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불의 이야기 - Ⅷ ①

궁극의 에너지, 반물질 에너지

리스크랩 김훈 | 기사입력 2022/06/20 [09:40]

불의 이야기 - Ⅷ ①

궁극의 에너지, 반물질 에너지

리스크랩 김훈 | 입력 : 2022/06/20 [09:40]

반물질 에너지

우주는 우리가 상상할 수 있는 크기보다 훨씬 크다. 이 우주엔 1천억개의 은하가 있고 각각의 은하엔 1천억개의 별이 있다. 그런데 최근 연구에 의하면 우주에 있는 은하의 수는 알려진 것과 같이 1천억개가 아니라 그보다 훨씬 많은 2조천억개라고 한다. 앞으로 관측기술이 향상된다면 그 수는 더욱 많아질 거다. 

 

지구가 속한 우리 은하는 우주에서도 매우 큰 은하 중 하나로 은하 중심핵의 지름은 1만 광년, 전체 지름은 10만 광년이나 된다. 우주에서 가장 큰 은하는 IC 1101로 알려진 은하다. 크기는 우리 은하의 50배, 질량은 2천배라고 한다.

 

이곳은 지구로부터 550만 광년이나 떨어져 있다. 우리 은하에 바로 이웃해 있다는 안드로메다(Andromeda Galaxy)도 지구로부터 250만 광년이나 떨어져 있어 IC 1101로 가기 위해선 그보다 두 배를 더 가야 한다. 

 

천체의 중심이 지구가 아니듯 우리가 속한 태양계도 은하의 중심이 아니다. 우리가 사는 태양계는 은하 중심에서 약 2만8천 광년 떨어진 거리에서 오리온 팔(Orion Arm) 안에 있는데 은하 전체에서 보면 변두리 쪽에 좀 더 가깝게 치우쳐있다.

 

​이 광활한 우주에서 과연 지적인 생명체가 오직 인간뿐일까? 인간은 지구에서 가장 가까운 항성계인 이웃 별 알파 센타우리(Alpha Centauri)에 지적인 생명체가 살고 있을지도 모른다고 생각했고 그런 상상력은 많은 공상과학소설을 낳았다.

 

우리 은하에는 태양과 같은 항성이 4천억개나 된다. 이 중에서 지구와 가장 가까이 있는 알파 센타우리는 지구에서 4.37 광년 떨어져 있다. 

 

이 광활한 우주에서 우리 은하, 우리 태양계, 우리가 속한 지구 그리고 그 지구에 살고 있는 인간, 그 인간이라는 존재는 참으로 보잘것없는 크기다. 그 존재의 크기는 미약하지만 인간의 상상력은 이 광활한 우주를 품고도 남는다.

 

라이트 형제가 비행기를 발명할 당시 과학자들은 공기보다 무거운 물체는 날 수 없다고 생각했다. 라이트 형제의 거듭되는 실패에 뉴욕타임스는 “인간이 비행기를 만들 수 있을진 모르지만 비행기를 타고 하늘을 나는 건 아마도 수만 년 걸릴 거다”고 혹평했다. 하지만 그로부터 고작 몇 년 후 인간은 비행기를 만들었고 우주선까지 만들어 달을 정복했다.

 

▲ [그림 1] 태양계의 위치(출처 위키백과)

 

지금으로부터 가까운 미래인 2150년, 지구에는 석탄을 비롯해 석유, 가스, 핵연료까지 모두 고갈돼 더는 쓸 수 있는 에너지원이 전혀 남아있지 않게 될 거다. 그래서 인류는 새로운 에너지원을 찾기 위해 알파 센타우리라는 항성계에 속한 판도라로 향한다. 이들의 목적은 희귀광물인 언옵테니움(Unobtainium)을 얻기 위해서다. 

 

▲ ​[그림 2] 영화 아바타 포스터(출처 나무위키)

 

언옵테니움이라는 영단어는 Un+Obtain+ium으로 구성된다. 복합어인 그 글자 그대로 해석하면 ‘구할 수 없는 물질’이란 뜻이다.

 

인류의 마지막 에너지원인 언옵테니움은 인류 최후의 보루인데 지구에서는 매우 희귀한 물질이지만 판도라 위성에는 무진장하게 묻혀 있다.

 

언옵테니움은 상온/상압에서 초전도 현상을 가진 희귀광물질로 핵융합에너지나반물질 에너지를 만들기 위해 꼭 필요한 자원이다. 신비하고 몽환적인 분위기를 연출하는 판도라 위성에 떠 있는 할렐루야 공중 산맥은 언옵테니움의 초전도 현상에 의한 거다.

