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위대한 철학자이자 과학자였던 아리스토텔레스는 지구가 우주의 중심이며 우주에서 매우 특별한 곳이자 유일하게 생명체가 존재한다고 생각했다. 그의 생각은 지난 2천년 동안 인류를 지배해 왔다.
하지만 과학의 발달로 지구는 우주의 중심이 아니고 지구가 속한 태양계, 우리 태양계가 속한 우리 우주 또한 우주의 중심이 아니라 변두리라는 사실이 밝혀졌다.
기원전 6세기에 살았던 그리스 철학자 탈레스와 아낙시만드로스도 지구에만 생명체가 있는 게 아니고 우주엔 수많은 행성이 존재한다고 생각했다. 그 행성들에는 지적인 생명체가 살고 있을지도 모른다고도 여겼다.
2천년이 지난 지금 인류는 탈레스와 아낙시만드로스의 생각을 증명하기 위해 우주에 많은 우주선을 발사해 왔다. 퍼시비어런스(Perseverance)도 그중 하나다.
지난해 2월 19일 퍼시비어런스가 여러 가지 난관을 뚫고 화성에 착륙했다. 이 우주선이 착륙한 지점은 생명체의 존재 가능성이 가장 큰 예제로 분화구(Jezero crater)다.
우주선은 화성에 생명체가 존재하는지를 확인하기 위해 발사됐다. 예제로 분화구는 과거 호수 지역으로 추정돼 생명체가 살았을 확률이 가장 크다.
우리와 같은 생명체는 어떻게 탄생했을까? 아리스토텔레스의 말대로 인간은 과연 매우 특별한 존재일까? 리들리 스콧 감독의 ‘프로메테우스’ 영화 속에서 안드로이드인 데이빗은 인간에게 “왜 나를 창조했냐”고 묻는다.
그러자 찰리 할로웨이는 “그냥 만들 수 있는 능력이 됐기 때문이 아닐까”라고 대답한다. 자신의 조물주를 찾아 프로메테우스 호를 띄운 인간은 곧 자신을 만든 외계종족을 만나지만 오히려 이들에게 파괴되고 만다.
초전도체(Superconductor) 핵융합 발전에서 수소를 고온의 플라스마 상태로 만드는 데 필요한 게 초강력 자기장 필드(magnetic field)다. 플라스마를 가둘 수 있는 강력한 자기 방(Magnetic room)을 구현하기 위해선 강력한 전자석이 필요하다.
문제는 강력한 자기장을 형성하기 위해 사용되는 전자석을 전류의 흐름에 대한 저항열 때문에 오랫동안 유지할 수 없다는 데 있다.
이때 필요한 게 초전도 자석이다. 전기가 통하는 물질을 전도체(conductor)라고 하는데 그중에서도 저항이 없어 전기가 정말 잘 통하는 물질은 Super라는 단어를 붙여 초전도체(Superconductor)라고 부른다.
전류의 흐름은 전자의 이동이기 때문에 전자의 이동이 많아질수록 전자가 고체 안을 이동하며 주변 원자들과 충돌해 저항열이 생긴다. 따라서 강력한 전자석을 만드는 건 한계가 있다. 이런 문제를 한방에 해결해 주는 게 초전도체다.
초전도 현상은 1908년 네덜란드 Leiden 대학의 카멜린 온네스(Heike Kamerlingh-Onnes)에 의해 처음 발견됐다. 그는 헬륨을 이용해 수은 온도를 4.15K(-268.85℃)까지 냉각시켜 그 온도에서 수은의 저항이 사라지는 현상을 발견한다.
전도체에서 저항이 사라진다는 건 매우 중요한 일이다. 에너지 효율을 극대화할 수 있기 때문이다. 전기를 만든 발전소와 사용하는 수요처가 멀어질수록 전기는 송전 손실이 발생해 보통 4%의 전기가 사라진다.
우리나라에서 매년 전선의 저항열로 인해 발생하는 전력손실이 1조5천억원이다. 하지만 초전도체를 통해 송전하면 전력손실이 전혀 없다.
초전도체의 임계온도는 물질마다 달라서 단일원소로 구성된 금속은 19K 정도로 매우 낮고 합금은 20K 정도로 높다. 일부 구리산화물의 경우 90K가 넘는 것도 있다. 절대온도 30K를 기준으로 그 이하인 초전도체를 저온 초전도체, 그 이상인 초전도체를 고온 초전도체라고 부른다.
