각국의 자동차 연구소들은 머지않아 인류에게 다가올 심각한 에너지 위기를 극복하기 위해 신기술 개발에 열을 올리고 있으며 일부는 이미 현실화 단계에 접어들었다.
그러나, 편안함과 편리성에 익숙해진 현재의 운전자들을 무시한 기술개발은 있을 수 없다.
교통체증에 시달리는 미국인들이 도로에서 낭비하는 시간을 보다 생산적으로 사용하려는 욕구를 반영한 결과, 실제로 미국자동차 업계들은 자동차를 이제 하나의 움직이는 ‘통신센터’로 변모시키고 있다.
자동차의 내연기관은 첨단 기술을 추구하는 미래의 요구에 맞추어 혁신될 수 있을 것인가? 아니면 전혀 새로운 동력원이 개발될 것인가? 이에 대한 해답은 현재 연구되고 있는 자동차의 신기술에 대한 프로젝트의 성패에 달려있다.
현재 연구 중에 있는 이 프로젝트들은 효율적이고 공해없는 동력원의 개발을 추구하는 한편 자동차의 제조공법에 대해서도 새로운 시각으로 접근하고 있다.
새로운 구조와 최신소재를 적용해 안전하면서도 값싼 자동차와 소형트럭의 생산이 가능해졌으며 이는 앞으로 자동차에 대한 수요가 엄청나게 창출될 중국과 같은 개발 도상국에서 개인교통 수단을 점점 더 확대시킬 것이다.
미래 자동차의 에너지원은 과연 무엇이 되어야 할 것인가. 하루가 다르게 늘어만 가는 자동차로 인해 에너지 자원은 점점 더 고갈되고 있으며 이에 대한 해결책은 그 어느 때보다도 더 시급하다. ‘미래의 자동차’를 주제로 한 본 특집 기사를 통해 이에 대한 해답을 모색해 본다.
미래형 자동차는 놀랄만큼 조용하다. 그야말로 이동하는 ‘침묵’이다. 연료전지로 가는 미래자동차의 엔진소리는 마치 한밤의 곤충의 날갯짓 소리와도 같다. 차세대 자동차의 시범 모델이 될 이 미래형 자동차는 거친 표면의 도로를 아무렇지도 않게 달려간다. 이제 차세대 지동차를 구경해 보자. 소리없이 달리는 전기자동차는 일반차와 똑같다. 단지 수소를 공급할 때 ‘쉬-’하는 소리만 날뿐이다.
아무도 눈치채지 못하게 행인들 옆을 살그머니 지나갔더니 깜짝 놀라는 모습들이 보였다. 하지만, 전반적으로 전기 자동차 역시 일반 자동차를 탔을 때와 별반 다를 것이 없었다. 트렁크에 장착된 액체 수소 탱크가 우주선 챌린저호나 독일 비행선 힌덴버그호의 마지막 순간을 연상시킨다는 점만 제외하고는 말이다. 어쨌든, 필자가 캘리포니아주 새크라멘토에 있는 공원 주변을 돌며 시승을 마친 ‘포드 P2000’ 시범 카는 미래 자동차의 일면을 보여준다. 환경에 무해한 청정 연료를 연소시켜 전기 에너지를 공급받는 미래 자동차는 환경에 전혀 해가 없는 ‘수증기’만을 배출한다.
이런 일들이 과연 현실로 이루어질 수 있을까?
자동차 유해론자들은 원유에서 정제된 연료를 연소시켜 동력을 만들어내는 것은 매우 비효율적이며, 에너지 자원이 세계 인구의 성장률을 감당하지 못하게 될 미래 사회에는 적합하지 않다고 지적한다. 그런데, 무공해 자동차를 만들어내겠다는 목표가 실현되어 21세기 중반에 선보이게 될 미래형 자동차는, 아이러니컬하게도 과거로 거슬러 올라가 20세기 초에 나왔던 자동차와 많은 공통점을 가지고 있다.
100년 전, 빅토리아 시대의 과학은 전기모터를 통해 자기(磁氣)작용을 회전 운동으로 변환시켰다. 당시에는 전기를 대체할 수 있는 동력이라는 것은 위험 그 자체인 것으로 받아들여졌다. 위험스러운 고압 증기라든가, 철제 튜브에 담긴 값비싸고 위험한 유독성 물질의 폭발력을 이용해, 복잡한 일련의 연동장치에 의해 크랭크축에 부착된 피스톤을 움직이는 것 등과 같은 것이 여기에 해당된다.
