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수소 핵융합 반응으로 에너지를 만드는 태양
태양계의 중심이자 유일하게 빛을 내는 별 태양은 태양계의 모든 천체를 향해 에너지를 방출합니다. 인류를 포함한 지구 상의 모든 생명체는 태양이 방출하는 에너지를 이용해서 살아가고 있습니다.
현대 사회에서 인류가 가장 많이 사용하는 에너지 형태인 전기 에너지도 태양이 없으면 생산하기가 어렵습니다. 화력 발전의 에너지원인 화석 연료뿐만 아니라 수력, 풍력, 파력 발전의 에너지원이 모두 태양 에너지에 의해 만들어지기 때문입니다.
태양의 표면 온도는 약 6,000℃ 정도인데요, 중심부 온도는 약 15,000만 ℃나 됩니다. 현재 태양의 나이는 대략 50억년 정도이며, 태양의 총수명은 100억 년 정도로 추정합니다. 태양은 어떻게 100억 년이라는 긴 시긴 동안 환한 빛과 뜨거운 열을 만들어 낼 수 있었을까요?
초고온, 초고압 상태인 태양의 중심부에서는 수소와 같이 가벼운 원자핵들이 융합하여 헬륨과 같은 무거운 원자핵으로 변하는 핵융합 반응이 일어납니다. 핵융합 반응과정에서 반응 후의 총질량이 반응 전의 총질량보가 줄어들면서 에너지가 발생하는데, 이 에너지가 태양 에너지의 근원이 됩니다.
태양의 중심부에서는 4개 수소 원자핵이 융합하여 1개 헬륨 원자핵이 만들어지는 수소 핵융합 반응이 일어납니다. 이 반응 과정에서 생성된 헬륨 원자핵 질량은 반응 전 수소 원자핵들의 질량 합보다 작으며, 이때 감소한 질량만큼 에너지가 방출됩니다.
이러한 과정의 결과로 태양은 매초 10의 26승 J 이상의 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 1초 동안 방출되는 태양 에너지는 인류가 약 1000만 년 동안 전기 에너지로 사용할 수 있을 만큼 막대한 양입니다. 그뿐만 아니라 태양 내부의 수소는 앞으로 약 50억 년 동안 핵융합할 수 있으므로 태양은 지구에 거의 무한한 에너지를 제공할 수 있습니다.
바람의 운동 에너지로 전기 에너지를 생산하는 풍력 발전
풍력 발전은 바람의 운동 에너지를 이용하여 발전기를 작동하여 전기 에너지를 생산하는 방식입니다. 풍력 발전소는 바람이 지속적으로 많이 부는 바닷가나 높은 산에 설치하여 효율을 높입니다. 풍력 발전은 온실 기체를 거의 배출하지 않고 다른 발전 방식에 비해 설치 기간이 짧으며, 발전 효율도 높습니다. 또, 산간이나 해야, 방조제 등에 설치하여 국토를 효율적으로 이용할 수 있습니다.
그러나 초기 비용이 많이 들고 바람이 부는 조건에 따라 발전량의 차이가 크며, 에너지를 저장하는 장치가 필요합니다. 그리고 소음이 발생하고, 새와 충돌하는 문제도 발생합니다.
태양광 발전
태양광 발전은 태양 전기를 이용하여 태양의 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 전환하여 전기 에너지를 생산하는 방식입니다. 태양 전지에 태양 빛을 비추면 전류가 흐르면서 전기 에너지가 만들어집니다.
태양광 발전은 태양 에너지를 이용하므로 고갈될 염료가 없고, 연료비가 들지 않으며, 환경 오염 물질이나 폐기물이 발생하지 않습니다. 또 진동과 소음이 적으며, 수명이 길고, 유지 비용이 적습니다. 그러나 다른 발전 방식에 비해 태양 전지를 생산하고 설치하는 데 비용이 많이 들며 대규모 발전을 위해서는 넓은 장소가 필요합니다. 또 날씨에 따라 전력 공급이 불안정하고, 최근 발전 효율이 높아지고 있으나 다른 발전 방식에 비해 발전 효율이 비교적 낮습니다.
태양광 발전은 대규모 발전 시설로 이용될 뿐만 아니라 태양 전지를 작은 건물에도 설치할 수 있어 수규모로도 이용됩니다.
