적정기술과 지속가능한 사회를 위한 에너지 교육
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어떤 환경에서도 기본적인 삶 위해…
소통과 사랑 담긴 따스한 기술
‘에너지’는 워낙 중요한 개념이라 많은 사람들이 쉽게 사용하는 용어이다. 하지만 에너지에 대한 정확한 개념을 물어보면 대부분이 ‘힘이에요.’, ‘파워예요.’, ‘물체를 움직이게 하는 것이요.’ 라는 지엽적인 설명이나 일상적으로 많이 사용하는 연관개념으로 바꿔 이야기한다. 태양에너지와 지구 방출 에너지 사이의 균형이 깨지면서 나타나는 지구 온난화 역시 쉽게 사용하는 용어이다 보니 정확한 이해 없이 접근하다 보면 화석연료의 사용을 전기에너지 사용으로 대체하였다고 지구 온난화를 해결한 것처럼 생각하는 오류를 범하게 된다. 수력발전, 원자력발전과 달리 화력 발전은 필요한 만큼 바로 전기에너지로 생산할 수 있기 때문에 많은 양의 화석연료가 전기 생산에 쓰이고 있는 것은 모르기 때문이다.
더군다나 전기에너지도 결국은 열에너지로 변환되어 방출되고 있으며 전기에너지를 저장하기 위해 사용하는 재료와 에너지가 환경에 미치는 영향을 같이 고려해야 비로소 지구 온난화 문제를 온전히 접근할 수 있다. 단순히 화석연료를 전기로 바꾼다고 지구 온난화 문제가 해결되는 것은 아닌 복잡한 연결고리가 있는 것이다.
아직은 생소한 ‘적정기술’, 적정기술’은 무엇일까?
적정기술이 뭔지 아세요?
‘어? 그거 가난한 사람에게 필요한 것 만들어주는 거 아니야?’
‘물통 굴려서 물 나르는거?’
‘전기가 없는 곳에 지붕을 뚫어 패트병을 넣으면 불이 들어오는거?’
주변에서 만나는 사람에게 적정기술에 대해 이야기하면 그게 뭔지 설명해야하는 경우가 아직 많지만 학교 현장에 계신분들은 적정기술에 대해 ‘어? 그거 알아! 지문에서 봤어.’라는 대답을 많이 한다. UN이 지속가능한 사회를 목표로 내세우고 있어서이기도 하고 교과서 읽기 자료 박스 글로도 종종 등장하고 있기 때문이다. 하지만 적정기술의 개념을 물어보면 앞서 ‘에너지’에 대한 개념처럼 단순하게 혹은 지엽적으로 아는 경우가 많다.
적정기술의 개념은 역사적으로도 현재에도 여러 사람들이 정의하면서 조금씩 내용이 달라지기도 한다. 심지어 ‘좋은 기술은 적정기술이야.’ 라고 말하는 사람이 있을 정도이다. 각자가 들은 이야기를 바탕으로 적정기술의 조건을 외우다시피 말하고 있지만 그래서 적정기술이 뭔데? 라고 물어보면 다시 적정기술의 조건을 나열하며 정의처럼 이야기하는 경우가 많다. 시행착오를 통해 실천해온 적정기술의 정신을 이해한다면 적정기술이 무엇인지 알게 되고 대하는 자세가 달라질 것이다.
지속가능한 행복 사회 위한 활동, 적정기술이 나오기까지
제2차 세계대전 이후 아프리카, 아시아, 남미 등 많은 식민지 국가가 독립하면서 이들 국가에 만연한 빈곤문제 해결을 위해 국제사회의 공동 노력이 필요하다는 주장과 함께 공적개발원조(ODA)가 시작되었고 현재까지 이어지고 있다. 우리나라 역시 6.25 휴전 이후 UN의 원조를 통해 일어서면서 선진국까지 진입할 수 있었다. UN은 2000년부터 2015년까지 세계의 빈곤을 반으로 줄인다는 새천년개발목표(MDGs)를 성공적으로 마치고 2030년까지 인류의 보편적 문제와 지구 환경문제, 경제 사회문제를 해결하고자 지속가능한 개발목표(SDGs)를 진행하고 있다. 돈을 많이 벌 수 있는 소비자를 대상으로 하는 수익활동이 아닌 소외계층도 함께 잘살아 보자는 지속가능한 행복한 사회를 만들기 위한 적정기술 활동은 SDGs와 함께 탄력을 받으며 현재에도 진행 중이다. 적정기술의 선구자였던 몇몇 사람들의 생각을 들여다보며 적정기술의 의미를 생각해보자.
