금속연료의 가장 큰 장점은 바로 여기에서 나온다. 두 방법 모두 반응식에 탄소(C)가 없다. 기후변화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소가 나오지 않는다. 장점은 이뿐만이 아니다. 금속연료는 다시 재생해서 쓸 수 있다. 나무나 석탄을 태우면 다시 쓸 수 없는 까만 재만 남고 다른 물질은 공중으로 날아가는데, 금속연료는 태우고 나면 산화 금속이 남는다. 별도 공정을 통해 산소를 떼어 내면 처음 넣은 것과 같은 양의 금속을 얻을 수 있다. 닳지 않는 연료인 셈이다. 태양광이나 풍력 등 재생에너지와 달리 날씨에 관계없이 언제든 쓸 수 있는 데다 송전망을 설치할 필요 없이 화물선에 실어 수출입할 수 있다는 것도 큰 장점이다.

하지만 금속을 연료로 쓰기란 말처럼 쉽지 않다. 일단 웬만한 온도에선 불이 붙지 않는다. 반응성이 크기 때문이다. 금속의 큰 반응성은 아이러니하게도 연료로서 가장 큰 장점이자 단점이다. 불이 붙지 않는 원리는 이렇다. 순수한 금속을 공기 중에 두면, 산소와 반응해 녹이 슬면서 표면에 얇은 막(산화피막)이 생긴다. 금속이 산소 등 산화제와 접촉해야 연소될 수 있는데, 아예 원천 차단 되는 셈이다. 이 막은 보통 녹는점이 매우 높다. 순수한 알루미늄의 녹는점이 섭씨 660도인 데 비해 알루미늄 산화피막의 녹는점은 약 2100℃다. 불을 붙이기가 아예 불가능한 온도는 아니지만, 안정성과 경제성 때문에 온도를 이 정도까지 올리기 어렵다.

문제는 또 있다. 원하는 만큼 큰 화력을 ‘안전하게’ 내는 조건을 아직 정확하게 모른다는 점이다. 금속 가루의 알갱이가 너무 작으면 쉽게 타지만 나오는 에너지가 너무 적거나 오히려 폭발할 위험이 있고, 알갱이가 너무 크면 잘 타지 않는다. 적정한 입자 크기와 혼합 비율, 양을 찾아내는 게 기술적 과제다.

금속연료를 원하는 만큼 안정적으로 공급할 기술이 없다는 것도 상용화를 막는 걸림돌이다. 예를 들어 자동차를 운전할 때 언제든 시동을 켜고 끌 수 있고 원하는 속력을 낼 수 있는 건, 연료를 딱 적당량만큼 엔진 안에 분사해줄 수 있는 기술 덕분이다. 기체 연료는 밸브로, 액체 연료는 스프레이를 이용해 양을 쉽게 조절할 수 있다. 그러나 금속연료는 분말 특유의 응집 현상 때문에 양 조절이 쉽지 않다. 마치 밀가루나 설탕 가루를 오래 두면 뭉치는 것과 비슷하다. 지금까지 여러 연구소에서 시도한 ‘철로 달리는 자동차’ 개발 계획이 실패로 막을 내린 이유다.

다행히 최근까지 금속연료에 대한 기초연구가 이뤄지면서 여러 대안이 나오고 있다. 예를 들어, 순수한 금속 가루의 표면을 녹는점이 낮은 물질로 코팅해서 연소를 쉽게 만드는 방법이 있다. 대표적인 예가 니켈이다. 니켈은 알루미늄보다 점화 온도가 낮은 데다, 금속 간 반응 때문에 열이 발생하면서 알루미늄을 더 빨리 태운다(금속 간 반응이란, 이온화 경향이 다른 금속이 접촉해 있을 때 전자가 이동하면서 일어나는 산화-환원 반응).

전 세계 금속연료 연구 그룹의 선두주자로 꼽히는 캐나다 맥길대 기계공학과 새뮤얼 고로신 교수와 제프리 베르그토르손 교수 공동연구팀은 최근 직접 개발한 금속연료용 열엔진으로 기존의 화석연료용 엔진과 유사한 수준의 동력을 내는 데 성공했다. 연구팀은 학술지 ‘응용에너지’에 발표한 논문에서 “이런 목적으로 쓸 수 있는 1차 후보는 강철”이라며 “전 세계 제철이나 화학, 전자 산업에서 생산되는 강철 분말 수백만 t을 자동차 연료로 사용할 수 있다”라고 밝혔다.

과연 강철로 달리는 자동차를 타게 될 날이 올까. 금속은 아직 다른 연료 물질보다 비싸기 때문에 모든 연료를 대체할 수는 없을 것이다. 그러나 가장 흔히 쓰이는 산화제인 산소가 없는 상황, 즉 물속이나 지구 밖에서 전기를 만들어야 할 때 유용할 수 있다. 예컨대, 배나 잠수함을 타격하는 ‘초공동 수중 비행체’라는 무기는 금속 가루를 물과 반응시켜 추진력을 얻는다. 이를 켜고 끌 수 있는 기술이 개발된다면, 금속 가루와 바닷물을 반응시켜 추진력을 얻는 새로운 패러다임의 선박용 엔진도 기대할 수 있을 것이다.

