돛단배를 복원한다. (로터세일)

열은 (뜨거운 곳, 온도가) 높은 곳에서 (차가운) 낮은 곳으로 흐르고, 전기는 (전압이) 높은 곳에서 낮은 곳으로, 바람은 (기압이) 높은 곳에서 낮은 곳으로 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것이 자연이고 이러한 자연을 이용하는 것이 신재생 에너지이다. 
오늘은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것 중 소위 베르누이 방정식(에너지 방정식)에 의해 표현되는 유체 그리고 그중 바람에 대해 얘기를 해보고자 한다.

베르누이 방정식 

방정식, 숫자 얘기하면 머리 아파하시는 분들이 있으니 간단하게 쉽게 정리를 하여 보겠으며 다음에 보면 아 그래서 그런 거잖아라고 무릎을 딱 칠 수 있는 그 정도로 정리해 보겠다. 
우리가 알고 있는 물질은 전부 높든 낮든 여러 형태로 에너지를 갖고 있다. 근데 이상적인 환경에서 그 에너지들의 합은 항상 일정하다라는 것이 요것이다. 말로 방정식을 표현하자면, 
가만히 있어도 내부에 갖고있는 에너지 + 움직임으로 인해 갖고 있는 운동 에너지 + 어디에 있냐에 따라 달라지는 위치 에너지 = 항상 동일,

수식으로 정리를 하자면 

(P는 압력, V는 속도, g는 중력가속도, h는 높이, ρ는 유체의 밀도) 

요는 합이 항상 같다고 하니, 이중 뭐가 높아지게 되면 다른 어떤 것은 필열적으로 낮아지게 될 수밖에 없다는 것을 얘기하는 것이고, 인간사에서도 뭐가 하나 특출 나면 다른 게 하나 떨어질 수밖에 없다 하고 그렇지 않을 경우 엄하니 불공평한 신을 불러대는 것과 같다고 보면 된다. (차은우 같은 경우가 신의 불공평함의 예가 되겠다.)

에너지의 합의 일정하다는 것은 

익형(Airfoil)

익형(airfoil)는 비행기가 뜰 때의 양력을 설명하는데 자주 보여주는 그림이다. 여기서 보게 되면 공기는 앞단 에지에서 갈라져 위와 아래로 나뉘어 날개면을 따라 흐르게 되는데 뒤에서 함께 만나려면 결국 날개면이 긴 쪽의 속도가 빨라지게 된다 속도가 빨라지고 날개 두께만큼의 차이가 약간 있긴 하겠지만 높이는 큰 차이가 없는 것으로 무시하게 되면 위쪽은 속도가 빨라진 대신 압력이 떨어지게 되는 것이다.  (A = B 가 되어야 하니까)
압력은 동일 면에 작용하는 힘의 크기 이므로 결국 날개 밑면에서 올리려는 힘이 위에서 누르려는 힘보다 크기 때문에 위쪽으로 향해 힘이 작용하는 것 그것이 양력이다. 
비행기가 뜨는 원리가 그렇고 이 날개를 약간 휘어 놓으면 날개의 수직방향 힘으로 축을 중심으로 회전하게 되면 풍력발전기가 되는 것이다. 이해될 만큼 쉬운 설명인지 모르겠다. 

돛단배 

이렇게 유체역학끼자 들고 와야 설명이 되는 게 있는가 하면 바람의 미는 힘을 직접 이용한 돛단배처럼 쉽게 이해할 수 있는 것도 있다. 하지만 요즘 200 ~ 300m가 넘어가는 커다란 배에 돛을 단다고 뉴스를 어디서 들으신 분들이 어허 바람힘이 세기도 하구나 저런 배를 밀어낸다니 하고 계실 수도 있을 것이다. 
여기에 쓰이는 돛은 사실 여러분이 알고 있는 범선의 그것이 아니고 둥그런 기둥이다. 이 기둥이 배를 움직이게 하는 것을 이해하려면 머리 아프게 마그누스(Magnus) 효과라는 것을 알아야 한다. 

 

위에서는 익형이라는 형상덕에 갈라진 공기가 설명한데로 에너지를 주고받아 양력을 생성한 것이고, 여기서는 모양새는 좌우 앞뒤로 같은 원통이나 이 원통을 인위적으로 회전시키니 도는 방향 쪽에 유속이 빨라지고 마찬가지로 유속이 빨라지니 압력이 떨어지게 되어 바람의 방향과 직각방향으로 힘이 작용하게 된다는 것이다. 
이를 이용 배의 진행방향 앞, 뒤로 바람이 불어올땐 이 원통을 멈추고 배의 좌, 우에서 불어올 땐 회전방향을 바꿔 돌려주면 원하는 방향으로 힘을 얻게 되는 것이다. 

이 힘을 이용하면 항행에 필요한 연료를 5~20% 정도 아낄 수 있다는 것이 실증된 이후 많은 선사들이 설치를 고민하고 있고 우리나라 조선소들도 실증 연구를 지속하고 있다. (한화오션, 현대중공업과 함께 로터세일을 검색하면 쉽게 관련 기사를 찾을 수 있다.) 

항공업계와 유사하게 총 탄소배출량의 3%를 배출하고 있는 해운업계에서 요즘 탄소중립 목표를 맞추기 위한 노력들이 많이 이뤄지고 있다. 선박의 친환경화 요구에 발맞추어 새로운 기술을 제시하고 채용하고 연구하고 수주로 연결시키며 탄소중립의 여정에 일조를 하고 있는 아니 상용화 기술을 주도하고 있는 우리나라 조선업계에 수줍은 박수를 보내며 글을 마치고자 한다.