장6 제5장 태양광 발전기

지구를 제외하고 태양계에서 태양보다 인간의 생명과 가장 중요한 관계를 가진 물체는 없다.비교할 수 없는 중력으로 행성 운동의 섬세한 역학에 안정 효과를 발휘하고 생명을 주는 복사로 지구가 얼음과 눈의 사막이 되는 것을 방지합니다. 몇 년 전, 기발한 SF 작가는 태양이 따뜻해지는 광선을 방출하지 않으면 세상이 멸망할 것이라는 가설을 세웠습니다.그는 또한 또 다른 별이 태양계를 향해 다가오고 근처를 지나가면서 행성의 궤도를 방해한다고 가정했습니다.별의 중력은 전체 태양계의 섬세한 균형을 뒤엎습니다.지구는 그것에 이끌려 태양의 손아귀에서 벗어나 우주의 영원한 추위 속을 떠돌고 있습니다.

태양의 온난화 에너지를 빼앗긴 지구의 바다는 얼음으로 얼기 시작했습니다.지구는 곧 단단한 얼음 껍질로 뒤덮였고, 그 빈 공간은 액체 산소와 수소 웅덩이로 가득 차 있었고, 김이 나고 대기의 빈약한 잔해가 있었습니다.웅덩이도 점차 단단하게 얼었습니다.한때 거대했던 태양의 표면은 핀 머리 크기로 줄어들어 황량한 지구의 표면에 희미하고 희미하게 빛났습니다.또 다른 세기와 태양은 먼 별들 사이에서 차가운 빛에 지나지 않을 것입니다.그때 인류는 빈약한 자원을 다 써버렸고, 점점 덜 애썼고, 마침내 멸망했습니다. 공상과학 작가의 참혹한 비전은 결코 현실이 될 수 없습니다.지구는 모든 것을 따뜻하게 하는 태양 주위의 궤도에 단단히 붙어 있습니다.별 사이의 공간이 너무 커서 두 별이 충돌하거나 서로 가까이 지나갈 가능성은 거의 존재하지 않습니다.

그러나 소설가는 지구상의 모든 생명체가 태양 에너지의 지속적인 공급에 얼마나 의존하고 있는지를 놀라운 방식으로 보여주었습니다.이야기에 따르면 생명을 앗아간 것은 잔인한 추위가 아니었습니다.지구상의 모든 나라 사람들은 오래전부터 그들의 미래를 알고 있었고, 천문학자들은 일어날 일을 계산했으며, 세계 정치가들은 지구 내부의 열을 이용하여 인류의 생존을 위한 대규모 준비를 해왔다고 합니다. .세계의 사람들은 수면 아래 수백 야드 아래에 있는 동굴에 살고 있으며, 머리 위의 두꺼운 암석층으로 인해 추위로부터 보호됩니다.그러나 그들은 결국 굶어 죽었습니다.햇빛이 없으면 지구상의 식물은 음식을 만드는 활동을 할 수 없습니다.따라서 생명의 영원한 순환은 단절됩니다.

태양의 복사 에너지는 모든 생명 과정을 움직이는 힘의 원천입니다.사실, 그것은 지구상의 거의 모든 것에 대한 동기 부여의 가장 근본적인 원천입니다. 자동차를 운전할 때 화석화된 태양 에너지를 사용하여 차량을 추진합니다.탱크의 휘발유는 지표면 아래에서 수백만 년에 걸쳐 오랜 기간 동안 형성된 원유에서 정제됩니다.아주 오래전, 살아있는 유기체는 따뜻한 태양 광선을 즐겼고, 그 광선은 그들에게 빛나고 생존하고 성장할 수 있는 기회를 제공했습니다.그들이 죽으면 어떤 지역에서는 그들의 썩은 몸이 대량으로 쌓여 모래와 미사에 묻혀 암석이 되고 몸에서 나온 기름이 점차 모래 알갱이 사이의 공간을 채운다.

