메르의 팜
초전도체 떡밥 부활하나? (feat 네이처)
메르
2024.10.18
한때, 큰 이슈가 되었던 초전도체에 변화가 있어서 정리해 봅니다.
1. 전류는 전압을 저항으로 나눈 값임.
2. 전압이 같다면, 저항이 적을수록 더 많은 전류가 오래 흐를 수 있음.
3. 만약 저항이 0가 된다면, 계산상으로는 전기가 영원히 흐를 수 있게 됨.
4. 저항이 O인 도체를 초전도체(Superconductor)라고 부름.
5. 전기는 정지한 상태로 존재하는 전기와 움직이는 전기로 나뉘어 짐.
6. 정지한 상태로 존재하는 전기를 정전기(static electricity)라고 하는데, 겨울에 옷감등을 마찰할때 발생하는 정전기가 그것임.
7. 겨울에 정전기가 잘 생기는 이유는 여름에는 습기가 높기 때문에 정전기가 수증기에 의해 방전이 일어나서 쉽게 소멸되기 때문임.
8. 정전기는 전압이 1만볼트 이상으로 아주 높고, 전류도 꽤 나와서 쉽게 볼 전기는 아님.
9. 번개도 정전기에 의해서 생기는 현상임.
10. 생활속 정전기는 전압이 높아도 전류가 흐르는 시간이 극히 짧기 때문에 순간적으로 짜릿 할수는 있어도 다치는 경우는 잘 없음.
11. 보통 우리가 전기로 재해를 입는 것은 동전기(Dynamic electricity)임.
12. 동전기는 움직이는 전기로 전선을 따라서 흐르는 전기를 말함.
13. 물질은 상온에서 전기가 통하는 도체와 전기가 통하지 않는 부도체, 둘 사이를 오가는 반도체로 나뉘어 짐.
14. 전기가 잘 통하는 도체로 물이 있음.
15. 사람의 몸은 전기가 잘 통하는 물이 70%를 차지하고, 피속에는 철분까지 들어 있어서 전기가 잘 통하는 구조임.
16. 사람의 심장과 근육등은 정교하고 미세한 생체 전기신호로 움직이고 있기도 함.
17. 감전은 외부 전기가 몸속으로 들어오는 현상임.
18. 전기가 몸 안으로 들어오면, 생체 전기신호로 움직이는 근육이 외부 전기에 교란되어 마비가 되고, 움직일 수 없게 됨.
19. 감전이 되면, 온몸을 꼼짝할 수 없어서 혼자서 벗어날 수 없다는 말임.
20. 피해자가 근육이 마비되어 움직일 수 없는 상태에서 전기가 계속 공급되는 것임.
21. 몸에 전기가 계속 들어오면, 심장의 전기시스템이 교란되어 부정맥으로 죽거나, 혈액과 체액이 끓어올라 마르면서 타서 죽게 됨.
22. 피속에 들어있는 철분도 문제를 키움.
23. 전기가 잘 통하는 철분에 전기가 들어오면, 감전되는 부위에 가까운 피 속의 철분이 감전부위에 붙어버림.
24. 몸은 마비가 되었는데, 전기가 잘 통하는 철분이 전기가 들어오는 곳 부위에 붙어버리니 계속 감전상태가 지속되는 것임.
25. 흐르는 전류량에 따라 겪는 고통과 증상이 달라지는데, 50mA이상 전류가 흐르면 사망가능성이 높아짐.
26. 아래 표가 안전교육에 나오는 220V에 감전된 경우 전류의 크기에 따른 고통과 증상임.
27. 사람은 전기에 대한 인체 저항력을 가지고 있음.
28. 부위별로 저항력에 차이가 나는데 피부가 저항력이 가장 강해서, 감전이 되더라도 약간의 쇼크 정도로 버틸수도 있음.
29.하지만, 인체 저항은 땀 정도의 수분이 있으면 1/20로 줄어들고, 물에 젖거나 물속에서는 1/25까지 줄어들게 됨.
30. 물에 젖은 손으로 전기기구를 만지지 말라고 하는 이유임.
<인체의 전기 저항, 출처:KIRD>
31. 감전사고의 방지방법은 다양함.
32. 젖은 손으로 전기작업을 하거나, 전자기기를 만지지 말아야 하고, 메이커가 생소한 중국산 저가 전기제품등은 조심하는게 좋음.
33. 전기작업이 아니더라도, 욕실처럼 수분이 많은 곳에서는 전기를 조심하는게 좋음.
