빅터의 평생의 업적은 그의 죽음과 함께 땅에 묻힌 것만은 아니었다. 그에게 깊이 감동 받았던 여러 과학자들이 계속하여 그의 연구를 재현시키고 이어받으려 노력하고 있다.
빅터가 죽고 난 직후부터 그의 주변에 있었던 사람들에 의해 연구모임이 하나 둘 결성되기 시작했다. 오스트리아에서는 그의 아들 발터 샤우버거(Walter Schauberger)를 중심으로 ‘생명공학 아카데미(Biotechnical Academy)’가 설립되었고, 서독에서는 ‘생명공학 발전을 위한 협회(Verein Zur Forderung Der Bitechnik)’가 설립되었으며, 이와 유사한 협회들이 오스트리아, 스위스, 스웨덴 등에서 잇달아 설립되었다. 1960년대에 들어서면서 생명공학 연구를 중심으로 하는 다채로운 교육 프로그램들이 많이 도입되었고, 코칼리(Kokaly)가 처음 발행하기 시작한 ‘Implosion (구심성의 내파)’라는 정기 간행물도 계간으로서 1961년부터 발간되었다.
1960년대 말에 발터 샤우버거는 ‘피타고라스-케플러 학교(Pythagoras-Kepler-School : P.K.S)’를 설립했으며 현재까지 대자연을 모방하는 생명기술연구분야에서 중추적인 역활을 수행하고 있다. 이 학교를 거쳐간 일련의 젊은 학자들에 의해, 1969년 서독에서는 노르베르트 하르툰(Norbert- Harthun) 교수의 지도하에 ‘새로운 그룹(Gruppe De Neuen)’이 설립되었다. 이들은 피타고라스-케플러 학교와 공동으로 ‘Komische Evolution(코믹 진화)’라는 제목의 계간지를 통하여 현대사회와 기술체계를 비판하면서 그 대안들에 대해 연구하고 있다.
스웨덴에서는 1950년대 말에 하나의 비공식적인 과학단체가 결성되어 이것을 토대로 1963년에 공식적으로 ‘스웨덴 생명기술과학학회(Swuedish Science group for Biological technology)’가 발족되었으며, 1968년에 ‘바이오텍(Biotec)’으로 확대 개편되어 1978년까지 지속되다가 1979년부터 현재까지 ‘스웨덴 생태기술연구소(Swuedish Institute for Ecological Technology)’에서 연구를 이어받아 계속 진행되고 있다.
지금까지 약 20년 동안 계속 연구를 진행하고 있는 발터 샤우버거는 그의 아버지와는 약간은 다른 방법으로 연구를 수행하고 있는데, 기존 물리학의 이론 범위 내에서 그의 아버지 빅터가 발견한 것을 설명하려고 애쓰고 있다. 이런 시도 속에서 발터는 빅터의 이론이 몇몇 기존의 유명한 물리학자들의 발견과 이론에 의해 강화될 수 있다는 것을 알아내었으며 현재까지 제각기 다른 방법으로 해석되고 있었다는 것을 발견하였다.
발터 샤우버거
발터 샤우버거와 그 주위의 과학자그룹은 기존 과학적 이론의 틀 속에서 이것들을 대자연의 실제순리와 상호 비교검토하는 작업을 진행시키고 있는데, 기존의 이론들이 명백히 자연계의 실체와 어긋난다고 판단되면 수정을 가해보거나 새로운 모델을 창안해내고 있다. 이러한 과정을 통해서 이들은, 빅터가 직관적으로 이해하였던 실제법칙들이 현실적으로 계속 증명되고, 따라서 현재의 과학세계에 근본적인 모순점이 있다는 사실을 객관적으로 밝힐 수 있기를 원하고 있는 것이다.
대자연은 역동적인 구심성의 원리에 따라 초월적인 지점까지 창조적으로 세상을 확장해 가는 반면에, 인류의 과학은 편협한 기계적인 모델과 기술 및 이론들에 갇혀서 대자연을 따라가지 못하고 오히려 대항하고 있는 것이다. 이러한 인식의 전환은 그 이전에는 알지 못했던 많은 것들을 밝히고 있다. 이를 이해하기 위해서는 현재의 고정관념을 타파하여야 하며 기존의 뉴턴 물리학, 유크리드 기하학, 유물론 등과 같은 개념들 속에서 벗어나야만 한다.
이러한 인식의 대전환의 필요성은 아직도 대부분의 과학자들에게 거부당하고 있는데, 이들은 위대한 과학자들로서 가우스(Gauss), 로바체프스키(Lobatchefski), 리에난(Rienann)이나 아이슈타인(Einstein)등의 이름과 업적을 거론하면서 현재 과학이론체계의 우월성을 주장하지만, 어떻게 본다면 이들 위대한 과학자들의 업적이 오히려 자연의 실체를 더욱 가리우고 있는 것이다.
비엔나 대학의 프레스코트(G. Pleskot) 교수는 발터 샤우버거와 그의 동료들의 작업에 대해 다음과 같이 평가하고 있다.
“이러한 연구들을 통하여 완전히 새로운 개념이 도출되어지는 데, 인류의 지속적인 번영을 파괴할 지도 모를 현재의 모든 기술과 그 기본이론들은 조화로운 새로운 ‘참다운 기술’들로 전면적으로 재편되어야 한다.
현재의 기술이론이 기본적으로 유클리드 기하학과 뉴턴 역학의 개념에 바탕을 두고 있는 반면에, 샤우버그 그룹의 이론적 개념은 훨씬 진보된 것이라서 유클리드 법칙이 적용되지 않으며 따라서 아마도 비유클리드 법칙에서 말하는 초월장이라고 부르는 것이라 할 수 있다.
