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첫 상업용 증기기관의 발명으로 어떤 변화가 일어났나요?

안녕하세요. 강경원 인문·예술전문가입니다.영국의 인구가 급격하게 늘어나자, 성장하는 경제에 연료를 대고 집과 경작지를 위한 자리를 만들기 위해서 숲의 나무들이 베어져 나갔다. 당시 영국은 땔나무의 부족이 심해지면서 곤경을 겪었다. 사건은 나무 대신 석탄을 땐 데서 시작했다.석탄을 함유한 얇은 탄층(炭層)은 물에 잠긴 지역에 있는 경우가 많았고, 범람 때문에 광부들은 탄층의 더 깊은 곳에 접근할 수가 없었다. 해결책이 필요했다. 1700년경, 영국의 광산 갱도에서 이상한 소음이 울려 퍼지기 시작했다. 산업혁명의 조짐인 그 소음은 처음에는 작았으나 해를 거듭하면서 점점 커져서 마침내 전 세계를 귀 멀게 할 듯한 소음으로 뒤덮었다. 그것은 증기기관에서 나는 소음이었다.증기기관의 유형은 여러 가지였지만 모두가 공통된 원리로 작동했다. 석탄을 비롯한 모종의 연료를 태우고 거기서 나오는 열로 물을 끓여서 증기를 발생시키는 것이었다.증기가 팽창하면서 피스톤을 밀어내고, 피스톤이 움직이면 거기 연결된 것은 무엇이든 따라 움직인다. 18세기 영국의 석탄 광산에서 피스톤은 갱도 바닥에서 물을 끌어올리는 펌프와 연결되어 있었다. 초창기의 증기기관은 믿기 어려울 정도로 비효율적이었다. 조금이라도 물을 퍼올리려면 엄청난 양의 석탄을 태워야 했다. 하지만 광산에는 석탄이 바로 옆에 잔뜩 있었기 때문에 아무도 개의치 않았다.그 후 수십 년 동안 영국 기업가, 엔지니어는 증기기관의 효율성을 개선했고, 증기기관을 갱도에서 끄집어내어 실을 잣고 천을 짜는 기계에 연결했다.덕분에 섬유 생산에 혁신이 일어나서 싼 값에 점점 더 많은 양을 생산할 수 있게 되었다. 눈 깜짝할 새 영국은 세계의 공장이 되었다. 하지만 이보다 중요한 점은 증기기관을 갱도에서 끄집어내면서 중요한 심리적 장벽이 깨졌다는 사실이었다. 직조기를 돌리기 위해서 석탄을 땔 수 있다면 가령 운송 수단처럼 다른 것을 움직이는 데도 같은 방법을 이용하지 못할 이유가 어디 있겠는가?1825년 한 영국인 엔지니어는 석탄이 가득 찬 운반 차량의 행렬에 증기 기관을 연결했다. 증기 엔진은 이 여러 광차(鑛車)를 인근의 20km 떨어진 항구까지 끌고 갔다. 이것이 역사상 최초의 증기기관차였다. 만일 증기를 이용해 석탄을 운반할 수 있다면, 다른 물건은 왜 안 되겠는가? 사람은 왜 안 되겠는가? 1830년 9월 15일 리버풀과 맨체스터를 잇는 최초의 상업 철도가 영업을 시작했다.흔히 알고 있는 제임스 와트 이전에도 증기기관은 있었다. 1663년 에드워드 서머셋 우스터 후작이 개발한 인류 역사상 최초의 공업용 증기기관이 등장한다. 후작은 이걸로 광산채굴업을 하려고 했다. 영국은 지질 구조상 광산을 조금만 깊게 파도 물이 나와서 물을 지속적으로 퍼내야했기 때문. 하지만 그렇게 되기도 전에 사망한지라 무산되었고, 이후 1698년 토마스 세이버리라는 자가 우스터 후작의 증기기관을 개량한 광산채굴용 증기기관을 만들었다. 그리고 1712년경에 토마스 뉴커먼이 증기 기관을 더 개량한다.하지만 이 초기의 증기기관들은 1마력시[13]의 힘을 내는 데에 석탄이 20kg가량 필요할 정도로 아주 효율이 낮았다. 수증기를 데워 실린더를 채운 다음 그냥 기다려서 실린더를 식히고, 다시 수증기를 데워 실린더를 채우는 원리였기 때문에 효율이 어처구니 없을 정도로 낮을 수 밖에 없다. 기관을 써서 채굴 효율이 개선된 만큼 석탄을 잡아먹은 것 아니냐는 말도 나오는 지경인데, 실제로 석탄이 비싸고 구하기 힘든 지역의 광산, 혹은 채굴되는 광물의 가치가 낮은 광산에서는 뉴커먼의 기관을 쓰면 오히려 적자가 나기도 했다고 한다. 