노벨상의 노다지, 초전도체(9) : 자기부상열차

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⑭ 자기부상열차

물질은 자기의 성질에 따라 상자성, 강자성(强磁性), 반자성(反磁性)의 세 종류로 구분된다. 반자체는 물질 내부에 분자자석이 없는 물질이다. 반자체의 전자는 외부 자기장의 영향을 받아 외부 자기장과 반대 방향으로 자기장을 만드는 유도전류가 발생하여 외부 자기장을 부분적으로 차단한다.

트란스라피드 ,  독일 기술의 상하이 자기부상열차

그런데 초전도체의 경우에는 이 성질이 아주 강해서 외부 자기장을 완전히 상쇄시킨다. 따라서 초전도체의 내부 자기장은 0이 되는 것이다. 즉 초전도체는 저항이 0일뿐만 아니라 완전한 반자성체가 된다. 이 현상을 발견자인 마이스너(Walteher Meissner)의 이름을 따서 ‘마이스너 효과’라고 부른다.

발터 마이스너(1882~1974)

그러나 자기장이 강력할 경우, 그 자기장은 초전도체의 반발력을 물리치고 뚫고 들어가, 초전도성을 파괴한다. 이러한 현상이 일어나는 시점의 자기장의 세기를 ‘임계 자기장’이라고 부른다. 이러한 현상을 발견한 학자들은 당연히 높은 자기장 내에서도 초전도성을 유지하는 물질을 발견하려고 노력하였다. 곧바로 주석-니오븀 합금의 전이온도가 18°K인데도 25만 가우스의 자기장 내에서 초전도 현상을 나타내는 것을 발견했다. 바나듐과 갈륨의 혼합물은 더 좋은 결과를 나타내어 50만 가우스에 이르는 초전도 전자기를 이룩했다.

따라서 임계온도 이하에서 임계자장 이하의 자기장을 걸어준 초전도체 위에 자석을 놓으면 자석은 마치 공기 중에 떠 있는 것처럼 초전도체 위에 머문다. 바꾸어 말하면 초전도 상태로 되는 순간에 거기에 있던 자력선을 밀어내고, 그 자력선을 쿠션으로 하여 자석이 부상한다는 것으로 이것을 ‘자기 부상(magnetic levitation)'이라고 한다.

현재 대도시의 주력 궤도계 교통수단은 지하철이다. 지하철은 종래의 철도를 지하터널에 집어넣은 것으로써, 철바퀴가 철궤도 위에서 달린다는 철도의 기본원리는 동일하다.

철바퀴를 철궤도 위에서 달리게 되면, 고무타이어와는 비교할 수 없을 정도로 마찰저항이 크게 줄어들게 된다. 따라서 여러 대의 차량이 연결된 대형 전동차에 한 번에 천 명 이상이 탑승을 해도, 이러한 전동차를 움직이게 하는데 에너지가 그렇게 크게 소모되지 않는다. 전쟁 영화에서 피난민들을 태운 기차들이 수천 명을 한 번에 이동시킬수 있는 이유다.

하지만 이러한 철바퀴는 단단하다는 특징이 있어 진동이 차량에 그대로 전달되는 문제점이 있다. 또한 곡선부에서는 철바퀴와 레일이 약간 어긋나게 되므로 곡선부에서 진동과 소음이 심해지며, 바퀴가 레일을 깎아서 레일의 수명이 단축되는 현상도 일어난다. 또한 철바퀴와 철궤도 사이의 마찰저항이 작은 것은 평탄한 구간에서 달리기에는 좋은 것이지만 정작 마찰력이 필요한 경사구간이나 감속 시에는 단점으로 작용하기도 한다. 그러므로 기존의 철도는 철바퀴와 철궤도 사이의 마찰력이 적기 때문에, 모터의 출력을 높여주면, 속도를 지속적으로 높일 수 있지만 속도가 300km/h를 넘어가게 되면, 철바퀴가 철궤도 위에서 미끄러지는 현상(공전)이 점점 크게 나타나게 되고, 결국은 속도를 더 이상 높이지 못한다.

