18세기 뉴커먼이 발명하고 와트가 개량한 증기기관은 산업혁명과 교통혁명을 이끌었습니다. 산업 생산성이 급격하게 높아졌고 철도와 배로 더 먼 곳까지 더 빠르게 갈 수 있었습니다. 뉴커먼과 와트의 증기기관을 중심으로 증기기관 발명과 개발의 역사를 알아보겠습니다.
뉴커먼과 와트 이전의 증기기관
증기기관(蒸氣機關, Steam Engine)은 수증기가 가진 열에너지를 기계의 운동에너지로 전환시켜 주는 동력기관입니다. 1705년 영국의 발명가 토머스 뉴커먼이 발명했고, 1769년에 제임스 와트가 개량하면서 본격적인 증기기관의 시대를 열었습니다. 고대에도 끓는 물로 기계를 작동시키려는 아이디어가 있었습니다. 1세기에 고대 이집트 알렉산드리아의 수학자 헤론은 최초의 증기기관인 '아에올리스의 공(Aeolipile)'을 발명했는데 물을 끓이면 파이프를 타고 올라가 분출되는 증기에 의해 공을 회전시키는 구형 장치였습니다. 충분한 운동에너지는 만들지 못했지만 최초의 증기기관으로 기록되어 있습니다.
1551년 타키 알딘은 모래톱을 회전시키기 위해 증기 터빈과 유사한 장치를 고안했습니다.1601년 포르타가 압력 혹은 진공을 만들기 위해 증기를 사용한 실험을 했고 1615년에 기술자로 일하던 살로몽 드 코는 포르타와 비슷한 장치를 고안한 책을 출간하였습니다. 1629년 브란카는 타키 알딘의 유사 증기 터빈 장치로 방아장치를 개발했습니다. 1630년 렘시는 증기 기관을 불 기관이라 불렀는데 증기 관련 특허를 많이 취득하였습니다. 1663년 우스터 후작은 최초의 공업용 증기기관을 만들었고 1698년 세이버리가 우스터 후작의 증기기관을 개량해서 광산채굴용 증기기관을 만들었습니다.
토머스 뉴커먼의 증기 기관
1705년 토마스 뉴커먼은 최초의 상업적 증기기관을 발명했는데 당시 증기기관 사용 특허를 가지고 있던 세이버리 펌프와는 달리 실린더 안에 피스톤을 두어 물이 안으로 뿌려질 때 피스톤을 실린더 바닥으로 밀어 내리도록 했다. 뉴커먼 기관은 1712년 영국중부 스태퍼드셔(Staffordshire)의 더들리 성(Dudley Castle) 인근 광산에 최초로 설치되었으며 25명의 사람과 10마리의 말이 일주일 걸리던 배수업무를 하루 만에 완료하는 엄청난 효율을 보였습니다. 1733년까지 100개의 뉴커먼 기관이 만들어졌고 50여 년간 영국 전역의 탄광과 지방의 물 공급과 물레방아를 이용한 물 끌어올리기 등에 사용되었습니다. 뉴커먼 기관은 1775년부터 1800년까지 1000대가 넘게 제작되어 탄광, 공장 등에서 사용이 급증했습니다. 뉴커먼 기관은 획기적이었으나 기관에 열을 가할 때 증기들이 사라지면서 기관이 멈추는 문제점이 있었습니다.
제임스 와트의 증기기관
제임스 와트는 뉴커먼 기관의 문제인 규모 효과를 개선한 새로운 증기기관을 만들었습니다. 1775년 자신의 증기기관에 대한 포괄적인 특허를 받았고 증기기관의 발명을 완성시켰습니다. 제임스 와트와 매튜 볼튼은 1775년 볼턴앤와트(Boulton& Watt)라는 회사를 세워 제임스 와트식 증기기관을 본격적으로 만들었는데, 당시 600개 이상 있었던 뉴커먼 기관보다 저렴하면서 뛰어난 성능을 발휘했습니다. 와트식 증기기관은 1776년 보룸필드 탄광에서 시운전되었습니다. 탄광에 이어 수요가 많았던 제분기, 직조기용 증기기관에는 회전운동이 가능한 증기기관이 필요했는데 1781년 왕복운동을 회전운동으로 바꿀 수 있는 유성식(遊星式) 기어를 고안하고 1782년 피스톤을 동시에 밀고 당길 수 있는 복동식(複動式) 증기기관을 개발합니다. 회전운동이 가능한 증기기관이 발명되자 산업 생산성이 획기적으로 향상되었고 산업혁명이 실질적으로 시작됐습니다.
와트의 증기기관 이후
제임스 와트의 증기기관 특허가 1799년 12월 31일 만료되자 리처드 트레비식이 1800년 고압 증기기관을 개발했습니다. 1801년 증기 자동차, 1804년 증기 기관차를 만들었습니다. 1802년 스코틀랜드의 엔지니어 윌리엄 시밍톤이 실용적인 증기선을 처음으로 만들었고 1807년 미국인 로버트 풀톤은 상업적으로 성공한 최초의 증기선을 제작했습니다. 1819년 증기선 사반나는 미국 조지아주에서 영국 리버풀까지 최초로 대서양을 건너는 대륙간 항해에 성공했습니다. 1825년 조지 스티븐슨은 영국 스톡턴과 달링턴 사이에 화물철도를 부설하여 최초의 증기 기관차 상용화에 성공하였습니다. 1830년 리버풀과 맨체스터를 잇는 철도에 속도와 성능을 개선 로켓호를 선보이면서 본격적인 철도여객 운송 시대를 열었습니다. 세계 최초의 장거리 철도인 리버풀-맨체스터 구간을 시작으로 철도 건설 붐이 시작됐고 철도는 세계적인 무역의 시대를 열기 시작했습니다.
증기기관은 역사상 가장 오래 사용되는 동력기관으로 현재도 전력의 80%가량을 증기기관이 생산합니다. 피스톤의 왕복운동을 이용하는 왕복식 증기기관과 터빈의 회전운동을 이용하는 회전식 증기기관이 있는데, 왕복식은 오늘날 거의 쓰이지 않지만, 회전식은 화력이나 원자력 발전소, 대형 선박 등 큰 출력을 필요로 하는 분야에 널리 사용되고 있습니다.
증기기관의 역사를 보면 18세기나 19세기에 유럽인들이 실용적인 과학기술에 얼마나 열정을 쏟았는지 알 수 있습니다. 동시대에 우리나라에 과학기술과 산업발전을 중시하는 문화가 부족했다는 점이 무척 아쉽습니다. 증기기관의 본산이라 할 수 있는 영국은 수세기동안 산업혁명의 리더로 역사의 황금기를 구가할 수 있었습니다. 우리가 소중한 교훈을 얻어야 할 부분이라 생각합니다.
