첫 자동차는 가솔린차가 아니었고, 수소로 달렸습니다

자동차의 첫 연료는 휘발유였다고 생각하신다면 사실 오산입니다: 역사상 최초의 내연기관은 1806 년에 수소-산소 혼합물로 작동했습니다. 즉, 휘발유 자동차의 선구자는 오늘날 우리가 수소차라고 외치는 바로 그 기술이었던 셈입니다. 스위스 발명가 프랑수아 이삭 드 리바에서 새뮤얼 브라운까지, 에티엔 르누아르에서 카를 벤츠까지 이어지는 이 이야기는 자동차 역사에서 가장 잘 알려지지 않았지만 가장 놀라움이 가득한 장면 중 하나입니다.

내연기관은 언제, 무엇으로 처음 작동했을까?

답은 분명합니다: 1806 년, 수소-산소 혼합물로 작동했습니다. 그해 파리 출신 스위스 포병 장교 프랑수아 이삭 드 리바는 실린더 내부에서 폭발성 연료 혼합물을 점화하여 피스톤을 밀어내는 엔진 실험을 시작했습니다. 오늘날 우리가 사용하는 엔진의 작동 원리의 핵심 - 연료를 실린더에서 태워 피스톤을 밀어낸다 - 바로 그것이었습니다. 게다가 드 리바의 엔진에는 점화 플러그를 통한 점화 장치까지 있었으니, 현대 휘발유 엔진의 두 가지 기본 특징이 이미 이 최초의 설계에 갖춰져 있었던 셈입니다.

아이디어는 어디서 왔을까? 군대에서였습니다. 포병 장교로서 폭발물과 매우 밀접하게 일해온 그는 이 경험이 이상하지만 영리한 질문으로 이끌었습니다: 증기 대신 직접적인 폭발로 피스톤을 밀어낼 수는 없을까? 1804 년에 실린더 내부 폭발 실험을 시작했고, 이내 작동하는 엔진을 완성했습니다.

드 리바의 수소 자동차는 어떻게 작동했을까?

여기서부터 이야기가 정말 재미있어집니다. 엔진은 실린더에서 점화되는 수소-산소 혼합물로 작동했습니다. 압축된 수소는 풍선에 저장되었고, 산소는 별도의 공기 흡입구를 통해 공급되었습니다. 점화는요? 외부 버튼을 눌러 전기 불꽃을 일으키는 방식이었습니다 - 볼타 전지로. 즉, 운전자가 매번 자신의 손으로 각각의 동력 행정을 작동시켰던 것입니다. 엔진에는 타이밍 메커니즘이 없었고, 연료 공급도 점화도 완전히 수동이었습니다. 한번 생각해 보세요: 피스톤이 움직일 때마다 버튼을 누르며 운전하는 것. 헬스장과 운전을 겸한 셈이지만, 기술적으로는 진짜 내연기관이었습니다.

동력 전달 방식도 완전히 달랐습니다. 폭발이 수직 실린더에서 피스톤을 위로 밀어 올리고, 이후 무거운 피스톤이 자기 무게로 내려오면서 도그 시스템을 통해 풀리-링과 로프 장치로 자동차의 앞바퀴를 회전시켰습니다. 이상하게 들리지만, 작동은 했습니다.

1807년 1월 30일 파리에서 731호 특허 가 취득되었고, 스위스 발레 주의 특허청도 이를 확인했습니다. 같은 해 드 리바는 실험용 엔진을 자동차에 장착하고 짧은 거리를 이동하는 데 성공했습니다 - 내연기관으로 도로를 달린 최초의 차량이 공식적으로 길 위에 올랐던 것입니다.

1813년의 거인: 그랑 샤 메카니크

드 리바는 멈추지 않았고, 1813 에서 훨씬 더 큰 차량을 만들었습니다: 길이 6미터, 지름 2미터 바퀴, 대략 1톤 무게였습니다. 실린더는 1.5미터, 피스톤 스트로크는 97 cm 였습니다. 연료 혼합물은 약 2리터 석탄 가스와 10-12리터 공기로 이루어져 있었습니다. 피스톤 스트로크마다 차량은 4-6미터 전진했습니다.

성능은 어땠을까요? 스위스 베베시에서 이 거대한 차량은 약 9% 경사의 도로에서 300 kg 돌과 나무 화물, 그리고 네 명의 사람을 싣고 26미터 전진했습니다 - 시속 3km 속도로. 빠르다고는 할 수 없지만, 화물을 나르는 자기 힘으로 전진하는 차량이었고 이는 당시에도 하나의 성과였습니다.

안타깝게도 모두가 설득되지는 않았습니다. 프랑스 과학 아카데미는 내연기관이 결코 증기 기관의 성능에 도달할 수 없다는 견해를 내세웠습니다. 오늘날 돌아보면 이 예측이 얼마나 빗나갔는지, 그렇지 않나요?

