20세기는 확실히 '전기(Electricity)'의 시대였다. 모든 전기현상의 근원인 '전자(Electron)'는 다행히도 다루기가 쉬워서, 우리는 라디오, TV, 컴퓨터, 레이저, MRI 스캐너, 스마트폰, 노트북 등 온갖 전자제품의 혜택을 볼 수 있었다. 이제 21세기의 물리학자들은 또 하나의 성배인 '상온 초전도체(상온에서 작동하는 초전도체)'를 찾기 위해 혼신의 힘을 기울이고 있다. 이것이 실현된다면, 인류는 '전기의 시대'와 작별을 고하고 '자기력의 시대'로 접어들게 될 것이다. 20세기가 '전기의 시대'였던 것처럼, 상온에서 작동하는 초전도체는 '자기의 시대'를 활짝 열어줄 것이다.
0. 목차
- 초전도체(Superconductor)
- 호버보드(Hoverboard)
- 자기 부상 자동차
- 자기 부상 열차
- 초전도 송전
- 초자석(Supermagnet)
- 'BMI'와 '상온 초전도체'로 '염력'도 구현될 것이다.
1. 초전도체(Superconductor)
사실 자동차가 그토록 많은 연료를 잡아먹는 이유는 타이어와 지면 사이에 작용하는 마찰력 때문이다. 연료의 대부분은 이 마찰력을 극복하는 데 사용된다. 지금의 자동차가 막대한 연료를 소모하는 이유는 바퀴와 지면 사이의 마찰력을 이겨내면서 가야하기 때문이다. 물론 공기의 저항도 이겨내야 한다. 만일 서울과 부산을 잇는 도로 전체가 얼음으로 덮여 있고 모든 구간이 평평하다면, 연료를 거의 들이지 않고 갈 수 있을 것이다. 땅 위에 뜬 채 연료도 없이 '자기력'으로 시속 수백 km로 달리는 자동차와 기차를 상상해 보라. '자기력(Magnetic force)'을 잘 활용하면 공중에 뜬 채 어느 곳이든 갈 수 있다. 원리적으로는 에너지를 조금도 소모하지 않고 서울에서 부산으로 수평이동할 수 있다. 우주 공간을 여행하는 우주선도 단 몇 리터의 연료만 있으면 명왕성까지 갈 수 있을 것이다. 거의 진공에 가까운 우주 공간에서는 우주선의 움직임을 방해하는 요인이 거의 없기 때문이다. 이와 비슷하게 '자기 자동차'는 땅 위에 떠 있을 수 있으므로, 약간의 힘으로 밀기만 하면 앞으로 나아간다.
이 환상적인 기술의 핵심은 '초전도체'이다. 수은을 '절대온도 4K(-269℃)'까지 냉각시키면 모든 전기저항이 사라지는데 이것을 '초전도(superconductivity)' 현상이라고 하고, 초전도 현상을 보이는 물질을 '초전도체(superconductor)'라고 한다. 따라서 초전도체로 만든 전선은 에너지 손실이 전혀 없다. 일반적으로 전선을 통과하는 전자는 다른 원자들과 수시로 충돌하면서 에너지를 잃어버린다. 그러나 절대온도 0K에 가까운 극저온에서는 원자들이 거의 움직이지 않기 때문에, 전선 속의 전자는 아무런 방해를 받지 않고 전기장을 따라 자유롭게 이동할 수 있다. 이처럼 초전도체는 신기한 특성을 가지고 있다.
그러나 여기에는 한 가지 문제가 있다. 초전도체를 만들려면 엄청난 양의 액체를 초저온상태로 보관해야 하는데, 이 과정에서 엄청난 비용이 소모되는 것이다. 절대온도 0K 근처까지 온도를 낮추려면 비싸기로 유명한 액체수소를 그야말로 물 쓰듯이 써야 한다. 즉, 비용 문제 때문에 상용화가 어려웠다. 하지만 미래에는 상온 초전도체가 발견될 것으로 기대되며, 상온 초전도체가 발견되면 다음과 같은 일들이 가능할 것이다. 지금은 강한 자기장을 생성하려면, 천문학적 비용을 투입해야 한다. 하지만 미래에는 거의 공짜나 다름없을 것이다. 기차나 트럭은 도로와의 마찰 없이 달릴 수 있으므로, 막대한 에너지가 절약된다. 한마디로 교통수단에 일대 혁명이 찾아온다는 이야기이다. 이것을 잘만 활용하면, 생각만으로 물체를 움직일 수 있다. 여러 가지 물체 안에 조그만 '초자석(Supermagnet)'을 심어 놓으면 된다.