그런데도 이런 뉴커먼 기관이 퍼진 것은 광산이 너무 깊게 파져서 사람 손으로 물을 도저히 빼낼 수 없는 상황이었으며, 뉴커먼이 자신의 발명에 대해서 특허를 출원해야할 정도로 대단한 발명이 아니라고 생각했기 때문에 특허를 내지 않은 덕이다. 뉴커먼은 자신의 발명을 토마스 세이버리를 베낀 것 정도로 간주했고, 세이버리의 특허가 1733년 만료되고 더 갱신되지 않아 증기기관의 특허는 사라진다.그러다가 마침내 1765년 스코틀랜드의 기계공학자 제임스 와트[14]가 증기기관을 개량하는데, 와트의 기관은 1마력시의 힘을 내는데에 석탄이 600g 가량 필요할 정도로 효율을 크게 개선했고, 강가나 석탄 산지와 먼 곳에서도 가동시킬 수 있었다. 그리고 와트는 1774년 매튜 볼턴이라는 운명의 동반자를 만나게 된다. 사업가였던 그는 증기기관의 파워를 한눈에 알아봤고, 증기기관에 대해서 특허를 출원만하고 사업화하기에는 재정적으로 영 부족해서 슬슬 관심이 없어지던 와트에게 개량을 종용하고 볼턴앤와트라는 기업을 설립했다.뉴커먼 기관까지는 석탄이 무지막지 싼 영국과 유럽 일부 지방 광산에서나 좀 쓰이는 정도였으나, 제임스 와트의 증기 기관은 사업화 궤도에 들자마자 전 세계적으로 주목을 받았다. 인류의 역사를 바꿀 발명, 고통 받는 노예들을 해방시킬 위대한 발명이라는 칭송이 당대에 나왔을 정도. 산업혁명기에는 위대한 발명을 하고서도 특허권 끝날 때까지 사람들이 사용을 안하거나 불법적으로 복제해가는 경우들 때문에 불우하게 산 발명가들이 부지기수였지만, 와트는 에딘버러 왕립 학회의 회원과 프랑스 국립 아카데미의 외국인 회원으로 초청받는 등 생전에 영광을 누렸다.그 후 미국 발명가 로버트 풀턴은 이 회사에 증기기관을 주문했고, 이를 이용해 클레르몽(Clermont)[15]이란 증기선을 개발했고, 1807년 성공적으로 운행을 완료했다. 클레르몽은 후에 뉴욕 허드슨 강의 승객을 나르게 된다. 이 발전된 수상교통은 영국의 운하 체계에 지대한 영향을 주었고 운송비를 크게 절감시켰다.한편 1769년에는 프랑스의 공병장교 니콜라스 조제프 퀴뇨가 개발한 세계 최초의 증기 자동차가 나오게 된다.1804년 리처드 트레비식은 자신이 만든 증기 기관차 페니다렌호의 시운전에 성공했다. 그는 내기에도 이겨 몇천 파운드를 땄다. 그리고 이 일은 현존하는 4대 교통 수단 중 하나이자 육상 교통 수단의 양대 축 중 하나인 철도의 시발점이 되었다. 증기 기관차와 철도의 가능성을 예감한 영국의 기술자들은 트레비식의 것을 개량하기 시작했다. 조지 스티븐슨은 1825년 요크셔의 석탄광에서부터 스톡턴의 항구를 오가는 43 km짜리 세계 최초의 증기기관차가 달리는 화물철도를 깔았고 이 뉴스는 신속하게 영국 곳곳으로 전달되었다. 이것이 바로 스톡턴-달링턴 철도이다. 사업가들은 리버풀과 맨체스터를 레일로 연결하면 좋겠다는 생각을 했고, 1830년에는 최초의 여객/화물 겸용 철도인 리버풀-맨체스터 간 철도가 개통되며 철도시대의 개막을 알렸다.[16]철도는 국가기간시설이 될 뿐만 아니라 막대한 철의 수요를 창출해서 제철 사업 규모를 성장시키는 데 기여하기도 했다. 정작 철도 사업 자체는 수익성이 높지 못했는데, 평균적으로 3.7% 정도의 수익률을 보였고, 중요 구간이라고 해도 너무 비싸면 차라리 다른 운송 수단을 택한 사람들 덕에 대부분의 구간은 적자만 겨우 면하거나 아예 적자가 나기도 했다. 그럼에도 불구하고 철도 사업은 자금 조달에 어려움을 겪지 않았는데, 급증한 중산층이 수익성 있어보이는 투자처를 찾아서 적극적으로 투자를 했던 덕택이었다.

학문 / 역사

23.05.26

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