1. X-프라이즈는 휘발유 1리터로 60킬로를 주행할 수 있는 자동차를 가장 먼저 출시하는 회사에 2천5백만달러를 수여할 계획이다.
2. 1갤론(약 3.8리터)의 휘발유가 연소될 때마다 CO2 19파운드(약8.6㎏)가 공기중에 배출된다.
3. 배기장치와 브레이크에서 발생하는 열에너지의 재활용이 연비향상의 원천이 될 수 있다.
고유가와 자동차 배기가스로 인한 환경파괴가 심화되고 있는 가운데 자동차제조 전문가들은 새로운 방식의 고효율 자동차 개발에 주력하고 있다. 이에따라 머지않아 새로운 기술로 무장된 훨씬 경제적인 자동차가 출시될 전망이다.
지난 수십 년 간 ‘미래형 자동차’가 인류에게 해왔던 약속은 여전히 이행되지 않고 있다. 반면 미래자동차가 해결하고자 했던 문제들은 그 정도가 더욱 심각해졌다.
휘발유의 가격은 그 어느때보다 높은 가격을 형성하고 있으며 전세계의 석유창고인 중동지역의 정세는 더욱 불안해 보인다. 산업화 옹호론자 마저 인간이 대기 중으로 뿜어내고 있는 이산화탄소가 비극적 결과를 초래할 수 있음을 인정하고 있는 실정이다.
자동차 제조업체들은 이러한 상황에 대응하여 리터당 약 9킬로미터의 연비를 갖춘 자동차를 잇따라 선보인바 있다. 하지만 이는 수십년전 만들어진 초기 자동차 모델 보다도 오히려 1.7킬로미터 가량 낮은 연비이다.
이에따라 고유가의 궁극적 대안으로 수소를 연료로 사용하는 수소경제가 꼽히고 있지만 이보다 앞서 새로운 희망이 떠오르고 있다.
몇몇 소규모 회사에서 휘발유 1리터로 60킬로미터를 주행할 수 있도록 새로운 엔진기술과 향상된 디자인을 채용한 자동차를 고안 중이기 때문이다.
이들이 내놓은 안은 무게를 줄이고 항공 역학을 접목시키는 등 간단한 것에서 아주 놀라운 것에 이르기까지 다양하다.
이들의 기술개발 경쟁은 X-프라이즈(X-Prize) 재단이 몇개월후 1리터로 60킬로미터의 주행능력(100mpg)을 갖춘 자동차의 개발자에게 상금을 수여할 계획임을 발표하게 되면 더욱 불이 붙을 전망이다.
상금규모는 아직 확정되지 않았지만 재단 관계자들은 동기유발에 적정한 금액을 2천5백만달러(약 2백40억원)로 보고 논의를 진행중이다. 과거에도 이 재단은 민영 우주항공기 개발에 1천만달러(약 96억원)의 상금을 내걸어 우주관광산업이 촉발되는 단초를 제공한바 있다.
재단측은 이번 현상금으로 인해 자동차가 어떠한 모양을 갖추어야하고 어떻게 작동해야하는 지에 대한 지금까지의 개념을 처음부터 다시한번 되집어 보는 계기가 되기를 기대하고 있다.
이 프로젝트의 총괄책임자인 마크 구스테인은 “우리에겐 근본적인 변화가 필요합니다. 사람들이 차에 대한 고정관념을 바꿀 필요가 있습니다”라고 강조한다.
이와관련 자동차 업계 종사자들이 말하는 고유가의 장벽을 넘기 위해 필요한 기술, 특히 거액의 상금을 거머쥐게 해줄지도 모르는 세가지 기술들은 다음과 같다.
더 작고, 더 좋고, 더 값싼
현재까지 초고속 주행을 실현하기 위해 선택한 가장 확실한 방법은 차량의 무게를 줄이고 바람의 저항을 현저히 낮추는 것이었다.
이는 학생들 대상의 공학 경진대회에서 자주 볼 수 있는 방법으로 자전거 바퀴에 콩알만한 마이크로 장치를 장착하면 휘발유 1리터로 100킬로빌터 이상을 달리게 할 수도 있다. 하지만 이러한 기기들은 고가의 견본 제품에 불과하다.
문제는 가볍고 고도로 항공 역학적인 차량을 만들어 내야 한다는 것으로서 안전하고 제값을 해야함은 물론 저렴한 가격으로 대량생산이 가능해야만 한다.
캘리포니아에 거주하는 스티브 팸브로는 자신이 개발한 압테라(Aptera)가 해결방안이 될 수 있다고 믿고 있다. 그가 자신의 차고에서 제작한 압테라는 바퀴가 세개 달린 탄환모양의 2인용 승용차로 공기저항을 최소화했고 중량도 385킬로그램에 불과하다.
(참고로 현대자동차 아반떼HD의 중량은 약 1,200킬로그램이다) 그는 경주용자동차에서 영감을 얻어 탄소 복합재로를 사용, 무게를 최소화했는데 이는 차량간 추돌시 충격흡수에도 효과가 있다.
현재 팸브로가 설립한 Accelerated Composites사에 몇몇 투자자들이 관심을 보이고 있는 상황으로 그는 2년내에 압테라를 시장에 출시하는 것을 목표로 하고 있다.