따라서 공학자들은 열차의 속도를 더 높이기 위해서는 바퀴에 의존하지 않고, 열차를 궤도 위에 띄운 후에 달리게 하면 된다고 생각했다. 바로 자기부상열차이다.

자기 부상열차는 바로 초전도체의 저항이 0이라는 성질과 완전히 반자성체라는 성질을 함께 응용한 것이다. 철로에는 전자석이 설치돼 있고, 기차의 바닥에는 초전도 코일이 들어 있다. 초전도 코일은 반자성체가 되므로 철로의 자석을 밀어내는 방향으로 자장이 생기도록 코일에 전류가 생겨서 기차가 뜨게 된다. 자기부상 열차는 코일이 깔린 가이드웨이(선로)를 달린다. 코일은 자력을 만들어 열차를 1센티미터에서 10센티미터 가량 띄워 끌면서 시속 500Km 정도의 속도를 낼 수 있다.

한편 코일은 초전도체로 저항이 0이므로 전류를 지속시키기 의해 에너지를 공급할 필요가 없다. 물론 자기 부상 열차 중에는 마이스너 효과를 이용하지 않는 흡인부상방식이나 반발부상방식 등도 있다.

자기부상열차는 20세기 초반 미국의 고다드와 바첼렛이 처음 개념을 제안한 뒤 실제 개발은 독일과 일본의 주도로 1960년대 말부터 선보이기 시작했다.

로버트 허칭스 고더드(1882~1945)

이름처럼 지면에서 떠올라있는 상태기 때문에 구름저항/마찰저항이 극히 적어진다.

따라서 공기저항이 크지 않은 중저속역의 운전에 있어서 큰 이점을 가진다. 또한, 지면과의 마찰이 없다는 이야기는 승차감 및 소음과도 직결된다. 기존 도로 및 철도 시스템에서는 노면/노반의 보수 상태에 따라 승차감이 확연히 차이가 나고, 속도가 증가할수록 마찰에 의한 소음이 크게 발생되지만 자기부상철도는 부양력을 이용하므로 기존의 교통수단과는 비교할 수 없는 우위성을 갖는다. 관리면에서도 큰 잇점이 있는데 이는 저항이 적어지므로 궤도 및 차륜 보수의 필요성이 크게 줄어든다는 점이 있다.

기술적인 면에서의 또 다른 장점은 열차를 부상하기 위해 전자기력을 내도록 노반/궤도 설비를 갖추고 있기 때문에, 기존 전동기보다 효율이 훨씬 높은 선형 전동기를 사용할 수 있다는 점이 있다.

그러나 위와 같은 많은 장점을 갖고 있음에도, 자기부상열차가 널리 도입되지 못하고 있는 것은 여러 문제점이 발목을 잡고 있기 때문이다.

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가장 현실적인 문제는 전용 궤도를 부설해야한다는 점이다. 기존 철차륜식 철도에 비해서 여러 점에서 유리하지만 초기 투자비용이 늘어난다는 것은 치명적이지 않을 수 없다.

또한 자기부상열차는 부양력을 얻기 위해 차량을 가볍게 만들어야 하는데 중량이 감소되면 공기저항이 훨씬 커진다. 특히 속도의 제곱에 비례해 커지므로 마찰저항과 구름저항을 줄인 것보다 영향을 크게 받는데, 초고속 운전을 목표로 하는 시스템들에서는 공기저항을 줄이기 위해 기존 철차륜식 차량들보다도 차량의 공간손해를 크게 볼 수 밖에 없다. 자기를 사용할 때 소모 에너지의 증가로 유지 비용 자체가 크게 증가한다는 지적이다.

현 단계에서 자기부상열차가 항공기나 자동차 교통 등에 비해서는 에너지 효율이 높지만, 재래식 철차륜 철도에 비해서는 낮은 편으로 평가되는 이유다. 더불어 화물 수송에 부적합하다는 문제점도 제기된다. 자기부상 자체가 부양력에 맞춰 차량까지 가볍게 만들어야 할 정도로 중량에 민감한 시스템이므로 화물 수송용으로 활용한다는 것이 불가능하다는 점이다. 물론 현행 철차륜 고속철도 역시 여객용으로만 사용된다는 지적도 있지만 고밀도 여객 수송만으로 경제성을 맞추는 것이 간단하지 않다는 것을 의미한다.

