Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 수소연료전지 상용화의 단계라고 할 수 있을까요?
안녕하세요. 수소연료전지는 현재 연구개말(R&D)과 초기 상용화 단계가 혼재된 상태로 볼 수 있습니다. 산업 및 학계에서는 지속적으로 연구가 진행되고 있으며, 일부 응용 분야에서는 실질적인 상용화가 이루어지고 있으나, 대규모 보급과 경제적 효율성 측면에서 완전한 상용화 단계에 도달했다고 보기는 어렵습니다. 현재 수소연료전지 기술이 당면한 주요 과제는 여러 가지가 있습니다. 먼저, 운용 온도의 제약을 고려할 필요가 있습니다. 일반적으로 연료전지의 작동 온도에 따라 고분자전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell ; PEMFC)는 약 80℃ 이하에서 작동하며, 인산 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell ; PAFC)는 약 1000℃에서 작동합니다. 이처럼 다양한 연료전지 기술이 개발되었지만, 자동차나 휴대용 전원 공급 장치 등 이동형 애플리케이션에서는 저온형 연료전지가 주로 사용됩니다. 문제는 현재의 촉매 기술이 백금(Pt ; Platinum)과 같은 고가의 귀금속을 필요로 하며, 이를 대체할 저비용·고효율 촉매가 아직 개발 단계에 있다는 점입니다. 또한, 수소의 생산 및 저장 문제도 중요한 제약 요인입니다. 현재 상업적으로 이용 가능한 수소는 주로 화석연료 개질(Steam Methane Reforming ; SMR)과정에서 얻어지며, 이 과저에서 이산화탄소(CO₂)가 발생하기 때문에 탄소중립을 완전히 달성하기 어려운 한계가 있습니다. 물론, 전기분해를 통한 그린수소(Green Hydrogen) 생산이 대안으로 연구되고 있으나, 경제성이 아직 낮습니다. 더불어, 수소의 저장과 운송 비용이 상당히 높아, 기존의 화석연료 기반 인프라와 비교할 때 경제적 부담이 큽니다. 수소연료전지가 완전한 상용화 단계에 도달하기 위해서는 위와 같은 기술적, 경제적 문제를 해결해야 합니다. 특히, 이익과 비용의 비교에서 비용이 낮아지는 순간이 상용화의 결정적인 전환점이 될 것입니다. 예컨데, 배터리 전기차(Battery Electric Vehicle ; BEV)와의 경쟁에서 수소연료저지차(Fuel Cell Electric Vehicle ; FCEV)가 경제적으로 더 유리한 선택지가 되기 위해서는 충전 인프라 확충, 연료전지 시스템의 가격 저감, 내구성 향상이 필수적입니다. 이와 같은 분석은 Fuel Cell Systems Explained (Larminie & Dicks, 2nd Edition, Wiley) 및 Hydrogen economy: Supply Chain, Life Cycle Analysis and Energy Transition for Sustainability (Mehmeti et al., 2021)과 같은 학술 자료에서 자세히 다루고 있습니다. 추천드립니다.
Q. 중력이 왜 고층일수록 강해지는 걸까요?
안녕하세요. 중력(重力, gravity)은 질량을 가진 모든 물체가 서로를 끌어당기는 힘으로, 이는 뉴턴의 만유인력 법칙(Newton`s Law of Universal Gravitaiton)과 아인슈타인의 일반 상대성이론(general Relativity)으로 설명됩니다. 일반적으로 중력의 크기는 고도가 높아질수록 감소하는 것이 일반적인 경향이며, 고층에서 중력이 더 강해진다는 것은 물리적으로 성립하지 않습니다. 다만, 특정한 물리적 조건에서 낙하하는 물체가 더큰 충격을 받는 경우가 존재합니다. 중력의 크기는 뉴턴의 만유인력 법칙에 따라 식으로 정의 할 수 있습니다 : F = G (m₁m₂) / r² 여기서, F는 두 물체 사이의 인력(만유인력), G는 만유인력 상수(6.674 x 10⁻¹¹ N·m²/kg²), m₁, m₂는 각각 두 물체의 질량ㅡ한 물체는 지구, 다른 하나는 낙하하는 물체ㅡ, r은 두 물체 사이의 거리ㅡ지구 중심에서 물체까지의 거리ㅡ 입니다. 