1973년 영국의 경제학자 에른스트 슈마허는 규모의 경제발전을 추구하던 당시 대량생산기술이 생태계를 파괴하고 희소한 자원을 낭비한다고 지적한다. 슈마허는 당시 해결책으로 근대의 지식과 경험을 잘 활용하고 분산화를 유도하며 재생할 수 없는 자원을 낭비하지 않는 대중에 의한 생산 기술 제안하며 현지 사람들의 직접적인 필요를 채우는 값싼 기술, 손쉽게 활용될 수 있는 기술이란 의미의 ‘중간기술’이란 개념을 도입하였다. 이는 간디의 물레 운동으로부터 많은 영향을 받았다. 영국의 식민지에 있었던 간디는 무분별한 기술 도입이 가져오는 지역경제와 문화의 몰락, 그리고 급속한 변화에 따른 실업과 소외 등은 개개인과 가정이 짊어져야 할 사회적 비용 증가한다고 생각하여 인도를 더 힘들게 한다고 생각하였고, 기본적인 삶을 영위할 수 있는 적절한 기술의 촉진을 주창하며 물레로 직접 천을 짜며 실천에 옮겼다. 인도 전 지역에서 소비하기 충분한 면화를 재배하면서 원료를 영국과 일본에 수출하고 면직물을 비싼 값에 재수입해야하는 하는 구조를 벗어나지 못하면 영국으로부터 정신적으로나 실질적으로 독립할 수 없다고 본 것이다. 현재 마구 찍어대는 1회용 플라스틱 컵의 무절제한 사용과 태평양 한가운데 만들어진 플라스틱 아일랜드, 플라스틱을 먹이로 착각하고 먹다 죽은 생명체들을 보면 50년 전 슈마허의 이야기가 지금은 더 무게 있게 다가오는 것 같다.
캐나다에서 의학박사 학위를 받은 폴 폴락은 적정기술을 비즈니스와 연결하였다. 선의를 가지고 문제를 해결한다고 문제가 해결되는 것이 아닌 것을 알았던 것이다. 현장의 문제를 해결할 훌륭한 제품이 나와도 지속되지 않고 사라지는 이유는 기업가 정신이 없어서라 생각하고 판매와 수익을 통해 지속시킬 수 있는 사업이 되도록 하였다. 실제 사례로 한 자선단체에서 아프리카에 모기장을 무료로 나눠 줬더니 현지의 모기장 판매 상인은 돈을 벌지 못해 다 망해버렸고, 모기장 공급이 끊긴 이후 모기장을 구입할 수 없는 상황이 돼버려 지역사회를 혼란에 빠트린 사례가 있다. 반면, 기부금으로 운영되는 ‘리터 오브 라이트(litter of light)’라는 프로젝트는 얼마 하지 않는 패트병 전구이지만 현지에서 돈을 받고 팔고 있음에도 여전히 잘 진행되고 있다. 현지 사람들이 패트병 전구를 설치하고 수익으로 사업을 계속 운영하기 때문이다.
MIT에서 디자인을 공부한 빅터 파파넥은 인간을 위한 디자인을 강조하였다. 디자인이 사람이 겪는 실제적인 해결책이 되어야 한다고 생각했기 때문이다. 그는 인도네시아에서 관광객이 버리고 간 깡통을 바탕으로 동물 배설물을 연소시켜 작동하는 9센트 짜리 깡통 라디오를 디자인하여 판매하였다. 가난하고 전기가 들어오지 않는 지역에 사는 주민들이 화산폭발 소식을 듣지 못해 당하는 피해를 막기 위해서는 라디오가 절실했던 것이다. 여기서 말하는 디자인이란 설계를 뜻하는 말로 스탠포드 대학교의 디자인 스쿨에서는 디자인 사고(Design Thinking)를 통한 혁신 설계(ME310: Design Innovation)라는 수업을 통해 혁신적인 제품을 내놓기로 유명하다. 디자인 사고는 인간을 위한 디자인이 본격적으로 시작되는 지점이자 적정기술 실천을 위한 출발점으로 보인다.
저개발국과 선진국 모두에게 필요한‘적정기술’의 의미
저개발국 사람들을 위한 개발 원조가 현지 문화, 정치를 반영한 것이어야 함은 물론, 도움이 끊겨도 자립할 수 있도록 지속가능해야 한다. 상황에 따라서 언제든 지원이 끊길 수 있고, 현지의 문화, 정치와 맞지 않아 사용하지 못하는 경우도 종종 있기 때문이다.
선진국 또한 적정기술을 필요로 한다. 선진국이라 하더라도 주변에는 복지 사각지대에서 소외된 계층이 존재한다. 돈이 없어 반지하에 사는 사람, 쪽방촌 독거노인, 소년소녀 가장, 장애인 등 문명의 혜택을 받지 못하며 세상으로부터 소외되어 인간다운 삶을 누리지 못하는 경우가 많다. 이들에게 화려한 삶을 위한 고급기술은 아니더라도 적정기술이 추구하는 기본적인 삶을 위한 혜택이 필요하다. 가난하지 않더라도 환경에 의해 적정기술이 필요한 상황에 놓이기도 한다. 일본 후쿠시마 원전사고로 전력 공급이 제한되었을 때 페달로 자가 발전하는 제품이 히트 쳤고 미국의 불안정한 일자리와 월세로 인해 작은 집(tiny house)가 유행했던 것을 보면 적정기술은 꼭 저개발국가를 위한 기술이라기보다 인류의 삶의 질을 높이기 위한 활동으로 볼 수 있다.