 

지구와 알파 센타우리까지의 거리는 4.37 광년, 이를 ㎞로 환산하면 41조3천억㎞다.

 

현재 태양계 무인 성간 탐사선(interstellar probe)인 보이저 1호의 속도가 초당 17㎞(시속 6만1200㎞)이므로 이 속도로 판도라까지 간다고 해도 7만7036년이 걸린다는 계산이 나온다.

 

하지만 영화 속에서는 왕복 14년 6개월이면 충분하다. 이게 가능한 이유는 특수하게 개발된 성간 우주선(Interstellar Vehicle) 벤처 스타(Venture Star)가 있기 때문이다.

 

▲ [그림 3] 벤처 스타(출처 나무위키)

 

이 성간 우주선(Interstellar Vehicle)의 규모는 길이 1.5㎞, 폭 300m, 높이 218m로 매우 거대하다. 이 우주선에는 2개의 엔진과 그 엔진에서 발생하는 막대한 양의 폐열을 외부로 배출하는 거대한 방열기 2개가 장착돼 있다.

 

그 2개의 엔진은 반물질반응을 이용한 엔진이며 이 엔진 아래에는 둥근 모양의 연료 탱크가 있어 극저온의 중수소를 저장한다. 연료탱크에 있는 중수소는 콘덴서(condenser)를 거쳐 반물질인 반중 수소를 만들고 이를 반응로로 공급한다.

 

반응로는 완벽한 진공상태를 유지해야 한다. 반물질이 물질인 반응로와 접촉할 경우 거대한 폭발이 일어나기 때문이다. 반응로 내부로 옮겨진 반중 수소는 중수소와 반응하면서 합쳐져 엄청난 에너지를 일으킨다.

 

이때 발생하는 에너지의 크기는 핵융합 에너지의 수만 배에 달한다. 반물질 엔진을 탑재한 이 거대한 우주선은 빛에 가까운 속도로 우주를 항해한다. 

 

​승객이 위치한 탑승 모듈은 반물질 엔진과 Tensile Truss로 연결되는데 순항 기간에 계속 회전해 원심력을 형성시켜 인공중력을 만들어낸다. 탑승 모듈 끝에는 레이저 쉴드가 위치한다. 이 레이저 쉴드는 솔라 세일(Solar sail)로 부터 쏟아지는 강력한 레이저빔을 막아준다.

 

벤처 스타는 가속 초기에 솔라 세일을 이용하고 가속이 끝나면 반물질 엔진으로부터 추력을 만들어낸다. 솔라 세일의 아이디어를 제시한 사람은 코스모스의 저자 칼 세이건이다. 솔라 세일을 이용하면 우주선의 속도를 광속의 20%까지 끌어 올릴 수 있다. 

 

▲ [그림 4] 솔라 세일의 원리(출처 m.khan.co.kr/science/aerospace/article /201905191641001#c2b)

 

초기 가속이 끝나면 탑승 모듈 끝에 있는 레이저 쉴드가 180° 회전해 비행 방향 앞쪽으로 오게 한다. 이때 레이저 쉴드는 우주에 떠 있는 여러 가지 이물질을 막아주는 역할을 한다. 우주선이 판도라에 가까워지면 반물질 엔진은 감속 단계에 접어들고 궤도를 운행할 때는 재래식 로켓 엔진을 사용한다. 

 

​처음 건조된 은하를 운행하는 우주선은 이보다 훨씬 컸다. 하지만 초전도체의 원료인 언옵테니움이 발견되면서 크기는 1/3로 줄어든다. 언옵테니움은 반응로 내부의 진공 유지와 노즐로 유도된 광자를 제어하는 초강력 자기장 필드를 형성하는 역할을 한다.

 

반물질 엔진이 가동되기 위해선 극저온설계를 해야 하는데 상온에서도 초전도체의 특성을 발하는 언옵테니움을 사용하면 거대한 크기의 냉각기가 필요 없기 때문이다.

 

벤처 스타가 판도라에 도착하면 판도라의 모성인 폴리페무스(Polyphemus) 행성에서 중수소를 채집해 연료를 보충한다. 벤처 스타에는 발키리라는 셔틀 우주선이 탑재돼 있는데 이 셔틀은 판도라 위성에서 언옵테니움을 채굴해 벤처 스타로 실어 나른다.

