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광섬유로 태양빛을 전달한다고?? 목록

조회 : 1432 | 2017-02-22

지하도시

 

화석연료의 과다 사용으로 에너지는 고갈되고, 지구온난화가 가속화되고 있다. 게다가 도시로 몰려드는 인구는 계속 늘어 포화상태다. 이를 해결할 방안으로 다양한 미래도시가 제시됐지만 그 중 실현 가능성이 가장 높은 것은 지하도시다. 지하도시는 외부와 상관없이 항상 쾌적한 환경을 제공할 수 있다. 에너지 사용을 획기적으로 줄여 지구를 살리고, 대기오염이나 심지어 핵 공격에도 안전한 미래도시다.



실제로 현재 각국은 지하도시 계획을 수립하고 있다. 일본은 고베지진 등 재난을 겪으며 더욱 안전한 공간을 찾고 에너지를 절약한다는 목표로 에너지 절약형 지하도시 계획인 ‘앨리스 시티(Alice City)’와 격자형 거점도시란 뜻의 ‘도시 지오그리드(urban geo-grid)’ 계획을 수립한 바 있다. 우리나라 삼성건설도 미래형 지하도시인 ‘지오네스티’를 구상하고 있다. 아직은 구상 단계에 머무르고 있는 미래 지하도시가 과연 실현될 수 있을까?



이런 미래도시를 구현하는 전 단계로 일부 선진국들은 나름대로 초기 지하도시를 구축했다. 예를 들어 프랑스 레알지구는 어느 정도 지하도시 모양을 갖췄다. 4층 지하 공간에 6만 여개 점포와 수영장, 병원, 전자상가 등이 있다. 4.5km 길이의 지하도로망과 4개의 지하철 노선, 3개의 교외고속전철을 연결해 파리 어느 곳으로도 갈 수 있다. 더욱이 지하 3층까지 자연채광, 자연통풍 시스템으로 공기오염과 음침함을 개선했다.



하지만 현재 구현된 지하시설들은 아직 지하도시라 불리기에는 미흡하다. 지하도시를 만들기 위해서는 여러 기술들이 복합적으로 개발·개선되어야 한다. 미래의 지하도시를 만들기 위해서 필요한 핵심 기술들은 어떤 것이 있을까?



첫째는 인공적인 빛이 아닌 태양빛을 지하 수백미터까지 전달할 수 있는 기술이 요구된다. 이는 에너지 절감이라는 측면에서도 필요하지만 태양빛이 생물에 주는 유익을 생각할 때 더욱 그러하다. 현재는 거울이 달린 잠망경의 원리처럼 광파이트와 광덕트를 사용해서 지하 근거리(지하3~4층)에 태양빛을 전달하는 것이 고작이다.



현재 가장 진보된 기술은 광섬유를 사용하는 것이다. 이론적으로 광섬유는 빛의 손실이 거의 없이 먼 곳까지 전달할 수 있는 장점이 있는데 현재 개발한 것은 지하 50미터가 한계다. 먼저 집광기를 사용해서 태양빛을 모은 후 필터를 사용해서 적외선이나 자외선 등의 열을 제거한다. 이렇게 한 후 ‘빛’만 광섬유를 통해 지하에 설치된 전구로 전달하면 70~150룩스 정도의 빛을 낼 수 있다. 이 빛은 백열등 기준 40와트 정도의 밝기에 해당된다.



하지만 지하도시를 제대로 구현하기 빛의 전달 거리가 수백미터 이상으로 늘어나야 한다. 이를 위해 지상에서 태양빛을 모으는 집광기의 효율을 높이고, 필터들이 열을 더 완벽하게 차단해야 한다. 열차단이 제대로 안 될 경우 장치가 손상될 수 있고, 또 열전달이 되어 지하공간에 설치된 전구에서 열이 발산하면 지하 온도 유지를 방해할 수 있다.



그럼 광섬유를 통해 전달된 빛으로 생물이 정상적인 생활을 할 수 있을까? 과학자들은 광섬유로 전달된 빛으로 식물이 정상적으로 광합성을 한다는 보고를 한 바 있다. 자연채광 기술이 완성되면 지하도시에서 농산물을 키울 수도 있을 것이다. 하지만 구루병을 예방하는 비타민D 형성을 위한 자외선이 차단되는 문제 해소 등 해결해야 할 과제는 아직 많다.



둘째로 에너지 기술이 필요하다. 미래 지하도시의 발전과 난방은 땅속의 에너지인 ‘지열’이 가장 각광받을 것으로 과학자들은 예상하고 있다. 지열 발전의 원리는 간단하다. 지하 마그마 근처에서 수천도로 데워진 물에 파이프를 꽂으면 압력이 낮아지면서 하얀 수증기가 되어 관을 타고 뿜어 나오게 된다. 이 고온 수증기를 이용해 증기터빈을 고속으로 돌려 이 터빈에 연결된 발전기를 통해 발전을 시키는 것이 지열발전이다.



지열은 ‘지구’라는 보일러가 주는 공짜 에너지이며, 지하 굴착기술에 따라 잠재력은 무한하다. 발전기를 돌린 물은 지하공간에 설치된 관을 통해 각 시설에 난방을 제공한 후에 다시 지하로 내려 보낸다. 현재는 굴착기술에 따른 경제성 때문에 증기, 열수(熱水) 등의 형태로 지각으로 뿜어져 나오는 태평양 연안 화산대 등 활용구역이 한정돼 있지만 굴착기술의 발달로 깊은 곳까지 값싸게 굴착이 가능해지면 우리나라에서도 지열발전을 할 수 있다.

비록 지열을 이용할 수 없는 지하공간이라도 지상도시보다 에너지 절약을 할 수 있다. 우리나라의 경우 지하 15미터 이하는 평균 15℃를 유지한다. 따라서 지하공간은 흙이나 암석 그 자체를 보온이나 보냉제로 활용하여 에너지를 절감할 수 있다. 최근 한국지질연 송윤호 박사팀이 개발한 지열냉난방 설비는 에어컨의 실외기를 지하로 빼서 지열을 이용하는데 기존 에어컨의 30~50% 전력으로 동작이 가능하다. 이 같은 원리가 지열 냉난방에도 적용될 수 있다.



이밖에도 지하도시 건설을 위한 화강암층과 같은 안전지반을 확보하는 기술, 도시 건설에 필요한 굴착 및 건설기술 등도 현재보다 더 많은 기술축적이 요구된다. 지상으로 배기가스와 열을 배출하는 환배기 시스템은 현재 설비로 가능하나 안전성이 더욱 높아져야 한다. 지하도시는 환기가 중요하기 때문에 교통 시스템은 수소연료전지 차량 도입 가능성이 높다.



기술적 극복과 함께 경제성까지 확보돼 미래 지하도시가 실현된다면 현재 과밀인구와 무분별한 확장, 심각한 교통난, 공해, 녹지 부족 등의 문제가 해소돼 인류 삶의 질 향상을 가져올 것이다. 지하도시가 가져올 미래생활이 기대되지 않는가?

 

글 : 서현교 과학칼럼니스트

출처 : KISTI 과학향기

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