노벨상의 노다지, 초전도체(8) : 레일건

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⑫ 군사용

영화 「이레이저」에 매우 특이한 무기가 등장한다.

이 영화에 등장하는 EM건(레일건)은 표적을 X-ray로 자동감지하여 발사하는데 5cm의 철판도 간단하게 뚫어버리는 가공할 만한 무기이다. 특히 작동원리가 전자 자석 펄스 방식으로 화약이나 기존 총알이 아닌 알루미늄 탄환을 초음속으로 연속 발사하는 총이다.

영화 '이레이저'1996년, 네이버 영화

그동안의 무기는 한쪽 끝이 막힌 원통 내에서 화약을 폭발시켜 그 폭발력으로 탄환을 날려 보낸다. 그런데 이 총포는 군대의 상징과도 같은 기본 무기체계이지만 21세기에 들어서자 보다 파괴력이 있는 무기가 등장한다. 기존의 화약식 총포의 포구 초속은 1,500미터인데 유효사거리는 80㎞를 넘기기 어렵다. 이를 넘는 거리의 목표를 타격할 때 미사일을 발사하는 이유인데 총포도 나름대로의 큰 장점이 있다. 미사일과는 달리 탄환 자체에 추진기관이 없기 때문에 탄두 중량이 같은 경우라면 한 발당 발사 단가가 미사일보다는 훨씬 저렴하며 발사 속도도 매우 빠르다.

한마디로 가까운 거리에 신속히 제압해야하는 경우 권총이나 기관총이 미사일보다 훨씬 효율적이다. 그래서 기존의 총포가 가진 이러한 장점을 최대한 살리면서, 또한 규모도 휴대형으로 더욱 멀리, 빠르게 발사할 수 있는 신개념의 무기가 레일건이다.

레일건은 매우 오래전에 도출된 기술이다. 1918년, 프랑스의 발명가 루이 옥타브 포숑 빌레플르가 기존 총포와는 달리, 레일건은 동극모터의 원리를 이용해, 도체로 만들어진 탄환을 한 쌍의 금속제 레일 사이에서 오직 전기의 힘으로만 가속해 발사하는 포이다.

레일건의 개략도

레일건은 포신 노릇을 하는 서로 평행한 한 쌍의 금속제 레일을 하나의 전원에 연결한 구조로 두 레일 사이에 도체로 만들어진 포탄을 물리면 이것으로 포 전체에 전기가 통하는 회로가 완성된다. 즉 전원에서 나온 전류가 양극 레일을 거쳐 포탄을 통해 반대편의 음극 레일로 들어가 다시 전원으로 돌아가는 것이다.

이러한 전류의 흐름으로 인해 레일건은 그 자체가 하나의 전자석과 같은 속성을 띠게 된다. 즉 양 레일이 포탄이 있는 곳까지 영향을 미치는 자장을 형성하며 레일건 회로에 흐르는 전류가 자장 속에서 운동에너지를 생산하여 이 에너지로 포탄이 레일을 따라 움직이며 가속되는 것이다.

레일건의 장점은 엄청난 포구 초속이다. 레일건은 이론상 마하 10 이상의 포구 초속을 낼 수 있다. 이는 탄환에 작용하는 힘의 크기가 전류의 제곱에 비례하기 때문이다.

따라서, 기존의 폭약 발사식 탄환과는 달리 충분히 큰 전류만 공급된다면 탄환에 매우 큰 힘을 작용하여 매우 빠른 속도로 발사할 수 있다. 특히 탄의 파괴력을 좌우하는 운동에너지는 속도의 제곱에 비례하므로 사거리를 수백 킬로미터까지 늘릴 수 있다. 더욱 중요한 것은 화약이 전혀 필요 없으며 레일건은 탄두만 장전하면 되므로 이론상 장전 속도가 매우 빠르다.

이러한 레일건은 전차포나 곡사포, 함포, 대공포 등의 군사적 용도로 활용가능하다. 특히 인공위성이나 우주선 발사시 기존의 로켓을 보조하거나 대체할 가속 수단, 핵융합 발전의 시동장치로도 레일건이 유효하다.

물론 레일건의 큰 단점은 발사시 엄청난 양의 전력을 사용해야한다는 점이다. 이는 충분한 전력을 공급받기 어려운 곳에서는 사용할 수 없다는 것을 의미한다. 더구나 재료 문제도 만만치 않다. 레일 자체에 엄청난 전류가 흐르는 것은 물론 포탄이 최대 마하 10까지 가속되면서 레일에 엄청난 마찰, 열, 압력이 가해지므로 이를 견딜 재료가 확보되어야 하기 때문이다.

실무적으로 레일건의 포탄이 무게 2㎏, 직경 40㎜, 부피 200㎤를 넘지 않아야 하는데 「이레이저」에 나오는 무기가 바로 그것이다. 그런데 레일건 자체는 초전도체가 필수다. 전자기력을 이용한 초고속 총포류는 총열/포신이 초전도 상태가 아니면 저항으로 인한 고열로 인해 총열이 증발해버리기 때문이다. 미래의 무기에 초전도체가 주인공으로 등장한다는 뜻이다.

