문명과 에너지 ⑥ {태양의 핵융합}

2024.11.05 - [2024 통합과학 톺아보기] - 문명과 에너지 ⑤ {신재생 에너지}

문명과 에너지 ⑤ {신재생 에너지}

판서 조직도

 

재생 에너지의 일종인 태양열 및 태양광 발전은 태양 에너지를 빌려다 전기 에너지를 만드는 방법으로 다소 수동적인 발전 형태입니다. 문명의 지적 발달로 하여금 여기에 그치지 않고 태양이 에너지를 생성하는 원리를 터득한 인류는 이를 모사하는, 소위 태양을 만들어내는 경지에 이르게 됐죠. 그 궁극의 에너지원, 태양의 핵융합에 대해 공부하는 시간입니다.

 

태양계에서 유일하게 빛나는 별, 태양

 

태양을 별이라고 생각하는 사람들이 의외로 많지 않은데요. 태양도 저 멀리 어딘가에 살고 있을 외계인에게는 밤하늘을 밝게 수놓는 별 중의 하나입니다. 그렇다면 밝게 빛나는 달도 별일까요? 아닙니다. 달은 그저 태양 빛을 반사하기만 할 뿐 스스로 빛을 내지 않기 때문이죠. 이처럼 태양을 비롯한 별들이 스스로 빛을 내는 이유는 무엇일까요?

 

연소

 

장작을 태우거나 폭죽을 터뜨릴 때 빛이 나는 이유는 발화 물질이 산소와 만나 연소를 하기 때문입니다. 옛날 사람들은 밝고 뜨거운 태양이 석탄과 산소로 이루어졌을 거라고 생각했어요. 즉 태양이 밝게 빛나는 이유를 화학적 연소 과정으로 설명하려고 했죠. 하지만 이러한 설명대로라면 태양의 수명은 약 1000년에 지나지 않게 됩니다. 태양은 초당 3.9 X 10^26J의 거대한 에너지를 무려 46억 년 간 끊임없이 방출해오고 있습니다. 이 어마어마한 에너지는 어디에서 발생하는 것일까요? 그 답에 대한 힌트를 아인슈타인이 찾았습니다.

3. 태양의 핵융합

1) 질량 에너지 등가 원리

 

아인슈타인은 질량도 에너지의 한 형태이며, 질량과 에너지가 서로 전환될 수 있다는 '질량 에너지 등가 원리'를 발표합니다. 그림의 오른쪽 수식이 '질량 에너지 등가 원리' 이론 그 자체예요. 이 식이 우리에게 전하는 메시지는 질량이라고 부르던 것이 단순히 물질적인 것에 불과하지 않다는 것입니다. 20세기말까지만 해도 질량은 손으로 만질 수 있는 현실적인 실체였어요. 그리고 에너지는 보존 법칙과 관련된 추상적인 개념에 지나지 않았습니다. 그러나 E=mc2이라는 질량 에너지 등가 원리가 등장하면서 에너지와 질량 사이의 등가성이 성립되고, 추상적인 것과 현실적인 것은 뒤섞여 버렸습니다.

 

2) 태양의 에너지원

 

태양의 중심에서 일어나는 수소 핵융합 반응

 

온도와 압력이 매우 높은 태양 중심부에서는 수소 원자핵 4개가 결합하여 헬륨 원자핵 1개로 융합되는 반응이 일어납니다. 이때 질량이 약간 감소함을 확인할 수 있어요. '질량 보존 법칙'에 따르면 반응 전후 총질량은 보존되어야 하지만 이 반응에서의 총질량은 명백히 감소합니다. 질량을 물질적인 것으로만 여긴다면 답이 나오지 않지만, 질량이 에너지로 바뀔 수 있다는 걸 떠올리면 해결됩니다.

 

△m: 반응 시 감소한 질량

 

감소된 질량은 'E=mc^2(m: 감소된 질량)'식을 만족하는 만큼의 에너지로 전환되어 방출됩니다. 이렇게 서로 다른 원자핵이 합쳐져 새로운 원자핵이 만들어지는 반응을 핵융합이라 하며, 이 핵융합 반응이 태양의 에너지원입니다. 즉, 태양은 석탄을 태우는 것이 아니라 수소를 태움으로써 에너지를 만들어요. 즉 수소가 '연료'이고 헬륨이 '타고 남은 재'예요. 태양의 핵융합은 궁극의 효율을 자랑합니다. 우리 몸이 태양처럼 효과적이고 절약하는 기계라면 전 생애 동안 음식을 0.5그램 이하로 먹어도 된다고 하네요. 

 

수소의 핵융합 반응을 바탕으로 계산된 태양의 수명은 약 100억 년이라고 합니다. 즉 지금의 태양은 딱 절반만큼 살아온 청년인 셈이죠. 앞으로 남은 50억 년 동안, 태양은 수소를 태워 헬륨을 재로 남기면서 한없이 성장해갈 것입니다. 그러나 모든 것에는 끝이 있는 법.

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Bring the right of a dying star, supernova

 

죽음을 앞둔 별은 그에 굴복하지 않고, 생의 그 어느 때보다 맹렬히 뜨거워지고, 찬란한 빛을 밝힙니다. 그리하여 별은 우주 공간에 자신의 조각들을 흩뿌리며 장렬하게 죽음을 맞이합니다. 별의 조각들은 오랜 시간 동안 우주를 돌아다니며 뭉치고 흩어지기를 반복하다 지구라는 행성을 이루기도 하고, 생명들과 인간의 몸을 이루기도 했어요. 결국 우리는 별의 조각으로 이루어진, 죽음이 무색하게 뜨겁고 찬란했던 별의 최후, supernova가 낳은 별의 후손입니다.

 

Supernova - aespa

https://www.youtube.com/watch?v=cFWizFSUe0I

 

우리는 별의 후손이기에 고통에 굴하지 않는 뜨거운 열정과 미래에 대한 낙관을 비롯한 별의 기개를 물려받았습니다. 새로움의 씨앗을 혁신으로 싹 틔울 거대한 explosion, 우리 안의 supernova. 그 어떤 냉혹한 현실일지라도, 막연한 미래일지라도 결코 우리의 hyperstella를 멈출 수 없습니다. 별의 후손인 우리의 고향은 무한의 우주. 그렇기에 우리에게는 무한의 가능성이 잠재돼 있습니다. 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.