그러다가 1896년에 이르러 헨리 포드가 디트로이트에 있는 자신의 차고 문짝을 서너 번 부수는 우여곡절 끝에 최초로 휘발유를 동력으로 움직이는 사륜 자동차를 만들어냈다. 비록 세련되지 못한 방식이기는 했지만 연료를 태울 때 발생된 에너지가 복잡한 내연기관을 통해 기계적인 힘으로 변환되었다.
소형의 강력한 힘을 가진 내연기관이 개발되자 먼저 도심의 도로 곳곳에서 악취를 풍기던 말의 사체와 오물이 사라져 갔으며, 벽지의 농부들에게 편리한 이동 수단을 제공해 주었고, 마침내는 전국의 철도에서 증기 기관을 몰아내기에 이르렀다. 값싼 개인용 운송수단인 자동차의 출현은 교외의 모습을 바꾸어 놓았다. 20세기 상반기 동안 미국인들은 자동차를 타고 모두 도시로 몰려들었다. 그러나 후반기가 되자 미국인들은 스포츠카를 타고 다시 교외로 몰려 나가기 시작했다.
이렇듯 자동차로 인해 세상이 송두리째 바뀌었음에도 불구하고 정작 자동차 자체는 변화를 완강하게 거부해 왔다. 헨리 포드가 지금 당장 살아온다 하더라도 오늘날의 자동차에서 사용되고 있는 소재, 차량 구조의 기본 형태, 기본적인 기계 장치 등 당시 그가 개발한 ‘모델 T’에서 정의했던 것과 별다른 차이점이 없다는 사실을 발견하게 될 것이다.
계속된 비판에도 불구하고, 휘발유를 연료로 하는 전통적인 자동차가 도로를 완전히 지배하게 되자 주요 자동차 메이커나 정유회사들이 경쟁 관계에 있는 신기술의 개발을 사전에 봉쇄하거나, 개발된 신기술을 사들여 은폐하고 있다는 음모론이 대두되기에 이르렀다. 그러나 실제로는 오늘날 전세계 자동차의 엄청난 숫자가 새로운 기술을 도입해보고자 하는 노력에 커다란 위협이 되고 있다.
오늘날의 자동차를 대신할 만한 미래형 자동차로서의 자격을 갖추려면 우선, 리터당 몇 달러면 살 수 있는 휘발유처럼 언제 어디서나 쉽게 구할 수 있고 값싼 연료를 사용하는 것이어야 한다. 자동차의 몸체를 이루는 소재 역시 저렴하기 이를 데 없어서 강철은 현재 파운드 당 60센트에 불과하며, 그것도 대부분이 고철을 재활용한 것이다. 뿐만 아니라 미래형 자동차의 성능은 최소한 일반 자동차의 성능보다는 뛰어난 것이어야 한다. 현재 도로에 나와 있는 일반 자동차는 0에서 100km의 가속이 10초 미만에 이루어지며, 휘발유 1ℓ당 주행거리는 6.6km, 연료 재주입시까지 482km 이상을 달릴 수 있다.
새로운 미래형 자동차가 이런 모든 조건을 갖추고 있다고 하더라도 기존의 기술에 대한 전면적인 도전은 실패할 수밖에 없는 운명을 안고 있다. 현재 미국만 하더라도 2억대 이상의 자동차가 도로에 나와 있으며, 이것은 다시 말해 급진적인 기술을 채택한 새로운 자동차가 앞으로 적어도 10년에서 20년 이상은 기존의 자동차와 ‘공존’해야 한다는 사실을 의미한다.
이러한 상황 속에서 주요 자동차 제조업체의 엔지니어들은 자동차를 급진적으로 변화시키고자 하는 대부분의 제안에 대해 그다지 달갑지 않은 태도를 보이고 있다. 그 중에서도 GM 자동차를 상대로 한 제조물책임 소송의 해결을 전담해 온 GM의 헤리 피어스 부회장은 가장 퉁명스러운 반응을 보이는 사람 중의 하나로 손꼽혀 왔다. 그러나, 올해 디트로이트에서 열린 북미 국제 모터 쇼에서 그는 “미래에는 수소의 화학반응을 이용하여 움직이는 자동차가 나오게 될 것”이라는 GM의 입장을 밝혔다. 디트로이트 자동차 산업의 한 축을 이루고 있는 대형 자동차 제조회사에서 밝힌 이같은 발언은 상당히 파격적인 발언으로 지금까지 보여왔던 태도와는 전혀 다른 것이었다.
