더 높은 온도를 만들기 위한 신소재의 개발 역사

더 높은 온도를 만들기 위한 신소재의 개발 역사

더 높은 온도를 만들기 위한 신소재의 개발 역사

온대 산림의 아름드리나무를 마구 잘라 쓰면서 13세기에 들어와 마침내 나무가 고갈되기 시작합니다. 숲이 없어지면서 더 이상은 양질의 숯을 만들 수 있는 아름드리나무를 구할 수 없게 된 것이죠. 이와 같이 나무의 고갈을 특히 심각하게 느꼈던 나라가 바로 섬나라인 영국입니다. 영국은 섬나라이기 때문에 자신이 가지고 있던 나무를 다 베어버리면서 결국에는 태울 것이 없어졌죠. 그런데 마침 영국은 굉장히 많은 석탄 매장량을 가지고 있었습니다. 그리고 이 석탄이 겉으로 노출되면서 굉장히 많은 노천 석탄들이 해안선을 따라서 널려있었죠. 그래서 13세기부터 영국을 중심으로 숯 대신에 해안에 널린 노천 석탄들을 주워다가 사용하기 시작합니다. 마침내 인류가 나무를 쓰던 시대에서 숯을 쓰던 시대로 넘어갔다가 드디어 석탄을 쓰는 시대로 넘어가기 시작한 것입니다. 이때부터 철광석을 환원시켜서 철을 얻는 과정에 숯 대신에 석탄이 대신 사용되기 시작합니다. 석탄불을 피워서 쇠로 된 무기와 연장을 만들기 시작하죠. 그러나 이 노천 석탄도 얼마 되지 않아서 고갈되기 시작합니다. 18세기에 들어오면서 해안가에 널려있던 노천 석탄도 다 고갈되었고 더 이상은 주워다 쓸 수 있는 석탄이 없어져버리죠. 이때부터 석탄 광맥을 따라서 땅속으로 파고들어 가면서 석탄을 캐내기 시작합니다. 18세기에 들어와서 마침내 석탄 광산의 개발이 시작된 것이죠. 이때부터 본격적으로 석탄을 땅속에서 파내어 사용하기 시작한 것입니다. 이 시점에서 잠시 서기 전 3000년경을 살펴보겠습니다.

숯의 발견 역사

서기 전 3000년경 원시인류는 석기시대에서 청동기시대로 넘어가는 굉장히 중요한 발견을 하죠. 숯을 이용해서 1100℃라는 굉장히 높은 온도로까지 올라갈 수 있게 됩니다. 이 과정에서 사용한 숯을 만드는 과정을 보면 나무를 산소가 부족한 상태에서 초벌구이를 합니다. 한번 일단 태우는 것이죠. 그렇게 태우고 나면 숯이 얻어지고 이 숯을 모아서 나중에 다시 태우는 것입니다. 나무를 산소가 부족한 상태에서 태우는 이유는 다음과 같습니다. 나무에는 탄소뿐만 아니라 수소, 산소, 질소, 황과 같은 다른 원소들이 함께 들어있는데, 초벌구이를 하면서 산소가 부족한 상태에서 태우면 대부분의 탄소는 뒤에 남고 수소와 산소, 질소와 황은 대부분 타서 없어지게 됩니다. 결국 숯이란 나무에서부터 탄소만 남겨서 만들어진 새로운 물질인 것이죠. 이러한 과정을 pyrolysis, 즉 열분해라고 합니다. 다시 18세기로 돌아오겠습니다. 18세기 석탄 광산 개발 18세기에 인류는 석탄광산을 개발하기 시작하면서 본격적으로 석탄을 사용하기 시작합니다. 석탄을 사용해서 1300℃의 온도에서 철광석을 환원시켜서 고체 상태의 철을 얻고 그로부터 단조 방식으로 무기나 연장을 만들게 되죠. 그런데 인류는 과거 서기 전 3000년경에 나무에 대해 열분해를 적용했던 것처럼 이번에는 석탄에 열분해를 적용하게 됩니다. 석탄을 산소가 없는 조건에서 초벌구이로 태우는 것입니다. 석탄도 나무와 비슷해서, 탄소뿐만 아니라 수소, 산소, 질소, 황을 가지고 있습니다. 열분해를 하는 과정에서 탄소만 남겨놓고 나머지 성분들은 다 타서 없어지게 되죠. 이렇게 얻게 된 새로운 형태의 땔감을 우리는 코크스라고 합니다. 우리는 현재에도 코크스를 적극적으로 사용하고 있죠. 현재 제철소에서 태우는 것이 코크스이고요, 화력발전소에서 태우는 것도 바로 코크스입니다. 석탄을 태우다가 이 새로운 형태의 연료, 즉 한번 초벌구이를 거친 코크스라는 새로운 땔감을 태우기 시작하면서 마침내 1300℃라는 최고 온도의 벽이 깨집니다. 1800년대 들어오면서 인류는 가열 방식을 1600℃의 더 높은 온도로 끌어올릴 수 있게 되죠. 1600℃에서 철광석을 철로 환원시키는 반응을 화학반응식으로 썼습니다. 이 화학반응식을 1300℃에서 철광석을 환원시키는 화학반응식과 구별해보시기 바랍니다. 위에는 1300℃에서 일어나는 반응이고요. 밑에는 1600℃에서 일어나는 반응인데요. 기본적으로 이 두 화학반응식은 거의 똑같습니다. 딱 하나의 차이가 있죠. 그것은 뭡니까? 숯불을 이용해서 1300도로 가열했을 때에는 얻어진 금속 철이 스펀지와 같은 푸석푸석한 고체 상태로 얻어졌죠. 그런데 철의 녹는점이 1538℃이기 때문에, 1600℃의 높은 온도로 가열하게 되면, 철광석을 환원해서 얻은 철이 마침내 액체 상태로 얻어지게 됩니다. 마치 구리 원광석을 환원해서 액체 상태의 구리를 얻고 그 액체 상태의 구리를 형틀에 부어서 주조 방식으로 무기나 연장을 만들었던 것처럼, 코크스라는 새로운 땔감을 이용해서 가열 온도를 1600℃로 끌어올리면서 마침내 철도 액체 상태로 얻을 수 있게 된 것이죠. 쉽게 말해서 쇳물을 얻게 된 것입니다. 쇳물을 형틀에 부어서 주조라는 방식으로 제품들을 만드는 것이 가능해진 것이죠. 과거에 고체 상태로 얻어진 스펀지 형태의 철을 망치로 가열하고 두드리기를 반복하는 단조 방식으로 만들 때에는 굉장히 단순한 형태의 무기나 연장밖에 만들 수 없었는데, 드디어 1600℃의 온도에서 액체 상태의 쇳물을 얻게 되면서 정밀하고 복잡한 기계 부품도 생산할 수 있게 됩니다. 형틀에 부어서 만드는 방식이기 때문에 대량 생산도 가능했습니다. 엄청난 변화였습니다.

