최근에는 고등학생을 중심으로 한 청소년 발명가도 주목을 받고 있다. 소위 명문대학에서 이들을 스카우트하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다.
일반적으로 청소년 발명가는 경험이 적다. 하지만 이는 단점이 아니라 장점이다. 무엇이 불가능한지 모르기 때문에 큰 꿈을 품을 수 있다는 것. 또한 청소년 발명가에게는 성인발명가에게 부족한 상상력과 창의력이 있기 때문에 오히려 더 좋은 발명을 할 수도 있다.
졸업파티 준비를 하거나 쇼핑몰에서 아르바이트를 하는 대신 실험실, 지하실, 그리고 교실에 틀어박혀 해묵은 문제에 대해 신선한 해결책을 제시하는 청소년 발명가는 매년 수천 명이나 된다.
파퓰러사이언스는 미국 전역을 뒤져 고등학생을 중심으로 한 10대 청소년 발명가 중 가장 뛰어난 8명을 선정했다. 이들에 비하면 21세에 처음으로 특허를 취득한 토마스 에디슨조차 대기만성형의 인재로 보일 정도다.
에디슨은 특허수가 1,000종을 넘을 정도로 많은 발명을 해 발명왕으로 불리고 있는데, 특히 중요한 발명은 전등이다. 전등실험 중에 발견한 에디슨 효과는 20세기에 들어와 열전자 현상으로 연구되고 진공관에 응용돼 전자공업 발달의 바탕이 됐다.
에디슨은 대학 강의를 경멸했으며, 일반적인 교육에 대해서도 비판적이었다. 그는 “현재의 시스템은 두뇌를 하나의 틀에 맞춰가고 있다. 이에 따라 독창적인 사고를 길러내지 못한다. 중요한 것은 무엇이 만들어지고 있는 과정을 지켜보는 것이다”라고 말했다.
또한 “천재란 99%가 땀이며, 나머지 1%가 영감이다”라는 말은 일생을 통한 그의 유명한 모토였다. 이것은 만년의 술회, 즉 “나는 발명을 계속하기 위한 돈을 얻기 위해 언제나 발명을 했다”는 말과 더불어 그의 발명가 정신을 단적으로 상징하고 있다. 참신한 아이디어로 무장한 청소년 발명가들 역시 사명감은 이에 못지않다.
그들은 하나같이 발명을 통한 세계 구원을 꿈꾸고 있다. 실제 탄소나노튜브 뭉치를 풀어내는 용매를 발명한 필립 스튜라이히는 우주 엘리베이터 개발을 위한 물꼬를 틀지 모른다. 또한 간헐천을 이용한 다니엘 아스투리아스의 지열발전단지는 원자력발전소의 3배나 되는 전력을 만들어낼 수 있다.
타일러 모저는 서아프리카 등 배고픔을 겪고 있는 세계인들을 위해 전기가 들지 않는 탈곡기를 발명했다. 가난한 나라에서는 전기도 사치품이기 때문이다. 사만다 홉킨스의 경우는 또 어떤가. 그녀는 우주에서 사용하는 휴대용 온실을 설계했다. 이 발명품은 흙 없이 공기와 습기만으로 작물을 재배할 수 있다.
발명품에 대한 특허출원, 라이선스 등을 돕는 영 인벤터스 인터내셔널의 창립자 앤 스위프트는 경험이 적다는 게 결코 단점이 아니라고 말한다. 오히려 장점이라는 것이다. 그는 이렇게 말한다. “청소년 발명가들은 뭐가 불가능한지 모르기 때문에 큰 꿈을 품을 수 있습니다. 그 꿈을 품고 나서 꼭 해내겠다고 맹세하게 되죠.”
◆ 발명품
탄소나노튜브 뭉치 풀어내는 용매
탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결돼 관 모양을 이루고 있는 신소재다. 굵기는 머리카락의 십만 분의 1밖에 되지 않지만 전기 전도도와 열전도율이 뛰어나며, 강도는 강철보다 100배나 뛰어나다.