피타고라스-케플러-가우스-프랭크-아이슈타인등의 이론체계에서 한발 더 나아가 발터는 이들 여러 이론들의 복합체를 인지해 내었으며, 이것을 우주법칙의 기본개념으로 간주하고 있다. 이 법칙들 속에서는 연속과 불연속, 시공간과 에너지라는 변증법적인 대립개념들이 자연스럽게 통일되어지고 있다.
이러한 통일적 개념들은 기술, 경제, 정치 등의 제반 분야에서도 적용될 수 있으며, 이러한 방법을 통하여 우리는 대자연에 보다 가까우면서도 인류에게 진정 가치가 있는 새로운 문명의 도식을 그려낼 수도 있을 것이다. 그러므로 발터 샤우버거의 개념들은 대단히 방대하며 진취적이다. 내 견해로는 당장 전폭적인 지원을 받아야 마땅하다.”
피타고라스-케플러 학교 [Pythagoras-Kepler-School (P.K.S.)]
한가지 흥미로운 사실은, 빅터가 이야기한 것처럼 구심성원리가 우주의 생성과 발전의 법칙이라면 수학적으로도 당연히 우주 자체가 나선형구조를 띠고 있어야 한다는 것이다. 우주의 기본구조가 나선형구조라는 것을 확인되면, 빅터의 회전나선운동이 생명의 기본 운동형태라는 것을 역으로 확신할 수 있는 것이다.
고전적인 물리학자들의 발견들 중에서 빅터의 이론과 상응하는 몇가지 발견들이 재조명 되어지는데, 그 첫번째로 루드빅 볼쯔만(Ludwig Bolzmann, 1804∼1906년)을 들 수 있다. 볼쯔만은 그 당시 증기이용기술의 분야에서 효율성을 높이려는 연구를 진행하였는데, 이러한 기술을 통해 원하는 고온과 고압을 발생시키려면 증기와 같은 기체분자들이 최대한 직선운동을 행하도록 만들어 주어야한다. 그러나 실제로 이런 직선적인 움직임이 거의 불가능하다는 것을 볼쯔만은 알게 되었는데, 이것은 수소분자와 같은 가장 단순한 기체의 경우에도 예외가 아니라는 것이었다.
기체분자에 동력에너지가 가해지면 분자는 먼저 자체회전운동을 시작하며 이로 인해 많은 에너지가 흡수되고 여분으로 남는 소량의 에너지에 의한 직선적 가속운동이 일어난다. 물과 같은 이원자분자의 경우에는 자체회전운동이 더 잘 일어나서 순수한 직선운동을 얻기가 더욱 힘들다.
이러한 발견은 볼쯔만을 매우 상심케 하였는데, 그는 그 당시로서는 증기기술과 같은 열기술이 동력원으로서 가장 중요하다고 여기고 있었기 때문에, 근원적으로 높은 효율을 얻을 수 없다면 저효율에 의한 연료의 낭비가 심해지고 따라서 지구상의 에너지 공급원은 빨리 고갈될 것이라고 염려하였다.
현재의 상황은 이러한 볼쯔만의 우려가 정확히 현실화되고 있음을 보여주고 있으며, 대자연의 법칙이 잘못 이해되고 있는 한 단면을 보여주고 있다. 어쨌던 볼쯔만의 연구결과는 빅터의 핵심이론인 대자연은 직선형의 운동을 거부하는 경향성이 있다는 것을 새삼 확인시켜준다. 원자궤도의 전자들에서부터 은하계의 행성의 운동에 이르기까지 대자연은 직선적인 움직임을 회피한다는 이치를 계속 망각하고, 현재기술들이 바탕으로 삼는 직선적 운동 모델을 계속 고집한다면 지구상에서 석탄 석유등의 고갈에 대한 책임도 아울러 짊어져야 할 것이다.
빅터의 나선형운동 이론과 부합되는 또 다른 물리학적 발견은 비엔나 대학의 물리학 교수였던 펠릭스 에른하프트(Felix Ehrenhaft, 1879∼1952)의 연구에서 찾을 수 있다. 에른하프트는 미세립자들이 자기장이나 광선 속에서 어떤 영향을 받는가에 대한 연구를 남기고 있다.
그는 은, 구리, 크롬이나 석탄 등의 미세분말과 수증기 입자 등을 진공유리관 속에 투입시키고 여기에다 인위적으로 자기장이나 강한 빛을 쪼이면서 입자들의 움직임을 관찰하였다. 먼저 미세입자들이 들어있는 유리관을 흔들어보면 입자들이 마치 혼탁액처럼 무질서하게 움직이는데, 여기에다 강한 빛살을 쬐어주면 놀랍게도 입자들의 움직임에 어떤 질서가 주어지면서 균일하게 흘러 다닌다.
더욱 재미있는 것은 빛을 쪼였을 때 입자들이 보여주는 움직임이 직선적이 아니라, 규칙적이며 균일한 나선형 형태라는 것이다. 특히 메틸오렌지 염료분말을 사용하면 이러한 움직임을 시각적으로 자세히 볼 수 있다. 진공유리관에 자기장을 걸었을 때에도 이와 유사한 결과를 얻을 수 있었는데, 이러한 현상은 국소운동이론이나 대전입자가설등의 어떤 기존 이론으로도 설명할 수 없었으며, 실제 실험적으로도 그러한 것은 아니라는 것이 확인되었다. 때로는 이 실험들 속에서 지구중력보다 130배 이상 강하게 작용하는 구심력현상이 유리관속에서 관찰되었다.
“빛의 영향과 자기장안에서의 입자들의 이러한 움직임을 기존의 이론으로는 설명할 수 없을 것 같다. 새로운 이론이 필요하다.”고 에른하프트는 말하였다.
발터 샤우버거는 이 현상에 대해 다음과 같이 해석하고 있다.