이 공식에서 알 수 있듯이, 중력의 크기는 물체가 지구 중심에서 멀어질수록 감소하게 됩니다. 따라서, 높은 건물 위나 산 정상과 같은 고도가 높은 위치에서는 중력의 크기가 지표면보다 작아집니다. 이를 보다 정밀하게 표현하면, 지표면 근처에서 중력 가속도는 근사적인 계산이 가능합니다 : g = G M / r² 여기서, g는 중력 가속도(9.81 m/s²), M은 지구의 질량(약 5.972 × 10²⁴ kg), r은 물체와 지구 중심 간의 거리입니다. 위 식에서 r이 증가할수록 g는 감소하게 됩니다. 예를 들어보면, 해발 고도가 10 km 정도 상승하면 중력 가속도는 약 9.78 m/s²로 감소하게 됩니다. 따라서 일반적으로는 고층에서 중력이 강해지는 것이 아니라, 오히려 미세하게 감소하는 것이 맞습니다. 그러나 같은 물체가 고층에서 떨어질 때 더 큰 충격을 받는 이유는 중력의 크기가 아니라, 낙하 거리에 따른 속도 증가 때문입니다. 물체가 높은 곳에서 낙하할 경우 더 긴 시간을 가속받으며 자유 낙하하게 되므로, 지면에 도달하는 순간 속력이 더욱 커지게 됩니다. 운동 방정식에 따르면, 자유 낙하하는 물체의 속도는 식으로 표현할 수 있습니다 : v = √(2gh) 여기서, v는 물체가 지면에 도달할 때의 속력, g는 중력 가속도, h는 낙하 높이 입니다. 이 식에 따르면, 물체가 높은 곳에서 낙하할수록 최종 속력(v)이 증가하므로, 지면과 충동할 때의 운동 에너지도 증가하게 됩니다. 운동 에너지는 : E = ½ m v² = m g h 즉, 같은 질량의 물체라 하더라도, 더 높은 위치에서 낙하할 경우 운동 에너지가 더욱 커지므로 충격력이 증가하게 됩니다. 이는 중력이 강해졌기 때문이 아니라, 중력에 의해 작용한 힘이 더 긴 거리 동안 누적되었기 때문입니다.
Q. 빛의 속도를 계산하는 공식은 무엇인가요?
안녕하세요. 빛의 속도는 물리학에서 가장 중요한 상수 중 하나로, 진공에서 약 299,792,458 m/s의 값을 가집니다. 이를 수식으로 표현하면 : c = λν 여기서, c는 빛의 속도(약 3.00 x 10⁸ m/s), λ(람다)는 빛의 파장(미터 단위), ν는 빛의 진동수(초당 주기 ; Hz)입니다. 즉, 빛의 속도는 주어진 매질에서 파장과 진동수의 곱으로 결정되며, 진공에서는 항상 일정한 값을 가집니다. 빛은 인간이 감지할 수 없는 매우 빠른 속도로 이동하기 때문에, 역사적으로 이를 정밀하게 측정하기 위해 다양한 실험적 방법이 개발되었습니다. 프랑스의 천문학자 올레 뢰머(Ole Rømer, 1676년)는 목성의 위성인 이오(Io)의 공전 주기를 관측하는 과정에서, 빛이 유한한 속도를 가진다는 사실을 최초로 밝혀냈습니다. 지구가 태양을 중심으로 공전하면서 목성으로부터의 거리가 달라질 때, 이오의 식(목성 그림자에 가려지는 현상)이 예상 시간보다 늦어지거나 빨라지는 현상을 발견하였고, 이를 바탕으로 빛의 속도를 약 220,000 km/s로 추정하였습니다. 이는 현대적인 값에 비하면 다소 오차가 있지만, 빛의 속도가 무한대가 아니라는 점을 최초로 과학적으로 증명한 중요한 연구였습니다. 현대적인 측정 방법으로는 레이저 간섭계(laser interferometry), 광섬유 기반 실험(optical fiber-based experiments), 원자시계(atomic clocks)를 활용한 전자기파 측정과 같은 기술이 사용됩니다. 국제도량형총회(CIPM)는 1983년, 1초 동안 빛이 진공에서 이동하는 거리를 기준으로 1미터(m)의 길이를 정의하면서, 빛의 속도를 299,792,458 m.s로 고정된 값으로 정의하였습니다. 핸드폰의 플래시에서 방출된 빛은 너무 빠르게 이동하기 때문에, 일반적인 카메라 센서로는 빛이 이동하는 모습을 직접 관찰할 수 없습니다. 그러나 최근에는 초고속 카메라(ultrafast camera ; 펨토초 카메라) 기술을 활용하여 빛이 움직이는 모습을 촬영하는 연구가 진행되고 있습니다. 예컨데, MIT의 연구팀에서는 1조 프레임/초(femtophotography) 카메라를 사용하여 빛이 물체에 반사되는 순간을 포착하는데 성공하였습니다.