보다 흥미있는 무기도 등장한다.

1977년, 조지 루카스 감독에 의해 출시된 「스타워즈」 시리즈는 서부극을 우주극으로 바꾸었다는 ‘스페이스 오페라’의 걸작으로 알려진다. 스페이스 오페라는 광대한 우주를 무대로 소재가 무궁무진한데다 첨단 공상 과학을 무기로 하므로 현재까지 모든 작품이 성공했다는 신화를 갖고 있다. 「스타워즈」, 「스타트랙」, 「토르」등 모두 성공했다.

그런데 「스타워즈」에서 많은 사람들을 놀라게한 것은 바로 ‘광선검’, 일명 ‘라이트세이버’이다. 영화속의 광선검을 한국의 디자이너가 연출했다하여 화제가 되기도 했는데 학자들은 미래 어느 날 실제로 광선검을 볼 수 있을 것으로 생각한다.

물론 현재의 기술로 ‘광선검’ 라이트세이버를 만드는 것은 불가능하다.

제다이  기사의 초록빛 라이트세이버.

우선 레이저는 장애물에 부딪히지 않으면 계속 직진하는 속성을 가지고 있어, 영화 속 광선검처럼 90cm 크기의 검 안에 물리적인 틀 없이 빛을 담아낼 수 없기 때문이다.

그러나 과학은 이 부분에서 틈새를 준다. 레이저 대신에 플라즈마로 광선검을 만들 수 있다는 것이다.

물질의 네 번째 상태로 불리는 플라즈마는 고체, 액체, 기체로 알려져 있는 물질의 세 가지 상태에서 더 큰 에너지 즉 열과 압력을 가하면 기체를 이루고 있는 원자의 원자핵과 전자가 분리되는 상태를 말한다. 플라즈마는 우리에 매우 밀접하게 관계하고 있는데 디스플레이, 형광등, 공기청정기 등이 플라즈마를 활용한다.

플라즈마 램프(Plasma Lamp) 안에서 만들어지는 플라즈마

또한 번개나 오로라도 플라즈마 현상의 일종으로 지구를 제외한 전 우주의 99% 이상이 플라즈마 상태로 존재한다고 해도 과언이 아니다. 번개나 오로라가 빛을 번쩍번쩍 내는 것에 착안하면 플라즈마 상태는 어떤 기체를 사용했는지에 따라 각각의 기체가 고유의 빛을 내므로 여러가지 색의 광선검을 만드는 것도 가능하다.

예를 들어 염소에 에너지를 가해 플라즈마 상태를 만들면 청색 빛이 나오며, 헬륨의 경우는 붉은색의 빛이 발생한다.

문제는 어떻게 플라즈마를 이용하여 광선검을 만들 수 있느냐인데 북아일랜드 벨파스트 퀸스대학 지안루카 사리 교수가 플라즈마를 이용하여 라이트세이버를 만들 수 있는 방법을 제시했다.

사리 박사는 일단 기체에 에너지를 가할 작지만 강력한 전원공급장치를 담은 칼자루에 길고 가느다란 필라멘트를 부착한다. 그리고 그 안에서 전기를 방출하면서 바깥쪽에 특정 기체를 뿌려주면 영화 속 광선검이 그대로 재현된다는 것이다. 광선검의 전원을 켜면 필라멘트가 환하게 밝아지면서 주위에 뿌려지는 기체가 플라즈마로 바뀌고 빛을 내는 레이저와 같은 모습으로 보일 수 있다는 뜻이다. 더구나 플라즈마의 뜨거운 열기는 어떤 물체든 녹일 수 있으므로 영화 속 한 장면 즉 칼로 베는 듯한 효과도 가능하다. 한마디로 군사용으로 가능하다는 뜻이다.

물론 현실에서 플라즈마를 이용한 광선검을 제작하는 게 이론처럼 간단한 일은 아니다. 우선 모든 부품을 콤팩트하게 만들고, 다른 광선검의 공격을 견딜 정도로 견고하게 만들어야 한다는 문제가 있기 때문이다. 많은 학자들이 플라즈마를 활용한 응용 기술이 더욱 발전하면 플라즈마를 마음껏 인간의 힘으로 조절할 수 있게 되어 광선검도 등장할 수 있다는데 점수를 준다.

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⑬ 우주선 동력

화성에서 우주인인 마크 와트니가 혼자 남겨져 고군 분투하는 「마션」영화 마션에서 거대한 우주선 ‘헤르메스’ 호가 등장한다. 그를 구하기 위해 NASA와 그의 동료들이 펼치는 구출작전을 감동적으로 그려지는데 화성에 떠 있던 헤르메스 호는 현재의 기술로 화성까지 8달이 걸리는데 단 40일로 주파한다. 비밀은 바로 플라즈마이다.