움직이고 있는 입자들은 일종의 에너지장을 만들어내며, 이것은 어떤 형태의 운동이냐에 따라 달라진다. 에너지장이 응집된 형태일수록 외부에 더 강한 영향을 줄 수 있으며, 이러한 에너지장을 생성시키고 있는 입자보다 훨씬 질량이 큰 다른 물질이라 할지라도 이러한 에너지장에 끌려질 수 있다. 광자(photon)에 비교하면 은, 니켈, 탄소원소들은 거대한 바윗덩어리라 할 수 있는데 이들 또한 광자의 회전움직임에 의한 에너지장에 끌려들어간다. 우리는 전자(electron)나 광자(photon)가 운동하고 있는 방식으로부터, 적은 양의 힘을 사용하여 태산을 움직일 수 있는 신비를 터득하여야 한다.
간단히 말해서, 에른하프트의 실험은 대자연의 가장 기본적인 운동형태가 나선형운동이라는 또 다른 증거로 제시될 수 있으며, 빅터는 실제로 이 법칙을 응용하기를 원하였던 것이다.
버벨라 플로우폼(Virbela Flowforms)은 1970년부터 A. 존 윌크스(A. John Wilkes)가 개발한 방법을 사용하여 설계되었습니다. 그림은 그러한 용기를 직렬로 보여줍니다. 시스템을 통과하는 물은 소용돌이 모양의 구불구불한 흐름으로 리드미컬하게 맥동하며 8자형 유로를 형성합니다. 이렇게 처리된 물의 수질은 생명 유지 능력이 향상되고, 모든 유기체의 리드미컬한 특성과 전체 환경의 특성이 상호 관계를 유지하기 위해 연구되고 있습니다.
970년 이후에 존 윌커스(John Wilkes)에 의해 고안된 다단계 원형구유를 통한 물 흐름 조절방법. 각각의 용기들에 의해 자연스러운 소용돌이 흐름이 일련의 리듬을 가지면서 집중되어진다.
빅터의 사망이후에 생명공학 연구는 그의 지지자들에 의해 새로운 방법개발과 환경보호를 위한 장치개발로 계속 이어지고 있다. 스웨덴에서는 빅터의 이론에 입각하여 수질정화방법과 생태계보호에 관한 기초연구가 진행되고 있다. 수질과 대기오염정화의 연구주제는 발터 샤우버거 그룹에 의해서도 주도되고 있는데 새로운 장치들에 대한 몇 몇 특허가 등록되어 있다. 물을 활성화시키는 간단한 방법으로서, 물저장 용기안에 설치된 교반기와 계란형 용기를 통해 소용돌이를 일으킨다. 이 소용돌이 속으로 공기가 빨려 들어오며, 원추형 나선운동을 통해 활성화시키면 수질을 정화시키는 효과가 일어난다.
아래의 그림들은 자동차와 같이 유독한 배기가스를 배출하는 연료기관에 부착시켜 배기가스를 정화시키는 장치들의 기본적인 도식그림이다. 이 장치들은 약간씩 변형시킴으로써 새로운 합성반응에도 응용될 수 있다고 알려져 있다. 왼쪽의 그림에서 흡입관A를 통해 배기가스를 주입시키면 용기의 내벽을 따라 강한 나선형 회전운동을 하면서 아래쪽으로 쏠려 내려가고 맨 밑바닥의 B를 통해 유입되는 물과 섞이게 된다. 이때 배기가스 속의 유독한 산성물질들이 물에 용해되어 함께 내부관C를 따라 회전하면서 솟구쳐 올라와 배출되게 설계된 것이다.
이 그림은 물에 산소를 공급하는 장치를 보여줍니다. 특수 설계된 교반기가 물 저장통에 있는 적절한 모양의 반응 용기에 부착되어 있습니다. 교반기는 소용돌이 모양의 소용돌이를 만들어 공기를 물 속으로 빨아들입니다. 산소 공급이 증가하면 오염 물질이 분해됩니다.
자연과 환경 보호에 대한 빅터 샤우버거의 견해
빅터의 이론과 연구결과들은 다양한 분야에 넓게 전파되어 환경보존을 위한 인식전환에 자극제 역활을 하고 있다. 그는 현재의 과학이 대자연을 ‘한 음정 낮게 인식하고 있다(thinking one octave too low)’고 비판하였는데, 바꾸어 말하자면 기계적이고 물질적인 패러다임이 우세해지면서 대자연의 질적인 면이 희생되었다는 것이다.
핵융합을 위한 가속기의 두 가지 변형. 빅터 샤우버거는 현재 원자력 발전소에서 사용되는 원자로에 대한 보다 안전한 대안으로 이러한 프로토타입을 연구했습니다.
지난 10여년간의 자연파괴와 생태계연구에서 밝혀지고 있는 상황을 고려해 볼 때, 빅터의 이야기 속에 선견지명이 담겨져 있음을 확인할 수 있다. 아직까지도 경제적 기술적 우위성과 이윤만을 추구하는 잘못된 관행들이 우리와 대자연과의 관계의 전부이다. 또한 생태계를 되살려야만 하는 시급한 우리의 자구책도 여전히 대자연의 실제방법과는 격이 떨어지는 낮은 음정으로 진행되고 있다.
빅터는 우리의 생활환경을 보존하고 질적 저하에서 구출하는 실질적인 방법들을 아주 단순하면서도 명쾌하게 제시하고 있다. 이것은 또한 상황이 긴급함을 말해주는 것이며 따라서 모든 과학이 대자연의 기본적 사실에 입각한 방향으로 힘과 지혜를 모아야한다는 것을 강변하는 것이다. 이러한 인식의 대전환이 현재의 과학분야에서 가장 시급하고 중요한 임무일 것이다. 또한 정치와 경제학자들도 이러한 새로운 사고에 동참하여야만 한다. 대자연은 더 이상 물질적인 자원의 창고로 취급되어서는 안된다. 대자연은 우리의 생명의 근원이며, 현재의 파괴가 더 이상 진행될 경우에는 우리의 생활의 질도 급속히 악화되면서 전체적인 생명체의 파멸로 이어질 것이다. 공기와 물과 먹이사슬들이 생명체 영위의 기본적 조건들에서 벗어나게되면 일반적으로 생태계 파괴로 곧장 이어지며, 이것은 우리의 경제적, 사회적, 정치적 파괴로 곧바로 이어지게 되어 있다. 따라서 대자연의 건강과 인류의 복지는 같은 연결고리로 이어져있음을 극명하게 밝혀주고 계속 강조해온 것이야말로 빅터 샤우버거의 선구적 업적이라할 수 있을 것이다.
