 장착하고 공중에 부양해 정찰하는 비행기의 에너지원을 공기로 사용하면 공기엔진장착 비용만 발생할 뿐 급유나 다른 에너지원을 사용하지 않는다. 

 

자연의 원리에서 발견한 공기발전기는 공기가 있는 곳이면 언제 어디서나 자체 발전이 가능하다. 송풍은 기본이고, 전기는 부수적으로 생산되어 그 전기를 에너지원으로 사용한다. 공기를 흡입해 공기 중 에너지를 단열팽창으로 에너지를 변환해 사용하고 에너지를 빼앗긴 차가운 공기는 송풍 역할을 해 엔진을 식혀준다. 헬리콥터 이·착륙 원리인 작용-반작용 원리도 공기에너지의 원리와 마찬가지다. 석유, 전기 등을 사용하는 발전기의 공급노즐을 잠그면 발전기는 멈춘다. 마찬가지로 공기발전기도 공기가 없으면 발전되지 않지만 공기가 있는 곳이면 무한 공급이 가능하다. 지금까지 공기는 공짜이다. 하지만 공기엔진을 자동차, 비행기, 선박 등에 장착해 에너지원으로 사용하면 아마도 출력에 따라 공기 값을 책정될지도 모른다. 또한 공기발전기의 가치가 어떻게 될지 예상이 된다. 

 

엔오엔그리드, 하늘 위 공중주택(空中住宅) 마을 만든다

 

헬리콥터처럼 공중의 임의의 위치에 떠 있거나 이동할 수 있는 구조물로 그 속에서 일을 하거나 일상생활을 영위할 수 있는 환경을 구축한 시설물인 공중주택. 

 

공중주택에 살면 코로나, 홍수, 쓰나미, 지진 등에 걱정이 사라질 것이다. 공상과학영화에서나 나올법한 주택이지만 현재의 일반적인 기술로 공중에 거주할 수 있는 주택을 만드는 것은 가능하다. 하지만 상당한 질량의 구조물을 중력을 이기고 임의의 공간에 존재하게 하려면 중력가속도에 해당하는 추진력을 확보하여야 하기 때문에 추진력을 얻기 위한 비용이 너무 커 상용화가 어렵다. 이러한 가운데 엔오엔그리드 주남식 회장이 공기발전기 추진력으로 공중주택 상용화에 나섰다.   

 

주남식 회장은 “공중주택의 추진력은 공기엔진을 통하여 대기중의 공기로부터 얻게 되는데, 공기엔진은 공기를 흡입하여 공기가 갖고 있는 열에너지를 추진력으로 바꾸어 사용한 후 에너지를 잃은 공기를 배출하는 열기관”이라며, “공중주택이 소비한 추진력은 다시 열에너지로 변하여 대기로 환원되기 때문에 공중주택은 환경을 파괴하지 않는다. 또한 공중주택에서 사용하는 기타의 에너지도 공기엔진으로부터 획득하며, 물은 공기엔진의 가동시에 발생하는 응축수를 사용하면 된다”며 구체적인 방안을 제시했다. 

 

최근 신한서재능경력대학원에서도 신한서우주대학교 설립계획을 발표해 공중주택의 현실화를 한층 높이고 있다. 

 

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엔오엔그리드, 국방부 ‘부품 국산화개발’ 과제 선정 

 

엔오엔그리드가 국방부에서 진행한 부품 국산화개발 지원사업 과제에 선정됐다고 밝혔다. 패트리어트 발사대 전자시스템용 송풍기 개발이다. 수입에 의존하던 송풍기의 국산화를 위한 개발로 전자시스템 내의 공기 순환을 통해 열을 냉각시키는 역할을 하게 된다. 

 

▲ 엔오엔그리드가 국방부에서 진행한 부품 송풍기 국산화개발 지원사업 과제에 선정됐다  © 특허뉴스


주남식 회장은 “송풍기는 공기 순환을 통해 열을 냉각시켜주는 장치로 한쪽에서 바람이 들어가고 반대쪽에서는 바람이 나온다. 일반적으로 송풍기가 작동하면 나오는 공기는 들어가는 공기에 비해 온도가 높다”며 “하지만 공기발전기 원리를 적용하면 나오는 바람의 온도가 낮다. 자연에서 천둥번개가 칠 때 우박이 떨어지는 원리이다. 물론 이번 과제에 선정된 송풍기 사양에 맞춰 개발을 하고, 추가적으로 전기를 생산하며 나오는 공기가 들어가는 공기보다 낮은 온도의 송풍기도 개발할 예정이다”고 밝혔다.  

 

▲ 공기발전기를 이용한 전기를 생산하며 나오는 공기가 들어가는 공기보다 낮은 온도의 송풍기도 개발할 예정이다  © 특허뉴스

 

이유 있는 보증수명 100년...기존 재생에너지 발전장치 대비 1/100 수준

 

주남식 엔오엔그리드 회장은 “인위적으로 번개를 치게 할 수 있으면 에너지원인 공기는 공짜이기 때문에 공기발전기를 만드는 기계 값이 사실 전부다”라며 “발전기의 핵심은 크기와 무게, 수명, 친환경이냐가 핵심이다. 공기발전기는 소형이면서 가볍고 값이 저렴하며 수명이 길고 친환경이기 때문에 모든 발전기와 비교해도 탁월하다”고 말했다.