어떤 물질이 초전도체가 되기 위해선 온도뿐 아니라 전류와 자기장 등이 일정한 임계점 이상에 도달해야 한다. 초전도체는 저항이 0인 성질 외에 자기장이 0이 되는 성질도 있다.
금속접시 위에 막대자석을 놓고 금속접시의 온도를 냉각시키면 금속접시는 초전도체가 된다. 금속접시 위에 붙어있던 막대자석은 자력을 잃고 접시 위에 뜨는 현상이 발생한다. 이를 마이스너 효과(Meissner effect)라고 부르는데 이런 현상을 이용한 게 자기부상열차다.
그들은 상전이(phase transition)에 대한 열역학의 관점에서 초전도 현상의 일부를 거시적으로 설명했지만 그 이론은 완벽하지 못했다. 1957년에는 바딘(John Bardeen)과 쿠퍼(Leon N. Cooper), 슈리퍼(John R. Schrieffer) 등에 의해 BSC 이론이 발표된다.
이들 이론에 의하면 초전도 상태에 도달하면 초전도체 내의 전자가 2개씩 쌍을 이뤄 흐르는데 쌍을 이루면 보통 금속 내에서 흐르는 일반 전자와는 달리 양이온들에 의해 산란하지 않고 흐르게 된다는 거다.
두 개의 전자 사이는 척력이 발생하지만 온도를 충분히 내리면 [그림 3]처럼 인력이 발생한다. 음전하를 띤 전자가 양전자를 통해 양이온 격자 사이를 지나가면 전자와 인력이 작용해 그 방향으로 움직인다.
하지만 양이온은 전자보다 무거워 이동속도가 매우 느리다. BSC 이론도 미흡하긴 마찬가지였다. 이들은 고온 초전도체에서 작동하는 초전도의 원리를 완전히 설명할 수 없었다.
초전도 현상이 발견된 이래 많은 과학자가 100년이 넘도록 더 높은 온도, 상온에서도 작동하는 초전도체를 찾기 위해 경쟁한 결과 여러 과학자에 의해 초전도물질이 개발되기 시작한다.
로체스터대의 연구진은 2020년 다이아몬드 사이에 탄소와 황, 수소로 만든 물질을 두고 대기압의 260만 배 고압을 걸어줬더니 15℃에서 전기 저항이 사라지는 상온 초전도체 현상을 발견한다.
이런 초전도체의 실용화를 위한 과학자들의 다음 목표는 상온상압 초전도체다. 아직도 초전도체 현상을 설명하는 완벽한 이론은 등장하지 않았다. 이 이론을 완성하면 노벨상은 떼놓은 당상일 거다.
영화 ‘아바타’에서 언옵테니움의 가격은 ㎏당 200억원이나 된다. 언옵테니움은 온도를 낮출 필요도 없이 상온상압에서 저항이 제로가 되는 물질이다. 이 광물 하나만 있으면 핵융합 발전도 손쉽게 구현할 수 있다. 천문학적인 돈이 들어가는 반물질 엔진도 값싸게 만들 수 있다.
반물질(Antimatter) 반물질이란 말 그대로 물질을 구성하는 입자에 대해 반대되는 입자로 구성된 물질을 말한다. 모든 물질은 양성자와 중성자, 그리고 전자로 구성돼 있다.
반면 반물질은 반양성자와 반중성자 그리고 양전자로 구성된다. 지금으로부터 137억년 전 시간도 공간도 없는 우주엔 태초에 빛이 있었다. 그리고 그 빛에 의한 쌍생성을 통해 우주가 만들어졌다.
처음에 만들어진 우주는 지금처럼 크지 않았다. 좁은 공간에 모든 물질과 에너지가 몰려 있으므로 우주 공간은 초밀도, 초고온, 초고에너지 상태였다. 빅뱅 38만년 뒤 우주가 팽창하며 온도가 낮아지기 시작한다.
많은 에너지가 필요한 쌍생성이 멈췄고 쌍소멸이 일어났다. 이때 함께 태어난 물질과 반물질은 함께 소멸했는데 10억개 중 한 개 정도가 더 높은 비율로 물질만이 살아남아 지금의 이 세상이 됐다. 반입자는 존재를 감춰 지금의 우주가 됐다.
반대로 이미 생성된 전자와 양전자가 서로 만나면 거대한 에너지를 가진 감마선을 방출하며 소멸하는데 이게 쌍소멸이다. 하지만 지구에서는 쌍소멸이 일어나지 않는다. 지구상에서 자연상태에서는 반물질이 존재하지 않기 때문이다. 우주에는 반물질이 관찰되곤 하지만 여전히 매우 소수일 뿐이다.