우주의 소용돌이와 같은 성운의 나선형.
< 빅터 샤우버거가 말하는 “흡입 터빈” 혹은 제트 터빈 >
오늘날까지도 수력발전공학은 크게 두가지 변수에만 주된 관심을 갖고 있다. 변수중의 하나는 터빈에 유입되는 물과 터빈 사이에서의 고도차이이며, 다른 하나는 터빈을 통해서 이용되는 물의 양이다. 세번째의 주요변수인 물의 유속(流速)은 일반적으로 중요하게 인식되질 못하고 있다. 그 이유는 물의 유속은 단지 수압으로부터 결정된다고 물리학적으로 고려할 뿐이어서, 물의 유속은 물 자체로서의 중요한 독립요인이 아니라, 고도차이에 따라 변화될 뿐이라고 생각하기 때문이다.
오늘날의 수력발전시설의 설계방식에는 물의 자연스러운 흐름에 내재되어 있는 동력에너지의 잠재력을 이용하는 것은 배제되어 있다. 댐을 세워 물을 가둠으로 인하여, 흘러가고자 하는 물의 동적인 상태로부터, 물의 운동을 완전히 상실한 정적인 상태로 유도함으로써 물에 내재되어 있는 동력에너지를 잠재워버리고 있다.
산업문명 이전에 이용되었던 방앗간이나 대장간에서 이용한 수력의 이용원리는 물의 고도차이로부터 유도한 수압이 아니라, 물의 자연스러운 흐름이다. 만약 우리가 빅터 샤우버거와 루드비히 헤르브란트가 저술한 글들을 연구해 본다면, 물의 흐름을 방해하지 않고 자연스럽게 흐르도록 유도하면 그 흐름에 내재된 에너지는 물의 고도차이로부터 발생하는 수압을 이용할 때보다도 훨씬 더 클수 있다는 사실을 알 수 있을 것이다.
빅터 샤우버거는 수력발전을 일으키기 위해서는 수압을 이용하는 것보다는 물의 유속을 증가시켜 이용하여야 한다고 처음 주창하였다. 그는 1930년에 이미 “광속 터빈”이라고 이름 붙인 내용의 특허를 획득하였다. 물의 유속을 높이기 위해서 빅터 샤우버거가 이용한 원리는 젯트모양의 흡입관을 통해서 물을 끌어들이고, 젯트관 내부에서 나선형 고랑을 통과하면서 물의 원추형 나선운동을 증진시킨다.
빅터 샤우버거의 특허로부터 수력발전 기술에서 혁신적인 변화를 유도할 수 있는 중요한 두가지 실마리를 찾을 수 있다.
첫번째 실마리는 젯트 혹은 깔때기 모양의 관을 이용하여 물이 흐르는데 필요한 공간을 인위적으로 제한하여 물의 유속을 높이는 것이다. 만약 제트 혹은 깔때기 모양의 관이 원추형 나선운동을 유도하도록 독특한 형태를 취한다면 유속은 훨씬 더 상승할 것이다. 이러한 원추형 나선구조는 물의 유속을 상승시키고, 물의 온도를 떨어뜨리고, 물의 밀도를 증가시키는 특이한 효과를 보이는데 이는 일반적인 젯트효과와는 다른 독특한 것이다.
샤우버거에 의해 제안된 두번째 실마리는 혁신적인 터빈의 설계방식에서 찾을 수 있다. 이 설계방식에 따르면 아주 빠른 속도의 회전을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 일반적인 고속 터빈 설계 상에서 발견되는 일상적인 동공현상의 어려움을 배제할 수 있다. 빅터 샤우버거의 터빈 바퀴는 원추의 표면을 따라 나선형으로 꼬아 내려가서 끝에서 휘어진 날의 형태를 취하고 있으며, 물이 젯트로부터 분사되는 중심에 위치하게 된다. 그래서 전체적으로는 원추형의 나사모양을 취하면서 밑면에 날이 붙어있는 구조이다. 나사형 터빈 바퀴는 물의 흐름을 갈라 놓으면서 물의 동력에너지를 취한다. 그러면서도 물의 흐름에 아무런 교란을 일으키지 않으면서도 계속 흘러가도록 한다.
오늘날 고안되어 사용되고 있는 일반적인 터빈의 구조는 물의 흐름으로부터 수천의 파괴적인 반대흐름과 엇갈린 원추형 나선운동을 일으켜서 물의 흐름을 소멸시켜버린다. 그 결과 이용 가능한 많은 양의 에너지를 잃어버리게 되고, 어느 터빈이나 공통적으로 동공문제가 유발되며, 터빈날개 부위가 빠르게 부식, 파손되어진다.
빅터 샤우버거는 특허번호 117,749호의 특허에서 새로운 형태의 터빈에 대하여 소개하고 있다. “이 특허는 수력발전기에 관한 것으로서 수력발전을 목적으로 하며, 젯트 내부에서의 물의 빠른 유속으로부터 생명의 에너지를 이용하는 방법에 관한 것이다.”