또한 탄소섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15%가 변형돼도 견딜 수 있다. 이 같은 특성으로 인해 우주 엘리베이터나 방탄복 같은 것을 만들 때 사용할 수 있다.
반면 탄소나노튜브는 서로 뭉쳐 꼬이는 경향이 있으며, 이럴 경우 강도와 전도성이 떨어진다. 여러 해 동안 과학자들은 이 같은 탄소나노튜브 뭉치를 풀 수 없다고 생각했다. 다만 이 뭉치를 부분적으로밖에 풀 수 없는, 시간이 많이 걸리는 화학적 방식에 의존해 왔다.
하지만 농촌 소년 필립 스튜라이히가 더 나은 방법을 찾아냈다. 그는 독자적으로 만든 용매를 사용해 탄소나노튜브 뭉치를 신속히 풀어냈다. 그로부터 3년이 지난 현재 스튜라이히는 나노과학 분야의 아이디어 5개로 무수한 과학 콘테스트에서 입상했으며, 현재 특허출원 중이다. 상금 20만 달러 이상과 장학금을 탄 것은 말할 것도 없다.
그는 현재 위스콘신 대학 연구실에서 주 60시간을 연구하고 있으며, 그가 설립한 나노기술 신생기업인 그래핀 솔루션도 경영하고 있다. 그 외의 시간은 가족들과 함께 농장에서 양, 닭, 소를 기르면서 보낸다.
평균학점(GPA): 자택교육
SAT 점수: 2,400점
특허출원 현황: 현재 5개의 특허를 출원한 상태다.
진학 예정 대학: 스튜라이히는 이미 대학 학사학위를 취득할 정도의 실력이 있다. 하지만 그는 하버드 대학에 학부생으로 입학할 예정이다.
◆ 발명품
간헐천 이용하는 지열발전단지
3살 때 이미 4개 국어를 구사했던 다니엘 아스투리아스는 일찍부터 발명에 뛰어난 소질을 보여주었다. 그는 집 주변에 기묘한 장치를 설치하고 사슬갑옷 제작이나 분재 가지치기 등 일반적이지 않은 취미 생활에 몰두했다.
그는 또한 미분방정식, 이론물리학 등을 독학했다. 올해 아스투리아스와 그의 동료 아이작 하웰은 간헐천을 이용하는 지열발전단지를 설계했다. 간헐천은 열수를 일정한 간격을 두고 분출하는 일종의 온천인데, 미국의 옐로스톤 공원에는 200개 정도의 간헐천이 있다. 또한 규모가 큰 것은 75m까지 열수를 분출하는 것도 있다.
이들이 꿈꾸는 지열발전단지는 간헐천에 150기의 발전기를 설치해 최소 45메가와트, 최대 6.8기가와트의 지열에너지를 생산하는 것이다. 이는 사실상 원자력발전소 3기의 발전량과 맞먹는 것이다. 간헐천이 있는 단층선은 지표에서 몇km 깊이에 있기 때문에 연구는 그리 많이 이루어지지 않았다.
또한 이를 개발하려면 큰 비용이 든다. 하지만 아스투리아스의 설계는 지열에너지를 얻기 위해 작동해야 하는 부위가 많지 않으며, 유지관리 비용도 적다. 이 아이디어는 올해 피트 콘래드 스피릿 오브 이노베이션 고등학교 발명대회에서 1위를 차지, 1만 달러의 상금을 받았다.
평균학점(GPA): 3.9(가중평균 4.45)
SAT 점수: 2,200점
특허출원 현황: 현재 1개의 특허를 출원 중에 있다.
진학 예정 대학: 텍사스 대학의 전 과정 장학금을 제안 받은 상태다.
