정말 유효한 기술, Flywheel 배터리

글쓴이 : SOONDORI

1993년, 미국 세트콘 테크놀로지(SatCon Technology, 1985년 NASA에서 스핀 오프)社가 크라이슬러의 르망 경주용 전기 자동차인 패리오트 컨셉(Patriot Concept)에 자사의 특별한 에너지 저장 장치를 설치하였다.

그것은 액화 천연가스와 가스 터빈이 만들어낸 3상 AC 전력을 일시 저장하는 플라이-휠 배터리.

(출처 : https://www.favcars.com/chrysler-patriot-concept-1993-pictures-90501)

진공 용기 안에 들어있는 Mass 즉, 관성력을 유지하는 중량 물체가 분당 5만 8천 번 회전하고 750마력에 상당하는 전기 에너지를 공급한다. 그 에너지를 소모하는 전기 모터는 500마력급. 톤당 마력수를 생각하면 2톤 내외 일반 자동차 기준 1000마력을 훌쩍 뛰어넘는 값이다.

(출처 : https://www.yachtforums.com/threads/flywheel-energy-storage-systems.13441/)

근 100년간 회전식 전기/기계 장치에 대용량 전기 에너지를 보관하려는 시도가 이어져 왔고 실제로 발전, 자동차, 철도 등 여러 산업분야에서 성공적으로 상용화되었는데…

(▲ 플라이휠 저장 에너지량(E) = 1/2 × Mass의 관성(J) × 각속도(ω) 제곱, 플라이휠 출력(P) = 토크(T) ÷ 각속도(ω))

(▲ 회전하는 원형의… 거대한 모든 것은 플라이휠. 그러므로 역사가 상당히 오래되었다)

이쯤에서, 민간 시장의 에너지 보관/인출 방법에 대해서 곱씹어볼 필요가 있다.

현재는 화학적 방법론에 목을 매고 있는 형편. 가정용 건전지, 자동차용 납산 배터리, 블루투스 오디오의 리튬 배터리에서부터 전기 자동차의 거대 배터리까지, 모두가 화학반응을 이용한다. 화학반응은 폭발, 화재, 누액, 침식, 산화, 급격한 수명 단축 등 치명적이고 다양한 문제를 안고 있음에도… WHY?

자동차 태동기에 전기모터보다 형편없었던 석유 엔진의 궤적을 따라간 것은 “에너지 운반이 편하니까 그래! 이쪽 길로 가자”, “어? 돈벌이에 유리하네?” 두 가지 때문이었다고 보고… 100년 전으로 다시 돌아가려는 요즘의 전기차 트렌드는 매우 아이러니하다. 그 U턴의 관점에서 상상해보면… 화학 반응이 아닌 기계적 방법론 또는 Non 화학적 방법론에 진심으로 매달렸다면 2차 세계대전은 전기 모터가 달린 비행기나 탱크로 치러졌을지도 모른다.

황당함? 불가능하다고 생각하는 게 종종 벌어지거나 실현되는 게 사람 사는 세상.

기술 발현의 시점에 대해서는 SR-71 초고고도 정찰기가 1960년대에 설계되었다는 것이 믿기지 않을 만큼, 집단적인 노력도에 대해서는 원폭 개발에 몰입했던 독일과 일본이 먼저 터뜨렸을 가능성 만큼이라고 해두고…

지금 없으니까 원래부터 불가능했거나 없는 게 아니라 안 만들어서 없는 것이다.

* 관련 글 : SR-71 블랙버드 정찰기에 대한 이야기

전기/기계 장치이니까 쉽게 MEMS 플라이휠을 상상했으며…

(출처 : https://micro.mavt.ethz.ch/research.html)

그것보다 더!

다음은 원자 레벨에서 Flywheel 작용이 존재할 수 있음을 보여주는 연구 보고서의 일부. 칼슘 원자의 회전은 곧 플라이-휠의 작용과 같다.

“실험한 엔진은 회전을 만들어내는 광 에너지와 이온 운동을 이용하고 운동하는 원자는 마치 플라이휠처럼 엔진에서 발생하는 에너지를 저장합니다.
…The engine is coupled to the ion’s harmonic-oscillator degree of freedom via spin-dependent optical forces. The oscillator stores the work produced by the heat engine and, therefore, acts as a flywheel…” (Spin Heat Engine Coupled to a Harmonic-Oscillator Flywheel, 2019년)

(출처 : https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.080602)

트렘 기차, F1 자동차, 스포츠카, UPS 장치, ESD 시스템, 가정용 태양광 전력 보관 장치 등 만만한 현재형 실전 사례와 언제나 반복되는 ‘플라이휠 무한 동력의 사기극’을 넘어서서, 만일 회전식 배터리가 더 널리 주목을 받았더라면,

적어도 화재 시 1만 리터 이상의 물을 뿌려야 한다는 전기 자동차 화재의 치명적 이슈는 없음. 어쩌면 다이소 1천 원짜리 1.5V 재충전 버튼-셀 안에서 작은 플라이-휠이 100만 RPM으로 돌아가는 세상에 살고 있을지도 모를 일이고.

구형 기술이 적용된 플라이휠 배터리의 사용 수명이 반세기를 넘긴다고 하니… 300년쯤 반복해서 쓸 수 있는 3천 원짜리 재충전 건전지가 나오면, 일제 브라더 미싱 사례처럼 회사가 쪼그라듦? 잘하면 망한다? “무엇을 대신하는 전혀 다른 시장경제가 만들어졌겠지요?”

완벽한 전기차 세상이 오면 플라이휠 배터리 세상에 개벽이 찾아올 것으로 믿는다. 원시적이고 원초적이며 ‘통일장 이론’을 포함하는 물리학의 근저에 최대한 가깝기 때문에. 그리고…

상상하건대 삼성전자 소노라마 S36T 튜너에 CADNICA 플라이휠 재충전 건전지가 쓰였다면, 탁월한 아이디어가 가미되어 반응 속도가 무척 빨라진 1uF 크기 플라이휠 커패시터가 사용되었다면, 매번 묻지 마 커패시터 교환이나 누액 배터리 교환을 하지 않아도 250년쯤을 더, 안심하고 쓸 수 있을 것. (표제부 사진 출처 : https://spinoff.nasa.gov/spinoff1996/32.html)