2. 4차 산업혁명을 위한 에너지 혁명

초전도체와 핵융합 발전

사람들은 4차 산업혁명이 인류에게 장밋빛 미래를 가져다줄 것으로만 이야기합니다. 하지만 모든 일에는 위와 아래, 높고 낮음, 좋고 나쁨의 상대성이 존재합니다. 우리는 다가올 미래를 끊임없이 시뮬레이션하고 비판해야 합니다. 비판을 하기 위해서는 우리는 다가올 미래의 과학을 정확히 알고 있어야 합니다.

우리는 이미 급속한 산업화가 인류에게 얼마나 큰 악영향을 미쳤는지 뼈저리게 경험하고 있습니다. 인류는 지구온난화로 인한 기후 재앙을 겪고 있으며, 환경오염으로 인해 해양마다 엄청난 규모의 플라스틱 섬이 형성되어 골머리를 앓고 있습니다. 또한, 우리가 플라스틱 병에 든 물을 돈 주고 사 먹는 시대가 올 줄 누가 알았겠습니까? 그리고 다가올 미래에 신선한 공기를 돈 주고 사 마시는 시대가 오지 않을 거란 보장은 없습니다.

인간을 대신해서 자동화 공장에서 일하게 되는 수많은 산업용 로봇, 자율주행 자동차, 최신 스마트시티, 드론등 인간의 편리를 위해 도입되는 인공지능을 통해 운영되는 모든 자동화 시스템은 엄청난 에너지가 들어가는 일입니다.

에너지 소비 증가와 인구문제

1900년대 초반에 비해 현재 우리는 약 3배 더 많은 에너지를 소비하고 있습니다. 산업혁명 이후 인류는 급격한 산업화를 이루었고 2차, 3차 산업혁명을 거치면서 점점 더 많은 에너지를 사용하면서 그에 따라 전 세계 인구도 급격히 늘어났습니다. 1900년대 전 세계인구는 약 16억 명이었습니다. 2024년 현재 인구는 약 80억 명으로 추정됩니다. 이 기간 동안에 인구 증가율은 약 400%입니다.

그림 1. 산업화 이후 전 세계 인구증가 속도 (출처: http://mid.m-teacher.co.kr)

위의 그림을 보면 산업혁명 이후 전 세계인구는 완만히 증가하다가 2차 세계대전 이후로 급격하게 증가함을 알 수 있습니다. 필자는 산업화와 이산화 배출 증가가 밀접함 관계가 있을 거라 보고 이 도표들을 찾아보았습니다.  그림 2에서 보시는 바와 같이 산업혁명 이후 산업화에 따른 에너지 소비증가와 세계 이산화 탄소 배출 증가령은 패턴이 유사하고 서로 밀접한 관계에 있음을 알 수 있습니다. 산업화에 따른 에너지 증가와 세계 이산화탄소 배출 증가량 역시 세계 인구증가와 마찬가지로 1950년부터 급격히 증가함을 알 수 있습니다.   

그림 2. 산업혁명 이후 에너지 소비와 이산화 배출 증가 (자료 출처: 원자력 e-뉴스레터 (kaeri.re.kr)와 위키백과)

그런데 우리는 왜 전 세계 에너지 소비량이 1950년 이후 급증했는 가를 다시 한번 살펴볼 필요가 있습니다.  그림 2를 다시 보시죠, 전 세계 에너지 소비 증가는 1950년도 이후에 급격히 올라가는 것을 볼 수 있습니다. 그리고 전 세계 이산화 탄소 농도 증가도 대략 1950년도 이후에 급변하는 것을 알 수 있습니다. 그리고 그림 1에서 보시는 바와 같이 전 세계 인구 증가 역시 2차 세계대전 이후인 1950년도 이후에 급격히 증가하는 것을 볼 수 있습니다.

우리는 석탄 사용이 지구 온난화의 주범이라고 알고 있습니다. 하지만 그림 2의 세계 이산화탄소 배출 증가 도표를 보시면  석탄을 주 연료를 사용했던 1950년 이전에는 이산화탄소 증가량이 완만합니다. 그러니까 지구온난화의 주범이 석탄의 사용이 아니라는 것입니다.