◆ 발명품
전기 쓰지 않는 페달 방식의 탈곡기
타일러 모저는 10세 때 에디슨 방식의 축음기를 만들었다. 15세 때는 컴퓨터 조립 및 수리 회사를 설립했다. 그리고 올해 그와 동료들은 세그웨이 발명자 딘 카멘이 만든 FIRST 로봇 경진대회에 참가, 4강까지 진출했다. FIRST 로봇 경진대회는 청소년들이 스포츠만큼이나 과학기술을 좋아하도록 하기 위해 만들어진 대회다.
모저는 또 개발도상국을 위한 사탕수수 및 기장 탈곡기를 발명, 젊은 발명가에게 주는 레멜슨 MIT 인벤팀 창업 장려금 1만 달러도 받았다. 탈곡기는 곡물의 탈곡을 목적으로 하는 농업기계로 동력회전 탈곡기가 주류를 이루고 있다. 또한 최근에는 곡물을 베는 동시에 탈곡은 물론 선별작업까지 이뤄지는 콤바인도 사용되고 있다.
하지만 모저의 탈곡기, 즉 사탕수수 및 기장 탈곡기는 단순하다는 게 무엇보다도 큰 장점이다. 자전거처럼 페달을 밟아 움직이며, 전기를 쓰지 않아도 조작자의 힘을 10배로 증폭해 충분한 분당 회전수가 나온다.
서아프리카같이 사탕수수는 많이 나지만 가난한 지역에서는 전기도 사치품이다. 카멘은 이렇게 말했다. “그는 발명가들이 이루어야 하지만 막상 이루기는 힘든 일, 즉 잠재적인 사용자들의 요구를 잘 파악해 냈습니다.”
평균학점(GPA): 자택 교육
SAT 점수: 없음
특허출원 현황: 아직까지 특허출원한 것은 없는 상태다.
진학 예정 대학: 내년에 지원할 예정이다. 그동안 지역 대학에서 강습을 받으면서 FIRST 로봇 경진대회에 참여할 팀을 지원할 계획이다.
◆ 발명품
부작용 없이 암 치료하는 합성약품
수학 천재이자 오보에 주자인 프레이야 샤는 고등학교 신입생 시절 디옥시리보핵산(DNA)을 공부했다. 10학년 때는 상처 치료를 위해 피부세포 성장을 촉진하는, 생체 적합성을 갖춘 골격 뼈대(scaffold)를 개발하는데 전력을 기울였다. 골격 뼈대란 세포가 들어붙어 자랄 수 있도록 지지 역할을 하는 지지대를 말한다.
11학년 때는 더 많은 DNA 실험을 했다. 12학년 때는 여름 내내 스토니 브룩 대학 연구실에서 한 주에 40시간 넘게 연구했고, 학교 수업이 끝나면 매일 부작용 없이 암 종양을 없앨 수 있는 약품의 설계와 합성에 매달렸다.
대부분의 항암제는 암세포의 각종 대사경로에 개입해 핵산의 합성을 억제하거나 항암활성을 나타낸다. 하지만 이들 항암제는 암세포에만 선택적으로 작용하는 것이 아니라 정상세포, 특히 세포분열이 활발한 조직세포에도 손상을 입히기 때문에 골수기능 저하·위장 장애·탈모증 등 여러 가지 부작용이 나타나게 된다.
그녀는 이렇게 말한다. “제가 만드는 합성약품은 부작용 없이 암을 치료하는 것은 물론 하나의 분자로 암을 두 방향에서 공격합니다. 권투로 말하자면 좌우연타와 같은 것이죠.” 그녀는 열심히 연구한 결과 인텔 사이언스 탤런트 서치에서 장학금 2만 달러를 받았다.
평균학점(GPA): 4.0(가중평균 4.2)
SAT 점수: 2,400점
특허출원 현황: 아직은 없지만 소속된 대학 연구실에서 출원할 가능성이 있는 상태다.
진학 예정 대학: 하버드, MIT, 스탠포드, 예일, 프린스턴, 컬럼비아 대학에서 입학 허가를 받았지만 하버드 대학에 진학할 예정이다.