자기부상열차에 회의적인 사람들은 초음속 여객기의 실패를 예로 든다. 기술적으로는 가능하지만 경제적 효용성이 얼마나 있느냐는 것이다. 예를 들면 자기부상 열차 공사비용은 2000년을 기준으로 마일 당 8,000만 달러 정도나 된다.

프랑스가 자랑하던 초음속 여객기 콩코드는 예상대로 잘 날랐다. 그러나 상업성이 떨어지는데다 운용면에서도 예상치 않은 문제가 계속 이어졌다. 한마디로 경제성이 없다는 것은 어떠한 명분으로도 정당화될 수 없다는 것이다.

자기부상열차는 독일, 영국 등에서 운행된 적이 있으나 현재는 가동 중지 중이며 중국 상하이 시범운영 자기부상열차가 2004년 개통되어 확대 설치할 예정이었으나, 시민들의 반발과 경제성 문제로 시범운영선만 가동하고 있다. 한편 창사 자기부상 고속선은 2016년부터 가동되고 있으며 베이징 지하철 S1선은 2017년부터 운영 중이다.

창사 자기부상 고속선

한편 한국은 자기부상열차에 관한 한 선진국이라고 할 수 있다. 1993년 대전 엑스포 당시에 일반에 공개한 후 한동안 운행이 중지되었다가 2008년부터 다시 운행했다. 한 시간에 한 번꼴로 운행하며 44석이다. 2015년 11월부터 노선단축과 리모델링 작업을 하고 2016년 1월 12일에 재개통했는데 2018년 기초과학연구원 공사 때문에 운행중단중이지만 앞으로 재개통될지는 미지수로 알려진다. 또한 인천공항1터미널역과 용유역 사이를 잇는 도시형 자기부상열차가 2016년부터 가동 중이다. 현재 두 량짜리 자기부상열차 4편성 8량으로 2편성씩 돌아가면서 본선에 투입해 운행한다.

자기부상방식도 여러 가지다. 초전도식, 상전도식, 인덕트랙식, 지상식, 차량식이 있는데 기본적으로 초전도식 즉 반발식을 주로 한다.

인천공항 자기부상철도

초전도식은 초전도 자석을 이용해 열차를 지면으로부터 띄우는 방식이다. 대략 10cm 정도 위로 뜨며, 제어하기도 쉽고 고속화에도 유리하다. 이 방식은 전자석과 주행용 전자석이 있다.

부상용 전자석에는 다시 단극형과 양극형이 있다. 단극형과 양극형의 차이는 단순히 주행하는 동안 차체를 부양하는 자기장의 방향이 한 방향이냐 바뀌는 거냐의 차이인데 양극형 방식을 사용하면 저속에서 효율이 높지만 고속에선 솔레노이드의 리액턴스로 인해 자기장이 약해지는 문제가 있으며, 차량주행 시 바닥의 전자석을 제어하는 시스템과 동기화가 잘 맞아야한다. 만약에 동기화가 삐끗하면 차체와 바닥 사이에 인력이 작용해 붙을 수 있다. 반면 단극형 전자석의 경우 비록 자기력의 반쪽밖에 사용할 수 없지만 제어가 편리하며 주행속도에 관계없이 안정적인 자기장을 형성해준다.

주행용 전자석은 빨리 달리기 위하여 리니어 모터가 동기전동기 방식을 사용한다. 유도전동기 방식을 쓰면 주행 속도를 올리기 위해 효율이 낮아지는 단점이 있지만 저속에선 유도전동기 방식이 유리하다는 주장도 있다.