1-2. 마이스너 효과(Meissner Effect)
초전도체 위에 자석을 가만히 놓으면 허공에 뜬 상태를 유지하면서 미세하게 흔들린다. 이것을 '마이스너 효과(Meissner Effect)'라고 하는데, 초전도체가 갖는 대표적인 특성 중 하나이다. 언뜻 보기에는 마치 미지의 힘이 자석을 떠받치고 있는 것처럼 보인다. 이 성질을 이용하면 엄청나게 무거운 물체도 땅 위로 부양시킬 수 있다. '상온 초전도체'를 이용하면 별도의 에너지를 투입하지 않아도 자동차나 기차도 허공에 띄울 수 있는 것이다. 즉, 지면과의 마찰 없이 공중에 떠서 달리는 혁명적인 교통수단, 즉 '자기 부상 열차'와 '자기 부상 자동차'를 만들 수 있다.
미래에는 '마이스너 효과(Meissner Effect)'를 이용하여 모든 도로가 세라믹 재질로 건설될지도 모른다. 그리고 운전자의 벨트나 자동차 타이어를 자석을 만들면 허공에 뜬 채 초고속으로 달릴 수 있을 것이다. 이렇게 되면 도로와의 마찰이 없으므로 에너지도 크게 절감되고, 도로망이 2차원에서 3차원으로 확장될 것이므로 교통체증도 크게 줄어들 것이다.
마이스너 효과는 금속과 같은 자성체에만 나타나는 현상이다. 그러나 '상자성체(Paramagnet)'나 '반자성체(Diamagnet)'와 같은 '비자성체(Non Magnetic Material)'를 허공에 띄울 수도 있다. 이런 물질은 자체적으로 자성을 띠고 있지는 않지만, 외부에서 자기장을 걸어주면 자석과 같은 성질을 갖게 된다. '상자성체'는 외부 자석에 끌리고, '반자성체'는 외부 자석에 의해 밀려난다. 물은 일종의 '반자성체'이다. 모든 생명체는 상당 부분이 물로 이루어져 있으므로, 강한 자기장이 걸려 있는 곳에서는 허공에 뜰 수 있다. '테슬라(Tesla)'는 자기장의 단위인데, 예컨대 '15테슬라(지구 자기장의 약 3만 배)'의 자기장을 걸어주면, 개구리와 같이 작은 생물을 공중부양시킬 수 있다. 그러나 상온 초전도체가 발견되다 해도, 자성을 띠지 않은 물체를 공중부양시키는 것은 또 다른 문제이다.
이와 관련한 간단한 실험은 소규모 실험실에도 할 수 있다. '고온 초전도 세라믹'은 과학 용품을 전문적으로 취급하는 회사에서 구입할 수 있는데, 이것을 플라스틱 접시 위에 놓고 그 위에 액체질소를 조심스럽게 부으면 두 물체가 접촉하자마자 액체질소가 격렬하게 끓기 시작한다. 질소가 진정될 때까지 기다렸다가 세라믹 위에 조그만 자석을 올려놓으면, 자석이 마치 공중부양이라도 하듯이 허공으로 떠오른다. 이때 자석을 가볍게 건드리면 혼자서 팽이처럼 돌아간다. 자석이 뜨는 이유는 간단하다. '마이스너 효과(Meissner effect)'때문에 자기력선이 초전도체를 관통하지 못하기 때문이다. 세라믹 위에 자석을 높으면 세라믹을 통과하지 못한 자기력선이 크게 휘어지면서 일종의 '쿠션' 역할을 하기 때문에 자석이 허공에 뜨게 된다. 무거운 물체를 허공에 띄우는 것도 얼마든지 가능하다.