최첨단 미래형 자동차의 개발을 위한 자동차 메이커들의 경쟁은 이미 모터쇼장에서도 확연히 드러난다. 혼다 ‘인사이트’는 휘발유와 전지를 동력으로 하는 ‘양산 하이브리드’ 자동차로 ℓ당 30km를 달린다. 올 하반기에 도입될 예정인 하이브리드 엔진뿐만 아니라 손바닥만한 시범용 연료전지도 선보였다. 그러나, 정작 전시장을 찾은 사람들의 관심은 이러한 환경친화형 미래 엔진보다는 약간 크기가 줄어 차고에 들어갈 수 있게 설계된 최신형 트럭에 집중되었으며, 군용 ‘험비차’를 본뜬 한 스포츠 유틸리티 차량(SUV)도 관람객의 시선을 끌었다.
대부분의 주요 자동차 메이커들은 역사상 그 어느 때보다도 더욱 많은 자금과 노력을 투입하여 현재의 연비를 두배 또는 세배까지 향상시키고, 유해 배기가스 배출량이 거의 제로에 가까운 최첨단 엔진의 개발에 전념하고 있다. 일부에서는 미래 자동차가 단순하고 저렴하며, 환경 친화적이어서 언젠가는 고갈되고 말 석유에 대한 의존성을 완전히 탈피할 수 있게 될 것이라는 믿음이 점점 더 확산되고 있다.
아직까지 이러한 믿음은 유토피아적인 환상에 불과하지만, 1993년에 미국의 자동차 회사들이 현재의 연비를 세배까지 향상시킬 수 있는 차세대 자동차(New Generation Vehicle: NGV)의 개발을 위해 콘소시엄을 결성한 이후로 눈부신 기술 발전이 있었다. 금년에 하이브리드 엔진을 탑재한 NGV 시범카 ‘닷지 ESX3,’ 포드 ‘프로디지,’ GM ‘프리셉트’가 선을 보였으며, 이들은 모두 일본과 독일에서 먼저 생산에 들어간 하이브리드 자동차에 비해 연비가 5km 이상씩 개선되었다.
새로운 하이브리드 엔진은 현재 적용되고 있는 엔진에 비해 연료 효율성 면에서 장족의 발전을 이룩했다. 그러나, 하이브리드 엔진 역시 전통적인 내연기관에 의존하여 주동력을 공급받는다. NGV 시범카는 연비효율을 개선하기 위해 고효율 디젤을 사용하지만, 디젤 엔진은 최고 성능을 내는 휘발류 엔진에는 미치지 못한다.
그럼에도 불구하고, 하이브리드는 전기로 구동되는 자동차를 만들어내기 위한 집요한 ‘노력의 산물’이며, 자체적으로 전기를 생성해 내는 연료전지 자동차를 개발하기 위한 첫 걸음이라고 할 수 있다.
저온의 산화작용을 통해 전기를 생성해 내는 연료전지는 초기 우주 시대에 수소를 연료로 하는 로켓의 동력원으로 개발되기 이전까지는 단지 실험실내에서나 통용되는 호기심의 대상에 지나지 않았다. 기본적인 화학식은 일종의 역가수분해로서 수소분자가 얇은 막을 통해 빠져나갈 때 전자는 뒤에 남고, 막을 통과한 수소분자는 반대편에 있는 산소와 결합하여 동력을 발생한다.
과거에 연료전지 연구에 참여했던 다나 드레스처는 “연료전지는 수소와 산소를 통해 전기를 생성할 수 있는 매우 효율적인 방법”이라며, “어디에서 수소와 산소를 얻을 것인가가 문제”라고 덧붙였다.
끝내 해결되지 못한 가장 중요한 문제는 전지의 가격이 너무 비싸며 무겁고, 짧은 주행거리밖에 지원하지 못한다는 점이었다. 다윈의 학설에 의하면 연료전지는 전기 자동차의 자연적인 진화단계로서 에너지가 밀집한 화학 연료가 무거운 건전지를 대신하게 된다는 것이다.