이 발명에 의하면, 터빈의 바퀴는 나사모양이며 나사의 밑면에 두개의 휘어진 날을 가진 원추형태이다. 그 원추형태의 터빈은 젯트축의 방향을 따라서 그 축과 같도록 배열한다. 이러한 방식으로 젯트분출된 물은 분열되면서 진행방향을 전환하게되며, 자신의 생명에너지는 회전하는 원추형의 터빈으로 전달된다. 원추의 길이와 원추의 밑면의 넓이가 서로 정확한 관계로 유지되고, 그 양날들이 정확한 각도로 설치된다면(젯트분출되는 물의 속도에 따라 이들 변수들이 정확히 주어진다면), 물의 흐름은 아무런 동요도 일으키지 않으면서 발전기 밖으로 흘러나갈 것이다.
삽입된 그림은 특허에 나와있는 발명의 대략적인 설계도면이다. 젯트관1)으로부터 젯트분출되는 물의 방향과 같은 방향으로 원추터빈의 축이 배치된다2). 회전원추터빈은 원추형의 나사모양이며 밑변에 구부러진 양날을 부착하고 있다3). 이들 양날3)의 끝은 젯트분출되어 날아오는 물의 방향을 향하여 위로 약간 구부러져 있어서4), 젯트분출된 물을 효과적으로 분산시켜서 젯트로부터 형성된 생명에너지를 회전원추터빈으로 최대한 많이 전달하도록 한다. 젯트관의 내부는 회전을 일으킬 수 있도록 암나사처럼 골을 팠다5). 실제로 관측해 본 결과, 젯트분출되는 물의 속도를 증가시켜서 발전기의 효율을 높였다.
특허 청구 사항
1. 젯트 터빈은 다음과 같이 특징 지워진다.
물젯트의 경로가 특징적이다.
젯트 분사되는 물을 분열시키기 위해서 젯트의 축과 일치하도록 터빈을 배치한다.
터빈의 바퀴는 원추모양을 하고 있으며 그 원추의 표면은 원추나사처럼 홈이 파져 있다.
2. 청구사항 1에서의 젯트 터빈은 터빈 바퀴의 회전방향과 일치하도록
비스듬한 홈을 새긴 고랑이 있는 젯트관으로 특징지어진다.
이 특허는 1926년에 출원되어 1930년에 특허를 획득하였다. 빅터 샤우버거는 당시의 숲에서 산림꾼들이 거주하는 집들 근처에서 물의 흐름을 이용하는 이들 작은 터빈을 실제로 사용했었던 것 같다. 하지만 믿을만한 기록은 남아 있지 않다.
< 루드비히 헤르브란트 >
흐르는 물에 내재된 동력에너지를 이용하고자 했던 또 다른 사람은 독일인 기술자 루드비히 헤르브란트이다. 그는 1930년대에 학생신분으로서 라인펠덴 발전소에 새로 설치된 발전기와 여자기장치와 관련된 매개변수를 계산하여 평가하도록 요청 받았다. 더불어 이들 발전기의 전기적 과부화 방지체계 및 적절한 스위치 방식을 설계하도록 요청받았다. 그는 또한 전문잡지의 기사에 실렸었던 다른 수력발전소의 발전기와 비교 검토하도록 요청받았다.
그 당시 젊고 호기심 많은 공학도였던 헤르브란트에게는 너무나도 당혹스럽게도, 검토했던 발전기들이 당시의 일반화된 이론치보다도 훨씬 많은 전기에너지를 생산 공급하고 있었다. 라인펠덴 발전소의 발전기 중의 하나는 초당 50㎥의 물량과 단지 1m의 고도차를 이용할 뿐인데도 라이버거-스뵈르스타트 근처에 있던 초당 250㎥의 물량과 12m의 고도차를 이용하는 발전기와 같은 생산능력을 보여 주었다. 그 사실은 터빈과 발전기를 고안했던 핀지 교수가 헤르브란트에게 다음과 같은 말로써 확인시켜 주었다.
“자료에 대해서는 염려하지 않아도 좋다. 그 자료는 모두 다 옳다. 그 발전기는 지금까지 별 문제없이 작동하고 있다. 다시 한번 검토해본다면 네 자신의 결과에 대해서 확신할 수 있을 것이다. 우리는 전기공학자일 뿐이다. 자, 다른 문제들은 우리가 풀어야 할 것들이 아니다. 그 문제들은 수리학자들에게 맡기도록 하자. 우리는 우리의 측정치를 다시 한번 확인해 보고, 그 발전기의 발전효율을 정확히 계산해 보다. 분명한 사실은 이것에 관해서 아무도 알지 못하고 있다는 것이다.”
얼마 후 헤르브란트는 육군으로 소환되어 입대하였고, 제2차 세계대전이 발발하여 그 문제에 대해서는 더 이상 탐구할 수 없었다. 세월이 흘러 1970, 1980년대에, 그는 젊은 공학도시절의 과제였었던 발전효율에 대한 계산으로 되돌아 올 수 있었고, 이러한 좀 색다르고 효율이 높은 수력발전에 대하여 산업계와 행정부의 관심을 유도하고자 노력하였으나 아무런 성과도 얻질 못했다.
< 기술적인 면 >
나는 여기서 일반적으로 인정된 수식들과 물리학적으로 고려한 실제 실험을 통해서 확인한 계산을 바탕으로 수력발전의 기술적인 면들을 생각해 볼 것이다. 그래서 오늘날 이용되고 있는 수력발전기술로부터 생산하여 사용하는 전기량 보다도 훨씬 더 많은 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 환경에 대해서도 피해를 거의 주지 않는 수력발전공학에 대하여 새로운 접근 방법을 보여주고자 한다.