이번에는 그림 2의 박스 안에 중국의 인구증가와 이산화탄소 증가속도를 보시죠, 어떤가요? 중국의 인구가 증가하면서 중국의 이산화 탄소 배출량이 급격히 늘어나는 것을 볼 수 있습니다. 물론 산업화가 증가해서 에너지를 많이 사용했다고도 할 수 있는데, 1차 산업혁명 동안에 유럽의 경우에는 산업화 과정 중에서도 인구가 급격히 늘어나지 않았고 석탄을 주연료로 사용했음에도 이산화 탄소 배출량이 급격히 증가하지 않았습니다. 이것은 이산화 탄소 농도 증가가 산업화 때문이 아니라 인구증가 때문에 일어난 것이라는 것을 시사합니다. 그러니까 지금 현재 전 세계 인구는 지구가 감당할 만한 수준이 아니라는 것이죠.

따라서 지구온난화 문제의 주범을 산업화 때문이라고 단정하면 안 된다는 것입니다. 오히려 지구 온난화의 주범은 급격한 세계인구 증가 때문이라고 볼 수 도 있습니다. 이것은 검증된 것은 아니지만 독자들이 스스로 판단해 보시면 될 듯합니다. 2차 세계대전 이후 전 세계는 베이비붐의 확산으로 급작스런 인구증가를 경험하게 됩니다.

지구온난화 문제를 가장 간단히 풀 수 있는 방법은 전 세계 인구를 줄이는 일입니다. 그런데 인구를 줄이려면 여러 가지 복잡한 문제가 따라옵니다.  

우리는 인구를 줄이면서 효율적이고 환경 친화적인 에너지 시스템을 만들어야 합니다.

우리는 어떻게 환경 친화적인 에너지 시스템을 만들 수 있을 까요? 우리는 엄청난 에너지가 필요하지만 원자력 발전이나 화력발전(석탄, 석유, 천연가스)을 늘릴 수 없습니다. 이는 우리가 구상하고 있는 기후변화 대처와 환경보호에 반하는 일입니다. 그래서 우리는 재생가능한 에너지인 태양광, 수력, 풍력, 바이오메스, 지열 등의 발전을 지속적으로 늘려야만 합니다. 하지만 재생가능 에너지를 확대하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 우크라이나-러시아 전쟁을 통해서 봤듯이, 전쟁은 그동안의 노력을 물거품으로 만드는 것이 어려운 일이 아님을 확실히 보여 줬습니다.

고령화와 인구감소 시대의 극복

고령인구가 늘어나고 출생인구가 줄어들면 젊은 층이 더 많은 고령자를 부양해야 한다는 문제가 있습니다. 그래서 정부는 인구가 줄어들면 대한민국이 소멸할 수도 있다면서 결혼을 하고 자녀를 많이 낳으라고 장려하고 있습니다. 물론 인구가 갑작스럽게 줄어서 인구절벽이 생기면 재앙적인 미래를 맞이할 수 있습니다. 우리는 인구절벽을 막으면서 서서히 인구감소의 추세를 따라가야 할 것입니다. 그러면 감소하는 인구에서 생산 노동력 유지는 어찌할 것인지에 대한 대안이 필요합니다.

이는 자동화와 로봇 산업의 확대에 답이 있을 수 있습니다. 4차 산업혁명은 인구 감소 시대에 고령 인구의 복지를 부양하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 자동화와 로봇 기술은 감소하는 인구를 대신하여 생산성을 높이고 경제적 부담을 줄일 수 있습니다. 또한 여러 서비스 로봇등은 업무 효율을 높이고 생활 편의와 안전을 강화하여 고령자가 더 오랫동안 노동 현장에 투입되는 것을 가능하게 할 것입니다.

로봇 간호사 및 돌봄 로봇, 그리고 디지털 헬스케어 기술 등은 고령인구의 복지에 투입되어 의료 업무부담을 줄일 수 있습니다. 이 부분에서 정부가 의사 수를 늘린다고 하는 것은 미래의 인구구조를 살펴보고 재고하는 것이 필요하다고 생각합니다.

재생가능 에너지와 에너지 저장기술

지금 현재 재생 가능 에너지는 전체 에너지의 20% 정도입니다. 이를 점차적으로 늘려가는 추세이지만 재생가능에너지는 환경의 변화에 민감합니다. 그래서 지속적인 에너지 공급원으로는 부적합합니다. 원자력이나 화력발전의 경우에는 어떠한 자연환경에도 자원만 잘 공급된다면 지속적으로 전력을 공급해 줄 수 있습니다. 그러나 기후 온난화 문제나 환경을 생각하면 원자력 발전이나 화력발전을 꾸준히 줄여 나가야만 합니다.