연료전지에 대한 최근의 연구는 그야말로 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 몇 년 전만 하더라도 펌프와 전지장치는 상용 트럭의 내부에 간신히 들어갈 수 있는 정도였다. 그 후, 연료전지 시스템의 크기는 점점 더 축소되어 더 작은 소형트럭, 나아가서는 승용차의 내부에 장착될 수 있게 되었다. 지난 1월에는 모형 전지장치가 ‘포드 포커스’의 바닥과 좌석 밑에 장착되는 모습을 보여주기도 했다. 출력, 저온 작동, 부피 등과 같은 작은 문제점들은 현재 빠른 속도로 개선되고 있다. 그러나, 일반 차량 유지에 쉽게 적재될 수 있는 휘발유나 메탄올 등의 변형체로 활용될 ‘내장 수소’의 개발 등과 같은 굵직한 문제들은 여전히 미결 상태로 남아 있다. 그 중에서도 가장 큰 장벽은 ‘비싼 가격’이다.
자동차용 연료전지 개발의 선도업체로 캐나다 밴쿠버에 있는 발라드사에서 금년에 선보인 ‘900 시리즈 연료전지’는 구동 모터와 함께 킬로와트당 최저 60달러 선에서 생산될 수 있다. 이는 100마력의 엔진에 4,500달러가 나가는 금액으로, 피스톤 엔진 2,000달러, 자동 변속 엔진 3,000달러에 비하면 여전히 비싸지만, 그래도 가격차가 상당히 좁혀지고 있다.
연료전지가 현재 사용되고 있는 피스톤 엔진보다 더 저렴하게 통용될 날이 올 것인가? 이 질문에 대해 다임러 크라이슬러에서 크라이슬러 NGV 개발을 책임지고 있는 버나드 로버트슨은 “우리 시대에는 불가능할 것 같다”고 말한다. 그는 값비싼 백금 촉매제와 휘발유에서 수소로 변환하기 위해 복잡한 리포머를 그 이유로 들었다. 그러나 무엇보다도 중요한 문제는 바로 연료 자체에 있다.
지구상의 수소는 실제로 화학적 혼합물 속에만 존재한다. 수소가 정제 과정을 통해 탄소와의 화학적 결합을 끊고 자유로워지는 데에는 화석 연료가 중요한 역할을 담당한다. 천연 가스는 화석 연료에 비해 탄소 함유량이 적고, 석유에 비해 저장량이 풍부하므로 최선의 대안이 될 수 있다. 수소의 처리에 대해서는 내장 탱크, 액화, 저압 수소화물 저장 등과 같은 다양한 해결책이 모색되고 있다. 만일 이러한 해결책이 나오기만 한다면 일반 가정의 차고에서도 화석연료나 나아가서는 가수분해를 통해 물에서 수소를 추출할 수 있게 된다. 그러나 지금까지 나온 해결책들은 수소와 휘발류를 상황에 따라 적절히 사용하지 못하고 있다.
우리의 생각대로 첨단의 기술들이 실현된다면, 깨끗하고 소음 없는 동력원인 연료전지는 미래 자동차의 필수요소인 것으로 보이며, 이 문제가 해결되고 나면 전기 자동차에 대한 우리 모두의 꿈이 마침내 실현될 날이 오게 될 것이다.
100년이 지난 지금도 내연기관의 진화는 계속되고 있으며, 멈출 기색을 보이지 않고 있다. 전자 제어, 일정 속도의 변속기, 밸브 기동 부문의 신기술들은 향후 몇 년 동안 연비 효율을 25퍼센트까지 향상시킬 것으로 보인다. 따라서 연료 전지 개발이 아무리 가속화된다고 해도 피스톤엔진은 쉽게 사라지지 않을 것이다.
25년 후의 자동차는 어떤 모습으로 다가올 것인가?
때로는 안에서 밖을 내다보는 것보다 밖에서 안을 들여다보는 것이 정확한 정보를 얻은 데에 훨씬 나을 수도 있다. 이러한 생각을 바탕으로 본지는 저명한 비평가 및 자동차 업계 전문가들을 대상으로 앞으로 25년 후 자동차가 어떤 모습으로 우리에게 다가올 것인지 들어보았다. 이들의 생각은 각기 달랐지만, 한 가지 반가운 소식은 높은 휘발류값 때문에 걱정하지 않아도 된다는 사실이다. 또한 정체된 도로에서 꼼짝 못하게 되었을 때에는 인터넷을 통해 주변 교통상황을 한눈에 알아 볼 수도 있다.