생각을 조금 더 확장하면 인류를 위한 기술은 탄소 중립과 신재생에너지로까지 범위를 확대하게 된다. 선진국이 산업화 과정에서 만든 온난화 가스로 투발루, 몰디브와 같이 힘없는 나라는 차오르는 바닷물에 의해 잠기고 있지만 대응할 능력이 없다. 선진국이라면 인공섬을 만들든 본토로 국민을 이주시키든 어떤 대책을 마련하겠지만 개도국은 이런 환경 변화에 취약하다. 따라서 적정기술은 소외계층을 위한, 지속가능한 사회를 만들기 위한 기술이면서 지구온난화를 막기 위한 신재생 에너지, 탄소 줄이기 등의 활동을 포함하게 된다. 이러한 내용을 바탕으로 적정기술의 정체성을 이야기하자면 적정기술은 지속가능한 사회를 만들기 위한 다양한 활동이다. 소외계층이 많아질수록 그 사회는 강도와 폭동 같은 범죄에 많이 노출되고 불안정한 사회를 야기할 가능성이 많아지기 때문에 함께 잘사는 길이 곧 지속가능한 사회를 위한 길로 볼 수 있다.
누가, 어떻게 할 수 있을까? 적정기술과 학교교육(실천)
그러면 적정기술은 누가 할 수 있을까? 어떻게 할 수 있을까? ‘기술’이란 말이 들어가니까 기술자여야 할 것 같고, 뭔가 특별한 능력이 있는 사람들만 할 수 있는 것이라 생각하기 쉽다. 하지만, 인터넷에서 흔히 보는 사진처럼 일상생활에 접할 수 있는 간단한 물건으로 만들어 볼 수 있는 것들이 많다. 학교 수업시간에, 동아리 시간에, 또 일반인이 공방에서 쉽게 만들어 볼 수 있는 활동이다. 또한 일반인들 혹은 봉사단체에서 프로젝트로, 사업으로 진행도 가능하다. 적정기술은 사회적 기업과도 밀접한 관련이 있는 활동으로 정부, 지자체, 기업의 투자를 받아 벤처 기업으로 진행할 수도 있지만 그렇지 않더라도 괜찮은 아이디어만 있다면 UN의 ODA자금을 통해 기관에서 실천 가능하다. 다만 성공적인 사회문제 해결을 위해 문제 사항과 해결책에 대한 충분한 검토와 검증이 필요하다.
디자인 사고(Design Thinking)의 과정을 잘 따른다면 누구나 공감할 수 있는 방법으로 시행착오를 줄이며 해결책을 제시할 수 있을 것이다. 그리고 중학교 수준의 과학지식만 있다면 해결책에 대한 접근이 가능할 것이다. 어쩌면 전문적이지 않아서 고정관념 없이 창의적 발산을 할 수 있다. 전문적 내용에 대해서는 전문가를 통해 피드백 받으면서 보완할 수 있기 때문이다. 기술은 현장에서 필요에 맞게 쓸 수 있는 것을 만드는 것이지만 과학은 자연의 철학과 원리를 담고 있다. 자연의 실체에 다가가면서 자연과의 관계 속에서 영향을 받는 나에 대한 가치관을 설정할 수 있고 이 가치관을 바탕으로 자연을 대하는 방식을 설정할 수 있다. 또한 자연의 변화 법칙에 대한 이해를 바탕으로 특정한 상황에 대해 분석하고 대응 방안을 설계할 수 있다. 중학교 과학에서는 깊지는 않지만 기본적인 과학 전반의 내용을 다루고 있기 때문에 문제 상황을 이해하고 해결할 과학적 개념을 담고 있다. 가령 대낮에도 빛이 들어오지 않아 깜깜한 필리핀 판자촌 가정에 전기 없이 빛을 밝히는 방안으로 사물을 볼 수 있는 원리인 난반사로부터 시작하여 빛의 반사와 굴절, 산란, 전반사 원리를 설명하고 학생들이 이 원리를 적용하여 최적의 패트병 전구를 만들어 볼 수 있다. 또한 말라리아의 위험성에 대한 생물학적 지식과 원심력, 렌즈의 상에 대한 이해를 바탕으로 스탠포드 대학교의 마누 프라카시 교수가 고안한 종이원심분리기(paperfuge)와 종이현미경(folderscope)를 직접 만들어보며 적정기술에 적용되는 과학원리를 한 번 더 점검해볼 수 있다.
또한 동아리 활동으로 문제해결 프로젝트를 진행할 수도 있다. PBL(Project Based Learning)방식으로 진행된 신재생 에너지 사용으로 탄소중립 만들기 활동에서는 관련된 과학 지식을 하나씩 실험으로 체험해보며 에너지의 개념을 쌓게 되고 실용적인 신재생에너지 활동방안을 도출할 수 있다. 다음 내용에서는 대원국제중학교와 대원여고에서 진행한 활동을 묶어서 학교현장에서 적용할 수 있는 에너지 교육을 구성하여 소개한다.