2. 호버보드(Hoverboard)
영화 '백 투 더 퓨처 3(Back To The Future 3)'에서는 주인공 '마이클 제이 폭스(Michael J. Fox)'가 '호버보드'를 타고 20cm쯤 공중에 뜬 채 도로를 질주한다. 이처럼 바퀴 없이 공중에 뜬 채로 달리는 스케이트보드를 '호버보드(Hoverbroard)'라고 부른다. 이 영화가 개봉된 후 한때 장난감 가게 주인들은 호버보드를 살 수 있냐고 묻는 아이들의 전화 공세에 시달렸다고 한다. 아쉽게도 호버보드는 아직 만들어졌지만, '상온 초전도체'가 만들어지면 충분히 가능한 이야기다.
그런데 2015년 8월 5일, 일본 '도요타(Toyota)' 자동차 주식회사에서 영상 하나를 공개했다. 영상에는 증기를 내뿜으면서 공중으로 떠오르는 스케이트보드 같은 것이 찍혀 있었다. 인기 SF 영화 '백 투 더 퓨처(Back to the Future)' 시리즈에 나왔던 호버보드(Hoverboard)'가 재현된 것이다. 이 호버보드에 사용된 재료가 바로 '초전도체'이다. 참고로 말하면 보버보드가 재현되었다고 해도 영화처럼 자유자재로 이리저리 돌아다닐 수 있는 것은 아니다. 코스에는 강력한 자석으로 만든 '레일(Rail)'이 매립되어 있으며, 호버보드는 이 레일을 따라가듯이 나아갈 수밖에 없다.
아래의 영상은 일본 도요타 자동차에서 제작되는 TV 광고로도 화제가 되었다. 내부에 -196℃의 액체 질소를 넣음으로써 초전도 상태를 유지한다. 바닥의 코스에는 강력한 자석으로 만든 레일이 매립되어 있으며, 초전도 상태의 호버보드는 자석 레일을 따라 떠오른 채 이동한다. 이 호버보드는 어디까지나 홍보용으로 개발된 것이며 일반 판매되지는 않는다.
3. 자기 부상 자동차
'상온 초전도체'의 간단한 응용분야로는 지면과의 마찰 없이 공중에 떠서 달리는 혁명적인 교통수단인 '자기 부상 자동차'를 만들 수 있다. 상온 초전도체를 이용한 자동차는 아스팔트 대신 '초전도체'로 만들어진 도로 위를 달린다. 또한 자동차에는 자기장을 만들어내는 초전도체나 영구자석이 달려 있어서, 회전하는 바퀴 없이 허공에 뜬 채 날아갈 수 있다. 접촉면이 없으니 마찰이 없고, 마찰이 없어서 앞뒤로 이동하도 매우 쉽다. 그래서 이런 차의 추진장치는 압축 공기만으로도 충분하다. 일단 한 번 움직이기 시작하면 오르막길이 아닌 한 영원히 달릴 수 있다. 유일한 방해물은 공기저항인데, 이것은 '전기 엔진'이나 '소형 제트엔진', '압축공기'를 이용하여 쉽게 극복할 수 있다.
4. 자기 부상 열차
아직 '상온 초전도체'는 아직 만들어지지 않았지만, 몇몇 국가들은 강력한 자석이 부착된 레일 위에 뜬 채로 달리는 '자기 부상 열차(Magnetic levitation train)'인 '마그레프(Maglev)'를 이미 제작해놓았다. 열차의 바닥과 레일에 부착된 자석을 서로 같은 극끼리 마주 보도록 설치해 놓으면, 자석 특유의 척력이 작용하여 열차를 공중에 띄우는 식이다. 자기 부상 열차는 일상적인 자석의 원리에 따라 레일과 접촉하지 않고 공중에 뜬 채 달리기 때문에 유리한 점이 많다. 무엇보다도, 일반 열차와 달리 레일과 바퀴 사이의 마찰이 없으므로 매우 빠른 속도로 달릴 수 있다.