34. 생각보다 많은 사람이 욕실에서 헤어드라이어 감전사로 사망하고 있음.
35. 휴대폰 충전을 하면서 목욕을 하는것도 위험함.
36. 16세 소녀가 욕조에서 친구와 통화하다 전화기를 물에 떨어뜨려 감전사 하기도 함.
37. 작년에 목욕탕에서 이용객 3명이 사망한 것도 목욕탕의 욕조속이었고, 누설된 전기로 감전사를 한 것임.
38. 구미에서도 60대의 대중탕 주인과 40대의 아들이 욕탕 청소를 하는 과정에 두명 모두 감전사를 하는 일들이 생기고 있음.
39. 이렇게 전기가 잘 통하는 도체 중에서, 가장 전기가 잘 통하는 전기저항이 '0'인 것을 초전도체라고 부름.
40. 초전도체는 전기저항이 없어, 초전도체로 만든 회로 안에 전류가 흐르기 시작하면 영원히 흐를 수 있다는 계산이 나옴.
41. 초전도 현상은 1911년 네덜란드의 카메를링 오너스가 수은과 액체헬륨을 이용한 극저온 실험을 하던 중 처음 발견을 함.
42. 헬륨이 액화되는 4.2K(영하 269도 C)에서 수은의 전기저항이 갑자기 사라지는 것을 발견한 것임.
43. 물질이 초전도 현상을 보이는 온도를 임계온도라고 함.
44. 최초 발견된 임계온도는 4.2K(영하 269도)였음.
45. 카메를링 오너스는 이 발견으로 노벨물리학 상을 탐.
46. 이 발견이 알려지자, 과학자들이 비슷한 물질을 찾기 시작했고, 계속 초전도현상을 보이는 물질들이 발견되기 시작함.
47. 초전도 이론도 나옴.
48. 1957년 일리노이 대학의 쿠퍼,수뢰퍼,바딘 3명의 학자가 초전도 현상을 이론적으로 설명함.
49. 금속 안의 전자가 쌍을 이루면 초전도현상이 나타난다는 이론이었음.
50. 전자가 쌍을 이루는 것을 쿠퍼의 이름을 따서 쿠퍼쌍(Cooper pair)라는 이름이 붙음.
51. 이론은 다음과 같이 복잡함(이해 못 해도 내 머리에 문제가 있는게 아니라 정상임).
52. 같은 마이너스를 띄는 전자는 자석의 같은 극처럼 서로 밀어내는 성질이 있음.
53. 고체인 초전도체 안에서 원자핵과 전자는 서로 끌어당기고 있음.
54. 전자가 원자핵이 있는 곳을 통과하면 원자핵과 전자가 서로 끌어당기는 성질 때문에 원자핵은 전자를 향해서 이동을 하게 됨.
55. 원자핵의 이동속도가 전자보다 느려서,원자핵이 전자를 끌어당기기 전에 전자는 통과를 해버리는데, 다른 전자가 다가오는 것임.
56. 원자핵은 이미 지나간 전자와 새로 지나가는 전자를 모두 끌어당기게 되고, 이 힘에 의해서 두 전자가 쌍이 된다는 말임.
57. 초전도현상이 이런 쿠퍼쌍에 의해서 생긴다는 이론으로 BCS 이론이라고 부르게 됨.
58. BCS가 대단한 약어로 보이지만, 별게 아님.
59. 이론을 처음 정립한 일리노이대학 교수 바딘의 B, 쿠퍼의 C,슈리퍼의 S를 따서 만든 이름일뿐임.
60. 이들도 1972년 노벨물리학상을 탐.
61. 오너스가 4.2K에서 초전도현상을 발견한 이후, 점점 높은 온도에서 초전도현상이 발견되기 시작함.
62. BCS이론에 의하면 초전도현상이 일어날 수 있는 가장 높은 온도는 25K 정도가 나옴.
63. 1986년 취리히에 있는 IBM 연구소의 뮐러와 베르노츠는 35K에서 초전도현상을 보이는 금속산화물을 발견함.
64. BCS이론이 깨졌고, 이들도 1987년 노벨물리학상을 타감.
65. 초전도체는 노벨상 낳는 기계임.
66. 1987년에는 임계온도 97K가 발견됨.
67. 이제 남은 숙제는 상온(25도, 298K)에서 초전도가 되는 물질을 발견하는 것임.