화성 왕복선 헤르메스 호의 주 추진 기관은 이온 엔진으로 이온 엔진은 아르곤이나 제논 등의 가스를 이온화, 즉 플라즈마 상태로 만든 뒤 이온 입자를 자기력을 이용하여 선체의 후방으로 빠르게 분사함으로써 추진력을 얻는 기관이다. 2012년 소행성 ‘베스타’를 탐사한 ‘돈(DAWN)’ 탐사선이 이온엔진을 사용했다.

델타 2호  로켓으로 발사중인 돈 탐사선(2007)

현 단계에서 이온 엔진은 지구 중력권에서 쓰기에는 추진력이 약하지만 지구의 중력을 벗어난 후 이온 엔진은 매우 뛰어난 연비와 가속 성능을 지니고 있다. 한 예로 1998년 발사된 딥 스페이스 1호의 경우 670일간 엔진이 작동했는데 그 동안 사용된 추진체는 72kg에 불과했다. 또한 NASA에서 실험한 제논 추진체의 경우는 중단 없이 연속으로 48,000시간을 가동시켰는데 이 때 소모된 연료는 약 10t으로 알려진다.

제논은 우주선 이온추력기의 추진체로 사용

더불어 이온 엔진의 가속 성능은 처음 추진 속도는 느리지만, 우주여행을 지속하다 보면 어느 순간 화학 로켓에 비해 수십 수백 배 빠르게 된다. 간단하게 말해 화학 로켓의 경우 연료가 빠르게 소진되므로 가속에 한계가 있지만 이온 엔진은 연료 걱정 없이 엔진을 계속 가동하여 점점 가속도가 붙어 빨라지는 것이다.

NASA는 차세대 엔진으로 홀추진기라고 알려진 플라즈마 엔진 역시 개발 중인데 기존의 이온 엔진이 이온화된 입자만을 분사하여 추진력을 얻었다면, 플라즈마 엔진은 플라즈마 자체를 분출하여 추진력을 얻기 때문에 기존 우주선에 비해 훨씬 빠른 추진력을 얻을 수 있다.

프린스턴대 플라즈마 물리연구실의 2kW 홀 추력기

프랑스에서 개발한 플라즈마 엔진의 추진력은 시속 72,000km로 기존에 화석 로켓이 지구를 벗어나기 위한 탈출 속도인 시속 40,320km를 훨씬 웃도는 추진력을 보인다. 플라즈마 엔진이 결코 먼 미래의 이야기가 아님을 보여주는 사례인데 이 플라즈마 엔진을 사용하면 화성까지 단 40일이면 충분할 것으로 예상되는데 이 역시 초전도기술이 관건이다.

 

참고문헌 :

「송전철탑 없는 고효율 전력기 탄생」, 권영길, 과학동아, 2002년 5월

「2003년 노벨물리학상 수상자 발표」, 실피드, www.sceing.net, 2003.10.07.

「세계 최초로 분자의 보즈-아인슈타인 응축상태 실험」, 실피드, www.scieng.net, 2003.11.23.

「고온초전도체」, 이성익, 가우리블러그정보센터, 2004.10.29.

「기존 반도체보다 속도·효율 1000배 빠른 ‘초전도 기술’」, 이재원, 파이낸셜뉴스, 2007.11.27.

「26년 전 노벨상 이론 틀렸습니다」, 박방주, 중앙일보, 2008.07.11

「다른 측면에서 조명한 초전도 이야기」, 김창영, 크로스로드, 2011년9월(7권 9호)

「끝나지 않은 초전도 역사」, 방윤규, 크로스로드, 2011년9월(7권 9호)

「영화 마션의 우주선 ‘헤르메스’ 호를 움직이는 비밀은 플라즈마에 있다?」, 국가핵융합연구소, 2015.10.30.

「영화 속 최고의 무기 스타워즈의 ‘광선검’ 플라즈마로 만들 수 있다?」, 국가핵융합연구소, 2016.01.14

「한여름에 떠올리는 ‘저온 물리학’」, 최성우, 사이언스타임스, 2017.08.04

「초전도체와 노벨물리학상」, 최성우, 사이언스타임스, 2017.09.29

「두 천재물리학자의 대충돌」, 맹성렬, 대중과학, 2018년 1월

「미래의 화포가 될 ‘레일건’」, 이동훈, 사이언스타임즈, 2019.08.21

「초전도체」, 나무위키

「스타워즈」, 두산백과

『사이언스 오딧세이』, 찰스 플라워스, 가람기획, 1998

『물리법칙으로 이루어진 세상』, 정갑수, 양문, 2007

『노벨상수상자들의 학습 이야기』, 최선화, 연변인민출판사, 2009

『교양인을 위한 노벨상 강의(물리학상)』, 야자와 사이언스연구소, 김영사, 2011