전차 녹이려다 폭발각? 동장군 멱살 잡고 캐리하는 화학 레시피

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출처: https://richcat.tistory.com/20005 [리치캣의 현재 그리고 미래:티스토리]

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전차 녹이려다 폭발각? 동장군 멱살 잡고 캐리하는 화학 레시피│탐구생활 Ep#45. ‪@kfnplus‬

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📌 극한의 추위 속에서 전차가 얼어붙는 문제를 해결한 화학적 생존 공식은 무엇인가?

윤활유에 휘발유를 섞어 점성을 낮추고, 부동액 대신 디젤을 사용했으며, 저온에서도 찢어지지 않는 합금 금속을 개발하여 장비의 작동 불능과 파손을 막았습니다.

 

💡 극한의 더위 속에서 발생하는 문제와 해결책은?

더위는 전자 제품의 폭발 및 자석의 자력 상실을 유발하며, 이를 해결하기 위해 고온에서도 자성을 유지하는 합금 자석과 넓은 온도 범위에서 액체 상태를 유지하는 이온성 액체 윤활유를 개발했습니다.

목차

1. 극한 환경 속 군사 작전과 화학적 대응

1.1. 혹한이 군사 장비에 미치는 영향

1.2. 극한 환경 대비를 위한 소재 연구

2. 혹서 환경과 전자 장비의 문제

2.1. 고온이 전자 장비와 자석에 미치는 영향

2.2. 고온 내성 자석의 종류와 소재

2.3. 고온에서의 윤활유 및 냉각수 문제

3. 극한 환경 극복의 최종 목표: 우주와 심해

3.1. 우주 환경과 열팽창 없는 금속 개발

3.2. 우주 정복 이후의 과제

4. 독극물과 화학적 무기 (주제 전환)

4.1. 역사 속 독극물 사례

 

극한의 추위와 더위 속에서 군사 장비가 멈추는 치명적인 순간들을 화학적 해결책으로 극복하는 과정을 엿볼 수 있습니다. 윤활유가 얼 때 휘발유를 섞는 임시방편부터, 우주 기지 건설까지 영향을 미치는 '열팽창 없는 금속' 개발의 비밀까지, 극한 환경을 이기는 실용적인 과학 원리를 배울 수 있습니다.

 

1. 극한 환경 속 군사 작전과 화학적 대응

극한의 추위와 더위는 군사 작전 수행에 큰 변수가 되며, 화학적 해결책을 통해 이를 극복해왔다.

 

1.1. 혹한이 군사 장비에 미치는 영향

1. 극한의 추위는 장비 작동을 마비시킨다.

   1. 장진호 전투 당시 최저 기온이 영하 45도에 달해 총알 격발이 어렵고 수류탄 위력이 약화되었다.

   2. 나폴레옹의 러시아 원정 시, 금속이 부스러지는 물질로 변해 장비 사용이 불가능했고 식품/연료 통이 깨지는 문제가 발생했다.

 

1. 윤활유의 점성 증가가 주요 문제이다.

   1. 기름 성분은 차가워질수록 분자 간 인력이 강해져 걸쭉하고 끈적하게 변한다 (고기 기름이 굳는 것과 같은 원리).

   2. 심한 경우 젤리처럼 덩어리져 장비 내부에서 걸림을 유발하고 회전을 방해하여 모든 것이 멈춘다.

 

1. 연료 및 부동액 문제도 발생한다.

   1. 경유는 영하 30도에서 점성이 생겨 굳기 시작하는 반면, 휘발유는 영하 70도까지 버틸 수 있다.

   2. 독일군은 가솔린을 사용했으나 윤활유 문제와 부동액 부재로 엔진이 얼어 터지는 경우가 많았다.

   3. 소련 전차는 디젤(경유)을 사용했기에 부동액 대신 디젤을 넣어 임시 대처하기도 했다.

 

1. 화학적 임시 대처 방안이 사용되었다.

   1. 윤활유에 휘발유를 약 25% 섞어 끈적임을 묽게 만들어 임시 대처했다.

   2. 기름 성분끼리는 잘 섞이므로 혼합하여 온도를 조절했다.

 

1. 배터리 성능 저하도 심각한 문제이다.

   1. 추위는 기계 작동뿐 아니라 시동에 필요한 전기 장비에도 영향을 미친다.

   2. 영하 30도 이하에서는 군용 차량이나 무전기 배터리 성능이 급락하여 시동 불능 문제가 발생한다.