최초의 '자기 부상 열차'는 1984년에 영국의 '버밍햄 국제공항(Birmingham Airport)'과 '버밍햄 기차역'을 연결하는 노선에 건설되었다. 하지만 현재 이 분야를 선도하는 국가는 '독일', '일본', '중국'이다. 상업용 '자기 부상 열차'로서 최초로 고속 운행을 실현한 것은 상하이에 건설된 'IOSInitial Operating Demonstration'로서 속도는 약 428km/h였다. 그 후 일본의 '자기 부상 열차' MLX01가 시속 577km 기록을 세웠다. 제트 비행기는 이보다 더 빠른데, 그 이유 중 하나는 높은 고도에서 공기가 희박하여 저항이 작기 때문이다. '자기 부상 열차'의 에너지 손실은 대부분 공기저항에서 비롯된다. '자기 부상 열차'를 진공터널 속에서 운행한다면 음속의 5배가 넘는 시속 6400km까지 달릴 수 있다.
다만 자기 부상 열차는 건설비가 너무 비싸, 아직까지는 자기 부상 열차로 이득을 내기는 어려운 상황이다. 하지만 상온 초전도체가 실현되면 상황이 완전히 달라져, 미국의 철도업계는 이로 인해 새로운 중흥기를 맞이할 것이다. 또한 비행기 승객의 상당수를 열차가 흡수하여 '온실가스(Greenhouse Gas)'도 크게 줄어들 것이다.
5. 초전도 송전
전기 저항이 0이 되는 초전도의 특징을 살려 초전도 송전선도 실용화시키려 하고 있다. 초전도 송전은 에너지 문제로 고심하는 나라에서는 특히 기대되는 기술이다.
일반적으로 송전선의 재료에는 전기를 잘 통하는 금속이 사용된다. 하지만 아무리 전류가 흐르기 쉬운 물질이라도 초전도체가 아니면 반드시 전기 저항이 생긴다. 그 결과 송성을 할 때 열이 발생한다. 현재의 송전망에서는 이 열에 의해 전력의 약 5%가 사라진다고 한다. 송전선을 초전도체로 바꿀 수 있으면, 전기 저항이 사라지기 때문에 전력 손실 없이 송전할 수 있다.
5-1. 좀처럼 실현되지 않는 초전도 송전
실은 초전도체를 송전 재료로 이용하는 아이디어 자체는 일찍부터 있었다. 그러나 초전도체를 케이블 모양으로 가공하는 어려움과, 초전도 상태를 유지하는 냉각 시스템의 균형 때문에 쉽게 실현할 수 없었다. 현재 이용되는 초전도 송전 케이블 재료는 임계 온도가 '110K(-163℃)' 정도인 '비스무트(Bi, 원자번호 83)'나 '이트륨(Y, 원자번호 39)' 등과 구리를 조합시켜 만든 산화물이다. 산화물이란 즉 일동의 '세라믹(Ceramic, 도기)'이다. 폈다 구부렸다 하는 등 가공하기 쉬운 금속에 비해 산화물은 갈라지고 깨지기 쉽다. 그래서 케이블 모양으로 가공하기가 어려웠다.
금속으로 초전도가 되는 물질을 사용하면, 비교적 쉽게 송전 케이블을 만들 수 있다. 그러나 금속으로 초전도가 되는 물질은 임계 온도가 매우 낮기 때문에 냉각시키기 위해 '4.2K(약 -269℃)'의 액체 헬륨을 사용해야 한다. 하지만 액체 헬륨의 가격적 부담 때문에 가령 금속계 초전도체로 '초전도 케이블(Superconducting Power Cables)'을 만들어도 막대한 비용이 들어 실용화가 어려워진다.