엔진의 개발과 산업혁명

과거에는 단순한 무기나 연장밖에 못 만들었지만 이제는 정밀하고 복잡한 기계부품을 만들게 되면서 기계적 장비를 만들 수 있는 조건이 갖춰졌던 것이죠. 이와 같은 제작 조건의 기초가 다져지면서 마침내 우리 인류 문명사에서 최초로 엔진이라는 것이 만들어집니다. 기계가 만들어지는 것이죠. 그것이 바로 제임스 와트의 증기기관입니다. 18세기, 19세기에 일어났던 이와 같은 변화는 우리 인류문명의 발달사에 있어서 일대 전환점이 되는 매우 중요한 변화였습니다. 18세기 들어오면서 본격적으로 탄광개발이 시작되었고, 파낸 석탄을 초벌구이 함으로써 1600℃의 높은 온도에까지 도달할 수 있는 코크스라는 새로운 형태의 땔감을 만들어내죠. 이 코크스라는 새로운 형태의 땔감을 사용하여 철광석을 환원하면서 마침내 액체 상태의 쇳물을 손에 넣게 됩니다. 그리고 액체 상태의 쇳물을 이용해서 형틀에다가 부어서 만드는 주조 방식을 통해서 정밀하고 복잡한 부품을 만들 수 있게 되었고, 대량생산도 가능하게 되었죠. 그렇게 만들어진 복잡한 부품으로 작동되는 기계적 장비인 증기기관이 등장을 하게 되고, 1900년대 초에는 현재까지도 사용되고 있는 내연기관이 등장합니다. 앞으로도 우리가 적극적으로 사용하게 될 전기모터도 1900년대 초에 처음으로 개발됩니다. 당시에 이와 같은 기계적 장비들이 속속 등장을 하면서 우리 인류가 살아가는 모습에 엄청나게 큰 변화가 닥쳐옵니다. 당시의 그러한 급격한 사회 변화를 오늘날 우리는 산업혁명이라고 부릅니다.