앞에서도 언급했듯이 오늘날의 수력발전공학은 물이 떨어지는 꼭대기 상부위치와 터빈위치사이의 고도차로 인하여 발생하는 수압을 기본 바탕으로 한다. 형성된 수압은 터빈을 통해서 방출되면서 물젯트에서 빠르게 형성된 물의 속도처럼 물의 순간적인 가속을 불러일으킨다. 처음에는 고도차에 따라 물의 속도가 빠르게(가파르게) 증가하지만, 점차 고도차가 커질수록 속도는 완만하게 증가하는 경향을 보여준다. 고도차의 변화에 따른 출력되는 에너지의 양에 대해서도 생각해보자. 위의 그래프에서 볼 수 있듯이 출력되는 에너지의 양은 고도차에 따라 선형 증가함을 볼 수 있다.
< 계 산 >
물로부터 얻을 수 있는 전기에너지는 물의 흐름속도(流速)와 물의 질량을 이용하여 계산가능하다. 즉, 다음 식에 따라 초당 흘러간 물의 질량을 이용한다. 물의 유속에 따른 이용 가능한 에너지의 양을 비교해 보기 위해서 초당 2㎥의 일정한 물이 흘렀다고 가정한다면 다음의 결과가 얻어진다.
아래 그래프는 속도를 2배로 하면 얻어지는 출력은 4배가 되고, 속도를 3배로 하면 얻어지는 출력은 9배가 됨을 보여준다. 다시 말해서, 출력은 속도가 증가함에 따라 지수적으로 증가함을 보여준다. 세번째 그래프는 물의 유속에 변화에 따른 출력에너지양의 변화곡선이다. 이 그래프는 물의 유속이 증가하면 출력에너지는 이보다 훨씬 빠르게 증가함을 분명히 보여주고 있다. 그래서, 물의 유속이 빠를수록 수력발전소의 전체적인 효율이 증가한다. 전기에너지를 생산하기 위한 수력발전소를 개발하기 위해서는 물의 유속이 중요하다.
물의 유속을 이끌어내기 위해서는 고도차로부터 얻어지는 수압을 이용하든지 혹은 물의 흘려가려는 자연적 성질을 촉진시켜서 이용하여야 한다. 물의 유속을 이끌어내는 방법이 무엇이든지간에 중요한 것은 최종적인 물의 유속이다. 그리고 물의 유속은 우리의 의지에 따라 얼마든지 증가시킬 수 있다.
< 어떻게 전기적 출력을 높일 수 있을까? >
수력발전공학에서 전기적 출력을 결정짓는 두가지의 기본적인 변수가 있다. 그 두가지 변수는 이용 가능한 물의 양과 물의 유속(流速)이다. 첫째 변수인 이용 가능한 물의 양은 지역여건에 따라 다르며, 일반적으로 인위적인 조절이 가능하지 않다. 중요한 것은 둘째 변수인 물의 유속이다. 물의 유속은 얼마든지 조절할 수 있다.
물의 유속을 높이기 위해서 수압을 이용하는 방법은 상대적으로 비효율적인 방법이다. 보다 단순하고 경제적이면서도 효율적인 방법으로 물의 유속을 높일 수 있는 전혀 다른 공학적 실마리가 있다. 이것은 로켓트에서 적용되는 원리로서, 뜨거운 연소가스의 진행 통로를 좁게 제한하여 배출되는 가스의 유속을 증가시킨다. 이것을 젯트원리라 부르며, 지난 수십년 동안 성공적으로 활용하고 있다.
똑같은 원리를 강물과 같은 물의 유속을 높이기 위해서도 이용할 수 있다. 강물이 자연스럽게 조성되어 있는 지세를 따라서 좁은 협곡으로 흘러가는 경우에, 그 협곡의 가장 협소한 지점에서의 물의 유속은 협곡을 통과하기 전후(前後)의 물의 유속보다 훨씬 빠르다. 이러한 효과는 자연적인 협곡을 이용하여 개발될 수도 있고, 인위적으로 제방을 쌓아서 이용될 수도 있다.
물의 유속을 높이기 위한 또 다른 방법은 수평면을 따른 원추형 나선운동을 향상시켜 이용하는 것이다. 원추형 나선운동이란 회전하면서 굴러가는 운동양상을 말함인데, 이때의 운동의 축은 물이 흘러가는 방향과 일치한다. 이러한 원추형 나선운동은 물의 유속을 상승시키는 성질을 가지면서, 물이라는 물리적인 실체를 위해서 필요한 공간의 반경을 축소시키는 성질(쉽게 말해서, 밀도가 증가하는 현상)이 있다. 그러한 원추형 나선운동의 결과로 물의 온도는 하강하고 밀도는 상승된다.(물의 밀도는 +4℃의 온도에서 최고이다.) 물은 원추형 나선운동을 하려는 자연적 경향이 있다. 특히, 물의 흐름이 중력과 같은 외부적인 영향에 의해 가속되어 질 때 더욱 그러하다.
어떤 용기의 바닥에 구멍이 나 있고, 그 구멍으로 관을 연결하여 물이 흘러 갈 수 있도록 되어있는 경우를 살펴보자. 물이 목욕탕 혹은 씽크와 같은 용기로부터 빠져나갈 때 생기는 소용돌이를 관찰해보면 이러한 사실을 이해할 수 있다. 아니, 물이 흘러나오는 단순한 수도꼭지에서조차도 물이 교란 받지 않고 흐른다면 이러한 원추형 나선운동을 관찰할 수 있다. 물이 점점 빨리 흘러감에 따라 물은 분명히 우리 눈 앞에서 깔때기 모양의 원추형 나선운동을 형성할 것이다.