실제로 현재 사용되는 초전도 케이블의 냉각에는 생수보다 가격이 낮은 '77K(약 -196℃)'의 액체 질소를 사용한다. 초전도 케이블이 지나는 밀봉된 배관에 액체 질소를 순환시킴으로써 냉각한다. 배관은 보온병처럼 진공 벽으로 단열되어 있지만, 열을 완전히 차단할 수 있는 것은 아니다. 그래서 순환하고 있는 액체 질소는 서서히 따뜻해진다. 초전도 케이블을 시용화하려면, 따뜻해진 이 액체 질소를 효율적으로 냉각하는 냉동기가 반드시 필요하다. 냉동기의 성능이 나쁘면, 초전도 케이블로 절약할 수 있는 전력 이상의 전력이 사라져 버린다.
이처럼 초전도 케이블을 사용한 송전 설비가 기술적으로 가능해졌다고는 하지만, 발전소에서 각 가정으로 송전하는 경로 모두를 초전도 케이블로 바꾸는 것은 비용 등의 면에서 아직 현실적이지 못하다. 당면한 과제는 변전소나 '데이터 센터(Data Center)'처럼 취급하는 전력량이 많아, 초전도 송전을 도입함으로써 절약 효과가 높은 장소에 설치해 나가는 것이다.
5-2. 직류는 초전도체의 성능을 100% 이용할 수 있다.
- 교류에서 직류로 변환할 때 에너지가 손실된다: 일반적으로 발전소에서 만들어진 전기가 송전될 때는 '교류(AC)'가 사용된다. 한편, 전기 제품에서 사용하는 전류는 '직류'이다. 그래서 각 가정으로 보낸 전력은 실제로 사용되기까지 교류에서 직류로 변환된다. 이 변환을 할 때 적지 않게 에너지가 사라진다.
- 직류 초전도 케이블로 송전하면 손전 손실 0%: 그리고 교류는 항상 전류의 크기와 방향이 변하기 때문에, 초전도체를 사용해도 전자기파가 발생하는 등 에너지가 사라진다. 즉, 직류를 사용하면, 전기 저항을 0으로 하는 초전도체의 특징을 100% 살릴 수 있다. 즉 직류 초전도 케이블로 송전하면 케이블 부분의 송전 손실을 0%로 할 수 있다.
- 직류 초전도 케이블에 필요한 송전선은 1가닥: 그리고 직류는 전압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐를 뿐이므로 필요한 송전선은 1가닥이다. 그러나 교류의 경우 발전기 설계상 송전선이 3가닥 필요하다. 그렇기 때문에 케이블을 지나는 배관을 굵게 하거나 3가닥 케이블을 충분히 냉각시키기 위한 냉각 시스템도 필요해진다.
이렇게 보면 '교류(AC: Alternating Current)'보다 '직류(DC: Direct Current)'를 이용하는 장점이 크게 보일지도 모른다. 그러나 현재의 발전 설비는 대부분 교류용으로 만들어져 있다. 그래서 교류 초전도 송전을 할 경우는 기존 케이블을 초전도 케이블로 바꾸기만 하면 된다. 초기 투자가 압도적으로 적어지기 때문에 세계적으로는 교류를 사용한 초전도 송전 연구가 주류로 되어 있다.
태양광 발전으로 생산한 전력을 직류로 그대로 송전할 계획도 있다. 태양광 발전으로 만든 전류는 본래 직류이다. 그래서 초전도 송전을 할 수 있으면, 송전 때의 에너지 손실은 이론적으로 0이 된다. 게다가 발전소에서 전력을 소비하는 시설까지 직접 케이블을 연결함으로써 교류에서 직류로 변환하거나, 반대로 직류에서 교류로 변환할 때의 전력 손실도 없앨 수 있다.
6. 초자석(Supermagnet)
'상온 초전도체'는 '초자석(Supermagnet)' 시대를 알리는 신호탄이기도 하다. 예컨대 '자기 공명 영상(MRI: Magnetic Resonance Imaging)'는 유용한 기계임이 분명하지만, 제대로 작동하려면 엄청나게 강한 '자기장(Magnetic Field)'을 걸어줘야 하기 때문에 유지비가 많이 든다는 단점이 있다. 그러나 여기에 상온 초전도체를 사용하면 강력한 자기장을 싼값에 만들 수 있을 뿐만 아니라, '자기 공명 영상(MRI)'의 크기도 줄일 수 있다. '불균일 자기장'을 이용한 MRI 스캐너는 크기가 30cm 정도인데, 상온 초전도체를 사용하면 거의 손톱만 한 크기로 줄일 수 있다.