 

공기발전기는 크게 4가지 부품을 사용한다. 원가 부담이 없다는 말이다. 발전을 하기 위한 필수부품인 코일, 자석, 터빈, 베어링을 사용한다. 이중 수명이 가장 짧은 부품이 베어링이다. 그런데, 엔오엔그리드에서 개발한 공기발전기 보증수명은 100년이다. 가능한 일일까?

 

전기 발전을 위해 끊임없이 회전을 거듭해야 하는 베어링인데 어떻게 100년을 보증할까.

 

이유가 있었다. 주남식 회장이 공기발전기에 채용한 베어링은 ‘자기부상 베어링’이다. 비접촉 베어링이라고도 불리는 자기부상 베어링은 떠있는 구조로 전기발전을 위해 몇 천만번 회전을 해도 마모가 거의 없다.

 

떠 있는 구조로 마찰되는 부분이 없기 때문이다. 흔히 자기부상열차가 자력의 힘으로 선로를 떠서 달리는 것을 생각하면 쉽다. 이외에도 코일은 구리에 에나멜(수명 100년 이상)을 코팅하고, 영구자석을 사용한다. 터빈의 경우, 토네이도 원리로 제작되어 발전기 내부가 저기압을 형성하고 있어 온도가 낮아 일반 플라스틱을 재료로 사용할 수 있어 대량생산은 물론 100년 이상 수명이 유지된다.

 

에너지원이 공짜인 발전기들은 기존에도 있었다. 자연 바람을 이용한 풍력발전기, 물의 수차를 이용하는 수력발전기, 태양빛을 이용한 태양열발전기 등이 있지만 발전설비 자체가격이 어마어마하다. 예를 들어 태양열발전기의 경우, 150만원/kw의 발전설비 비용과 하루 4시간정도밖에 발전할 수 없는 단점이 있다. 1kw를 24시간동안 발전하려면 900만원에 시설비까지 1000만원이 넘는 비용이 든다.

 

이와 관련, 주남식 회장은 “공기발전기는 현재 에너지원을 사용하지 않는 풍력, 태양열 등 재생에너지의 1/100의 가격인 10만원/kw이면 가능하다”고 말했다.

 

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비교대상 없는 공기발전기, 주목받은 이유 있다

 

주남식 회장이 선보인 공기발전기는 적은 면적과 적은 비용으로 많은 전기를 생산할 수 있어 인류의 모든 에너지를 대체할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 공기발전기는 전력망도 필요하지 않아 에너지가 필요한 현장에서 즉각 전기를 공급할 수 있다. 3kw의 전기를 30년 동안 사용할 경우, 한국전력의 전기료는 5천만원, 풍력 발전은 8천만원, 태양광은 1.5억원의 비용이 발생하지만, 공기 발전기에서는 990만원이면 충분하다.

 

공기발전기의 강점은 이 뿐만이 아니다. 냉각 원리가 적용되었기 때문에 동력이 추출되고 남은 공기가 급격히 식으면 물이 생기는데, 이 찬물을 냉각수, 냉매 등 다른 목적으로 쓴 후 식으면 일반 물처럼 재활용할 수 있어 전력과 수분공급이 동시에 필요한 사막개조와 녹화사업에 지속가능형 에너지로 주목을 받고 있다.

 

주남식 회장은 “이러한 공기발전기의 판매단가는 1kw가 330만원이며 1,000kw는 33억원이다. 납기는 120일 만에 가능하고 품질보증 기간은 무려 100년이다”며 “이 같은 일이 가능한 것은 순수 제작원가가 10만원 미만인 공기발전기로 만든 전기발전 원가가 1원/kwh 미만이기 때문이다. 한국전력에서 판매하고 있는 전기가격이 110원/kwh인 것을 보았을 때 꿈도 못 꿀 일이다”고 강조했다.

 

엔오엔그리드의 공기발전기는 자연에서 토네이도 번개로 생산되고 있던 전기에너지를 재현해 낸 발전기다. 한마디로 번개의 재발견이다. 때문에 상용화만 되면 새로운 에너지 시대를 열 것으로 기대되는 공기발전기는 그 우수성과 잠재력 덕분에 재생에너지를 연구하는 다양한 기관에서 러브콜을 받고 있다.

 

공기만 있으면 바로 그 곳이 발전소

 

주남식 엔오엔그리드 회장은 “공기열에너지는 ‘공기’를 모아 열을 추출해 전기에너지를 만드는 방식”이라며 “공기가 있는 곳이면 어디서든 만들어 낼 수 있기에 지역적, 환경적 요인을 받지 않는다”고 설명했다.