 

▲ [그림 5] 발키리 셔틀(출처 나무위키)

 

이런 벤처 스타의 엔진은 미래의 엔진기술이고 현재 우주를 탐사하는 엔진 대부분은 재래식 로켓엔진이다.

 

현재 인류는 양자역학 시대를 살고 있지만 실제로 대기권 밖으로 우주선을 날려 보내는 기술의 이론적 토대는 뉴턴역학이다. 비행기가 이륙 시 가장 많은 연료를 소모하듯 우주선도 대기권을 탈출할 때 가장 많은 연료를 소모한다.

 

우주선이 먼 거리를 항해하려면 가장 먼저 비추력(Specific impulse)이 좋아야 한다. 비추력이란 같은 연료를 갖고 얼마나 더 멀리 갈 수 있느냐를 나타낸다. 자동차로 비유하면 연비와 같다고 보면 된다.

 

인류의 우주항공기술이 발전하면서 이온엔진이나 플라스마 엔진 등이 개발됐지만 현재의 기술력으로 보면 아직 케로신 연료를 사용하는 재래식 로켓엔진의 비추력이 가장 좋다. 

 

2022년 6월 15일 발사 예정인 우리나라 최초의 저궤도 실용위성 발사용 로켓 누리호의 연료도 케로신이다. 로켓엔진의 연료는 크게 고체연료와 액체연료가 있는데 점화 후 로켓의 연소반응 조절과 속도제어가 어려운 고체연료는 주로 군사용 미사일에 사용한다.

 

하지만 정확한 위성 궤도에 진입해야 하는 우주 발사용 로켓은 연료와 산화제의 양을 조절해 추력 제어가 가능한 액체연료를 주로 사용한다.

 

일론 머스크의 스페이스 X가 만든 펠컨9은 케로신 연료를 사용한다. 제프 베이조스의 블루오리진이 만든 뉴세퍼드는 수소연료를 사용한다.

 

수소엔진은 케로신 엔진에 비해 비추력이 30% 이상 좋지만 설계가 까다롭다. 안전성 확보도 어려워 대안으로 케로신 엔진과 수소엔진의 장점을 합쳐놓은 메탄 엔진이 개발되고 있다.

 

이온엔진은 주로 먼 거리를 항해하는 우주선에 사용된다. 일단 대기권을 탈출하면 우주선은 매우 작은 추력으로도 우주를 항해할 수 있는데 이때 이온엔진이 사용된다.

 

이온엔진은 아르곤이나 제논 같은 연료를 이온화해 전기적 특성을 띠게 한 후 자기력으로 추진력을 얻는다. 1998년에 나사(NASA)에서 발사된 딥스페이스 1호가 대표적이다.

 

▲ [그림 6] 딥스페이스 1호(출처 위키백과)

 

플라스마 엔진은 핵융합기술을 이용해 만든 엔진으로 100만℃로 가열된 플라스마의 강력한 자기장을 걸어 추진력을 얻는 방식이다. 고체의 어떤 물질을 가열하면 액체가 되고 액체를 가열하면 기체가 된다.

 

이 기체를 더 가열하면 제4의 물질인 플라스마가 된다. 우주선의 연료를 고온의 상태로 가열해 분출하면 더 높은 추진력이 발생하기 때문에 기존 우주선보다 10배나 빠른 속도로 날 수 있다. 우리나라 최초 군사위성인 아나시스 2호가 플라스마 엔진을 사용한다. 

 

▲ [그림 7] 바시미르 엔진을 장착한 우주선(출처 위키백과)

 

우주선으로는 미국의 애드 애스트라라는 회사가 나사로부터 엔진 개발을 위해 1천만 달러의 계약을 수주해 바시미르(VASIMR, Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)라는 플라스마 엔진을 개발 중이다. 

 

 


 

김훈 리스크랩 연구소장(공학박사)

ㆍ현대해상 위험관리연구소 수석연구원

ㆍ한국소방정책학회 감사

ㆍ한국화재감식학회 정보이사

ㆍ한국기술혁신평가단 정위원

ㆍ소방청 화재감식 전문자문위원

ㆍ한국에너지기술평가원 전문자문위원

ㆍ한국기술사회 4차산업위원회 전문위원

ㆍ미(美)공인 위험관리전문가

ㆍ미(美)공인 화재폭발조사관

ㆍ안전보건전문가(OHSAS, ISO45001)

ㆍ재난관리전문가(ISO22301, 기업재난관리사)

ㆍ기술사(기계안전, 인간공학, 국제)

 


 

리스크랩_ 김훈 : firerisk@naver.com

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2022년 6월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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