또 '힉스 입자(Higgs Particle)'를 발견한 것으로 유명한 스위스 제네바 교외에 있는 거대 가속기 'LHC(Large Hadron Colider)'에도 대량의 초전도 전자석이 사용된다.
7. 'BMI'와 '상온 초전도체'로 '염력'도 구현될 것이다.
영화 '스타워즈(Star Wars)'에 자주 언급되는 '포스(Force)'라는 말은 은하 전체에 퍼져 있는 신비의 '장(Field)'으로서, 제다이의 정신적 능력을 함양하고 마음으로 물체를 움직일 수 있게 해준다. '광검(Lightsaber)'과 '광선총(Ray Gun)'도 포스의 산물이며, 심지어는 우주선까지도 포스의 위력으로 허공에 뜨게 할 수 있다. 물론 포스로 기계를 통제하는 것은 기본이다.
하지만 우리는 이 힘을 얻기 위하여 다른 은하까지 갈 필요가 없다. 2100년쯤 되면, '뇌-기계 인터페이스(BMI: Brain Machine Interface)'를 통해 인간의 방 안을 거닐면서 컴퓨터를 비롯한 주변기기들을 생각만으로 조종할 수 있게 될 것이다. 그러면 무거운 가구를 운반하거나 책상의 위치를 바꿀 때, 또는 잡다한 물건들을 수리할 때 힘을 쓸 필요가 전혀 없다. 생각만 하면 다 이루어질 것이기 때문이다. 뿐만 아니라 '자전거', '운전', '골프', '야구', '게임' 등 몸을 쓰면서 했던 여가 생활도 오로지 생각만으로 진행될 것이다.
1956년에 개봉된 영화 '금지된 행성(Forbidden Planet)'에 등장하는 고대 문명은 마음대로 물체를 완벽하게 다스릴 수 있었다. 그들은 사람의 생각을 3D 영상으로 재현할 수도 있다. 기계 장치를 머리에 쓰고 무언가를 상상하면 곧바로 3D 영상이 나타난다. 1950년대에 이 영화를 본 사람들에게는 말도 안 되는 허구였겠지만, 지금의 추세로 볼 때 21세기 안에는 실현될 것으로 보인다. 또한 이 영화에는 정신 에너지로 물체를 허공에 들어 올리는 장면이 나오는데, 이 기술도 이미 장난감의 형태로 출시되어 있다. 수백만 년을 기다려야 현실화될 기술이 전혀 아닌 것이다.
7-1. 거의 모든 물체 안에 초전도체가 들어갈 것이다.
'염력(생각만으로 물체를 움직이는 기술)'은 '초전도체(특정 온도 이하에서 모든 전기 저항을 상실하는 물질)'를 통해 구현될 수 있다. 상온에서 작동하는 초전도체가 있으면, 아주 작은 에너지로 엄청나게 강한 '자기장(Magnetic Field)'을 만들어낼 수 있게 된다. 머지않아 우리는 거의 모든 물체 안에 칩이 들어있다는 것을 당연하게 생각할 것이다. 그리고 시간이 더 지나면 거의 모든 물체 안에 초전도체가 들어있어서 강력한 자기장을 생성한다는 사실 또한 당연하게 받아들일 것이다. 심지어 '자성(Magnetism)'이 없는 물건 속에도 초전도체가 들어 있을 것이다. 그래서 스위치를 올려 물체 속에 약간의 전류를 주면 자성을 띠게 되고, 사람의 생각으로 조절되는 외부 자기장에 의해 원하는 방향으로 이동할 것이다.
예컨대 테이블 어디엔가 초전도체가 심어져 있다고 해보자. 일상적인 조건에서 초전도체에는 전류가 흐르지 않지만, 초전도체 안에 소량의 전류를 흘려보내면 온 방 안에 강력한 자기장이 형성된다. 그러면 테이블 안에 있는 초자석을 생각만으로 활성화시켜 원하는 방향으로 움직일 수 있다.