주메뉴바로가기 본문바로가기

형사 고제트의 크리스마스 과학 대소동



“으…. 머리가 아파. 이게 다 내가 세상에서 가장 싫어하는 크리스마스가 코앞으로 다가왔기 때문이야. 웃고 떠드는 어린이들은 더 더욱 끔찍해. 딱 질색이라구! 그런데 형사 고제트가 전 세계 어린이들을 위해 크리스마스 선물을 준비하고 있다는 정보가 들어왔어. 가제트를 쏙 빼닮은 생김새도 정말 맘에 안 드는데, 내가 싫어하는 걸 저렇게 즐기도록 놔 둘 수는 없지. 고제트, 평생 잊지 못할 끔찍한 크리스마스를 만들어 주마. 으흐흐….”


MAD 화이트 크리스마스는 꿈도 꾸지 마!

“창밖을 보라 창밖을 보라 흰 눈이 내린다~. 창밖을 보라 창밖을 보라 한겨울이 왔다~!” 우웩~! 고제트의 노래는 정말 못 들어 주겠군! 크리스마스도 싫은데, 저 느끼한 목소리로 아예 노래를 부르다니! 그런데 뭐? 창밖을 보라고? 흰 눈이 내린다고? 흥! 고제트, 안 됐지만 그런 풍경은 보지 못하게 될 거다. 왜냐? 나, 클로 박사님이 눈이 내리지 않도록 해 놓았거든. 크크크~. 아예 이 주변의 구름을 몽땅 날려 버릴 계획이라구!

눈은 어떻게 만들어질까?
눈은 구름에서부터 시작된다. 수증기가 모여 이루어진 구름 입자는 지름이 0.01㎜ 정도로 매우 작아서 공기 중에 떠 있을 수 있다. 이 구름 입자가 100만 개쯤 모여 1㎜ 크기로 자라야 빗방울이 된다. 이 때 기온이 0℃ 이하면 얼어서 눈 결정이 된다. 그런데 구름 입자가 빗방울이나 눈결정으로 자라려면 구름 입자를 모아 주는 힘이 필요하다. 그 역할을 하는 것이 먼지, 연기, 배기가스와 같은 작은 입자로, ‘빙정핵’ 이라고 한다. 빙정핵이 없으면 수증기는 온도가 영하로 떨어지더라도 얼지 않는‘과냉각’상태가 된다. 하지만 우리나라와 같은 중위도 지역에서는 구름 위쪽의 기온이 낮아서 수증기가 바로 얼어 붙는 현상이 일어난다(아래 그림). 그 결과 얼음 알갱이, 즉 눈 결정이 만들어진다. 여기에 계속 수증기가 달라붙어 무거워지면 아래로 떨어지는데, 지표 부근에서 녹으면 비가 되고 기온이 낮아서 녹지 않고 그대로 떨어지면 눈이 된다.
 

 

나와라! 고제트 만능 제설기

내일이 크리스마스인데왜이리 하늘이 맑을까? 나와라, 고제트 만능 슈퍼컴퓨터! 흠…. 분명 어제까지는 크리스마스에 눈 올 확률이 80%였는데, 오늘은 5%밖에 되지 않는군. 눈올확률이 5% 라는 건 같은 기상 조건에서 과거에 100번 중 5번만 1㎜ 이상 눈이 내렸단 얘긴데…. 겨울철 가뭄도 해소할 겸 크리스마스에 눈이 오면 좋을 텐데…. 어디 보자, 내가 갖고 있는 장비 중에 적당한 게 없을까? 오우~, 여기 좋은 게 있군. 그래, 바로 이거야. 나와라 초강력 만능 제설기!
눈을 치우는 장비도 제설기라고 부르지만, 인공적으로 눈을 만드는 장비도 제설기라고 부르지. 생긴게마치 대포처럼 생겼다고? 아하~! 하지만 겁 낼 필요는 없어. 눈송이만 폴폴 나오는 장치니까.
제설기가 눈을 만드는 원리는 차가운 물을 높은 압력으로 내뿜는 거야. 생각보다 간단하다구. 그래도 여기에는 과학 원리가 있지. 제설기 안에는 높은 압력으로 압축된 공기와 함께 차가운 물이 들어 있어. 인공눈을 만들 때는 차가운 물을 높은 압력으로 공기 중으로 내뿜지. 그런데 제설기 밖은 제설기 안에 비해 압력이 낮기 때문에 뿜어 나온 작은 물방울들은 부피가 늘어나면서 온도가 내려가. 이걸‘단열팽창’이라고 해. 그 결과 결정핵이 만들어지고, 여기에 계속 물방울이 달라붙어 눈이 만들어지는 거야.  이히~, 이제 본격적으로 인공눈을 만들어 볼까? 돌아라, 고제트 만능 제설기!