   3. 스키장에서 핸드폰 배터리가 먹통이 되는 것과 유사한 현상이다.

 

1. 혹한기 장비 운용을 위한 기타 대처법이 있었다.

   1. 소련군은 차 밑에 모닥불을 떼워 차량을 데우는 방식을 사용했다.

   2. 금속의 수축/팽창을 고려하여 설계 시 공차(틈)를 미리 주어 끼임 현상을 방지했다.

   3. 공압 시동 장치를 사용하여 추위에도 잘 작동하는 압축 공기로 시동을 걸었다.

 

1.2. 극한 환경 대비를 위한 소재 연구

1. 현대의 극한 대비 화학 제품은 금속 소재 연구가 핵심이다.

   1. 윤활유 등은 종류가 많아 준비가 가능하지만, 금속이 가장 어려운 문제이다.

 

1. 저온에서 금속은 찢어지는 성질을 보인다.

   1. 일반적인 금속은 힘을 주면 휘어지지만, 온도가 낮아지면 휘어지지 않고 찢어진다.

   2. 타이타닉 침몰의 원인도 추운 곳에서 부딪혔을 때 찌그러지지 않고 찢어져 물이 센 것이라는 설명이 있다.

 

1. 저온에서 손상되지 않는 금속 합금 연구가 진행 중이다.

   1. 저온에서 톱니바퀴 등이 깨지는 완전 파손을 막기 위해 금속 소재나 신소재 개발에 집중하고 있다.

 

1. 저온에 강한 금속 합금 연구의 시작점은 부피 변화의 차이이다.

   1. 물은 얼면 부피가 커지지만, 대부분의 물질은 얼면 응축되어 부피가 줄어든다.

   2. 비스무트 등 일부 원소는 얼었을 때 액체 위에 뜬다.

   3. 부피가 늘어나는 물질과 줄어드는 물질을 섞어 적절한 부피 유지를 시도하는 것이 연구의 시작점이다.

 

2. 혹서 환경과 전자 장비의 문제

혹서 환경은 전자 장비의 성능 저하와 자석의 자력 상실을 유발하며, 이를 극복하기 위한 소재 연구가 필요하다.

 

2.1. 고온이 전자 장비와 자석에 미치는 영향

1. 혹서 환경은 북아프리카 사막 전쟁처럼 발생한다.

   1. 2차 세계대전 중 북아프리카 사막에서는 섭씨 50도 이상의 더위 속에서 전투가 벌어졌다.

 

1. 더위는 전자 제품에 더 큰 문제를 일으킨다.

   1. 추위가 배터리 방전 문제를 일으킨다면, 더위는 폭발 우려와 함께 컴퓨터가 자동으로 꺼지는 현상을 유발한다.

   2. 전자 제품 사용이 증가하는 현대에는 더위가 더 큰 문제로 여겨진다.

 

1. 자석의 자력 상실이 가장 큰 우려 사항이다.

   1. 온도가 높아지면 자력이 약해지거나 특정 온도 이상에서 자력을 완전히 잃고 금속 덩어리가 된다.

   2. 군사 장비에서 자석의 역할이 중요하며, 희토류는 강한 자석 제조에 필수적이다.

   3. 자성이 사라지는 특정 온도를 큐리 온도라고 부른다 (큐리 부인 남편의 이름에서 유래).

 

1. 고온에서도 활용 가능한 자석 개발이 필요하다.

   1. 온도를 낮출 수 없으므로 고온에서도 견디는 자석을 만드는 방향으로 연구가 진행되었다.

   2. 자성이 사라지는 온도가 되면 냉각이 안 되어 내부 온도가 140도 이상으로 올라갈 수 있으며, 온도가 내려가도 자성이 돌아오지 않아 연구적으로 망가진다.

 

2.2. 고온 내성 자석의 종류와 소재

1. 고온에 강한 자석은 원소 조합을 통해 만들어진다.

   1. 페라이트 자석: 자철석으로 만든 구세대 자석으로, 저렴하지만 약하고 떨어지면 깨진다.

   2. 네오디뮴 자석: 은색이며 작지만 강력하지만, 열적으로는 페라이트보다 약하다 (큐리 온도 약 150~200도).

 

1. 코발트와 희토류를 활용한 고온 자석 개발이 이루어졌다.

   1. 네오디뮴 자석은 코발트가 필수였으나, 코발트가 15년 내 고갈될 멸종 원소로 지정되면서 희토류를 섞어 네오디뮴을 개발했다.