* 포스코리포트는 해당 분야 전문가 필진이 직접 작성한 것으로, 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.

 

 

△ 이미지 출처 – 플리커

휘황찬란한 황금빛 금속 액체가 공중에서 용이 되었다가 커다란 황금 나무로 변신하고 또 다시 현란한 불꽃이 되어, 보는 눈을 의심하게 만듭니다. 이 모든 장면의 주인공이 바로 철이라는 사실! 상상이 되시나요?

 

이번 스틸캐스트 시간에는 Hello, 포스코 블로그와 함께 중국의 대장장이들이 펼치는 특별한 불꽃놀이를 구경하러 함께 가보시죠!

 

 

△ 이미지 출처 – 플리커

철이 주인공이라 할 수 있는 이 특별한 불꽃놀이는 중국 허베이성 장자커우의 전통 민속 문화 축제 다슈후아(打樹花)입니다. 지금까지 500여 년의 역사를 이어온 다슈후아의 원리는 고온에서 액체가 된 철을 차갑게 식은 성벽에 던짐으로써 화려한 불꽃을 만드는 것인데요. 황금색 불꽃이 사방으로 튀는 모습이 마치 무성한 나뭇가지와도 같아 슈후아(樹花)라는 멋진 한자 이름이 붙은 것이죠.

이런 화려한 겉모습과 달리, 다슈후아에는 서글픈 유래가 숨어 있습니다. 다슈후아의 원산지이자 산업도시인 장자커우에는 예로부터 철공장이 많았고, 이곳에서 일하는 대장장이들도 많았는데요. 명절을 맞아 부자들이 폭죽을 터뜨리며 불꽃놀이를 할 때, 가난한 대장장이들은 그 당시 사치품이었던 폭죽을 살 돈이 없어 이에 참여할 수가 없었답니다.

그러던 어느 날 대장장이들은 철공장에서 철이 뜨거운 열과 만나 사방으로 불꽃튀는 모습을 보고 영감을 받았고, 앞서 기술한 방식의 불꽃놀이를 개발하게 된 것입니다.

 

△ 이미지 출처 – 플리커

그 후 다슈후아는 발전을 거듭하며 관객들 앞에서 공연하는 일종의 쇼이자 문화재로 자리 잡게 되었는데요. 공연하는 사람에게 고도의 테크닉과 강철 체력이 동시에 요구되는 고난도 퍼포먼스라고 합니다.

엄청난 난이도 때문에 다슈후아를 공연할 수 있는 장인은 현재 몇 명 안 남은 상태인데요. 공연에 나선 장인들은 특수 제작된 복장으로 무장한 채 뜨거운 철물로 위 사진과 같은 경이로운 장면들을 연출한답니다. 공연자의 손길에 따라 여러 가지 모양으로 변신을 한다는데, 그야말로 꼭 한번 보아야 할 휘황찬란한 광경이라고 할 수 있겠습니다.

‘중국의 설날’이라 할 수 있는 춘절이 되면 다슈후아는 더욱 활발하게 공연된다는데요. 정말 장관이겠네요!

   

△ 이미지 출처 – 플리커 

원래 현지인들만의 전통 축제였던 다슈후아는 특유의 아름다움 때문에 전국적인 명성을 얻으며 장자커우를 대표하는 문화재가 되었는데요. 다만 아쉬운 점은 다슈후아를 옛 방식 그대로 성곽 앞에서 진행하려면, 밤에만 공연을 펼칠 수 있다는 점입니다.

장자커우는 워낙 작은 도시이기 때문에 관광객들이 당일치기 코스로 이곳을 찾는 경우가 많아, 대부분의 사람들이 다슈후아를 미처 못 보고 아쉽게 발걸음을 돌리곤 했죠.

때문에 2015년 허베이성 정부에서는 전통문화를 살리자는 취지 하에 약 1.2억 위엔(한화 약 200억)에 이르는 예산을 투자해 다슈후아를 위한 전용 실내 극장을 신축했는데요. 900명의 관객을 수용할 수 있고, 현대적인 무대와 시설을 갖추고 있어 시간대에 구애받지 않고 다슈후아를 선보일 수 있다네요. 이제 장자커우를 찾는 관광객들은 밤과 낮을 가리지 않고 아름다운 다슈후아를 볼 수 있게 되었답니다.

우리 생활과 밀접한 존재인 철! 이렇게 전통 예술로 승화되어 우리에게 색다른 감동을 주기도 합니다. 중국 여행을 계획 중이시라면, 이 색다른 ‘철물의 향연’ 감상을 한번 고려해 보시는 것도 좋을 것 같습니다.