◆ 발명품
일석삼조의 조류 바이오리액터
하비에르 페르난데스-한은 7살 때 먹다 흘린 것을 치우지 않고 직접 만든 로봇을 시켜 치우게 했다. 어릴 적부터 천재적인 발명가의 소질이 엿보였던 것. 현재 그는 발명을 통해 세계를 구원하려 하고 있다.
지난해 비영리기구 ‘국경 없는 발명가 협회’를 설립한 것도 이 때문이다. 이 기구의 회원은 고등학생을 비롯한 청소년이다. 그의 최신 발명품에는 전력망이 제대로 갖춰지지 않은 지역을 위한 조류(藻類) 바이오리액터도 있다.
바이오리액터란 생물의 생체에서 일어나는 화학반응을 체외에서 이용하는 시스템으로 일명 생물반응장치라고도 한다. 페르난데스-한의 조류 바이오리액터는 저렴한 전기를 생산하는 것은 물론 이것을 오븐의 배출구에 연결하면 배기가스 중의 이산화탄소와 산화질소를 거름과 섞을 수 있다. 이렇게 만들어진 거름은 조류의 성장을 촉진하는 것은 물론 트랙터 등에 쓸 수 있는 탄소가 풍부한 바이오연료를 만들 수 있다.
한마디로 조류 바이오리액터는 전기 생산은 물론 배기가스를 이용해 거름을 만들고, 거름은 다시 조류의 성장촉진과 함께 탄소가 풍부한 바이오연료를 만드는 등 일석삼조의 효과를 내는 것이다. 페르난데스-한은 조류 바이오리액터를 통해 인벤트 유어 월드에서 최우수상과 함께 2만 달러의 상금을 받았다.
평균학점(GPA): 자택교육
SAT 점수: 없음
특허출원 현황: 설계를 웹에 올려 누구나 접근 가능하도록 할 계획이다.
진학 예정 대학: 보스턴의 올린 공대, MIT, 그리고 하버드 대학 가운데 한 곳을 선택할 예정이다.
◆ 발명품
상업성 높은 3차원 태양전지
윌리엄 유안은 현재 8학년임에도 불구하고 고등학생을 대상으로 한 ACT 시험에서 전국 상위 1% 내에 들 정도로 우수한 학생이다. 유안은 3학년 때부터 과학을 좋아하기 시작해 4학년 때는 해양학, 나노과학, 재생에너지 등에 심취하게 됐다.
11세 때 그는 포틀랜드 주립대학에서 나노이미징을 공부하기 시작했는데, 그는 여기서 두 오목 면 사이에 가시광선과 자외선을 잡아둬 흡수하는 3차원 태양전지를 구상했다.
기존의 평판 태양전지, 즉 2차원 태양전지는 태양빛이 전지판과 수직으로 입사할 때 최대 효율을 보이지만 다른 각도에서 입사할 때는 에너지 변환효율이 낮다.
반면 3차원 태양전지는 여러 각도로 입사되는 태양빛도 흡수해 전기에너지로 변환시킬 수 있다. 특히 두 오목면 사이에 가시광선과 자외선을 잡아둬 흡수하는 방식의 3차원 태양전지는 더욱 상업성이 높을 것으로 기대되고 있다.
유안은 지금까지 20개가 넘는 과학상을 수상했는데, 여기에는 오리건 과학산업박물관이 수여하는 올해의 지니어스 어워드와 데이빗슨 능력개발연구소의 장학금 2만5,000달러도 포함돼 있다. 유안은 에너지 위기를 해소하기 위한 발명품을 만들지 않을 때는 체스에 몰두하는데, 이미 3개의 오리건 주 타이틀을 딴 상태다.
평균학점(GPA): 4.0
ACT 점수: 33점
특허출원 현황: 임시 특허 1개.
진학 예정 대학: 캘리포니아 버클리 대학에 진학할 것을 고려하고 있다.