여하튼 초전도 상태를 유지하려면 극저온 상태를 유지해야 하므로 액체헬륨을 계속 사용해야 하므로 유지 비용이 만만치 않다. 학자들이 초전도체에 주목하는 것은 현재 자기부상열차는 대부분의 에너지가 열차를 부양하는데 사용하고 있으나 상온 초전도체가 나올경우 매우 적은 양의 에너지로 열차 칸을 띄우며 초고속 주행이 가능하다고 생각하기 때문이다.

자기부상열차 개념에서 특이한 것이 하이퍼루프 초고속 터널 열차이다.

2018년 미국 LA 서부 호손 공항 옆의 한 건물로 테슬라의 SUV(스포츠유틸리티차량) ‘모델X’가 들어가자 차량은 엘리베이터에 의해 지하 터널로 이동되어 터널에 설치된 레일을 따라 쏜살같이 달려 1.14마일(1.8㎞) 거리에 있는 머스크가 추진하고 있는 ‘스페이스X’ 주차장에 도착한 후 곧바로 엘리베이터로 지상으로 나왔다. ‘최고 시속 150마일(240㎞)로 달릴 수 있는 이 터널은 상습 정체 구간을 해소할 수 있도록 설계되었는데 일론 머스크는 이를 ‘루프(loop)’라고 명명했다.

이 시스템은 루프에 ‘스케이트(skate)’라는 기술을 적용한 것으로 터널에 깔린 레일 위에 썰매 형태의 판을 올리고, ‘전기 기관차(일렉트릭 로코모션)’라는 이름의 전기장 발생 장치를 이용해 레일에 전기를 흘려 넣으면 썰매가 얼음판을 미끄러지는 것처럼 빠른 속도로 이동토록 한 것이다. 이 위에 승객과 자전거 등을 실을 수 있는 캡슐을 올리면 마치 지하철이 움직이는 것처럼 사람을 나를 수 있는 원리이다.

루프의 장점은 역이나 승강장이 필요한 지하철이나 버스와 달리 언제 어디서든 쉽게 접근할 수 있고 사람과 차량을 동시에 실어 나를 수 있다는 점이다. 머스크가 루프 시스템을 성공적으로 가동시키자 현재 미국의 많은 도시들이 루프 도입을 추진하고 있다. LA 시내 주요 지점과 LA다저스의 홈구장인 다저스타디움을 연결하는 ‘더그아웃 루프’가 굴착을 시작했고, 시카고에서는 오헤어공항과 도심을 연결하는 28㎞ 길이의 루프가 추진 중이다.

보다 업그레이드된 터널 시스템이 하이퍼루프이다.

터널 안을 진공으로 만들어 공기 저항을 없앤 뒤 자기장을 이용해 승객이 탄 캡슐을 마치 총알처럼 쏘아 보내는 개념이다. 음속에 가까운 시속 1,200㎞ 속도를 낼 수 있는데 차량으로 6시간, 비행기로 1시간이 넘게 걸리는 샌프란시스코에서 LA까지 30분, 한국 서울에서 부산까지 16여분 만에 주파할 수 있다.

하이퍼루프 기술은 영화 「아이언맨」의 실존 모델로 유명한 일론 머스크가 자신의 상상력을 담은 논문을 통해 2013년 처음 세상에 내놓았다. 하이퍼루프 트랜스포테이션 테크놀리지(HTT)사는 머스크의 아이디어를 응용해 선로와 열차에 영구 자석을 장착해 열차를 띄우는 기술인 ‘수동 자기부상’ 기술을 개발했다. 이 기술은 시설 건축비가 상대적으로 적고 열차가 움직일 때만 공중부양이 일어나는 것이 특징이다. 정전과 같은 사고가 나더라도 거의 멈출 때까지 열차가 떠있으므로 엄청난 속도를 내면서 운행중이더라도 안전하다고 알려준다. 하이퍼루프가 실용화되면 도시와 주변부를 빨리 오갈 수 있으므로 도시 과밀화 문제가 해결되므로 하이퍼루프가 도시의 개념을 바꾸어 줄 수 있다는 것이다.