산업혁명과 온도

사실상 산업혁명은 아주 간단한 요인으로 인해 촉발된 것입니다. 바로 온도입니다. 인류가 코크스라는 새로운 땔감을 사용하기 시작하면서 가열할 수 있는 최고 온도를 1300℃에서 1600℃로, 약 300℃ 정도를 더 끌어올립니다. 이 300℃를 더 끌어올린 사건이 하나의 계기가 되어서 엄청난 사건이 일어난 것이죠. 산업혁명이 일어난 것입니다. 산업혁명이 일어나면서 사람들이 살아가는 방식에도 큰 변화가 일어납니다. 그중에서 가장 중요한 요인 하나가 바로 누가 일을 하느냐 하는 문제였습니다. 바로 노동의 주체를 의미합니다. 산업혁명으로 기계적 장비가 개발되기 전에는 사람과 가축이 모든 일을 했습니다. 집을 짓는다던지, 성을 쌓는다던지, 물건을 옮긴다던지, 이동을 한다던지 하는 모든 일들은 인력과 축력을 이용해서 했죠. 그런데 19세기에 산업혁명이 시작되면서 사람과 가축을 대신해서 증기기관, 내연기관, 전기모터들이 일을 하기 시작합니다. 기계적 장비가 노동의 주체가 되어 버린 것입니다. 산업혁명 이전에는 노동의 주체가 사람과 가축이었으나 산업혁명 이후에는 노동의 주체가 기계적 장비로 바뀌게 됩니다. 그와 함께 굉장히 중요한 것 또 한 가지가 바뀌게 되는데, 그것은 바로 인류가 사용하는 주요 에너지 자원입니다. 사람과 가축이 노동의 주체였을 때에는 일을 하기 위해서 사람과 가축이 에너지를 공급받아야 했습니다. 사람과 가축이 에너지를 공급받는 방식은 바로 식량을 먹는 것이지요. 따라서 산업혁명 이전에는 노동에 소요되는 주요 에너지 자원이 식량이었습니다. 당시에 땔감이 무기와 연장을 만드는 데에도 사용되었지만 일반인들이 사용하는 땔감은 주로 난방용, 취사용에 불과했습니다. 그런데 산업혁명이 일어나 노동의 주체가 기계적 장비로 바뀌면서 전혀 다른 상황이 전개됩니다. 노동에 소요되는 주요 에너지 자원은 이제 더 이상은 식량이 아닙니다. 그것은 바로 기계적 장비들에게 에너지를 공급하는 연료, 즉 fuel이 노동에 소요되는 주요 에너지 자원이 되었기 때문입니다. 산업혁명이 일어나면서 인류의 삶에는 많은 변화가 닥쳐옵니다.

산업혁명과 노동생산성 증대, 인류에 대한 영향

사람과 가축이 하던 작업을 기계가 대신하면서 노동생산성이 갑자기 증가합니다. 그 결과 공장에서 물건을 만들어내는 규모, 물건을 사고파는 경제적 유통의 규모와 같은 경제의 규모가 급격하게 커지기 시작합니다. 동시에 일반 사람들의 생활수준이 향상되기 시작하죠. 그러면서 인구가 증가하기 시작합니다. 이들 증가하는 인구가 소비해야만 하는 의식주에 관련된 모든 물자들에 대한 수요가 증가합니다. 어느 시점에 가서는 더 이상 늘어나는 수요를 맞출 수 없는 상황에 들어서게 됩니다. 유럽을 중심으로 많은 곳에서 늘어난 인구의 증가하는 수요를 맞추기 위해서 공급해야만 하는 물자가 부족해지게 됩니다. 물자의 공급이 크게 부족해지는 상황이 벌어진 것이죠. 모든 사람들이 물자를 필요로 하지만 실제 공급이 따라가지 못하면서 확보된 물자는 가진 자와 강한 자들에게 우선적으로 먼저 가게 됩니다. 약한 자와 가난한 자에게는 공급이 제대로 연결되지 않았죠. 그러다 보니, 사회적으로 빈부격차가 심해졌고 그와 함께 사회는 굉장히 불안정해지기 시작합니다. 국내적으로 불안정해지는 정치 상황을 해결하기 위해서 통치자들은 물자의 공급 부족 문제를 시급히 해결해야만 했습니다. 그래서 인접 국가를 침략합니다. 인접국가가 가지고 있던 물질들을 자신들을 위해서 빼앗아 가져 가게 되죠. 다른 나라를 점령하고 그 나라를 식민지로 삼고 그 식민지가 가지고 있는 물자들을 수탈하게 됩니다. 또한 기계적 장비를 사용할 수 없어서 사람의 인력을 사용해야만 하는 농업과 같은 영역에서는 노예 거래를 하고 노예를 이용해서 생산을 증대시키는 일이 일어났습니다. 공공연히 노예를 사용했고 공공연히 노예를 거래를 했죠. 그 과정에서 빈부격차와 사회불안의 문제는 전혀 해소되지 않았습니다. 인접한 다른 나라를 침략하고, 식민지를 수탈하고, 노예를 거래하는 과정에서, 오히려 사회의 불안정성은 더욱 극심해져만 갔죠. 그 과정에서 한계점에 도달한 지역에서는 혁명이 일어나기도 했고, 무정부 상태가 빚어지기도 합니다. 그리고 현 상태에 대한 불만을 가졌던 사람들에 의해서 사회주의와 공산주의가 등장을 하게 되죠. 전 인류는 굉장히 불안정 상태를 향해 치달아 가고 있었으며, 인류 문명 전체가 굉장히 위험한 상태에 빠지게 됩니다. 이와 같은 상황에서 물자의 공급 부족을 해결하는 것은 굉장히 시급한 문제이자 굉장히 중요한 문제였습니다. 19세기 초 유럽에서의 물자 공급 부족 문제를 해결하는 것은 인류의 시급하고 중요한 과제였고 바로 여기에 화학자들이 뛰어들게 됩니다.