재생 가능 에너지의 단점을 해결하기 위해 나온 것이 에너지 저장 기술입니다. 생산된 에너지를 오랫동안 저장 해 둘 수 있다면 필요할 때마다 꺼내 써서 수급을 조절할 수 있으니까요.

에너지 저장 기술에는 리티움 배터리 저장기술, 플로우 배터리(Flow Battery), 수소 에너지 저장(Hydrogen Energy Storage),  압축공기 에너지 저장, 초전도 자기 에너지 저장(SMES)등이 있습니다.

이러한 에너지 저장기술등을 활용하면 재생에너지의 지속 가능성 문제를 해결해 줄 수 있을 것입니다. 그렇지만 그럼에도 불구하고 산업화가 진행될수록 에너지 저장 속도가 에너지 사용 속도를 따라잡지 못할 것입니다. 분명히 재생가능 에너지만을 고집하면 에너지 수급에 문제가 생길 것을 예측할 수 있습니다.

미래의 핵융합 발전과 에너지 혁명

핵융합 발전과 초전도체 자기 에너지 저장기술 (SMES)를 적용한 미래의 스마트 시티 (ChatGPT로 그림)

재상 가능 에너지 사용을 확대하려면 이를 보완할 에너지 저장기술이 확보되어야 할 수 있습니다. 하지만 아직까지 경제성 있고, 소형화 가능하고, 도시 근처에도 설치 가능하고, 효율 좋은 에너지 저장기술을 확보하지 못한 상태입니다.  그렇다면 지속가능한 에너지 생산과 에너지 저장기술이 가능할까요? 인류가 이상적으로 이러한 도전과제를 해결하는 방법은 바로 핵융합 발전과 초전도체 자기 에너지 저장기술(SMES)을 융합하는 것입니다. 초전도체 자기 에너지 저장기술(SMES)과 핵융합 발전기술을 융합하는 것은 전력 생산 및 저장 분야에서 매우 혁신적이고 잠재적으로 효율적인 솔루션을 제공할 수 있습니다.

초전도체 자기 에너지 저장기술은 초전도체 코일에 전류를 흘려 자기장을 형성하고, 이 자기장에 에너지를 저장하는 기술입니다. 아직은 초전도체를 활용하려면 저온의 액체헬륨 또는 액체질소를 사용해야만 합니다. 돈이 많이 들어가는 일이죠, 하지만 LK-99처럼 상온 상압 초전도체가 가능하다면 초전도체 자기 에너지 저장기술은 곧바로 대용량 산업에 투입될 수 있습니다.

초전도체는 특정임계온도 이하로 내려가면 갑자기 전기저항이 사라지는 물체를 말합니다. 온도를 내리거나 압력을 가하거나 아니면 특정패턴으로 물질의 배열을 바꾸면 전자가 저항 없이 자유롭게 흐르는 상태를 만들 수 있습니다. 이와 같이 전기저항이 사라지는 상태가 되면 우리는 에너지 손실 없이 에너지도 저장할 수 있고 또한 꿈에 그리는 핵융합 발전을 아주 가까운 미래에 실현할 수 있습니다. 그리고 열손실 없이 아주 강력한 레이저 무기를 만들어서 어떠한 ICBM이나 드론까지도 다 격추할 수 있는 그야말로 세상의 평화를 가져올 게임 체인저 무기가 가능하게 되는 것입니다. 그러면 인류는 핵무기 패권국가들의 횡포에 더 이상 놀아나지 않아도 되고 이상적인 홍익인간과 이화세계를 추구하는 인류 공동체를 만들 수 있습니다.

그리고 저렴한 가격의 초전도체가 실현되면 소규모 핵융합 발전소를 세계 어느 곳이나 설치가 가능해서 극지에서도 생활하는 것이 가능하게 될 것입니다.

핵융합 발전은 바닷물에 풍부한 수소의 동위원소인 중수소와 삼중수소가 고온, 고압 상태에서 결합하여 헬륨을 형성하며 여분의 중성자가 떨어져 나오며, 이 과정에서 대량의 에너지를 방출하고 이 열에너지로 발전기를 돌려 전기를 생산하는 원리입니다. 핵융합은 실제로 태양과 다른 별들에서 자연적으로 일어나며 인류는 이러한 과정을 1억 도가 넘는 고온의 장치에서 구현하여 핵융합을 인공적으로 실현하며 이를 상업적으로 구현하려 하는 것이 핵융합 발전입니다.