적정기술 프로젝트 : 지속가능한 사회를 위한 에너지 사용
실제 우리가 저개발국 현장에서 부대껴보고 경험해보지 않는다면 현장의 상황을 제대로 이해하고 공감하기 힘들다. 하지만 지구 온난화로 인해 나타나는 이상기후 현상은 매해 실감하게 된다. 또한 인류 모두의 문제이기도 하기에 한 사람 한 사람의 변화가 필요한 것이기도 하다. 그래서 탄소중립을 주제로 진행한 신재생 에너지 활용 프로젝트를 과학과 연계하여 진행하였다.
<주제1. 디자인 싱킹: 문제 상황 공감하기>
대부분의 사람들이 휴대폰을 들고 다니며 매일매일 전기코드를 찾아 충전하고 있다. 이 전기만이라도 자연에 풍부한 태양광 에너지로 대체할 수 없을까? 실제 폰 충전의 이슈는 아프리카와 같은 나라에서는 삶의 질과 연결된다. 전기가 들어오지 않는 아프리카에서도 각 가정에 폰 하나 정도는 있고 배터리를 여러 개 모아두었다가 시장에 가서 한꺼번에 충전한 후 사용한다. 이 지역 사람들이 물론 잘 살지는 못한다. 그래서 아이들을 학교에 보내는 대신 일을 시키고 돈을 벌어 핸드폰 충전에 사용하는 일도 허다하다. 이 문제를 해결하기 위해 국내의 한 스타트업에서 ‘솔라 카우’라는 프로젝트를 진행하고 있기도 하다. 학교에 오면 태양광으로 보조배터리를 충전했다가 집에 갈 때 충전된 배터리를 가져가게 하는 프로젝트이다. 이 덕분에 학생들의 출석률이 많이 높아졌다고 한다.
하나의 문제를 해결하는 과정은 번뜩이는 아이디어 한 방으로 해결되지 않는다. 생각했던 근사한 아이디어라도 문제를 해결하는 과정에서 여러 생각지도 못한 난관에 부딪치기 때문이다. 근사한 제품을 내놓았던 회사가 흔적도 없이 사라졌다면, 친구들과 열심히 토론해서 만든 근사한 아이디어가 몇 년째 시행되지 않는다면, 문제 해결 과정에 무슨 문제가 있는 것이다. 문제를 발굴하고 해결하는 과정에서 쉽게 망하지 않기 위해 거처야 하는 과정이 있다면 공감하기-문제정의-아이디어-프로토타입-사용성 테스트로 이어지는 디자인 싱킹의 방법론일 것이다. 적정기술의 성공사례 실패사례를 살펴보며 디자인 싱킹으로 분석하며 첫 수업을 시작해보자. 그리고 환경문제에 대한 공감하기로부터 프로젝트를 시작해보면 어떨까?
<주제2. 과학 개념: 일과 에너지 그리고 힘>
자유학기제, 과학 교과, 동아리를 통해 진행된 프로젝트는 태양광 발전에 대한 이해로부터 시작하였다. 중학교에서는 빛과 전자의 상호작용을 지구의 중력에 의한 위치에너지와 운동에너지의 관계로 설명하였지만 고등학교 물리 수업에서는 전자의 에너지 준위와 광전효과로 설명할 수 있는 내용이다. 동시에 에너지를 다루기에 에너지의 정의와 개념, 그리고 전기에너지의 표기에 대한 정확한 이해로부터 시작할 수 있다.
국제중 학생을 대상으로, 고2 학생을 대상으로 물어본 질문에서 항상 같은 답변을 듣게 되지만 에너지 하면 흔히 힘, 파워, 움직이게 하는 것 등으로 이야기한다. 에너지가 적정기술에 있어서도 중요한 주제인 만큼 용어의 먼저 의미를 명확히 파악하는 것으로 수업을 시작해보자.