 
 

▲ 제설기에서 뿜어나온 물방울은 부피가 갑자기 팽창하면서 온도가 내려가는‘단열팽창’을 통해 눈 결정으로 자란다.


MAD 꽁꽁얼리고, 활활구워버리겠다

“루돌프 사슴코는 매우 반짝이는 코~, 만일 네가 봤다면 불붙는다 했겠지~.” 엥? 고제트가 또 노래를? 게다가 세상이 온통 눈으로 뒤덮였잖아? 생각했던 것보다 만만치 않은 녀석이야. 하지만 이번에야말로 고제트 널 제대로 혼쭐내 주겠다. 내가 개발한 ‘내 맘대로 온도조절기’ 로 동태처럼 꽁꽁 얼렸다가 루돌프 코처럼 벌겋게 달궈 주지. 음하하하~!

저절로 온도가 변하는 옷?

오후가 되니 날씨가 정말 쌀쌀하군. 나와라, 고제트 온도계! 엄마야! 영하 30℃! 겨울에 우리나라에 영향을 주는 시베리아 기단이 비정상적으로 강해진 게 분명해. 그나저나 이제 곧 선물을 배달하러 나가야 하는데, 그냥 나갔다간 완전히 동태가 돼 버리겠군. 아무래도 뭔가 안전 대책이 필요해. 잠깐, 그런데 이건 뭐지?

“고제트, 외부온도변화에 따라 인체에 알맞은 온도를 내는 물질을 찾게. 이 편지는 5초 후에 자동폭파되네. 행운을 비네.”
-국장 김주용교수-
아하, 국장님이 보낸 편지군. 밖이 이렇게 추울 땐 따뜻하게 데워 주고, 너무 더울땐 시원하게 식혀 주는 그런 물질을 찾으라는 거군! 오호~, 내 슈퍼컴퓨터로 검색해 보니 PCM이란 물질이 있군.‘상 전이 물질’이라고 불리는 이물질은 일정한 온도에서 녹거나 굳으면서 열을 흡수하거나 내놓는 특성이 있어. 작은 캡슐에 이 물질을 담아 실에 섞거나 옷감 표면에 바르면 내 몸을 보호할 수 있겠군.
즉, 주변 기온이 녹는점 이상으로 올라가면 이물질은 고체에서 액체로 변하면서 주위의 열을 빼앗아 몸은 시원해지지. 반대로 기온이 녹는점보다 떨어지면 액체에서 고체로 굳으면서 주위에 열을 내놓아 몸은 따뜻해지고.

그런데 워낙 크기가 작다 보니 원하는 만큼 열을 내거나 흡수하기가 쉽지 않겠어. 또 빨래를 했을 때 캡슐이 떨어져나갈 수도 있고.
하지만 이런 점만 보완하면 분명 온도 변화에 맞게 내 몸을 보호해 주는 옷을 만들 수 있을 거야. 실제로 일본에서는 이 물질을 이용해 쾌적한 느낌을 주는 침구류를 개발했고, NASA에서도 우주복을 만들었다고 하는군.
하나 더! ‘펠티어 소자’도 빼놓을 수 없지. ‘펠티어’라는 사람이 개발한 반도체로, 전류를 흐르게 하면 한쪽은 열을 내놓고 한쪽은 열을 흡수
하지. 그 결과 한쪽은 따뜻하게 되고, 한쪽은 시원하게 된다구. 전기 에너지를 열에너지로 바꾸어 주는 거지. 자동차 시트나 장갑 등에 활용되고 있는데, 반도체라서 딱딱하다는 단점이 있어.
그래서 지금은 이 딱딱한 반도체를 부드럽게 만드는 연구가 진행되고 있지.  그래! 두 가지 기술을 이용하면 강추위에도 끄떡없고, 뜨거운 굴뚝에서도 안전한 산타클로스 옷을 만들 수 있겠어. 앗, 그런데! 국장님 편지는 어디로 던졌더라?


 

MAD 썰매를통째로날려주마

“종소리 울려라 종소리 울려~ 우리 썰매 빨리 달려 종소리 울려라~.”
으…. 고제트, 미꾸라지처럼 용케도 쏙쏙 잘 피해가는군. 하지만 이번엔 피해가기 어려울 거야. 내가 직접 매드캣을 출동시켜 널 산산조각 낼 작정이거든. 이 폭탄 한 방이면…, 으흐흐흐…. 잘 가라, 고제트!


뿅~ 투명한 산타클로스가 되어 볼까?