그렇다면 최초일까? Pyreolophore 문제

솔직히 말하면, "최초의 내연기관"이라는 타이틀은 여전히 논쟁 중입니다. 프랑스 형제 니세포르와 클로드 니엡스는 1807 년에 물 제트 반작용으로 배를 움직이는 Pyreolophore라는 엔진을 개발했고 1807년 7월 20일 에 특허를 받았습니다. De Rivaz의 특허는 1807년 1월 30일 자로, 즉 몇 달 앞선 것이었습니다. 두 설계 모두 서로 다른 방식으로 작동했기 때문에 "어느 쪽이 정말 최초인가"라는 질문은 정의에 따라 달라질 수 있는 문제입니다. 하지만 차량으로 도로를 주행한 최초의 엔진은 분명히 De Rivaz의 것입니다.

Samuel Brown과 Shooter's Hill 등정 (1826)

영국 엔지니어 Samuel Brown은 1825-1835 년 사이에 확실히 실제 일을 한 최초의 가스 엔진을 개발했으며 기계적으로 성공적이었습니다. 하이라이트는 1826년 5월 27일 이었습니다: Brown은 엔진을 차량에 연결하여 런던 남동쪽의 Shooter's Hill을 올랐습니다. 언덕은 자동차에게 가장 가혹한 시험대입니다; 이 등정은 많은 구경꾼들의 만족으로 마무리되었습니다.

엔진의 사양도 인상적이었습니다: 4 hp 출력, 2실린더, 대기압 가스 작동 방식, 그리고 89리터 배기량. 그렇습니다, 89리터 - 오늘날 우리 엔진들의 배기량과는 비교할 것도 못 합니다. 한 가지 덧붙이자면: Brown이 이 차량 시험으로 두각을 나타냈지만, 가스-진공 엔진이 이후 프로젝트에서 수소 대신 석탄 가스로 작동되었고 펌핑 목적으로 사용된 것으로 알려져 있습니다. 또한 Brown이 낡은 Newcomen 증기 기관을 가스 연료로 작동하도록 개조했다고 전해집니다 - 즉 수소 개척자들과 증기 시대 사이의 연결고리도 여기서 보입니다.

Lenoir의 Hippomobile: 파리에서 수소로 달리다

이제 이야기의 가장 개성적인 인물 차례입니다: 벨기에 출신 엔지니어 Jean-Joseph-Étienne Lenoir. 1860 년에 파리의 Conservatoire National des Arts et Métiers에서 가스 연소로 팽창하는 공기 엔진에 대한 특허를 받았습니다. 1863 년에는 세 바퀴 Hippomobile 을 만들었습니다 - 이름을 말에서 유래한 이 차량은 자체 내연기관을 실고 있었습니다.

그리고 다시 수소로: 히포모빌(Hippomobile)은 물을 전기분해하여 생산한 수소로 작동하는 단기통 엔진을 탑재하고 있었습니다. 엔진은 자연 흡기 방식으로 작동했습니다. 즉, 르노아르(Lenoir)는 자신의 물을 전기로 분해하여 연료를 스스로 생산했던 것입니다. 오늘날 그린 수소라고 불리는 이 아이디어는 1863년에 이미 파리의 거리를 굴러가고 있었습니다.

1863년 9월, 르노아르는 뤼 드 라 로켓(Rue de la Roquette)에 있는 작업장에서 약 10킬로미터의 여행을 완수했습니다. 이후 파리에서 주빌-르-퐁(Joinville-le-Pont)까지의 왕복 11 km 을 주행했으며, 편도 약 90분 이 걸렸고 최고 속도는 ~9 km/h 정도였습니다. 다른 기록에서는 거리를 11마일, 시간을 3시간으로 제시하는데, 이 차이는 아마도 경로와 측정 방식의 차이에서 비롯된 것이지만 결론은 변하지 않습니다. 차량은 평균 걷기 속도보다 느렸다는 것입니다. 그럼에도 불구하고 바퀴는 굴러갔고, 엔진은 자신만의 연료로 그것을 해냈습니다. 르노아르는 여러 해 후, 자신의 엔진을 마차 한 대를 주빌-르-퐁까지 여러 차례 운행하는 데 사용했다고 말했습니다. 또한 그는 엔진을 석탄 가스를 비롯한 다양한 가스에 맞게 개조했고, 약 350-400 대의 르노아르 가스 엔진이 생산되어 판매되었습니다. 즉, 처음으로 진정한 상업적 성공도 이루어진 것입니다.

개척자들 나란히: 누가, 언제, 무엇으로?

카를 벤츠는 수소의 유산 위에 어떻게 올라섰을까?

그렇다면 수소가 80년의 길을 걸어온 후 어떻게 휘발유가 왕이 되었을까요? 답은 몇 가지 조각으로 이루어져 있습니다. 먼저 토대가 마련되어야 했습니다: 1876 년 니콜라우스 오토(Nikola Otto)는 증기 기관의 한계에서 영감을 받아 최초의 성공적인 4행정 내연기관을 개발했습니다. 르노아르가 1858-1860 사이에 발명하여 1860 년에 특허를 받은 복동식 전기 점화 방식의 엔진 역시 이 연쇄의 중요한 고리였습니다.