우리가 TV의 스위치를 켤 때 다시 전원을 공급하는 것은 태양 에너지입니다.우리 도시의 전력선에 전력을 공급하는 전기는 석탄을 전기로 바꾸는 발전소에서 나옵니다.석탄은 또한 화석화된 태양 에너지입니다.고대 지질학적 시대에 살았고, 태양 에너지를 사용하여 조직을 형성한 다음 죽은 수많은 식물의 잔해로 점차 몸에 점점 더 많은 모래와 진흙이 축적되었습니다.압력은 그것들을 우리가 알고 있는 검은색의 인화성 석탄으로 천천히 탄화시킵니다. 발전소는 또한 제방에 저장된 물에서 에너지를 끌어올 수 있습니다.이 물은 또한 태양 에너지를 나타냅니다.1년 중 매일 태양은 바다에서 약 1조 톤의 물을 증발시켜 수증기로 만들어 대기권으로 들어가는데, 이 막대한 물의 대부분은 곧 비가 되어 대륙에 내린다.수만 톤의 빗물이 하천에서 제방으로 형성된 저수지로 들어갑니다.댐에는 우리가 사용할 전기를 생성하는 발전기를 돌리는 대형 터빈의 블레이드까지 물이 지속적으로 흐르는 수로가 있습니다.

농부는 풍차를 사용하여 지하수를 높은 탱크로 펌핑하고 그의 집과 헛간에 파이프를 연결합니다.물 펌프는 풍차에 의해 구동됩니다.풍차의 날개는 바람에 의해 움직입니다.바람은 기류의 움직임에 의해 발생하며, 이는 다시 햇빛이 땅과 공기에 전달하는 고르지 않은 열로 인해 발생합니다. 가열된 공기는 팽창 및 상승하고 냉각된 공기는 수축 및 가라앉습니다.그래서 결국 농부의 물 펌프에 동력을 공급하는 것은 태양열 발전입니다. 때때로 엄청난 양의 저장된 태양 에너지가 집중적이고 파괴적인 방식으로 방출됩니다.결국 태양은 사이클론, 허리케인, 홍수, 산불의 원인이 됩니다.우리는 종종 자연의 힘에 의해 비극적인 공격을 받습니다.친근한 태양 광선에 숨어 있는 이 끔찍한 힘에서 발산되는 에너지를 인식하기는 어렵습니다.

지구 표면에 작용하는 전체 에너지 양의 극히 일부는 태양에서 유래하지 않습니다.산허리를 굴러 내려가는 돌의 눈사태는 애초에 산을 쌓았던 지구의 내부적 힘에 의해 동력을 얻었습니다.지진의 에너지도 지구 자체에서 나옵니다.화산, 간헐천 및 온천의 원천은 부분적으로 복사에 의해 생성되는 지구 내부의 열입니다.결국 조수의 상승은 주로 달에 의해 추진되며 태양은 조수 높이에 미치는 힘의 약 1/3만 기여합니다.위에서 언급한 모든 에너지의 총합은 각각이 거대한 힘이지만 우리 눈앞에 나타나는 거대한 에너지의 작은 부분에 불과합니다.태양 광선은 나머지 모든 것을 무시합니다.

매일 지구에 떨어지는 방사능 에너지의 총량은 엄청나게 크지만, 태양이 매초마다 우주로 버리는 총 에너지의 아주 작은 부분에 불과합니다.태양에서 보면 지구는 700피트 떨어진 작은 은화만한 작은 점입니다.따라서 태양에서 사방으로 방출되는 엄청난 양의 에너지 중 극히 일부만이 지구에 도달하고 거의 모든 태양 에너지는 무한히 깊은 우주 어딘가에서 손실됩니다. 태양은 거대한 공간을 차지하고 그 광선은 압도적이며 열은 작열합니다.그 이상으로 하늘에서 가장 밝은 별입니다.상상할 수 없을 정도로 먼 우주 공간에서도 태양은 그다지 밝지는 않지만 눈에 보이는 별입니다.그러나 인간에 관한 한, 이 엄청난 양의 에너지는 거의 모두 부당하게 낭비되었으며, 태양이 탄생한 이래로 낭비되었습니다.

지구가 받는 태양 에너지의 몫은 얼마나 작습니까? 태양이 연속적인 흐름이 아니라 폭발적으로 복사 에너지를 우리에게 공급한다고 가정합니다. 각 폭발은 1초만 지속됩니다.이런 식으로 태양은 70년마다 1초의 열만 방출하면 지구에 분배하려는 에너지를 되돌려줍니다.물론 다행스럽게도 우리는 태양열을 한 번에 모두 받지는 않습니다.그렇다면 지구는 태양으로부터 9300만 마일 떨어져 있어도 눈 깜짝할 사이에 기화될 것입니다. 왜 태양은 그렇게 막대한 에너지를 그렇게 자주 그리고 지속적으로 발산합니까?그 이유는 표면이 매우 뜨겁기 때문입니다.물체를 고온으로 가열하면 상당한 양의 에너지를 방출하며 온도가 높을수록 더 많은 에너지를 방출합니다.인체도 방사선으로 에너지를 방출합니다. 우리 피부는 표면적 1평방인치당 1/10000의 3마력을 방출하며 이 속도로 몸 전체가 에너지를 잃습니다.뜨거운 숯 더미는 훨씬 더 뜨겁기 때문에 훨씬 더 많은 에너지를 생산합니다. 평방 인치당 10분의 1의 마력을 생산합니다.그것은 상당한 에너지의 방출이며 많은 소풍객들이 프랑크푸르트 소시지를 구우려고 손가락을 태우는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

그리고 태양은 어떻습니까?표면 온도는 화씨 10,000도를 넘고 평방 인치당 54마력의 속도로 동력을 전달할 수 있습니다.1960년 미국에서 생산된 전기의 총량은 약 8000억 킬로와트시였습니다.이 연간 에너지 생산은 테니스 코트 10개 크기의 태양 표면에 있는 작은 점에서 방출되는 에너지와 같습니다. 태양은 왜 그렇게 놀랍도록 거대한 에너지를 지속적으로 방출할 수 있습니까?표면이 항상 매우 높은 온도를 유지하기 때문입니다.용광로에서 뜨거운 철 조각을 꺼내면 순식간에 많이 식을 것입니다.색상은 빠르게 체리 레드로 바뀌고 잠시 후 진한 빨간색이 됩니다.1~2분이 지나도 전혀 빛나지 않았습니다.그렇다면 왜 태양은 놀라운 속도로 열을 발산하는데도 식지 않는 것일까요?물론 그 이유는 표면에서 손실된 열이 내부에서 제공되는 열에 의해 지속적으로 보충되기 때문입니다.

그렇다면 태양광 발전소를 영원히 가동시키는 화력은 석탄불의 성질일 수 없다.이미 100년 전에 이미 누군가가 이 사실을 보았고, 처음으로 태양이 방출하는 엄청난 양의 에너지를 특정한 과학적 수치로 기록했습니다.태양이 평범한 불이라면 당시 알려진 최고의 가연성 조합 중 하나인 순수한 산소 속에서 연소되는 고급 석탄으로 만들어도 오래가지 못할 것이라는 계산이 나왔다.태양이 보통의 불이라면 역사가 기록되는 동안에도 타서 한 덩어리의 재가 될 것입니다.이것은 사실이 아닙니다. 우리는 태양의 나이가 결코 몇 천 년이 아니라는 것을 압니다.석탄이나 휘발유로만 이루어진 별이 탈 수 있는 것보다 백만 배 이상 더 긴 수십억 년 동안 엄청난 규모로 에너지를 방출해 왔습니다.뜨거운 가스의 깊은 층 아래 묻혀 있는 태양 내부에는 놀라운 에너지 저장소가 있어야 합니다. 태양과 같이 거대하고 극도로 큰 물체의 내부를 연구하는 것은 불가능해 보입니다.수십만 마일 두께의 뜨거운 가스층 아래에 ​​무엇이 있는지 어떻게 알 수 있습니까?게다가 우리는 태양 표면에서 거의 1억 마일 떨어져 있습니다.위에서 언급한 모든 어려움에도 불구하고 물리학자와 천문학자들이 수학을 할 수 있었고 태양의 깊은 핵에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알아낼 수 있었다는 것은 놀라운 일입니다. 태양의 중심부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 우리를 안내하는 것은 태양이 분명히 안정적인 구조라는 단순한 사실입니다.자체의 엄청난 무게로 인해 폭발하거나 무너지지 않았습니다.태양은 330,000개의 지구만큼 무겁고, 대부분 수소와 헬륨인 태양의 방대한 질량은 중력에 의해 거대한 구형으로 결합되어 있습니다.그러나 태양이 무너지는 것을 막는 것은 무엇입니까?어쨌든 가스는 항상 압축 가능하며 태양의 거의 모든 질량이 코어에 의해 지원되기 때문에 태양의 가장 안쪽 코어는 끔찍한 무게를 지탱해야 합니다.우리는 태양의 내부가 그러한 무거운 짐을 견딜 수 없고 단단한 몸체로 압축되어야 한다고 생각해야 합니다.사실 그렇지 않습니다.극도의 압력을 받는 가스 덩어리는 그 자체로 외부로 극도의 압력을 가할 수 있으므로 극도로 무거운 하중을 견딜 수 있습니다. 자동차는 실제로 타이어의 압축 공기에 의해 지원됩니다. 실제로 공기 중입니다.또한 압축 가스의 부하 용량을 늘릴 수 있습니다.