하이퍼루프(Hyperloop)는 인도에서 본격적으로 건설 중이다. 약 120㎞ 떨어진 뭄바이와 푸네를 고속으로 연결하는 ‘푸네〜뭄바이 하이퍼루프’ 프로젝트로 2024년에 완공 예정이다. 거의 진공에 가까운 터널 안을 최고 시속 1,200㎞로 달릴 수 있는 열차인데 일반적인 여객기가 시속 900㎞, KTX가 시속 300㎞로 달리는 것에 비해 어마어마한 속도이다. 현재 푸네와 뭄바이를 자동차로 이동할 경우 3시간 30분이 걸리는데 하이퍼루프가 건설되면 이동 시간이 35분 미만으로 줄어든다.

이런 속도로 달리려면 두 가지 거대한 장벽을 넘어야 한다. 첫째는 마찰력이고, 둘째는 공기저항이다. 잘 알려진 사실이지만 움직이는 모든 물체는 속도를 낼수록 저항에 부딪힌다. 자동차, 비행기, 기차 등은 공기저항이 속도를 내는 데 치명적인 방해 요인인데 이 문제를 하이퍼루프는 터널 안을 거의 진공에 가까운 상태로 만들어 공기저항을 줄인다. 하이퍼루프 터널 안은 1000분의 1 대기압 수준이다.

하이퍼루프는 캡슐처럼 생긴 열차가 자기부상열차와 비슷한 방식으로 레일 위에 살짝 떠서 달린다. 열차는 자기장의 힘으로 추진력을 얻는데 터널 바닥에 코일을 깔고, 열차 바닥에는 초전도 전자석을 장착해 자기장이 흐르도록 만들었다. 공기저항을 줄여 비행기보다 빠른 ‘탄환 열차’ 아이디어이다.

두바이와 아부다비 하이퍼루프 건설

아랍에미리트(UAE)도 아부다비와 두바이 구간에 하이퍼루프 건설 계획에 착수했다. 두 도시의 거리는 170㎞인데 12분 만에 주파가능하다. 1분 동안 14.2㎞, 1초에 200m 이상을 이동한다. 이후 아부다비에서 사우디아라비아 수도 리야드까지 연장하는 청사진도 구체화되고 있는데 이 경우 승용차로 8시간, 비행기로 1시간 50분이 걸리는 거리를 57분 만에 주파할 수 있다. 한국에서도 2017년 UNIST가 서울에서 부산까지 325㎞를 16분 만에 이동하는 계획을 추진하고 있다는 발표다. 하이퍼루프의 가장 큰 장점은 비행기처럼 공항에서 시내로 이동할 필요가 없으며 자동차처럼 교통체증도 없다는 것이 장점이다.

하이퍼루프는 2016년 5월 미국 네바다주(州) 사막에서 96m 구간을 최고 속도 111㎞로 달리며 첫 시험 주행에 성공했고 현재는 최고 시속 386㎞까지 속도를 올렸다. 시속 1,200㎞까지는 아직 부족하지만 이 차이는 곧바로 극복될 것으로 생각한다. 현재 계획중인 하이퍼루프 열차는 길이 32m, 무게 5t에 최대 40명이 탈 수 있다.

 

 

 

참고문헌 :

「캘리포니아 등 3개주, 자기부상열차 논쟁 후끈」, 유민, www.news.go.kr. 해외리포트, 2004.04.10

「새로운 도시교통수단 '자기부상열차' 」, 한우진, www.news.go.kr 국정넷포터, 2004년 7월 20일

「고체에서 발견한 보스-아인슈타인 응축현상」, 이정모, Sci-Focus, 2005.4.18.

「서울-부산 16분…'시속 1천200㎞' 꿈의 음속열차 현실화되나」, 장재은, 연합뉴스, 2016.05.11

「머스크의 ‘LA 초고속 터널’ 거의 완공」, 연합뉴스, 2018.05.14.

「LA 땅속 터널, 자동차가 레일을 타고 질주했다」, 박건형, 조선일보, 2018.12.20

「진공터널 달리는 '탄환열차', 완성되면 비행기보다 빨라」, 김형지, 조선일보, 2019.11.13.

「자기부상열차」, 나무위키