에너지는 일을 할 수 있는 능력이고 일은 ‘힘×이동거리’로 정의된다. 힘은 가속도의 법칙으로 표현되는 것으로 힘이 작용하면 운동상태가 변하고 힘이 작용하지 않으면 운동상태가 유지된다. (뉴턴 제1, 2법칙으로 해석되는 내용인데 학생들은 꼭 ‘힘이 작용하면 움직이고 힘이 작용하지 않으면 멈춘다.’라고 대답한다.) 이 두 개념을 연결해서 생각하면 일과 에너지의 관계를 살펴보며 에너지 보존의 개념을 연결지을 수 있다. 힘이 작용하면 물체의 운동상태가 바뀌기 때문에 힘이 작용하는 동안 운동상태가 변한다. 힘을 가하면서 이동하는 순간까지 운동상태(속도)가 변하여 운동에너지의 변화로 나타나게 된다. 일은 힘을 통해 나타나는데 그 힘을 주는 근원 또한 에너지로부터 기인한다. 중력 에너지는 중력이란 힘을 주면서 이동하며 일을 하게되고, 전기 에너지는 전기력을 주면서, 사람의 생체 에너지(알고 보면 근육 세포 사이의 전기 에너지)는 근력을 통해 일을 하는 것이다. 이 일이 끝났을 때에는 다시 운동에너지, 탄성에 의한 위치에너지, 중력에 의한 위치에너지, 전기력에 의한 위치에너지 등으로 변화된다. 일은 한 에너지가 다른 에너지로 변하는 가운데 나타나는 현상인 것이다. 자유롭게 변해가는 에너지 속에서 우리가 원하는 일을 하면 좋겠지만 불행히도 에너지는 방향성이 있어서 최종적으로는 열에너지로 방출하게 된다. 엔트로피 법칙이라 말하는 방향성 때문에 전기에너지처럼 유용하게 쓸 수 있는 에너지도 있지만 낮은 온도의 열에너지처럼 사용이 힘든 에너지도 발생한다. 우리가 전기제품을 쓰면서도 알게 모르게 그냥 버리는 에너지가 많다. 핸드폰 사용에 있어서도 교류 전기를 직류 전기로 바꾸고 전압을 낮추는 과정에서 많은 에너지가 열로 바뀌고 일부만 핸드폰 배터리로 저장하게 된다. 계속 이어가는 내용은 낭비되는 에너지를 줄여 지구온난화를 줄이려는 중고등학교에서 시행했던 교육과 실험, 탐구프로젝트로 생각하며 이와 연관지어 개념을 받아들이면 좋겠다.
<주제3. 과학 개념: 전기에너지>
전기 에너지에 대한 이해를 위해 몇 가지 전기 용어에 대해 간단히 확인하며 시작해보자. 전기 에너지는 ‘전기력×위치변화’로 전기력은 전기장 속에 전하가 받는 힘으로 나타난다. 따라서 전기에너지는 ‘전하×전기장×위치변화’인데 ‘전기장×위치변화’를 특별히 전위차(전압)라 정의하면 ‘전하×전압’이 전기에너지이고, 시간에 따른 전하의 흐름을 전류라 정의하면, ‘전류×전압×시간’이 전기에너지의 값이 된다. 단위 시간동안 소비하는 전기에너지의 양은 ‘전류×전압’이 되고 단위로 와트(W)라 쓴다. 1시간 동안 전기에너지를 사용한다면 와트 아워(Wh)가 되는 전력량이 된다. 충전배터리에 표시되는 Ah, Wh는 그 배터리의 전압으로 얼마의 전하량(전류×시간)을 저장할 수 있는지, 얼마의 전기에너지(전력량)를 가질 수 있는지 표기하는 단위가 된다. 참고로 전류의 단위는 암페어(A), 전압의 단위는 볼트(V), 소비전력은 와트(W), 사용 전기에너지는 와트 아워(Wh)의 단위로 표기된다.
이 내용을 확인하는 과정으로 학생들과 의미 있는 활동을 해볼 수 있다. 배터리 잔량 확인 앱과 핸드폰만 있으면 된다. 기계 장치에 표기된 전압, 전류, 전력, 전력량의 의미를 이해하고 실생활에 활용할 수 있는 활동이다. 폰 배터리에는 3200mAh와 같은 저장할 수 있는 전류량이 표기되었다. 이를 통해 얼마나 오래 사용할 수 있을지 계산이 가능하다. 배터리 잔량 확인 앱으로 프로그램을 사용할 때 사용되는 전력을 계산할 수 있기 때문이다. 또한 배터리에 저장할 수 있는 에너지 양을 Wh로 계산할 수 있고, 배터리 충전에 사용된 에너지 양과 실제 저장된 에너지 사이의 관계를 통해 충전 효율을 계산 해볼 수도 있다. 이 활동에서는 에너지가 이동하는 과정에서 폐열로 나가는 에너지가 얼마인지 생각해보는 계기가 된다.
USB형태의 전류∙전압계를 사용한다면 USB타입의 LED 띠가 얼마의 에너지를 매초 사용하는지, 특정 시간 사용했을 때 얼마의 에너지를 소비하는지 계산해보며 LED의 밝기와 배터리의 용량을 설계해볼 수도 있다. 충전 에너지와 충전된 에너지를 소비하는 과정에서 배터리 용량과 실제 사용 사이의 효율도 계산해보는 탐구실험도 해볼 수 있다.
<주제4. 과학 개념: 직류와 교류>
앞서 주제2에서 설명했듯이 에너지 변환과정에서 사용하려던 전기에너지 중 일부는 쓸 수 없는 열에너지로 방출하게 된다. 그런데 태양광 에너지는 직류 에너지로 저장되고, 핸드폰을 충전하기 위해 220V 교류 전기로 만들어 줘야 하고, 폰을 충전하는 아답터는 다시 220V의 교류를 5V의 직류 전기로 변환한다. 그리고 폰 내에서는 4.3V의 전압으로 다시 바꾸어 배터리에 충전시킨다. 얼마나 많은 전기 에너지의 변환과정을 거치게 되는가? 얼마나 많은 에너지 손실을 에너지가 풍족하다는 이유만으로 생각 없이 쓰고 있는가? 폰(리튬이온전지)만을 충전한다면, 4.3V의 태양광 전원을 써서 폰을 충전하면 모든 과정이 생략된다. 깨끗한 전기 에너지를 쉽게 열에너지로 버리지 않고 폰 충전이라는 목적을 달성하게 된다. 그러면 왜 이렇게 복잡하게 충전을 하게 되었는지, 전기에너지의 개념으로부터 수업을 진행해보자.