그렇다면 태초에 물질과 함께 탄생한 반물질은 도대체 모두 어디로 간 걸까. 태초에 빛이 있었고 쌍생성으로 인해 물질과 반물질이 생성됐다면 우주에는 물질과 반물질이 동일한 양으로 남아있어야 한다. 하지만 지구는 물론이고 우주에도 반물질은 여전히 찾기 어렵다.
이 이유는 지금도 입자물리학의 난제로 남아있는데 이를 설명하는 새로운 이론이 초대칭 이론이다. 초대칭 이론을 증명하는 사람은 아마도 노벨상을 받게 될 확률이 높다.
우리는 아는 바와 같이 반물질이 사라지지 않고 이 우주 어딘가에 반물질로 구성된 은하가 있다고 생각해 보자. 그 은하가 계속 팽창해 우리 은하와 충돌한다면 우주는 거대한 폭발을 일으키고 쌍소멸로 사라질 거다.
그래서 조물주가 반물질을 없애버렸거나 아니면 아무도 찾을 수 없는 우주의 어느 곳에 꼭꼭 숨겨 놨는지도 모른다. 지구엔 반물질이 전혀 존재하지 않지만 우주에서는 반물질이 어느 정도는 존재하며 이 존재가 종종 관측되기도 한다.
우주에 존재하는 반물질은 대기권을 통과하는 순간 물질과 반응하면서 소멸해 없어진다. 따라서 지구에서 반물질을 관찰할 순 없다.
반물질의 존재는 정말 우연히 발견됐다. 대부분의 과학 현상은 관찰을 통해 발견되고 이론이 생기면서 정설로 굳어진다. 하지만 반물질의 발견은 반대였다.
우리가 속한 세계는 거시세계와 미시세계로 나눌 수 있는데 거시세계를 지배하는 법칙이 뉴턴 법칙이다. 거시세계에서의 모든 운동은 뉴턴 방정식(F=ma)으로 설명할 수 있다.
뉴턴 방정식에서는 어떤 물질의 위치와 속도만 알면 몇 시간 뒤 그 물질의 상태를 알 수 있지만 미시세계에서는 불가능하다. 미시세계는 거시세계와 전혀 다른 거동을 보인다.
뉴턴 방정식이 거시적인 관점에서 물질의 상태를 기술했다면 슈뢰딩거 방정식은 미시적인 관점에서 물질의 상태를 기술한다. 하지만 슈뢰딩거 방정식은 모든 상태에서 전자의 움직임을 설명하기엔 완벽하지 못했다.
이때 폴 디랙(Paul Adrien Maurice Dirac)이 등장한다. 1928년 폴 디랙은 슈뢰딩거 방정식의 약점을 아인슈타인의 특수상대성이론에 접목해 모든 속도에서 전자의 움직임을 완벽하게 예측하는 데 성공한다.
디랙은 새로운 형태의 원자 이론을 발견한 공로로 슈뢰딩거와 함께 1933년 노벨물리학상을 공동 수상한다.
디랙은 심플하고 아름다운 자신의 디랙 방정식에 흡족해했지만 여기엔 커다란 오류가 있었다. 디랙 방정식에 의하면 질량을 가진 +극성의 전자가 등장한다. 원자는 양성자와 중성자, 전자로 이뤄져 있고 양성자는 +극성, 전자는 –극성을 갖는다.
따라서 +극성을 갖는 전자는 존재할 수 없다. 하지만 디랙 방정식에 의하면 전자가 갖는 정지에너지는 +, - 두 가지 값을 모두 갖고 있었다. 즉 전자가 음(-)의 에너지도 될 수 있다는 거다.
전자의 에너지가 음(-)의 값을 갖는다는 건 말이 되지 않는 거였다. 닐스 보어의 원자 모형에 의하면 전자는 에너지 레벨이 낮은 곳부터 차곡차곡 쌓여있다.
여기에 외부에서 에너지를 가하면 전자는 튀어나오고 에너지를 방출하면 더 낮은 레벨로 내려앉는다. 전자가 존재할 수 있는 가장 낮은 에너지 레벨은 0보다 크기 때문에 전자는 사라지지 않고 계속 존재할 수 있다.
하지만 디랙 방정식에서 나온 것처럼 0보다 작은 에너지를 갖는 전자가 존재한다는 건 0 밑으로도 계속해서 무한히 내려갈 수 있다는 걸 의미한다. 그 과정에서 전자는 무한한 에너지를 계속 방출할 거다.