Q. 수소연료전기와 깁스에너지 궁급합니다
안녕하세요. 수소연료전지에서 깁스 자유에너지(ΔG ; Gibbs free energy) 변화를 분석하는 과정은 열역학적으로 중요한 의미를 가지며, 이에 대한 올바른 해석은 중요합니다. 깁스 자유에너지는 화학 반응의 자발성을 결정하는 주요 지표로, 수식으로 표현하면 : ΔG = ΔH - TΔS 이 식에서 ΔG는 깁스 자유에너지 변화량, ΔH는 엔탈피 변화(enthalpy change), T는 절대온도(K), ΔS는 엔트로피 변화(entropy change)를 나타냅니다. 깁스 자유에너지 변화가 음수(ΔG 0)일 경우 비자발적인 반응이 됩니다. 수소연료전지에서의 반응식은 다음과 같습니다 : 2H₂(ᵍ) + O₂(ᵍ) → 2H₂O(ₗ) 이 반응의 열역학적 특성을 살펴보면, 수소와 산소가 반응하여 물을 생성하는 과정에서 다량의 에너지가 방출되므로 엔탈피 변화(ΔH)는 음수입니다. 즉, 발열반응(exothermic reaction)이므로 ΔH 이제 깁스 자유에너지 방정식을 적용하면, ΔG = (-) - T(-) 즉, ΔG = ΔH + T|ΔS| 로 표현할 수 있습니다. ΔS가 음수이므로 -TΔS는 양수로 변하며, 이는 ΔG는 여전히 음수를 유지할 수 있으며, 특정 온도 이하에서는 자발적인 반응이 유지됩니다. 수소연료전지는 일반적으로 80℃ 이하에서 작동합니다. 이는 깁스 자유 에너지 조건을 만족하는 온도 범위이며, 이 온도에서 ΔG
Q. 콜라의 탄산은 어떻게 제조되는 걸까요?
안녕하세요. 탄산의 제조에 대해서 화학식을 기반해서 설명드리겠습니다. 콜라를 비롯한 탄산음료에서 느껴지는 특유의 청량감은 이산화탄소(Carbon Dioxide ; 𝐶𝐎₂)를 액체에 용해시키는 탄산화 공정(Carbonation Process)을 통해 구현됩니다. 이 과정은 대형 음료 제조 공장에서 정밀한 압력 조절과 가스 주입 기술을 이용하여 진행되며, 기체 상태의 이산화탄소를 액체에 고압으로 주입함으로써 용해도를 증가시킨는 원리를 활용합니다. 이산화탄소가 물(𝐻₂𝑂)과 결합하면 일부는 탄산(Carbonic Acid ; 𝐻₂𝐶𝑂₃)으로 전환되며, 이로 인해 미세한 신맛과 독특한 청량감이 형성됩니다. 이러한 반응을 화학식으로 표현하면 : 𝐶𝑂₂(𝑔) + 𝐻₂𝑂(𝑙) ⇌ 𝐻₂𝐶𝑂₃(𝑎𝑞) 이 반응에서 탄산(𝐻₂𝐶𝑂₃)은 강한 산성이 아니므로 대부분 해리되지 않은 상태로 존재하지만, 일부는 이온화되어 보다 강한 산미를 띠게 됩니다. 이를 화학식으로 표현하면 : 𝐻₂𝐶𝑂₃(𝑎𝑞) ⇌ 𝐻⁺(𝑎𝑞) + 𝐻𝐶𝑂₃⁻(𝑎𝑞) 탄산화 과정은 카보네이터(Carbonator)라는 전문 장비를 사용하여 이루어지며, 일반적으로 다음과 같은 단계로 진행됩니다. 먼저, 정제수를 일정한 온도로 냉각한 후ㅡ일반적으로 0 ~ 4 ℃ㅡ 고압 상태의 이산화탄소를 주입합니다. 낮은 온도에서는 기체의 용해도가 증가하므로, 탄산화의 효율성을 극대화하기 위해 액체 온도를 낮추는 것이 중요합니다. 이후, 압력을 조절하면서 균일하게 이산화탄소가 분산되도록 혼합한 뒤, 즉시 병 또는 캔에 충전하고 밀봉합니다. 이러한 과정에서 탄산이 용해된 상태를 유지하려면 일정한 고압이 유지되어야 합니다. 병이나 캔이 밀봉된 상태에서는 내부 압력이 높아 𝐶𝑂₂가 안정적으로 용해되어 있지만, 개봉하는 순간 압력이 급격히 감소하면서 이산화탄소가 기포 형태로 방출됩니다. 이로 인해 톡 쏘는 감각이 발생하며, 기체가 빠져 나가면서 콜라의 풍미가 변하는 현상이 나타납니다. 제조 시간은 생산 규모에 따라 차이가 있지만, 산업용 탄산화 공정에서는 수 초 ~ 수 분 내에 대량의 음료를 탄산화할 수 있도록 설계됩니다. 일반적으로 1,000 L의 탄산수를 제조하는데 약 2~3분이 소요되며, 이후 충전 및 밀봉 과정까지 포함하면 완제품 한 병(500ml 기준)이 생산되는데 약 10~15초가 소요됩니다. 대형 공장의 경우, 자동화된 생산 라인을 통해 분당 수천 병의 탄산음료를 생산할 수 있습니다. 이와 같은 내용을 조금 더 자세히 접하고 싶다면 Belitz, H. D., Grosch, W., & Schieberle, P. (2009). Food Chemistry (4th ed.). Springer. 라는 문헌을 추천드립니다.