하지만 궁극적인 핵융합 발전은 핵융합 과정에서 발생한 헬륨 즉 알파입자의 운동에너지를 곧바로 전기에너지로 바꾸는 것입니다. 그러면 열에너지로 물을 끓이고 터빈을 돌려 발전을 하는 전통적 방식을 거치지 않아도 되는 것입니다.

이러한 핵융합 발전과 초전도 자기 에너지 저장기술이 융합되어 완성될 때 4차 산업혁명이 궁극적으로 실현되는 것입니다.

이 모든 것을 실현 가능하게 만들려면 우선 인류가 각성해야 합니다. 국가의 집단 이기주의와 눈앞의 이익만 좇게 되면 우리가 지난 시기에 만들어 놓은 극심한 환경오염과 불평등사회를 지속하게 될 뿐입니다.

그래서 필자는 종교적으로 편향되지 않고 전 세계 모든 인류가 공감할 수 있는 그리고 인간의 본성을 되찾을 수 있는 방법인 명상 수행을 권하고 있는 것입니다.

과도한 전자기파 노출이 주는 영향 (ChatGPT로 그림)

첨단기술 발전에 따른 과도한 전자기파 사용의 문제점

4차 산업혁명은 인공지능, 사물인터넷, 5G/6G 통신, 자율주행차 등 첨단 기술의 발전을 통해 많은 혜택을 가져올 것으로 기대되지만, 동시에 여러 가지 문제점도 수반될 수 있습니다. 그중 하나가 과도한 전자기파 사용입니다.

우리는 이미 꿀벌의 멸종위기를 통해서 전자기파가 꿀벌의 생존에 얼마나 악영향을 미치는지 잘 알고 있습니다. 꿀벌은 자기장을 감지하는 능력이 있어 이를 이용해 방향을 찾고, 둥지로 돌아가거나 꽃을 찾습니다. 과도한 전자기파노출은  꿀벌의 방향 감각을 교란시켜, 벌들이 둥지로 돌아가는 능력을 감소시킬 수 있다고 보고합니다. 또한 꿀벌이 전자기파에 노출되면 스트레스 반응을 일으킬 수 있으며, 이는 면역 체계의 약화와 질병에 대한 저항력을 감소시킬 수 있습니다. 그래서 농가에서 꿀벌이 갑작스럽게 사라지는 군집붕괴 현상이 일어나고 있는 것입니다. 이는 연구를 통해 증명하지 않아도 실제로 농가에서 일어나고 있는 현상입니다.

정책을 다루는 사람들은 좀 이상합니다. 기후가 분명히 변화하고 있음에도 불구하고, 이들은 이산화탄소 농도 증가와 기후변화의 관계에 대한 명확한 증거가 없다고 주장하며 기후변화를 사기라고 합니다. 또한, 농가에서 꿀벌 군집 붕괴 현상이 분명히 발생하고 있음에도 불구하고, 이에 대한 명확한 증거가 없다는 이유로 대책을 세우지 않습니다. 스마트폰에서 발생하는 전자기파가 암을 유발할 수 있는 영향이 있음에도 불구하고, 명확한 증거가 없다는 이유로 이에 대한 대책을 마련하지 않습니다.

무분별한 전자기파 노출은 인류의 건강, 기기 간섭, 환경적 영향, 개인정보 보호 및 보안 문제를 초래할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해서는 적절한 규제와 기준 설정, 기술적 해결책, 지속적인 연구와 교육이 필요합니다. 이러한 노력을 통해 4차 산업혁명의 혜택을 최대한 누리면서도 그로 인한 부작용을 최소화할 수 있을 것입니다. 다음은 이와 관련된 주요 문제점과 고려사항입니다.