물의 유속을 증가 시킬 때 물이 원추형 나선운동을 하려는 경향을 확인하기 위해서 1952년 슈투트가르트의 기술대학에서 프란츠 포펠 교수와 빅터 샤우버거는 몇몇 실험을 수행하였다. 관의 소재나 형태에 따른 물의 흐름에 대한 저항변화를 알아보기 위해서, 서로 다른 소재로 만든 관과 다른 모양으로 만든 관을 이용하여 실험을 하였다. 최상의 결과는 구리관에서 얻어졌는데, 비교를 위해서 사용했던 매끈한 유리관보다도 물의 흐름에 대한 훨씬 적은 저항값을 보여주었다. 그러나 이 실험에서 얻어진 보다 중요한 결과는 쿠두산양의 뿔 모양을 흉내내어 설계한 나선형의 구리관을 사용한 실험에서 얻어졌는데, 물의 유속(流速)을 증가시켜감에 따라 관에서의 저항값은 오히려 떨어졌고, 심지어 어떠한 임계점에서는 음 저항값을 보여 주었다.
< 이론과 실제 >
아무리 좋은 이론이라도 실제로 적용될 수 없다면 그 이론의 가치는 종이 조각에 불과하다. 그래서 우리는 이들 이론들을 수력발전공학에 실제로 적용시켜 볼 것이다. 우리가 목적하는 바는 현재 일반적으로 사용되고 있는 수압적용방식보다도 많은 동력에너지를 얻기 위해서 젯트 분출 방식을 이용하여 물의 유속(流速)을 높이는 것이다.
첫번째 단계로서, 일상적인 강의 흐름을 보다 빠르게 유도하기 위해서 제방을 쌓아서 강폭을 좁게 유도한다. 이렇게 하여 보통의 물의 유속(2∼5m/sec)을 적당한 유속(10∼15m/sec)까지 끌어올린다.
두번째 단계로서, 물의 유속을 보다 빠르게 증가시키기 위해서 자연적인 원추형 나선운동과 흡사하도록 인위적인 물의 흐름을 유도할 수 있는 관을 설치해야 한다.
강에서의 가장 협소한 지점에서 물의 흐름을 젯트관으로 유도한다. 여기에서 물이 흘러갈 수 있는 젯트관의 직경(단면적)은 점차 짧아지고(좁아지고), 물의 유속은 점점 상승한다. 이러한 과정을 효과적으로 돕기 위해서, 젯트관의 내부에서 원추형 나선운동을 촉진시켜 준다. 원추형 나선운동은 빅터 샤우버거가 제안했듯이 젯트관의 내부를 나선형 고랑을 만들어 주거나, 젯트관 전체를 마치 코르크 나사모양으로 만들어서 그 속으로 물을 통과시켜서 만들어 낸다. 물이 젯트관을 통과하여 강한 흐름을 형성한 상태로 빠져 나오는 지점에 빅터 샤우버거가 제안하여 설계한 터빈과 발전기를 설치한다. 이렇게 하여 발전되는 전기량은 전통적인 방식에 따라 발전하는 전기량보다 훨씬 많다.
강폭이 너무나 좁아서 첫번째 단계가 필요치 않은 경우, 혹은 단순히 이미 존재하는 발전소에서의 수압에 의한 물의 동력에너지를 개발하기 위한 경우에는 바로 두번째 단계를 적용할 수 있다. 이런 곳에서는 수력발전소에서 이용되는 수압관의 모양을 원추형 나선운동을 일으킬 수 있는 젯트관으로 대체시켜 준다. 그래서 젯트효과와 원추형 나선운동의 특별한 작용을 이용할 수 있게 되고, 그 결과 중력만을 이용한 수압방식보다 훨씬 효과적으로 물의 유속을 증가시킬 수 있게 된다.
< 물의 흐름에 대한 이론적 한계는 없다 >
물젯트가 물의 유속을 어느 정도까지 상승시킬 수 있을까? 물젯트에서 유도될수 있는 유속의 한계에 대한 것은 이러한 일을 착수하려는 우리 자신에게 분명히 물어 보아야할 질문이다. 물의 흐름에 대하여 원추형 나선운동을 적용시키는 한은 이론적으로 아무런 한계가 없어 보인다. 만약 물이 직선관을 통해서 흘러가도록 하면 물의 유속이 증가함에 따라 저항도 증가한다. 물이 자신의 자연스러운 방식으로 흘러가도록 그 흐름을 방해하지 않는 한은 유속에 따라 저항이 증가하지만은 않는다.
우리가 고안해서 사용하고자 하는 젯트관에서는 원추형 나선운동을 유발하기 때문에 이 경우에는 저항값은 아주 작고, 슈투트가르트에서 행한 실험에서 볼 수 있듯이 심지어 음의 저항값을 보여 줄 수 있다.
물의 흐름에 내재한 동력에너지를 이용할 수 있는 잠재 이익을 짐작해보기 위해서 우리는 특별한 어려움 없이 40∼50m/sec 정도의 유속을 얻을 수 있다고 조심스럽게 가정해 보자. 이러한 속도는 라이펠텐 발전소에서의 유속이 35m/sec 였다는 헤르브란트의 측정치에 기반을 두고 있다. 우리는 앞에서의 통계표에서 45m/sec 의 유속은 100m 이상의 고도차와 맞먹는 값임을 볼 수 있다. 그리고 10㎥/sce 의 물의 방류량을 가정하면, 우리는 10 mega watt 규모의 출력에너지를 예측할 수 있다. 이것은 상당한 양의 전기에너지이며, 더 중요한 것은 보통의 강줄기를 따라 어디에서나 이 정도의 에너지는 얻을 수 있다는 사실이다. 100m 의 고도차를 얻기 위한 댐과 인공호수를 건립할 때 지불해야하는 막대한 비용과 많은 환경적 의문사항을 고려할 필요가 없다고 할 때 그 가치는 실로 엄청나다.
만약 오늘날의 수력발전 체계를 유지하기 위해서 필요한 막대한 비용의 극히 일부분에 불과한 단순한 장치를 이용하여도 물의 유속을 마음대로 높일 수 있다면 일반인들은 이렇게 물어 볼 것이다. “그 방법이 분명히 우수하면 왜 이용하지 않고 있습니까?”