벤츠는 자신의 엔진이 상업적으로 성공한 덕분에 휘발유로 작동하는 경량 자동차라는 꿈에 더 많은 시간을 쏟을 수 있었습니다. 그 결과: 1886년 1월 29일 에 만하임에서 세 바퀴 달린 벤츠 파텐트-모토바겐(Benz Patent-Motorwagen) 에 대한 특허가 출원되었습니다. 서류에는 이름이 가스 엔진으로 작동하는 차량으로 기재되어 있습니다. 벤츠와 고틀리브 다임러(Gottlieb Daimler) 모두 매우 성공적이고 실용적인 휘발유 자동차를 생산하면서 현대 자동차 시대가 시작되었고, 그렇기 때문에 벤츠는 일반적으로 자동차의 발명가로 인정받습니다.

그러나 이 점을 잊지 맙시다: Mercedes-Benz의 자체 연혁 페이지조차 Rivaz, Lenoir, 그리고 오스트리아인 Siegfried Marcus 같은 선구자들을 별도로 언급하며, 일부는 종이 위에만 머물렀고 일부는 사람을 실을 수 없는 소형 차량이었다고 밝히고 있습니다. Benz의 우위는 수소 기반 설계들이 실용적이지 않았고 Otto 사이클 가솔린 차량이 상업 분야를 지배하게 되었기 때문에 생겨났습니다. 또 다른 기술적 이유: 초기 엔진 대부분은 증기 엔진처럼 대기압 원리로 작동했습니다 - 즉, 폭발이 직접 추진력을 만들지 않고, 진공을 만들어 피스톤을 아래로 당기는 방식이었습니다. Benz가 도입한 방식이 더 효율적이었습니다.

가솔린이 왕관을 쓰는 것도 하룻밤에 이루어진 일이 아니었습니다. 가솔린은 1892 년에야 자동차의 발명과 함께 가치 있는 연료로 인식되기 시작했습니다. 1900-1910 년 사이 분무식 기화기의 발명은 정제되지 않은 가솔린이 차량에 사용되는 길을 열었습니다. 그리고 1920 년이 되었을 때 도로 위에는 900만 대의 가솔린 차량이 있었습니다. 수소의 80년에 걸친 우위는 가솔린에 내주고 말았습니다.

수소는 오늘날 다시 돌아왔을까요?

흥미로운 점은 이렇습니다: 이야기는 아직 끝나지 않았습니다. 수소 내연기관은 오늘날에도 여전히 개발되고 있으며, 많은 자료들이 이 엔진의 발명 명예가 de Rivaz에게 속한다는 데 동의합니다. 영국의 건설장비 대기업 JCB는 수소로 작동하는 완전한 기능을 갖춘 내연기관을 개발한 최초의 건설장비 회사라고 말하며, 이를 위해 150명의 엔지니어와 함께 1억 파운드 규모의 프로젝트에서 5만 시간 이상의 테스트를 수행했다고 밝히고 있습니다.

연료전지 쪽에서도 움직임이 있습니다. 현대 수소차 시장은 2025 년 기준 83억 1천만 달러의 가치가 있으며, 앞으로 5년간 연간 약 20%의 성장이 예측됩니다. Toyota Mirai, Hyundai Nexo, Honda FCX Clarity 같은 모델들이 일부 시장에서 판매되었고, 연료전지 비용도 2002년 이후 80% 하락했습니다. 즉, de Rivaz의 1806년 아이디어는 두 세기 후에 다시 논의대에 올랐습니다 - 이번에는 훨씬 더 큰 예산과 함께요.

가솔린 엔진의 뿌리는 수소에 있습니다: 마지막 말

다음 자동차 대화에서 누군가 자동차가 휘발유로 태어났다고 말한다면, 이제 손에 쥘 카드가 하나 더 있습니다: 자동차의 엔진은 수소로 태어났고, 휘발유로 옮겨진 것은 수십 년이 지나서야 이루어졌다는 것입니다. De Rivaz의 포병 경험에서 탄생한 그 단추 달리고 풍선 달린 무거운 피스톤은 힘이 약했지만 진짜 아이디어였습니다. Brown은 그것으로 언덕을 오르게 했고, Lenoir는 파리 거리를 달리게 했으며, Benz는 휘발유로 그것을 산업으로 만들었습니다. 역사는 때때로 한 바퀴를 돌지요 - 그리고 이 바퀴는 어쩌면 처음 시작된 곳에서 끝나는지도 모릅니다. 당신은 어느 쪽이 더 흥미롭다고 생각하나요: 수소로 시작한 이야기가 휘발유로 샛길로 빠진 것인지, 아니면 다시 수소로 돌아온 것인지?

출처

• De Rivaz 엔진
• 자동차의 선구자들
• Samuel Brown (엔지니어)
• 최초의 자동차 - The Engines of Our Ingenuity
• Hippomobile
• Benz 특허 자동차 (1885-1886)
• 휘발유의 역사 - U.S. EIA
• 수소 엔진을 만든 사람이 있나요?
• 수소 자동차의 과거, 현재와 미래