68. 초전도체는 저항이 사라지는 것 외에도 여러가지 효과가 있음.
69. 외부 자기장이 초전도체 내부에 침투하지 못하는 마이스너 효과도 있음.
70. 외부 자기장이 초전도체 내부에 침투하지 못하니, 그 힘으로 물건을 밀게 됨.
71. 공중부양현상을 설명할 수 있는 효과임.
72. 아직 25K 이상에서 초전도가 일어나는 이유를 알지 못함.
73. 이유를 증명하면 이것도 노벨상 각임.
74. 휴대폰을 오래 사용하면, 휴대폰이 따끈따끈 해지는 것을 경험할 수 있음.
75. 전기에너지가 열에너지로 바뀌며 소모되는 현상임.
76. 초전도체는 저항이 없기 때문에 이런 에너지 손실없이 전기에너지를 사용할 수 있음.
77. 초전도체의 가장 잘 알려진 응용분야는 자기부상 열차임.
78. 자기부상열차는 초전도체와 전자석을 이용해서 열차를 지면 위로 부양해서 지면과 마찰 없이 운행하는 방식임.
79. 전자석에 자기력이 발생하여 부상하는 자기 부상은 전자석에 흐르는 전류의 양에 비례해서 무거운 물체를 띄우는 힘이 강해짐.
80. 저항이 있는 전선을 사용하면, 전기에너지가 열에너지로 바뀌기 때문에 전류를 계속 보충해 줘야 하는 문제가 있음.
81. 전자석의 전선을 초전도체로 만들면, 저항이 없기 때문에 한번 전력을 공급하면 전력이 손실 없이 계속 흐르게 되는 것임.
82. 초전도체는 전기 손실 없는 전력케이블, 핵 융합로, MRI, 열이 발생되지 않는 전자기기 등 사용범위가 무궁무진함.
83. 문제는 아직까지 초전도체를 작동시키려면 초저온이 필요하다는 점임.
84. 상온에서 초전도체가 되는 물질을 발견하면, 초전도체의 활용 범위가 무궁무진하게 넓어지게 됨.
85. 영화 아바타에서 인간들이 나비족 행성을 찾아가는 이유가 초전도체인 언옵티늄을 채굴하기 위함이고, 나비족 행성이 언옵티늄으로 구성되어 있기 때문에 공중에 떠 있다는 설정이 가능한 것임.
86. 작년에 고려대 출신 연구원들이 있는 연구소에서는 400k이하에서 초전도현상을 발견했다는 논문을 발표함.
87. 납과 인산염에 들어있는 납 이온을 구리로 치환하고 압력을 가할 경우 이러한 현상이 나타났다는 내용임.
88. LK-99 떡밥이 세상에 풀림.
89. 초전도체의 가능성에 흥분한 시람들로 관련 주식들이 엄청나게 올라감.
90. 학계 전문가들로 구성된 LK-99 검증위원회가 백서를 발간했고, "LK-99가 초전도체라는 근거가 전혀 없다"라는 결론이 나옴.
91. LK-99를 발견한 김현탁교수도 LK-99가 초전도체가 아니라는 사실을 인정함.
92. LK-99는 초전도체가 아니지만, LK-99를 변형시킨 PCPOSOS는 초전도체라고 다시 주장하고 나서지만, 떡밥은 식은 상태임.
93. 2024년 10월 17일, 네이처에 논문 하나가 발표됨.
94. 이번에는 고려대가 아니라 연세대 연구팀이었고, 초전도체의 비밀을 풀어내는 '전자결정 조각'을 발견했다고 함.
95. 연세대팀이 새로운 이론을 만든것은 아님.
96. 1963년 노벨 물리학상 수상자인 유진 위그너가 이론적으로 예측했던 전자 결정조각을 실제 입증을 했다는게 논문의 핵심임.
97. 고체속에 원자들은 일정한 자리에 고정되어 움직이지 않음.
98. 원자와 달리 전자들은 기체처럼 자유롭게 돌아다닐 수 있고, 전압을 걸어서 전자를 한방향으로 흐르게 만들면 전류가 발생되며 전기가 생산됨.
99. 이번에 발견한 것은 기체가 아니라 액체와 고체 두가지 성질을 동시에 갖는 전자결정의 존재를 실험으로 확인한 것임.
100. 연구진은 흑린에 나트륨,칼륨,루비듐,세슘등을 집어넣어 전자결정이 포함된 것으로 보이는 물질을 만듬.