   2. 알니코(Alnico) 자석: 알루미늄, 니켈, 코발트를 섞은 은빛 자석으로 500도까지 견딜 수 있다.

   3. 희토류 자석에 사마륨을 넣으면 300도까지 견딜 수 있다.

 

1. 고온 자석 연구는 주로 열이 발생하는 환경에 초점을 맞춘다.

   1. 이 정도 온도(300~500도)는 날씨 더위로 인한 문제는 아니며, 발전소 터빈처럼 사용 중 열이 발생하는 환경 연구에 주로 사용된다.

 

2.3. 고온에서의 윤활유 및 냉각수 문제

1. 고온에서는 윤활유의 유동성이 높아져 마모가 발생한다.

   1. 윤활유는 마찰과 마모를 막아야 하지만, 온도가 높아지면 유동성이 커져 흘러버리고 금속끼리 부딪혀 엔진 고장으로 이어진다.

 

1. 온도 상승은 점성에 큰 영향을 미친다.

   1. 폭염으로 평소보다 온도가 16.7도 더워지면 점성은 세 배가 변하여 자동차에 무리가 간다.

   2. 냉각수가 없다면 엔진이 금방 연기 나며 문제가 생긴다.

 

1. 화학자들은 냉각 외에 이온성 액체를 대안으로 고려한다.

   1. 온도를 제외할 수 없으므로 냉각이 필수적이며, 윤활유 대안으로 이온성 액체가 논의된다.

   2. 이온성 물질은 플러스(+)와 마이너스(-) 전하를 띠며, 소금(Na+, Cl-)이 대표적이다.

   3. 이온성 액체는 넓은 온도 범위에서 액체 상태를 유지하며, 온도가 높아져도 묽어짐(유동성 증가)이 덜하다.

   4. 단점은 매우 비싸서 일반적인 사용은 어렵다.

 

1. 현대 전쟁에서는 기온으로 인한 문제는 거의 없다.

   1. 현대 과학 발전으로 기온 때문에 문제가 되는 일은 솔직히 없다.

 

3. 극한 환경 극복의 최종 목표: 우주와 심해

현재까지 극복하지 못한 가장 극한의 환경은 달 기지 건설이 필요한 우주와 심해이다.

 

3.1. 우주 환경과 열팽창 없는 금속 개발

1. 아직 극복이 필요한 곳은 우주(달 기지 건설)이다.

   1. 아르테미스 프로젝트 등 달 기지 건설이 큰 걱정거리이다.

 

1. 달은 대기가 없어 일교차가 극심하다.

   1. 지구의 일교차는 20도 내외지만, 달은 대기가 없어 200도에 달하는 엄청난 일교차가 발생한다.

 

1. 금속의 열팽창/수축이 기지 파괴를 유발한다.

   1. 기지를 금속으로 단단히 지어야 하는데, 200도씩 늘었다 줄었다 하면 피로 골절 현상으로 깨져버린다.

 

1. 열팽창이 없는 금속 개발이 해결책이다.

   1. 수년 전부터 원소를 6~7개 섞어 수백 도 범위에서 전혀 변화가 없는 금속을 만들었다.

   2. 이 금속을 써야만 달이나 우주로 갈 수 있으며, 비용 문제는 우주 진출 시 고려할 사항이 아니다.

 

3.2. 우주 정복 이후의 과제

1. 우주 정복 후 마지막 남을 과제는 심해 환경이다.

   1. 심해는 우주보다 훨씬 더 가혹한 환경이며, 이곳을 구성하고 촬영할 수 있는 재료들이 다음 연구 대상이 될 것이다.

 

4. 독극물과 화학적 무기 (주제 전환)

극한 환경 극복 외에 화학은 독극물 제조에도 사용되어 왔으며, 역사적으로 여러 독살 사건에 연루되었다.

 

4.1. 역사 속 독극물 사례

1. 독극물은 군사적으로 사용되거나 독살 사건에 연루되었다.

   1. 알렉산드로스 대왕의 사망 원인이 독과 관련 있다는 설이 있다.

 

1. 주요 독극물 성분과 사례

   1. 헬레보레라는 식물에 든 사포닌 계열 성분이 사용되었다.

   2. 비소는 '상속의 가루'라 불리며 상속을 위해 사용되었다.

   3. 베트남 반군은 프랑스군 밥통에 동말풀을 넣어 끔찍한 고통을 겪게 했다.

      1. 동말풀은 뇌체를 물리적으로 손상시켜 기억을 지울 수 있다.

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=cyCcHx3H9Qc