팸브로는 “탄소복합재료를 사용하면 저렴한 주조틀과 자동화된 공정으로 차량 한대당 가격을 2만달러(약 2천만원) 이하로 유지할 수 있을 것”이라며 “디젤 하이브리드 엔진을 채용할 경우 압테라는 리터당 198킬로미터를 달릴 수도 있다”고 말했다. 연비향상에 있어 하이브리드 구동렬(drive train)은 엄청난 성공 신화가 되어 왔다.
배터리가 없는 하이브리드
프리우스의 경우 브레이크를 밟을 때 발생하는 열에너지를 배터리에 저장하여 사용하는 방식으로 손실되는 에너지를 일부 되찾아 그 에너지를 배터리에 저장한 후 이를 나중에 쓰는 방식으로 기존 휘발유자동차와 비교해 주행거리를 최고 2배까지 늘렸다.
그러나 지금까지 나온 하이브리드 자동차 중 가장 효율적인 제품도 이렇게 버려지는 에너지의 30%만 재활용할 수 있는 수준이다.
현재 미국 환경보호국(EPA)의 미래기술 담당부서에서는 무게가 많이 나가는 배터리를 아예 없애버리는 획기적인 아이디어를 기반으로 기술개발을 진행하고 있다.
EPA에서는 브레이크가 작동될때 얻을 수 있는 에너지를 저장하기 위해 배터리가 아닌 유압시스템을 사용하는 변형된 하이브리드를 만들어 냈다.
브레이크를 밟으면 바퀴들은 유압펌프를 움직여 질소가스를 압축시킨다. 이후 엑셀레이터를 밟게 되면 압축된 질소가 거꾸로 펌프를 움직여서 자동차에 동력을 공급해주는 것이다.[앞 페이지의 그림 참조].
올해와 내년에 총 3대의 UPS 배송트럭에서 시험가동될 이 유압 하이브리드 시스템을 활용하면 브레이크 가동시 소모되는 에너지를 최소 70퍼센트 이상 되찾을 수 있을 것이라고 한다. 이렇게 되면 연비는 60~70% 가량 절감되는 반면 배기량은 40% 정도 줄어들게 된다.
EPA 미래기술부 담당자이자 유압 하이브리드 시스템 개발자의 한사람인 찰스 그레이스가 이 장치가 지닌 잠재능력에 흥분을 감추지 못하는 이유가 여기에 있다.
그는 “유압 하이브리드 시스템은 자동차의 대량생산을 실현한 일관 조립라인 개발을 뛰어넘는 자동차 역사상 가장 위대한 혁명이 될 것”이라고 말했다.
물론 상용화 여부는 아직 지켜봐야 하겠지만 유압 하이브리드는 기존 하이브리드에 비해 더 작을 뿐만아니라 가격도 저렴하다. 그레이스에 따르면 500마력의 유압 펌프 모터를 사람이 들고 서 있을 정도로 가볍게 만들 수 있다고 한다.
유압시스템에 압력을 가하고 유압모터가 바퀴를 구동시키는 단순한 구조의 기술 덕분에 엔진에는 변속기를 비롯한 다른 부분들이 필요 없게 될 것이며 추가적인 비용부담도 거의 없이 소형차에 설치할 수 있다.
포드자동차, 미군, 그리고 여러 곳에서 이 기술을 검토 중에 있으나 현재 이들을 믿고 선택해준 고객은 주행과 정지를 무수히 반복해야하는 수많은 차량을 보유한 UPS가 유일하다.
제트 엔진에서 받은 영감
X-프라이즈 경쟁에 참여할 것으로 보이는 또다른 주자로 텍사스 A&M 대학에서 에어컨제조업체로 출발한 스타로터(StarRotor)사가 있다.
화학공학과 교수인 마크 호트재플과 그의 동료 앤드류 래브로커는 에어컨을 위한 고성능 압축기를 고안하던 중 스타로터 엔진의 기본 구조에 대한 아이디어를 떠올렸다.
그들은 자신들의 아이디어가 자동차 엔진에 활용될 수 있음을 인지하면서 에어컨에 대한 생각을 모두 잊었으며 얼마후 스타로터사를 설립, 이 기술의 상용화에 나서고 있다.
스타로터에서는 제트 엔진과 동일한 열역학 공정을 적용, 연료가 연소될때 소실되는 열에너지의 일부를 복구하는데 이는 일반적인 피스톤 엔진에서는 구현이 불가능한 일이다.
구체적으로 연소열은 엔진에 연료가 추가 공급되기 이전에 엔진으로 들어오는 공기를 덥히는 역할을 수행한다.[위 그림 참조]. 이렇게 뜨거워진 공기가 엔진에서 연료와 섞이게 되면 더욱 강력한 연소가 일어나게 되며 결과적으로 기존 엔진에 비해 동일한 연료를 사용해서 더 많은 에너지를 얻을 수 있다는 것이다.
래브로커는 시제품에서 확보한 데이터를 토대로 스타로터 엔진이 자동차의 속도나 파워와는 상관없이 연료가 지닌 화학에너지의 45~65%를 물리적 에너지로 변환 시킬 수 있을 것으로 보고있다.
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