화학전지는 직류 전원을 만들지만 우리가 사용하는 전기는 코일 또는 자석을 회전시키는 터빈에 의한 전자기 유도로 전력을 생산하다보니 교류전류가 만들어진다. (수력발전, 원자력발전, 화력발전 등 발전소에서는 물의 낙차나 증기를 통해 터빈을 돌려서 전기를 만든다.) 반면 대부분의 제품은 직류전원을 사용한다. 미국에서 전력망을 깔려고 했을 때 직류가 좋을지 교류가 좋을지 치열한 접전이 있었다. 에디슨과 테슬라 사이의 자존심을 건 대결이었다. 교류의 위험성을 알리기 위해 에디슨은 교류의 전기의자를 만들어 사형장에 공개하였지만, 최종적으로는 원거리 송신에도 에너지 손실이 적은 교류를 채택하게 되었다. 덕분에 각 가정마다 110V 혹은 220V의 교류전원이 들어오고 있다. 컴퓨터, 모니터, 오디오 같은 많은 전기제품이 직류전류를 사용하기 때문에 교류를 아답터를 써서 직류로 바꾸어야 하고 이 과정에서 전력 손실은 불가피한 과정이다. 친환경을 위해 쓰는 태양광 패널은 직류 에너지를 저장하기 때문에 다시 교류로 변환하고 전기기구를 쓰기 위해 다시 직류로 전원을 변경하여 제품을 작동시킨다면 교류와 직류 전환 과정에서 많은 에너지를 방출하게 된다. 교류가 등장한 배경이 먼 거리에 전력을 송신하기 위한 것이었다면 태양광처럼 제한된 거리에서 사용되는 에너지라면 굳이 교류로 변환시킬 필요가 없을 것이다. 또한 아답터가 없어도 되기 때문에 에너지 손실도 줄어들고 기기 장치도 단순해질 수 있다. 따라서 태양광 에너지를 직류를 통해 저장하고 직류장치를 돌리는데 사용한다면 버려지는 소중한 에너지를 줄일 수 있다.
주변에 버려지는 모터를 구해 전기를 생산해보자. 전류의 자기작용으로 모터를 돌리는 반면, 모터를 돌려주면 전기가 생산된다. 모터는 자동차 바퀴에도 있겠지만, 선풍기, 컴퓨터 팬 등 곳곳에서 사용되고 있다.
<주제5. 태양광 충전소 만들기>
실험 단계에서 태양광 패널로 휴대폰을 바로 충전하는 것은 위험하다. 태양광 패널의 출력이 커질수록 정확히 제어하지 못한다면 폰이 망가질 수 있기 때문이다. 그래서 보조배터리를 이용해서 실험한다. 오랜 시간동안 충전하게 되는데 보조배터리라면 분실하거나 망가져도 감당할 수 있으니까. 작은 크기의 태양광 패널에는 USB를 바로 꽂아 충전할 수 있도록 되어있지만 출력이 약해서 효과도 약하다. 어느 정도 제대로 된 태양광 시스템을 구축하고자 한다면 태양의 전압과 배터리의 전압을 제어할 수 있는 컨트롤러를 사용해야 한다. 태양광은 지구에 도달하는 풍부한 에너지이지만 구름이 지나가거나 그림자가 진다면 전압이 확 떨어지게 되는데 이런 전압의 변화가 배터리에 충격으로 가해질 수 있기 때문이다. 또한 배터리로부터 태양광으로 전류가 흐르는 것을 방지하는 역할도 한다. 배터리를 안정적으로 충전하고 사용할 수 있도록 하는 역할을 컨트롤러가 하는 것이다.