101. 이것을 미국 로렌즈버클리국립연구소에 보내서 방사광가속기로 분석을 했음.
102. 방사광가속기는 전자를 빛에 가까운 속도로 가속해서 강한 빛을 내는 장비임.
103. 방사광가속기로 만든 빛을 흑린에 충돌시켜, 튕겨져 나오는 것을 분석해서 고체와 액체성질의 전자결정조각을 확인했다고 함.
연세대 연구진이 흑린에 알칼리 금속을 도핑한 물질에서 찾은 전자의 배열(가운데). 기체 상태의 전자는 완전히 불규칙한 모습(왼쪽)을 보이며, 고체 상태 전자는 완전히 정렬된 모습(오른쪽)을 보인다. 반면 전자 결정 조각은 무작위로 보이는 배열 사이에 규칙적인 패턴이 일부 포함돼 있다./연세대
104. 이번 연구가 검증되면, 쿠퍼쌍이 전자를 묶는 힘의 정체를 확인하는 초전도체의 실마리를 찾게 된다고 함.
105. 상온 초전도체가 상용화되면, AI와 핵융합등에서 큰 변화가 나타날 수 있음.
106. AI의 큰 문제는 엄청난 데이터가 필요하고, 수많은 데이터센터가 필요한 것임.
107. 데이터센터를 유지하는데 가장 중요한 것은 발열을 잡는 것임.
108. 발열은 전기저항에서 나오는 것인데, 초전도체로 데이터센터를 만들면, 전기저항이 없어서 발열이 사라지게 됨.
109. 핵융합의 현실화도 빨라지게 됨.
110. 핵융합은 중수소(2H)와 삼중수소(3H) 같은 가벼운 원소의 핵들이 결합해, 원자핵으로 변하면서 에너지를 내놓는 현상임.
111. 핵융합 원리는 아인슈타인의 특수상대성 이론에 의해 밝혀진 질량-에너지 등가 법칙(E=MC²)에서 나옴.
112. 한 개의 양성자와 한 개의 중성자를 가진 중수소와 한 개의 양성자와 두 개의 중성자를 가진 삼중수소가 충돌하면 헬륨 원자가 됨.
113. 이때 만들어지는 헬륨 원자의 질량은 중수소와 삼중수소의 질량을 합친 것보다 약간 작기 때문에, 질량의 손실만큼 질량-에너지 등가 법칙에 의해 헬륨 원자와 함께 중성자가 나오는 원리가 핵융합임(어려우면 넘어가도 됨).
114. 핵융합에서 나오는 중성자가 핵융합로에 열을 발생시키고, 그 열이 물을 끓여서 증기를 발생시키면 발전소가 돌아가기 시작함.
115. 태양이 바로 핵융합으로 돌아가는 발전소임.
116. 핵융합발전소는 태양의 핵융합 에너지 발전방식을 지구에서 구현해서 전기를 만들어 보겠다는 것임.
117. 말은 쉽지만, 핵융합이 일어나려면 원자핵을 하나로 합쳐야 하는데, 두 원자핵의 전기력(서로 밀어내는 힘)을 극복하고 핵력(서로 잡아당기는 힘)이 작용할 만큼 가깝게 접근시켜야 해서 엄청난 압력과 에너지가 필요함.
118. 자석을 같은 극끼리 붙이려면 서로 밀어내는 성질 때문에 잘 붙지 않지만,자석을 강하게 밀면 잠깐이지만 자석을 붙일 수 있음.
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119. 핵융합도 원자핵들이 가지고 있는 반발력 이상의 에너지를 가해주면 서로 밀어내는 힘을 이겨내고 핵융합이 일어나는 것임.
120. 태양의 경우 중심부의 압력이 워낙 높아 1천만도 정도로 온도만 올려주면 핵융합이 일어남.
121. 지구는 태양의 중심부만큼 압력이 높은 곳이 없어서, 1억도 이상 온도를 올려줘야 핵융합이 시작됨.
122. 중수소와 삼중수소를 1억도 이상으로 가열하면, 원자핵과 전자가 분리된 기체 상태가 되고, 이것을 플라스마라고 부름.
123. 플라스마 상태가 되면, 두 원자핵이 융합되며 에너지가 나오기 시작함.
124. 문제는 1억도 이상으로 가열된 플라스마를 가둬놓고 견딜 수 있는 물질이 지구상에 없는 것임.
125. 여기에서 초전도체가 필요해지게 됨.