데이비드 코울
미시간 대학교 교통 연구소, 연구원
승용차 및 소형트럭은 사람과 물건들을 중심으로 설계되었으므로 자동차의 기본 형태나 체계가 혁신적으로 변화할 가능성은 거의 없다. 앞으로 진행될 혁신적인 기술 변화의 대부분은 눈에 보이지 않는 곳에서 일어나게 될 것이다. 전자 제어 부문의 폭발적인 기술 발전은 충돌방지 장치, 고성능 스마트 에어백 등을 포함한 안전 시스템, 완벽하게 작동하는 텔레마티크 및 외부 세계와 완벽하게 연결해주는 통신 시스템, 운전자의 요구에 맞추어 계기판을 재구성할 수 있는 소프트웨어, 진단은 물론 문제가 발생하기 전에 미리 상황을 예측하는 시스템 등 다양한 첨단 시스템이 사용될 것이다.
성능이 개선된 철판, 알루미늄, 플라스틱 및 복합 소재를 사용하여 보다 가볍고, 단단하며, 안전하고, 내구성이 강한 자동차가 개발될 것이다. 첨단 설계 기술로 제작될 ‘크로스오버’ 차량의 등장으로 SUV, 스포츠카, 트럭 등 차종간의 구분이 모호해질 것이다.
아모리 로빈스
록키 마운틴 연구소, 미래학자
2025년의 자동차는 첨단 중합체 혼합물로 만들어질 것이다. 수소 연료전지에 의해 구동되는 전기 추진 방식으로 지금에 비해 세 배 이상 가벼워질 것이며, 초저속 제동을 지원하는 한편 충돌에 대한 저항성, 내구성, 신뢰성, 재활용 가능성은 대폭 향상된다. 또한, 최상의 추진력과 스포츠카 수준의 성능, 세련된 외관, 경쟁력 있는 가격으로 나올 것이다. 뿐만 아니라 다용도로 사용되어 효율성은 극대화되고 유해가스의 배출은 문자 그대로 전무하며, 대형 SUV 차량의 경우에는 100-120마력, 5인승 세단의 경우에는 최고 200마력의 출력을 낼 것이다. 오늘날 자동차 업계는 이미 이러한 첨단 자동차의 개발 기술을 보유하고 있다. 2005년경에는 첨단 자동차가 널리 보급되기 시작할 것이며, 2010년이 되면 도로의 거의 대부분이 미래형 첨단 자동차로 가득차게 될 것이다.
롤랜드 황
한경보호 과학자 연합, 환경보호 운동가
휘발유에 의존하는 교통수단이 환경에 미치는 위해성으로 인해 미래의 자동차 시장은 전기 엔진 기술이 주도하게 될 것이다. 소비자들은 깨끗하고 효율성 높은 자동차 기술을 선호하게 될 것이다. 말 그대로 “공해가 전혀 없는” 수소 연료전지로서 전기 격자 또는 자체 광전지를 통해 충전되며 작고, 깨끗하면서도 효율적인 내연기관 등 소비자들의 선택의 폭은 더욱 넓어질 것이다. 앞으로 우리가 미래 자동차에 대한 비전을 달성할 수 있을 것인가의 여부는 향후 5년간 이러한 기술에 대한 정부 및 국민의 노력 여하에 달려 있다.
폴 맥크리디
에어로 바이런먼트사, 태양전지차 분야의 권위자
2025년의 미국은 인구증가와 더불어 인구 대부분의 대도시 밀집 현상으로 도로소통 및 주차 문제가 더욱 심화되어, 출퇴근이나 쇼핑을 위해 자가용을 소유하는 사람들은 줄어들 수밖에 없을 것이다. 뉴욕이나 도쿄에 거주하는 사람들은 벌써 이런 일들을 겪고 있으며, 방콕이 겪고 있는 극심한 교통정체는 문제의 심각성을 알고도 외면함으로써 얻는 결과가 어떤 것인지를 극명하게 보여준다. 점점 더 많은 사람들이 대중교통을 이용하게 될 것이다. 대중 교통망을 이용해 도심을 벗어나면 그곳에서 “인스턴트 렌탈” 차량을 통해 야외 활동을 즐기거나 장거리 여행을 할 수 있다. 이렇게 효율적이고 안전하며 환경 친화적인 자동차는 첨단 소재와 자동 제어장치로 구성될 것이며, 전기를 주 동력원으로 하는 엔진 시스템의 사용이 점점 더 늘어날 것이다.
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