이는 에너지보존법칙에 위배되는 일이며 우주가 현재의 형태로 존재할 수 없다는 걸 의미하기에 명백한 오류에 해당했다.
디랙이 합리적인 사람이었다면 자신의 방정식에 대한 오류를 인정하고 포기했을지도 모른다. 하지만 디랙은 달랐다. 디랙은 결코 합리적인 사람이 아니었다. 버나드 쇼는 이런 말을 했다. “합리적인 사람은 세상에 자기를 맞춘다. 비합리적인 사람은 집요하게 세상을 자신에게 맞추려고 노력한다.
따라서 모든 진보는 비합리적인 사람에게 달려 있다” 폴 디랙 역시 그랬다. 디랙은 자신의 방정식 오류를 양의 전하를 가진 전자의 반물질인 양전자(positron)를 만들어 내면서 해결한다.
디랙에 의하면 0 이하의 레벨 아래에는 이 미음의 에너지로 가득 찬 전자들이 있어 원자핵 주변의 전자는 0 이하의 레벨로 내려갈 수 없고 양의 물질세계에 남게 된다는 거다. 이런 폴 디랙의 주장은 닐스 보어를 비롯해 당시 모든 과학자로부터 놀림과 비난을 받았지만 그는 주장을 굽히지 않았다.
그로부터 4년 후인 1932년 미국 칼텍(Caltech)의 연구원이었던 칼 데이비드 앤더슨은 우주선의 궤적을 관찰하던 중 양전자를 발견하게 된다.
당시 28세의 앤더슨은 우주에서 쏟아지는 방사선인 우주선의 특성을 좀 더 자세히 관찰하기 위해 밤낮없이 15초마다 우주선을 관찰한 자료를 축적해 모으기 시작했다.
그가 모은 사진 속에는 질량이 전자와 같지만 방향이 반대인 이상한 입자가 있었다. 4년 전 폴 디랙이 예견한 양전자였다. 1933년 앤더슨은 감마선이 물질을 통과할 때 양전자를 생성한다는 직접적인 증거를 얻게 된다. 1936년 앤더슨은 이 공로로 노벨물리학상을 받는다.
그 이후에도 양전자의 발견은 계속됐다. 퀴리 부인의 큰딸인 이렌 졸리오 퀴리와 그의 남편 프레데릭 졸리오는 인공방사선 생성 실험을 통해 양전자의 방출을 확인하면서 양전자의 실체는 더욱 명확해졌다.
1995년 유럽입자물리연구소(CERN)에서는 입자가속기로 반물질인 반수소 원자를 만들어 내는 데 성공한다. 2008년에는 미국의 3대 핵무기 연구소 중 하나인 로렌스 리버모어 국립연구소에서 초강도 레이저 펄스로 천억개의 반물질을 생성해내는 데 성공하지만 1억 분의 4초 만에 쌍소멸하고 만다.
2011년 유럽입자물리연구소는 반수소 원자를 만들어 1천초 동안 저장하는 데 성공한다. 그리고 최근엔 수소 원자보다 더 무거운 헬륨 원자의 반물질도 만들어 내는 데 성공한다.
반물질을 이용한 기술은 우리 일상생활 속에서도 이용된다. 대학병원에서 뇌 질환 진단 등에 주로 쓰이는 양전자방출단층촬영 장치(PET, Positron Emission Tomography)가 반입자의 하나인 양전자를 이용한다.
PET의 원리는 양전자를 방출하는 물질을 체내에 주입하면 암과 같이 포도당 대사가 증가하는 곳에만 모이게 되는데 양전자와 물질 간의 상호작용으로 발생하는 방사선을 검출해 단층촬영 영상을 구현한다.
PET는 인체의 생화학적 변화를 영상화할 수 있으므로 뇌 신경계 질환과 뇌혈관질환, 심장질환, 악성종양 등을 진단하는 데 매우 유용하다.
반물질 에너지 영화 ‘아바타’에 등장하는 ‘벤처스타’뿐 아니라 스타트렉 ‘엔터프라이즈호’의 초광속 엔진들은 모두 반물질을 이용하는 에너지다. 공상과학 영화에 반물질을 동력으로 하는 우주선이 등장하는 이유는 반물질이야말로 궁극의 에너지기 때문이다. 반물질과 물질이 만나 쌍소멸을 일으킬 때 막대한 에너지가 발생한다.
2009년에 영화화한 댄 브라운 소설 ‘천사와 악마’에도 반물질이 나온다. 영화 속에서 교황청과 갈등 관계에 있는 비밀결사 조직(일루미나티)이 바티칸 궁전을 폭파하기 위해 유럽입자물리연구소(CERN)에서 반물질을 훔쳐 폭탄으로 사용한다.