그 첫 번째는 사람의 건강에 미치는 영향입니다. 전자기파가 건강에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 진행 중이며, 일부 연구에서는 장기 노출 시 두통, 피로, 수면 장애, 암 등의 건강 문제를 유발할 수 있다는 결과를 보고하고 있습니다. 세계보건기구(WHO)와 국제암연구소(IARC)는 라디오 주파수 전자기장을 '가능성 있는 발암물질'로 분류하여 장기적인 노출이 잠재적으로 건강에 악영향을 미칠 수 있음을 경고하고 있습니다. 여기서 라디오 주파수 전자기장(RF electromagnetic field)이란 라디오 주파수 범위의 전자기파로 구성된 전자기장을 의미합니다. 이 주파수 범위는 대략 3 kHz에서 300 GHz에 해당하고, 라디오 주파수 전자기장은 무선 통신, 방송, 레이더, 위성 통신, 무선 인터넷(Wi-Fi), 블루투스 등 다양한 기술에서 중요한 역할을 합니다. 그러니까 우리가 매일 사용하는 스마트폰을 비롯하여 대부분의 통신장비에서 나오는 전자기파에서 암을 유발할 수 있다는 겁니다.

두 번째로는 전자기파 간섭 문제입니다. 수많은 무선 통신 기기와 IoT 기기의 증가로 인해 전자기 간섭이 발생할 수 있습니다. 이는 특히 의료 기기, 항공기 통신, 군사 장비 등 중요한 시스템에 악영향을 미칠 수 있습니다. 이문제를 해결하기 위해 통신사들은 더 강한 고주파수 대역으로 늘리고 있습니다. 6G 통신에서는 100 GHz - 1000 GHz의 고주파수의 전자기파를 사용할 것으로 예상하고 있습니다. 고주파수 대역으로 가면 더 강한 전자기파가 나오는 것이고 인체에 미치는 영향은 더 크게 됩니다. 한편, 우리가 그렇게 민감하게 반응했던 사드(THAAD, 고고도 미사일 방어 체계)는 8-12 GHz의 주파수를 사용합니다. 물론 6G 통신에서 100 GHz-1000 GHz의 고주파를 사용한 다고 해도 엄청나게 작은 출력으로 사용되기 때문에 인체에 미치는 영향이 미미 할 거라 생각되지만 이러한 고주파가 인체에 미치는 영향은 지속적으로 검증하고 연구해야 할 문제입니다.

세 번째로는 환경에 악영향을 줄 수 있다는 것입니다. 4차 산업혁명 기술의 확산으로 인해 데이터 센터, 통신 인프라 등의 에너지 소비가 과도하게 증가합니다. 이는 탄소 배출 증가와 환경오염을 초래할 수 있습니다. 또한 막대한 전자기기 폐기물이 발생한다는 점입니다. 기술의 빠른 발전과 기기의 짧은 수명 주기로 인해 전자 폐기물이 급증할 수 있습니다. 이는 환경 문제와 자원 낭비를 야기합니다.

네 번째로는 스마트 하우스, 스마트 시티 등의 발달로 모든 기기가 사용자의 개인정보로 작동하게 됩니다. 따라서 개인정보 보호 및 보안 문제가 발생할 수 있습니다. IoT 기기와 스마트 기술의 확산으로 인해 개인정보가 무분별하게 수집되고 노출될 위험이 있습니다. 또한 연결된 기기의 증가로 사이버 공격의 위험이 커지며, 이는 개인과 기업의 보안 문제를 악화시킬 수 있습니다.

이러한 문제들을 사전에 예방하지 못한다면 우리는 4차 산업혁명을 통해 폭주하는 괴물을 만들 수 도 있습니다. 국제 기준에 맞는 규제와 기준을 설정해서 전파공해를 사전에 막아야 하며, 지속적인 연구와 교육을 통해서 전자기파 노출에 대한 대중의 인식을 높여야 할 것입니다.

과도한 전자기파에 대한 노출로 인간은 더 많은 정신적 스트레스를 겪게 될 것이고 수많은 사람들이 정신과 적인 치료를 받게 될 것입니다. 그래서 미래에는 심리치료가 가장 핫한 직업이 될 것입니다. 이미 미국의 의사 시험인 MCAT시험에는 2015년부터 대대적인 개편을 통해서 심리학과 사회학 관련 내용을 추가했습니다. 또한 정신적 스트레스를 완화하기 위해서 학교나 회사마다 명상이 필수가 되는 세상이 오게 될 것입니다.

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여기까지 읽어주셔서 감사드립니다.

인공지능이 어떻게 폭주하게 될지 우리는 알 수 없습니다.

인문학이 과학을 알아야 과학을 올바른 길로 안내할 수 있습니다.

인류문명은 기술의 발전이 목표가 되선 안되고 인류의 행복이 우선 되어야 합니다.

3분 명상을 통해 오늘도 좋은 하루 보내세요.