‘파란 불꽃의 소용돌이’ 구조 밝혀졌다…정체는 세 가지 연소 형태의 결합

최근 모리셔스 해안에서 일본 화물선이 좌초해 많은 양의 기름이 바다 위에 유출돼 많은 사람들이 충격을 받았다. 이런 사고가 일어나면 정화 활동을 해도 오염된 바다를 되돌리기가 어렵기 때문이다.

미국의 한 연구진은 4년 전 바다 위에 유출된 기름을 완전히 연소해 오염을 최소화하는 기술을 연구하고 있었다. 그런데 이번에 연구가 어느 정도 진척됐다는 소식이 전해져 기대가 모이고 있다.

당시 메릴랜드대 등 연구진은 이전까지 알려지지 않은 새로운 유형의 불꽃을 발견했다. 이는 파란 불꽃이 고리 형태로 소용돌이치는 형태라서 연구자들은 이를 ‘파란 소용돌이’(Blue whirls)로 명명했다. 흥미로운 점은 이 불꽃이 연료를 완전히 태워 그을음 등을 전혀 내지 않는 특징이 있다는 것이다. 그렇지만 이 불꽃이 어떤 구조로 이뤄져 발생하는지는 지금까지 수수께끼였다.

이제 연구자들은 수많은 실험 데이터를 사용해 이 불꽃을 시뮬레이션상에서 재현하는 데 성공해 그 구조가 어떻게 이뤄져 있는지를 알아냈다. 만일 연구가 거듭돼 이 불꽃을 자유자재로 제어할 수 있으면 이번 사고와 같은 일이 또 일어나더라도 대비할 수 있을 뿐만 아니라 화석 연료 사용 시 유해 물질을 배출하지 않아 미래의 에너지 문제를 해결하는 데도 기여할 수 있다.

화재폭풍과 파란 불꽃의 소용돌이당시 연구에서는 해상에 유출된 기름을 제거하는 방법에 대해 검토하고 있었고 그때 연구된 방법은 기름을 한곳에 모아 해수면에 두꺼운 층으로 만든 뒤 이를 연소해 제거하는 것이었다. 이 방법은 매우 많은 연기와 그을음 등이 생기게 해서 실용적이라고 할 수 없었다.

즉 이 문제를 풀려면 해수면의 기름층을 완전 연소해 주위 대기와 바다 밑으로 유해 물질을 배출하지 않게 해야 한다. 따라서 당시 연구자들이 주목한 것이 ‘파이어 토네이도’ 또는 ‘파이어네이도’로 흔히 알려진 화재폭풍 현상이다. 이는 도시나 산악 지대에서 일어나는 대규모 화재에서 발생하는 위험한 현상이지만, 불꽃 소용돌이는 연료 표면의 가열 수준을 크게 높여 매우 빠른 속도로 효율적인 연소를 실현할 수 있다.

따라서 이들 연구자는 해수면의 기름 층에 인위적으로 화재폭풍을 일으키면 환경 오염이 적은 완전 연소가 가능한지를 검증했다. 그런데 이 연구에서 전혀 예상하지 못한 파란 소용돌이 불꽃이 만들어진 것이다. 이 현상은 일반 연소에서 흔히 볼 수 있는 노란 불꽃에서 발전한 형태다. 노란 불꽃은 연료를 완전히 연소하는데 충분한 산소가 없을 때 형성되는 것으로, 그을음 등을 내는 불완전 연소다. 반면 화재폭풍은 충분한 연료와 산소를 끌어들여 완전 연소할 때 그을음을 전혀 내지 않는 깨끗한 파란 불꽃으로 변했다. 이때 나타난 것이 바로 고리 형태로 회전하는 파란 불꽃이다.

화재폭풍은 오랫동안 끔찍한 재앙으로 생각됐지만, 이를 제어할 수 있으면 효율이 높고 배출이 적은 연소 상태를 만들어낼 수 있다. 이는 전 세계적인 화석 연료 소비로 인한 환경 문제에도 대응할 수 있는 꿈의 연소 형태다. 하지만 우연히 발견된 이 새로운 불꽃이 대체 어떤 구조로 돼 있는지, 그 중심의 파란 불꽃의 고리가 대체 무엇인지는 당시에 전혀 알 수 없었다.

파란 불꽃 고리의 정체그 후로 연구진은 지금까지 파란 불꽃의 고리에 관한 연구를 계속해 왔다. 그리고 충분히 모은 데이터를 바탕으로 이 현상을 3차원 시뮬레이션으로 재현하는 데 성공했다. 그 결과, 이 파란 불꽃의 고리는 세 개의 서로 다른 연소 현상이 결합한 것으로 나타났다.

파란 불꽃 고리의 아래쪽에서 역원추형으로 불타고 있는 불꽃은 ‘과농 예혼합 화염’(Premixed rich flame)이다. 이는 예혼합 연소에 의해 일어나는 불꽃으로, 연료가 과잉 상태일 때 일어난다. 예혼합 연소는 가솔린 엔진의 연소와 같이 미리 공기와 혼합된 연료가 연소 확산하는 연소 형태를 말한다. 반면 파란 불꽃 고리의 위쪽에 있는 원추형 불꽃은 연료 표면의 얇은 층에 화염이 생기는 확산 연소에 의한 화염인 ‘확산 화염’(Diffusion flame)이다. 또 확산 화염 밖에는 연료보다 공기가 더 많은 ‘희박 예혼합 화염’(Premixed lean flame)이 있다. 그리고 이들 세 가지 연소 형태를 모두 결합한 것이 중심의 파란 불꽃 고리인 것이다. 이는 연료와 공기가 모두 완전 연소를 위한 최적의 양으로 존재하며 연료가 모두 연소해 그을음 등의 배출물을 생성하지 않는다.

친환경적인 파란 불꽃이처럼 파란 불꽃 고리의 구조와 발생 조건이 밝혀졌지만, 아직 실용화 단계에는 이르지 못했다. 그을음을 배출하지 않는 깨끗하고 친환경적인 완전 연료는 화석 연료에 의존한 세계에서 대량의 유해 물질 배출을 억제하는 중요한 기술이 될 수 있지만, 이를 위해 극복해야 할 과제는 많다.

현재 이 불꽃은 실험실의 작은 밀폐 장치 안에서만 발생할 수 있다. 또 화재폭풍을 경유하지 않으면 생기지 않는다. 불완전 연소인 노란 불꽃과 화재폭풍을 거치지 않고 갑자기 파란 소용돌이를 일으킬 수 있는지, 형성되는 크기를 제어할 수 있는지, 이 경우 커다란 파란 소용돌이가 생겨날지, 밀폐 장치가 없는 상황에서도 생성 가능한지, 여러 개의 파란 소용돌이를 동시에 만들어도 간섭 없이 유지할지 등 앞으로 해결해야 할 문제는 많다.

자세한 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’(Science Advances) 최신호(8월 12일자)에 실렸다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr