진공기술의 역사

앞에서 우리는 진공이란 무엇인지, 그리고 대기압은 언제부터 인식하게 되었는지 알 수 있었습니다.

그럼 이러한 진공의 기술이 발전해왔던 역사에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

중세의 과학사는 암흑기였다해도 과언이 아닙니다. 과학사에 있어 중세시대는 마치 미혹의 터널과도 같은 시기였습니다. 종교적인 관념으로 일관되었던 과학이 니콜라스 코페르니쿠스, 갈릴레이, 뉴턴 등에 의해 서서히 타파되기 시작하였습니다. 특히 실험적으로 처음 진공을 입증하였던 토리첼리를 비롯하여 파스칼, 괴리케, 보일 등과 같은 실험과학자들은 이에 깊은 자극을 받게 되었습니다.

 

앞전에 포스팅한 부분에서 수은실험을 응용하면 날씨를 예측할 수 있을 것이라 설명드렸습니다.

이를 실험으로 입증한 사람이 바로 파스칼입니다.  이는 토리첼리의 경이로운 진공실험 내용을 전해듣고,

대기압의 변화에 대해 흥미를 갖게 됩니다. 그는 곧장, 두 개의 수은관을 준비하여 산의 높이에 따라 수은 기둥의 높이가

변한다는 것을 입증하기 위해 실험하였고, 1648년 해발 1,456m의 퓌드돔(Le Puy de Dome) 산을 오리면서 고도에 따라

수은의 높이를 기록하였습니다. 이 결과로 산의 높이에 따라 공기의 압력이 줄어든다는 사실을 알아냈습니다. 

이들은 결국 수은관과 유리관을 이용하여 진공의 실재를 보여주었고, 또한 펌프를 이용하여 유리기구내에 공기를 

빨아냄으로써, 진공과 대기압, 즉 공기의 무게와 압력이 실재로 존재한다는 사실을 증명하였습니다.

이로써, 진공이 실험과학의 한 영역으로 자리를 잡게 된 큰 계기가 된 셈이죠.

 

1654년 독일에도 토리첼리의 경이로운 실험에 자극을 받은 한 사람이 있었는데, 바로 괴리케입니다. 

그는 진공의 실재성을 보여주기 위해 두개의 잘 맞추어진 청동반구를 준비하고 시의 소방서로부터 지원받은 펌프를

이용하여 실험에 착수 하였는데, 이것이 바로 "마그데부르크 반구시험" 입니다. 

진공반구를 준비한 후에 괴리케는 "자연은 오히려 그것을 파괴하려는 시도에 강력이 저항한다" 라고 주장하며, 준비된 반구에 각각 말 여덟마리를 한 조로 구성하여 반구를 떼어 내도록 하는 극적인 쇼를 연출하였습니다.

말들이 움직여도 진공반구는 서로 떨어지지 않았고, 이때를 기다렸다는 듯이 괴리케는 밸브를 열어 공기가 내부로 들어가도록 하였더니 아무 힘도 들이지 않고 진공반두를 떼어낼 수 있었습니다.

마그데부르크시의 진공반구 실험<출처 : 사이언스올>

이와같이 진공실험을 통하여 과학자들은 지구에는 많은 양의 공기로 둘러싸여 있고, 공기가 지표면을 상당한 압력으로

누르고 있다는 사실도 확인하였습니다. 그렇지만 몇몇 과학자들은 여전히 의심을 품고 있었으며, 우주에는 에테르라는

물질로 가득찬 바다와도 같은 것이라고 생각하였습니다. 만물이 그 안에서 운동한다는 것은 오래 전부터 전해져온 

고정적인 과학 개념일 뿐, 애석하게도 에테르에 대한 존재를 알 수 있는 근거나 방법은 없었습니다. 

 

에테르에 대한 물질적 존재여주는 우리가 잘 알고 있는 알버트 아인슈타인이 탁월한 과학적인 사고와 실험기술을 토대로 우주에 가득하다고 여겼던 에테르의 개념은 사실 무근이라는 것으로 밝혀졌습니다. 따라서 1905년 다시금 우주에서의 진공개념이 가능하다는 생각이 제기 되었고, 중력장 이론에 의하면 질량과 에너지가 없는 빈 공간을 완전히 수학적으로 표현하면서 텅 빈 우주가 가능하였습니다. 그러나 후에 양자역학이 불려 일으킨 과학의 혁명은 진공을 완전하게 텅 빈 상태(공간)으로 생각하는 것은 잘못되었다는 것을 분명히 나타내어주고 있습니다.

1905년의 아인슈타인<출처 : 황금벌레의 옛 연구소>

 

이와 같이, 새로운 개념에 따르면, 진공이란 용기 안에서 제거할 수 있는 모든 것을 제거한 뒤에 남은 상태를 의미할 뿐,

결코 공허한 것이 아니라는 것입니다. 다만, 에너지가 낮은 상태이고, 이러한 상태를 변화시키면 에너지가 증가한다는 진공 에너지 개념으로 설명할 수 있습니다. 

 

이상과 같이 기술해온 간략한 진공의 역사와 더불어 여러 종류의 진공펌프에 대해 초기 개발사를 정리해 보았습니다.

** 1615년 : Beekman - Water Pump 작용을 기술

** 1640년 : Galileo - 피스톤을 이용한 진공측정 시도

** 1640년 : Berti - Siphon을 이용한 기초 기압계 고안

** 1643년 : Torricelli - 수은주를 이용하여 진공실험<토리첼리의진공>

** 1648년 : Pascal - 기압계 실험

** 1650년 : Guericke - 처음으로 Air Pump 개발<마그데부르크시의 반구실험>

** 1676년 : Picard - 진공에서 전기방전 실험

** 1705년 : Hauksbee - 전계발광 실험

** 1740년 : Nollet - 달걀형 용기로 전기방전실험

** 1851년 : Newman - Mechanical Pump 제작

** 1875년 : Dewar - 목탄의 흡수에 의한 가스포획 기술

** 1905년 : Gaede - Rotary Oil Pump 개발

** 1916년 : Dunoyer - Diffusion Pump 고안