내부 튜브의 제한된 공간에 더 많은 공기를 밀어 넣어 타이어 내부 공기의 밀도를 높일 수 있으며, 또한 타이어 내부 공기의 온도를 높일 수 있습니다.이 두 가지 방법 모두 내부 압력을 높이지만 차량의 적재 용량을 결정하는 것은 제곱인치당 파운드 단위의 타이어 압력입니다. 이 자동차 타이어의 논리에 따르면 물리학자와 천문학자는 태양의 내부에 대해 어느 정도 알 수 있습니다.명백히, 태양의 몸체를 구성하는 각 가스 층은 바깥쪽 층의 전체 무게를 지탱해야 합니다.그러나 이를 위해서는 각 가스 층의 내부 압력이 적절한 값을 가져야 합니다. 그렇지 않으면 위 층의 무게에 의해 압도될 것입니다.그러나 아래로부터의 압력이 너무 높으면 안되며 너무 높으면 이 가스층이 견디지 못하고 상층을 들어 올려 태양이 폭발하게 됩니다.따라서 몸 전체, 내부 및 외부에 대한 태양의 압력이 적절해야 합니다.천문학자들이 해야 할 일은 태양의 각 가스 층에 대한 적절한 밀도와 적절한 온도를 상상하는 것뿐입니다. 이러한 값은 붕괴되거나 폭발하지 않는 안정적인 태양을 만들 것입니다. 태양을 설계하고 제작하는 것은 단 한 가지 어려움이 있는 매혹적인 사업이며 자동차 타이어의 예를 보면 그 점이 분명해집니다.타이어 내부 공기의 온도가 높으면 밀도가 낮아도 충분한 적재 능력을 발휘할 수 있고, 타이어에 더 많은 공기를 밀어 넣어 밀도를 높일 수 있기 때문에 온도가 낮아도 적재 능력은 여전히 동일합니다.마찬가지로 천문학자들은 태양 내부의 각 가스 층이 얼마나 밀도가 높고 뜨거워야 하는지 이해하지 못합니다.그들이 가정하는 밀도가 높으면 온도가 낮아질 수 있고, 반대로 낮은 밀도의 층을 만들고 싶다면 더 높은 온도를 갖도록 하기만 하면 됩니다. 그러나 위의 방법은 이 문제를 해결하기 위한 하나의 방법일 뿐이며, 태양의 존재는 이러한 상황을 여실히 보여줍니다.우리는 태양에 얼마나 많은 물질이 있는지 알고 있기 때문에 이 해결책을 찾을 수 있었습니다.천문학자들이 한 층을 설계한 다음 다음 층을 설계할 때 점차적으로 밀도를 추정해야 합니다. 그래야 최종적으로 태양의 핵에 도달했을 때 태양의 모든 물질이 작동하게 됩니다.그들이 설계한 레이어의 밀도가 너무 빨리 증가하면 외부 레이어에서 너무 많은 재료가 소비되고 마침내 코어에 도달했을 때 채울 추가 재료가 없게 됩니다.반대로 밀도가 층별로 너무 느리게 증가하도록 설계하면 일부 재료는 사용할 곳이 없게 됩니다.따라서 한 가지 해결책만 있을 수 있으며 이 방법으로 결정되는 태양의 중심 온도는 화씨 3,800만도에 이릅니다. 이 숫자의 가장 흥미로운 의미는 온도가 높은 수준에 도달하면 수소 가스가 엄청난 양의 방사성 에너지와 함께 연소된다는 것입니다.그러나 그것은 특별한 종류의 불입니다.그것은 우리가 흔히 볼 수 있는 난로, 타는 나무더미, 휘발유 불이 아닙니다.수소는 수백만 도의 열에 노출되면 원자 화재의 파괴적인 불꽃을 발화시킵니다. 이 높은 온도에서 수소 원자의 핵이 녹기 시작하거나 서로 달라붙기 시작하고 수소 핵을 구성하는 더 간단한 입자가 더 무거운 핵을 형성합니다.두 개의 핵이 융합할 때마다 엄청난 양의 에너지를 가진 방사선이 방출됩니다.이 끔찍한 원자 화재의 주요 재는 헬륨입니다.태양 중심부 깊숙이 숨어 있던 수소가 헬륨으로 변하면서 엄청난 양의 복사 에너지를 방출한다.물질에서 에너지를 방출하려면 수천만 도의 고온이 필요합니다. 50여 년 전, 유명한 물리학자 알버트.