<주제6. 보조배터리 만들기>
충전지 또한 중요한 요소이다. 뉴스에서 배터리 화재사건을 종종 들어봤을 것이다. 갤럭시 노트7에서 배터리 화재가 일어나 대규모 리콜을 했던 기억이 있을 것이다. 전기차 화재사고로 리콜하는 경우, 드론 배터리 충전하다 화재가 일어나는 경우, 전동 퀵보드 화재 사고 원인은 다 리튬이온 배터리의 관리에서 온 것이다. 2019년 노벨 화학상을 받게한 ‘리튬이온 배터리’는 작은 크기에 비해 엄청난 에너지 밀도를 가지고 있다. 덕분에 전자기기의 크기를 줄이고 휴대가 가능하게 만들었다. 그만큼 관리를 잘 못하면 화재의 위험에 노출되는 것이다. 리튬이온 배터리는 3.7볼트의 전압으로 4.3볼트까지 충전할 수 있지만 그 이상으로 올라가면 단락이 생길 수 있고, 3.2볼트 미만으로 떨어지면 배터리의 수명이 급속도로 단축되게 된다. 충전하면 전압이 올라가고 전기를 사용하면 전압이 떨어지게 되는데 이 범위에서 전압을 유지하게 하는 것이 배터리 관리의 기본이 된다. 따라서 리튬이온 배터리의 전압을 4.3볼트까지 충전시키고 2.25볼트 밑으로 내려가지 않도록 제어한다면 보조배터리를 만들 수 있다. USB(Universal Serial Bus)는 컴퓨터 장치에서 외부기기와 쉽게 연결할 수 있는 포트로 5V의 전압을 제공한다. 우리 주변에는 컴퓨터를 쉽게 접근할 수 있으므로 5V의 전원을 사용하면 접근성이 높다. 물론 리튬이온 배터리에 5V로 충전하면 화재의 위험에 노출하게 된다. 리튬이온배터리가 5V가 될 때까지 컴퓨터에서 전류를 계속 밀어 넣을 것이기 때문이다. 따라서 보조배터리를 충전하기 위해서는 5V를 4.3V로 낮춰주는 회로가 필요하다. 또한 리튬이온 배터리로 USB 전원과 같은 5V의 전압을 방출하기 위해서는 승압회로가 필요하다. 두 회로를 리튬이온 배터리에 넣어주면 보조배터리가 되는 것이다. 리튬이온 배터리에 대해 좀 더 이해를 하고자 한다면 산화 환원 반응을 살펴 볼 수도 있다.
<주제7. 과일전지>
배터리의 이해를 위해 과일전지 실험을 해보는 것도 좋다. 과일 사이에 구리, 아연 금속을 각각 넣고 전압을 측정해보는 것이다. 소금물로 대체해볼 수도 있다. 구리와 아연 금속 사이에 소금물을 적신 거름 종이를 넣고 전압을
측정해보면 전압이 나온다. 구리-소금물 거름종이-아연 금속을 하나의 배터리로 보고, 이들의 직렬 연결을 통해 LED를 켜는 실험을 해봐도 좋다. 멋진 동전전지도 만들어 보면서 볼타전지가 만들어지던 역사적 과정을 이해할 수 있다.
과일전지로 전압을 높이는 실험/ 구리, 아연을 이용한 LED 켜기 위한 시도와 최종 결과물
<주제8. 샤프심 전구 실험>
리튬이온 전지를 다루다보면 단락이라는 심각한 문제를 한번 고민해봐야 한다. 직접적으로 배터리의 +극과 –극을 연결하지 않더라도 +극과 연결되어있는 회로가 –극과 연결되어있는 회로를 건들이면 +와 –를 붙이는 결과가 되기 때문이다. 옴의 법칙에 따라 저항이 0이면 전류가 무한히 흐르게 되고 이는 화재로 이어지게 되기 때문이다. 이를 쉽게 확인할 수 있는 실험이 샤프심 전구 실험이다. +와 – 사이에 샤프심을 놓으면 샤프심에 전류가 흘러 뜨거워지면서 밝게 빛나다가 이산화탄소로 증발하다 끊어지는 장면을 보게 된다. 단락의 위험성과 함께 최초의 인공 빛을 어떻게 만들었는지 알 수 있게 하는 장면이다.
<주제9. LED 스탠드 만들기>
뜨거워진 샤프심이 산소와 만나면서 이산화탄소로 바뀌면서 끊어졌다면 어떻게 하면 끊어지지 않고 오래동안 빛을 낼 수 있을까? 에디슨의 고민이 바로 그거였다. 수많은 실패를 거쳐 끊어지지 않고 오래 밝힐수 있는 전구를 발명한 것이다. 전구는 흑체복사에 의한 빛으로 생각할 수 있다. 뜨거워진 물체가 빛을 내는 것이다. 뜨거워진 물체라는 것에서 생각할 수 있듯이 빛을 만들기 위해 소비되는 에너지가 엄청나다. 빛 에너지의 효율을 높이기 위해 형광등을 만들었다가 지금은 LED(Light Emitting Diode)로 변하고 있다. 전자의 에너지 준위 차만큼이 빛으로 나오는 만큼 꽤 에너지 효율이 좋기 때문이다. 5V 기반의 보조배터리를 태양광 패널로 충전하고 이 보조배터리를 들고다니며 핸드폰을 충전하는데 쓰기도 하지만 USB 선풍기, LED 스탠드 등을 만들어 사용할 수도 있다. 에너지 효율 높은 LED 스탠드를 직접 만든 보조배터리를 사용해 집에서 공부하는데 쓸 수 있다. 전기가 들어오지 않는 저개발국 국민들이 호롱불을 통해 밤을 밝히지 않고 깨끗하고 밝은 빛을 공급할 수도 있다.