< 고정관념과 에너지 보존의 법칙 >
학습을 통해 배운 내용을 다시 지워버리기는 대단히 어려운 일이다. 특히, 배운 내용이 실험을 치르기 위해서 필요한 내용이었을 경우에는 더욱 더 그러하다. 여러 학설들의 뒤를 받쳐 주는 소위 “자연법칙”이라는 무게 때문에 사람들은 점점 자연의 실체를 이해하기가 어려워지고 있다. 물론 수력발전의 경우에도 마찬가지 상황이어서, 자연법칙을 이용하고자 한다면 물의 유속을 끌어내기 위해서는 수압을 이용해야한다는 사실은 누구나 다 알고 있다. 또한 우리들은 수력공학기술을 20세기 초부터 잘 이해하고 있다고 믿고 있다. 만약 사실이 그러하다면 우리가 더 이상 성가시게 수력공학기술에 대해서 연구해볼 필요가 있을까?
루트비히 헤르브란트는 우리들과는 전혀 달랐다. 그는 수력공학에 대한 새로운 기술을 이해하기 위해서 오늘날까지도 20년 이상이라는 오랜 시간에 걸쳐 끊임없는 싸움을 해오고 있다. 문자 그대로 행정부와 산업계뿐만 아니라 세계 여러 나라의 연구소에 수백통의 편지를 보냈었지만, 되돌아오는 답장에는 그의 제안은 받아들일 수가 없다는 부정적인 대답만이 들어있을 뿐이었다.
지식의 벽을 허물어버린다는 것은 어려운 일이다. 특히 전문가들이 어떠한 현상을 바라볼 때, 그 현상이 에너지보존의 법칙을 위배한다고 할 때는 더욱 그러하다. 에너지 보존의 법칙은 출력에너지는 입력에너지보다 높을 수 없음을 의미한다. 그러나 여기에서의 경우에는 에너지 보존의 법칙을 어긴 것이 아니라, 우리의 계산상 간과되고 있는 요인이 있음을 의미한다.
< 물은 에너지의 응집체이다 >
원추형 나선운동의 결과로 물 온도는 떨어지고, 그 결과 물은 유속이 증가한 형태인 동력에너지로의 에너지 전환을 일으킨다. 이것에 대한 몇몇 증거가 있다. 이러한 방식으로 원추형 나선운동은 열에너지(이것은 무질서한 분자운동이다.)를 동력에너지(이것은 특정 방향으로 질서가 잡힌 운동이다.)로의 변환을 유도한다.
빅터 샤우버거는 물은 열을 받아서 온도가 올라가면 방대한 양의 에너지를 저장하고 있게 된다고 강조했다. 다뉴브강에 관한 글에서 1㎥의 물을 단지 0.1℃ 온도를 높이기 위해서는 약 42,700k.g.m 의 에너지가 필요하다고 적고 있다.
이러한 자료는 물이 가열될 때 물에 저장되는, 혹은 다시 냉각될 때 방출되는 막대한 양의 에너지를 보여준다. 오늘날의 학계와 대학에서 가르치고 있는 열역학에서는 적은 온도 차이에서의 열의 쌍방전환에 대해서는 인정하지 않고 있다.
열역학은 증기기관에 대한 관찰을 바탕으로 확립된 체계일 뿐이므로, 비록 몇몇 사람들은 소위 말하는 열역학적 법칙들은 ‘자연 법칙’이라고 계속해서 주장하겠지만 그럼에도 불구하고 열역학은 많은 자연현상들을 제대로 설명할 수 없다.
전기에너지 생산 수율을 계산하기 위해서는 속도만을 독립적으로 고려할 수 없고, 단지 고도차이만을 고려할 때만그 결과로서 속도를 이해할 수 있다. 이것은 마치 수압을 제외한 다른 방법으로는 물의 흐름을 유도할 수 없다고 말하는 것과 같다. 수압만을 고려하여 물의 유속을 계산하는 것은 전문가들의 계산방식이기는 하지만 물리적 실재상황은 전혀 다르다.
앞에서도 보았듯이 물의 유속은 전적으로 수압에만 관련된 것이 아니라, 다른 방법으로도 조절할 수 있다. 그래서 계산하고자 할 때 정확한 방법은 수압이 아닌 물의 유속으로부터 시작해서 출력양을 돌출하는 것이다. 앞에서 주어진 수식으로부터 계산할 수 있는 고도차와 물의 유속과의 상관관계는 특정한 경우에 대한 것일 뿐 결코 자연의 일반적인 법칙은 아니다.
우리는 수압으로부터 유발되는 물의 유속과 흐르는 물의 자연적인 유속을 서로 구분해야만 한다. 이는 마치 운동에서 중력과 관성을 구분해서 생각해야 한다고 말하는 것과도 같다. 이들 두가지 힘은 유사한 효과는 있지만 전혀 다른성질의 힘이다. 이 논문에서는 물의 운동에 관련된 물리적 힘들에 대해서 자세히 고려하지는 않았다.
이 주제에 관심이 있는 사람은 1992년 ‘Explore’라는 잡지에서 발표된 논문은 물학적 토대 위에서 설명하였으니 참고하기 바란다. 이 논문의 내용은 수자원공학영역에서 모든 사람이 잘 이해하고 있다는 ‘지식의 벽(한계)’를 극복하는데 기여할 것이라고 희망해 본다.
물의 동력에너지를 개발하고자 모든 이에게 빅터 샤우버거가 저술한 글들을 연구해보길 권한다. 자연에 대한 그의 생각과 견해는 그 당시의 전문가들과는 근본적으로 달랐던 까닭에, 그는 인생의 대부분은 전통과학계의 외곽에서만 머무를 수밖에 없었다. 빅터 샤우버거, 그는 수자원 공학에 있어서 위대한 선각자였었다.
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