얼마 전 개봉한 크리스토퍼 놀란 감독의 ‘테넷’에서도 반물질이 등장한다. 시간을 역행해 과거로 돌아간 주인공이 방호복을 입는 이유는 자신의 과거와 마주하면 주인공이 쌍소멸하기 때문이다.
주인공 몸무게인 90㎏에 해당하는 반물질이 쌍소멸을 일으키면 그 폭발력은 히로시마 원폭의 300배인 3800Mt(메가톤)이나 된다.
그렇다면 원폭을 이용해 원전을 개발했듯이 쌍소멸로 인해 발생하는 폭발력을 에너지로 만들 수 있다면 어떨까 하는 생각도 가능하다. 원자폭탄이나 수소폭탄은 핵분열 혹은 핵융합 과정에서 질량 결손에 의한 막대한 에너지를 이용한 거다.
이들로 인해 발생하는 에너지는 질량 에너지 등 가공식을 따르지만 질량이 에너지로 전환되는 비율은 극소수에 지나지 않는다.
원자폭탄 핵분열의 경우 질량이 에너지로 전환되는 비율은 0.1%에 불과하다. 수소폭탄 핵융합의 경우 질량이 에너지로 전환되는 비율은 그보다 7배 높은 0.71% 수준이다.
하지만 반물질의 쌍소멸로 인해 발생하는 질량 에너지 전환비율은 100%나 된다. 같은 양의 원료라면 반물질을 이용한 에너지는 핵분열과 핵융합 에너지의 140배 이상이 된다.
반물질을 보관하는 좋은 방법은 토카막 장치와 유사하게 진공상태에서 강력한 자기장 필드를 만들어 반입자들을 띄워 물질과의 반응을 차단하는 방식이다. 따라서 언옵테니움이라는 초전도체가 필요하다.
그러나 이것도 전하를 지닌 양전자나 반양성자만 가능하고 전하가 없는 반중성자는 이런 방식도 쓸 수 없다.
문제는 반물질을 만드는 데 천문학적인 비용이 든다는 점이다. 현재 기술로 전구 한 개를 밝히는 반물질 에너지를 만드는 데에는 5조억달러나 든다.
하지만 우주 어디에 남아있는 반물질을 발견해 채집할 수 있다면 아바타의 벤처스타호, 스타트렉의 엔터프라이즈호와 같은 우주선이 언젠가 만들어질지도 모른다.
실제로 이런 프로젝트를 진행하는 회사가 있다. 미국에 이치바테크놀로지스(Hbar Technologies)라는 곳이다.
이 회사의 공동대표인 제럴드 잭슨 박사와 스티븐 하우 박사는 반물질 엔진을 개발하기 위해 2016년 크라우드펀딩 사이트인 킥스타터를 통해 20만달러에 달하는 초기 자금을 마련하는 캠페인을 시작했다.
이들은 이 자금으로 반물질 엔진의 이론적인 가능성을 검증하고 NASA를 설득해 1억달러에 달하는 원형 제작을 구상 중이다. 이들이 구상 중인 반물질 엔진을 탑재한 우주선은 보이저1호의 811배인 1만3800㎞/s의 속도로 날아갈 수 있다.
이 속력은 광속의 5% 수준이다. 이런 우주선이 개발된다면 정말 아바타와 같은 영화가 현실이 될지도 모른다.
김훈 리스크랩 연구소장(공학박사/기술사)은 * 서울과학기술대 공학박사(안전공학) * 리스크랩(김훈위험관리연구소) 연구소장 * 현대해상 위험관리연구소 수석연구원 * 한국소방정책학회 감사 * 한국화재감식학회 정보이사 * 소방청 화재감식 자문위원 * 한국지역정보개발원(KLID)평가위원 *, 한국산업기술진흥원(KIAT) 평가위원 * 국립재난안전연구원(NDMRI) 평가위원 * 한국산업기술평가관리원(KEIT) 평가위원 * 한국에너지기술평가원(KETEP)평가위원 * Crane & construction Equipment 칼럼리스트 * 소방방재신문 119 Plus Magazine 칼럼리스트 * 세이프티퍼스트닷뉴스 칼럼리스트 * 기술사(국제기술사, 기계안전기술사, 인간공학기술사) * 미(美)공인 위험관리전문가(ARM), 미(美)공인 화재폭발조사관(CFEI) * 안전보건전문가(OHSAS, ISO45001),* 재난관리전문가(ISO22301,기업재난관리사)
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