<주제10. USB Based 휴대용 에너지 캡슐>
18650 리튬이온 배터리는 전기자동차와 각종 장비에 쓰일 정도로 에너지 밀도가 높고 크기도 작다. 이 배터리에 충방전 회로를 연결한 보조배터리는 들고다니는 에너지 저장체로 다양하게 활용할 수 있다. 심지어 노트북 충전에도 이용할 수 있다. 학교에 만들어진 에너지 하우스에서 학교 등굣길에 보조배터리를 충전하고 이 에너지로 핸드폰 충전 및 각종 전자제품을 충전할 수 있는 에너지 독립을 꿈꿔본다.
지금까지의 과정은 에너지 독립을 위한 프로젝트로, 과학 교과 내용과 연계하여 자유학기제와 방과후 수업, 동아리 활동을 통해 진행되었다. 신재생에너지인 태양광 패널을 사용하였고, 에너지 저장을 위해 컨트롤러와 충전지를 사용한 후 이 에너지로 전기제품을 구동할 수 있다. 에너지, 전기 에너지에 대한 개념을 바탕으로 전기제품별 전력을 확인하고 배터리와 제품에 따른 사용 시간을 계산해보았다. 에너지 밀도가 높은 리튬이온 전지의 위험성을 샤프심 전구로 확인하며 단락의 위험성을 다루고, 샤프심 전구의 빛을 발전시켜 에너지 효율을 높인 LED도 다루었다. 배터리의 작동원리를 과일전지를 통해 확인하고, 리튬이온 배터리를 이용해 개인별 보조배터리를 만들었으며, 이 보조배터리를 사용하여 작동하는 LED스탠드, 블루투스 스피커, 선풍기 등 각종 제품을 만들었다. 태양광에너지 프로젝트를 계속 발전시키면 언젠가는 에너지 독립을 이루지 않을까 생각된다.
학생들의 도전: 적정기술 아이디어 스케치 대회
2016년부터 적정기술 학회에서 진행된 적정기술 아이디어 스케치 대회는 학생들의 사회문제 해결 능력을 시험해볼 수 있는 좋은 무대이다. 현지의 경험을 직접 해볼 수는 없지만 다양한 매체를 통해 간접경험을 해볼 수 있고, 통계자료를 통해 사회적 문제를 찾아 볼 수 있다. 또한 조금만 관심을 가지면 우리 주변에도 도움의 손길을 필요로 하는 곳을 많이 찾을 수 있다. 이들에게서 필요한 문제를 찾아보고 해결할 수 있는 아이디어를 내고 직접 만들고 검증하고 봉사로 이어지기까지 배울 수 있는 요소가 많다. 디자인 전공자인 1인 기업 요크의 장성은 대표는 간단한 아이디어를 가지고 ‘솔라 카우’ 프로젝트를 시작하였지만 미국 시사주간지 타임이 선정한 2019년 최고 발명품 100선, 세계가전전시회(CES)에서 혁신상, 베를린 그린테크 페스티벌에서 그린 어워드 상을 수상하며 세상에 임팩트를 가하고 있다.
대학 가기 위해서 취업하기 위해서 배움의 본질을 잊은 사람들에게 우리가 알고 있는 지식을 사회에 잘 적용해보면 세상과 함께 개인에게도 보람과 행복을 안겨다 줄 것이다. 물론 세상을, 사람을 사랑하는 마음을 장착하는 것은 필수이다. 적정기술 아이디어 스케치 대회로 전문가의 멘토링과 주변 사람들과의 소통으로 첫 단계를 시작할 수 있을 것이다. 올해 적정기술 아이디어 스케치 대회는 팬데믹-19로 인해 온라인으로 진행되었으며 전 세계 8개국 66개 팀이 참가하였다. 워크샵을 통해 본인들의 아이디어를 발표하고, 주제에 대해 적정기술 학회의 전문가들이 멘토링을 해주며 아이디어를 보완하는 과정을 거쳐 중간 발표, 최종 발표에 이르렀다. 첨단 문명에 익숙한 우리의 생활, 지금 이 생활이 당연한 것일까? 팬데믹을 거치며 당연한 것이 당연하지 않다는 것을 깨달은 지금, 앞으로 또 어떤 변화가 우리에게 다가올지 모른다. 문명이 사라졌을 때 복원할 수 있는 힘, 바로 과학의 힘이다. 적정기술과 연계하여 우리가 배운 과학지식으로 삶에 참여해보는 것은 어떨까?
글 l 김형진 교사 (대원여자고등학교)
고려대에서 복잡계 및 생물물리로 석사학위를 받았으며 서울대 물리교육과에서 박사를 수료하였다. 국회에서 과학정책 비서를 지냈으며 서울대 언어교육원에서 말레이시아 국비 장학생의 수학, 물리 전임강사를 하였다. 2016년부터 적정기술 학회 운영위원으로 중고생을 위한 적정기술아이디어스케치대회를 기획, 운영하고 있고 대원국제중학교에서 적정기술 자유학기제 및 퓨처랩을 운영하였다. 현재는 대원여고에서 물리학을 가르치며 적정기술 활동을 지도하고 있다.