◆ 발명품
우주에서 사용하는 휴대용 온실
사만다 홉킨스는 9살 때 개집만한 크기의 통나무집을 스스로 만들었다. 7학년 때는 천문학에 큰 관심을 보여 방에 천체망원경을 설치하고 우주를 연구하기 시작했다.
고등학생이 된 후에 그녀는 친구와 함께 우주에서 사용하는 휴대용 온실이라는 것을 설계했다. 이것은 유연하고 밀폐된 접는 방식의 프레임으로서 흙 대신 공기와 습기만으로 작물을 재배할 수 있다. 이 설계에서 가장 혁신적인 것은 자동차의 쇼크업소버에 쓰이는, 자기장에 노출되면 굳어지는 액체를 응용한 것이다.
현재 사용되고 있는 일부 쇼크업소버용 오일에는 금속입자가 섞여 있다. 여기에 일정한 전기를 가해 자기장을 형성하면 금속입자들이 정렬하면서 유체의 점성이 변한다. 즉 전기를 연결하고 끊음에 따라 단단해지기도 하고 부드러워지기도 하는 것.
이 같은 오일을 우주에서 사용하는 휴대용 온실의 프레임에 집어넣어 자기장을 형성하면 오일의 점성이 높아져 식물을 재배하기에 충분한 견고성을 얻을 수 있다.
따라서 우주비행사들은 유연하고 밀폐된 접는 방식의 휴대용 온실을 가지고 다니다가 필요할 때 작물을 재배할 수 있다. 홉킨스의 발명품은 올해 피트 콘래드 스피릿 오브 이노베이션 어워즈에서 2등상과 함께 상금 6,000달러를 탔다.
평균학점(GPA): 3.7(가중평균 4.6)
ACT 점수: 31점
특허출원 현황: 1개 출원 중.
진학 예정 대학: 존스 홉킨스 대학, 카네기 멜론 대학 등에서 입학 허가를 받았다.
◆ 발명품
체내 혈당 조절해주는 비강 스프레이
마이클 바우터는 10세 때 처음 발명을 했다. 발명품의 이름은 로보스위치. 빛, 동작, 온도 센서를 이용해 사람이 실내에서 나가면 자동적으로 등을 꺼주는 장치였다. 그는 이렇게 말했다. “등을 끄지 않고 방을 나서는 경우가 많아서 저 대신 등을 꺼주는 로봇을 만들고 싶었습니다.”
16세 때에는 나노미스트라는 이름의 비강 스프레이를 발명했다. 이 발명품은 글루코스 수용체를 사용해 혈액 속의 잉여 혈당을 감지하면 적당한 양의 인슐린을 분비해 당뇨병 발작을 막는다. 일반적으로 당뇨병은 인슐린의 분비량이 부족하거나 정상적인 기능이 이루어지지 않는 대사질환의 일종으로 혈중 포도당의 농도가 높아지는 고혈당을 특징으로 한다.
하지만 나노미스트를 이용하면 인슐린 주사를 맞을 필요가 없다. 나노미스트는 인슐린을 내장한 리포솜 재질의 캡슐을 글루코스 수용체가 외부에서 감싸는 형태로 돼 있다. 특히 캡슐의 크기는 100나노미터에 불과해 코에 스프레이 형태로 뿌려지는데, 글루코스 수용체가 체내의 혈당과 만나면 캡슐을 벌려 내장한 인슐린을 방출하는 구조다.
그의 발명품은 지난 2007년 고등학생들의 기술개발을 촉진하기 위해 미국 과학교사협회에서 주관한 익스플로러비전 경진대회에서 2등상과 함께 상금 2만 달러를 안겨주었다.
평균학점(GPA): 4.0
SAT 점수: 2,080점
특허출원 현황: 임시 특허 3개.
진학 예정 대학: 카네기 멜론 대학, 오하이오 주립대학 등 5개 대학에서 관심을 보이고 있지만 그는 어느 대학으로 갈지 숙고하고 있는 상태다.
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