126. 플라즈마를 거대하고 강력한 코일의 자기장으로 가두는 방법이 있는데, 이것을 유지하려면 저항이 없는 초전도체가 필수적임.
127. 현재까지 초전도체는 극저온이 필요함.
128. 핵융합을 통해 나오는 전기보다, 초전도체를 유지하기 위해 극저온을 만드는 전기등이 더 필요해서 가성비가 안나오고 있음.
129. 극저온이 필요없는 상온의 초전도체가 나오면 이 부분이 해결되며, 핵융합 상용화에 많이 가까와 지는 것임.
130. 플라스마는 일정 조건이 만족되면, 그때부터 외부에서 열을 가하지 않아도 태양처럼 스스로 핵융합을 유지하는 인공태양이 됨.
131. 한국도 핵융합에 꽤 괜찮은 연구결과를 보여주고 있음.
132. 한국 핵융합에너지연구원(KFE)은 1995년부터 연구를 해서 2008년에 초전도 핵융합연구장치(KSTAR) 운전을 시작함.
133. 기존의 다른 핵융합국의 원자로는 내부의 구리 전자석 온도가 너무 높아져 긴 시간 동안 가동될 수 없었음.
134. KSTAR는 초전도자석을 이용한 장치로 개발되어, 냉각에서 기존 다른 핵융합 선진국의 장치를 앞서게 됨.
135. 초전도자석을 이용한 KFE의 핵융합장치는 플라스마를 가둘 수 있는 더 강력한 자기장을 만들고 오랫동안 가동할 수 있어, 장시간 안정적인 플라스마 유지가 가능해진것임.
136. 우리나라가 선진국들에 비해 뒤늦게 핵융합연구를 시작했지만, 빠르게 따라잡을 수 있는 이유가 초전도자석을 활용해서 였음.
137. KFE은 현재도 1억도 이상 초고온 플라스마를 장시간 유지하는 부문에서 48초 유지라는 세계 최고 기록을 가지고 있음.
138. KFE은 2026년까지 플라스마 300초 유지를 목표로 연구개발을 진행하고 있음.
139. 300초에는 핵융합에 필요한 물리적 타임 스케줄이 모두 담겨 있음.
140. 플라스마가 300초를 버틴다는 의미는 24시간 365일 돌아가는 상용화 단계가 되는 것임
141. 달에서 가져올 수 있는 헬륨3로 진행하는 핵융합은 방사능이 나오지 않음.
142. 핵융합 발전소는 터져도 방사능 유출이 없고, 플라스마가 그냥 사라질 뿐임.
143. 스티븐 호킹이 핵융합 기술을 실현 가능한 청정 무한 에너지라고 불렀던 이유임.
144. 10월13일, 스페이스X의 121m 높이 스타십은 5번째 도전에 성공을 함.
13일(현지시간) 스타십 5번째 시험비행 발사 장면
[로이터=연합뉴스 자료사진. 재판매 및 DB 금지]
145. 본체도 성공적으로 목표를 달성했고, 71m짜리 추진로켓은 스스로 돌아와서, 재활용이 가능하게 발사대로 회수가 된 것임.
스페이스X의 슈퍼헤비 로켓이 발사 후 귀환해 '젓가락 팔' 모양의 발사탑에 성공적으로 포착되는 모습
[AFP=연합뉴스. 재판매 및 DB 금지]
146. 스타십 우주선은 사람이나 화물을 150톤까지 실을 수 있게 만들어짐.
147. 2년뒤인 2026년 9월, 우주비행사를 달에 착륙시키는 아르테미스 계획에는 달에 있는 헬륨3를 가져오는 목적도 포함되어 있음.
148. 달표면에 깔려있는 헬륨3를 핵융합에 활용하면 인류가 수만년을 사용할 수 있는 에너지가 확보되는 것임.
149. 우주개발과 초전도체가 합쳐지면서, 새로운 에너지는 점점 가까와지고 있음.
한줄 코멘트. 이번 한국연구진의 초전도체 연구는 네이처에 논문으로 실려서, 어느정도 신뢰성을 확보하게 됨. 네이처에 논문으로 올라가기 위해서는 상당한 수준의 검증과정을 거치기때문임. 다만, 기초연구 부분이라 기존 LK-99정도의 떡밥은 생기지 않을듯함. 이런 발전들이 하나씩 쌓이면서, 핵융합발전도 조금씩 가까와지고 있음. 일론 머스크가 달에 그냥 가는것은 아님.