아인슈타인은 물질이 정말로 고도로 집중된 에너지라는 것을 보여주었습니다.단 1온스의 물질에는 엄청난 양의 에너지가 들어 있습니다.이 에너지를 모두 방출하면 석탄 50만톤 이상을 태울 때 발생하는 열과 맞먹는다.이렇게 많은 양의 열을 발생시키려면 물질 1온스 전체를 방사성 에너지로 변환해야 합니다.수소가 태양 핵의 끔찍한 열 속에서 헬륨으로 변형되었을 때, 관련된 물질 중 일부는 실제로 사라졌습니다.1,000파운드의 수소가 헬륨으로 전환될 때, 나머지 8파운드의 물질이 방사성 에너지로 전환되었기 때문에 생성된 헬륨의 무게는 992파운드에 불과합니다. 에너지의 흐름은 태양의 핵에 있는 뜨거운 원자로에서 흘러나와 태양의 거대한 몸을 사방으로 통과했습니다.나중에 방사성 에너지의 흐름이 마침내 표면에 도달하여 태양의 가장 바깥층에 의해 우주로 손실된 에너지를 대체했습니다. 매초 소비되는 수소는 6억 톤에 이르지만 거의 대부분이 헬륨으로 변해 다시 나타난다.거의 500만 톤의 물질이 실제로 매초 손실됩니다.이 500만 톤의 물질은 방사능 에너지로 변환되어 우주로 흘러갑니다.그러나 태양의 질량은 엄청나게 커서 지구가 탄생한 이래로 태양이 소비하는 질량은 1.5%에 불과하다.태양은 상상할 수 없을 정도로 에너지를 낭비하지만, 여전히 막대한 양의 물질을 저장하고 있어 향후 수백억 년 동안 지속적으로 에너지로 전환될 수 있습니다.인간은 태양이 빛나기를 멈출까 봐 걱정할 필요가 없습니다. 태양의 불타는 핵에서 타오르는 불은 수소폭탄을 끔찍하게 파괴적으로 만드는 바로 그 종류의 불입니다.일반적인 우라늄 폭탄이나 플루토늄 폭탄이 폭발할 때 폭발 중심에는 매우 높은 온도가 발생하는데, 이러한 엄청난 온도는 수소 덩어리를 헬륨으로 융합시키고 변환 과정에서 엄청난 힘을 방출할 수 있습니다.일반 원자폭탄보다 천 배나 무서운 무서운 수소폭탄이 폭발하는 방식이다.오래된 원자폭탄은 수소가 충분히 뜨거워지고 스스로 폭발할 때만 방아쇠 역할을 했습니다.원자 물리학자들은 수소 폭탄을 열핵무기라고 부릅니다. 수소 핵은 극도로 높은 온도에 노출되었을 때만 헬륨으로 변환되어 에너지를 방출할 수 있기 때문입니다.다행스럽게도 수소폭탄이 폭발할 때 온도가 떨어지는 데 걸리는 시간은 아주 짧은 시간, 즉 1초도 채 걸리지 않으며, 온도가 떨어지자마자 수소의 끔찍한 폭발은 즉시 멈춥니다.그 무엇도 수소폭탄의 온도를 보존할 수 없습니다. 폭발이 너무 격렬해서 모든 것이 날아갔기 때문입니다. 태양의 중심에는 폭발하는 수소 폭탄의 중심과 같은 끊임없이 타오르는 원자 화재가 있습니다.태양 중심부의 극도로 높은 온도에서 수소는 끝없이 타오릅니다. 격렬한 폭발로 열이 빠져나갈 수 없기 때문에 조금씩 천천히 새어 나올 수 있을 뿐입니다.태양의 거대한 무게가 핵을 눌러 원자로를 영원히 살아 있게 합니다.태양의 중심부에 있던 엄청나게 뜨거운 가스 덩어리가 갑자기 우리를 빠져나오면 수소폭탄의 맹렬한 힘으로 즉시 폭발할 것입니다. 무겁고 두꺼운 가스 벽으로 둘러싸인 태양의 광포한 핵은 엄청난 양의 원자 에너지를 방출했습니다.에너지는 깊은 외층을 통해 돌진하여 우주로 누출됩니다.태양 광선은 지구까지 먼 길을 따라 점차 가늘어지고 마침내 지구에 도달합니다.따스하고 사랑스러운 햇살을 볼 때 태양 에너지의 발상지가 모든 것을 파괴할 수 있는 지독한 열을 가지고 있다고는 결코 생각하지 않습니다.