 

특히, 공기발전기는 분산 전력시스템 보다 더 고도화된 것으로 전기소비 주체가 직접 전기를 생산, 이용, 관리하는 전력시스템으로 전력 자급자족 패러다임을 형성하고 있는 한편, 이산화탄소 배출량이 전무하기 때문에 환경과 관련한 이슈에서도 자유롭다.

 

주남식 회장은 “최근 카카오 데이터센터의 화재는 공기발전기를 적용했다면 충분히 막을 수 있었다. 모든 전력소비주체(단위공장, 단위가구, 자동차 휴대폰 가전제품 등의 단위기기)가 필요한 전력을 환경유체(물, 공기)로부터 직접 생산(JooNa-Cycle)해서 사용하는 완전한 자가발전 전력시스템인 공기발전기는 송전할 필요가 전혀 없기 때문에 전력망(GRID)이 아예 존재하지 않아 화재의 위험이 전혀 없다(Non Grid)”며 아쉬움을 토로했다. 

 

실제, 공기발전기를 이용하면 데이터센터에 사용하는 리툼이온배터리 등의 가연성물질을 전혀 사용하지 않기 때문에 화재의 원인 자체가 사라진다.

 

공기발전기 시대 도래... 활용범위 무궁무진

 

현재 엔오엔그리드에서 선보인 공기발전기의 대항마는 전무한 상태다. 국내뿐만 아니라 세계적으로도 경쟁사가 없다고 해도 과언이 아니다. 전 세계에서 공기발전기에 주목하는 이유다.

 

지구가 태생할 때부터 이미 아메리카 대륙은 있었다. 그 아메리카를 발견한 사람이 단지 콜럼버스였다. 또한 우리는 천둥소리가 들리기 전 번쩍이는 번개를 볼 수 있다. 이미 번개가 전기라는 것은 누구나 알고 있다. 이미 전기에너지는 자연계에 존재했다는 말이다.

 

주남식 회장이 그 번개의 전기가 발생하는 원리를 발견하고 30여년의 연구개발 끝에 공기발전기로 승화시켰다. 기존 통념에 맞서는 새로운 발상에 자신의 운명을 걸고 미지의 세계를 찾아 대서양을 건넜던 콜럼버스처럼 도전적이고 진취적인 마인드로 미래를 내다보는 안목이 있었다는 얘기다. 또한 히트싱크(heat sink), 즉 열을 배출하는 장치가 없이 자연에서 공기의 기압차만으로 전기를 생산하는 자연현상인 토네이도의 원리에 착안, 이러한 위대한 자연의 힘을 유익한 에너지원으로 전환하는 공기열에너지라는 개념도 주남식 회장이 정립했다.

 

 

주남식 엔오엔그리드 회장은 “공기열에너지는 기본적으로 태양열로 데워진 공기분자의 열/운동에너지를 터빈으로 전달시켜 전기에너지로 전환시킴으로써 생성된다”며 “이러한 공기열에너지를 활용한 공기발전기는 수송기계, 가전제품은 물론 폐수나 쓰레기 처리 등의 환경사업, 녹화사업, 신소재사업 등 전기를 필요로 하는 모든 분야에 응용할 수 있으므로 경제 활성화 등 사회·경제·산업적 효과를 기대할 수 있게 되었다”고 강조했다.

 

공기발전기는 가정 혹은 산업체 등 전기를 필요로 하는 모든 용도의 발전기, 오토바이, 자동차, 선박, 항공기, 냉난방기, 냉장고, TV 등에 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 소형화가 가능해 휴대폰 안에도 내장할 수 있다. 뿐만 아니라 폐수 및 쓰레기 처리, 환경 사업, 다이아몬드 제조, 나노 복합소재 제조 등 신소재산업에서도 두각을 나타낼 수 있다.

 

주남식 회장은 “지구상의 모든 전기에너지를 대체할 수 있는 공기발전기에 우리나라를 넘어 세계에서 많은 관심을 보이고 있다”며 “이 기술이 우리나라의 재생에너지 기술을 비롯해 전세계의 산업 수준을 한 차원 끌어올리는 데 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다. 이어 “현재 공기발전기에 대한 경쟁사는 국내 뿐 아니라 전 세계적으로도 전무후무한 상태”라며 “머지않아 ‘원전 대신 공전’의 시대가 도래할 것”이라며 “공기열에너지의 원천기술을 이용해 인류의 미래에 기여함은 물론 산업폐기물을 최소화하고 지속가능한 그린에너지를 후손들에게 물려주고자 상용화에 최선을 다할 것”이라고 피력했다.

 

환경보호와 석유자원의 절감, 대체에너지로 인한 지구온난화 방지를 위해 이산화탄소를 고정하는 역할을 하는 환경의 보호가 무엇보다 중요한 시기에 공기발전기가 세계를 제패할 특별한 무기로 떠오르는 이유이다.  

 

한편, 엔오엔그리드는 탄소나노섬유 과제에 선정되어 ‘저분자화 리그닌의 원심박막 방사 기술과 플라즈마 열처리 기술을 통한 저비용 고특성 탄소섬유 융합원천기술 개발’이라는 연구개발을 5년간 88억원의 예산으로 과제를 진행 중이다. 

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