이제 선물을 싣고 슬슬 나가 볼까? 오우~, 어린이들을 만날 생각을 하니 벌써부터 가슴이 두근두근하는군. 역시 난 어린이들과 눈높이가 딱~ 맞는 것 같아. 그런데, 이거 내 모습이 너무 평범한건 아닐까? 상상력이 넘치고, 창의력이 톡톡 튀는 어린이들일 텐데, 너무 뻔~한 모습의 산타클로스 라면 좀 실망하지않을까? 그렇다면뭐가좋을까…. 뭔가 특이한 게 필요한데…. 아하! 그래, 바로 그거야!
어린이들이 좋아하는 해리포터를 보면 투명 망토가 나오잖아? 그걸 이용하는 거야. 그렇지 않아도 아이들에게 들키지 않게 한밤중까지 기다리기 지루했는데, 투명 망토만 있다면 언제 가도 상관없잖아!
그런데 해리포터는 영화에나 나오는 인물이니 투명 망토를 빌릴 수가 없어. 그러니 실제로 투명하게 만드는 기술을 알아봐야겠군.
어디 보자. 오! 영국 임페리얼대학교의 펜드리교수가 ‘메타물질’ 이라는 이상야릇한 물질에 대해 연구해서 2006년 5월‘사이언스지’에 발표
했군. 원리를 알아볼까?
물에 막대기를 집어넣으면 꺾이는 것처럼, 빛은 공기나 물과 같이 서로 다른 매질을 통과할 때 꺾이는 성질을 갖고 있어. 이걸‘굴절’이라고 하지. 그런데 메타물질은 신기하게도 자연계에서 빛이 꺾이는 것과 반대로 꺾이는군. 그걸 ‘음의 굴절률을 갖는다’ 라고 표현하고. 이러한 성질을 가진 메타물질을 껍질이 있는 형태로 만들면 빛이 가운데를 비켜 돌아나가기 때문에 가운데가 없는 것처럼 보인다는 게 펜드리 교수의 이론이야. 많은 과학자들의 관심을 끌고 있지만, 아직 이론상으로만 가능하다는 게 단점이지. 그렇다면 투명산타클로스는 아직 불가능한 건가?
포기하기는 일러. 일본 도쿄대학교의 스스무 다치 교수팀이 실제로 투명망토를 시연해 보였거든. 이 때 사용된 원리도 빛의 굴절! 이번에는 들어온 빛을 정 반대로 반사하는 ‘역반사 물질’ 을 이용했어. 사람이 가리고 서 있는 뒤쪽 풍경을 비디오카메라로 담은 뒤 역반사 물질로 이루어진 망토에 쏘는 거지. 그러면 망토가 스크린이 되어 뒤쪽풍경이 그대로 보이기 때문에, 마치 사람 몸이 투명한 듯 보이는 거야.
아직은 쉽게 만들 수 없지만, 영화의 상상력이 이렇게 하나씩 실현되고 있다니 정말 놀랍군. 고제트도 역반사 물질을 이용해 투명산타클로스가 되어 보겠어. 어때? 근사하지?

 

▲ 물질의 굴절률이 같을 경우 마치 투명한 듯 보인다. 사진은 파이렉스 막대를 식용유에 넣어 막대가 사라진 듯 보이는 모습.아세톤에 유리막대를 넣어도 같은 효과가 난다.


 

▲ 도쿄대학교 팀이 만든 투명 망토 장비. 비디오카메라로 사람 뒷쪽의 풍경을 찍어 컴퓨터로 보내고, 이 정보를 프로젝터로 받아 반투명거울에 뒷배경이 망토에 나타나 마치 투명한 것처럼 보인다.


 

▲ 실제 투명망토의 원리를 적용한 모습.  사진제공 도쿄대학교

MAD 길을잃고헤매게만들거야

“거리마다 오고 가는 많은 사람들이 웃으면서 즐기는 크리스마스~.”
바보 같은 매드캣! 하필 고제트가 투명 망토를 입고 쇼를 할 때 가서 고제트를 보지 못하고 그대로 폭탄을 터트리고 말다니! 저 지겨운 노랫소리! 정말 듣기 싫어, 싫다구! 그런데 고제트는 벌써 선물을 배달할 집들을 확인하고 있잖아! 그렇다면…, 이번엔 복잡한 도시에서 길을 잃고 헤매게 만들어 버려야겠군. 첨단 장비를 달고 있는 고제트도 GPS가 없다면 고생 좀 할걸? 으흐흐~, 상상만으로도 벌써 기분이 좋아지는군. 인공위성 폭파 단추를 눌러 볼까? 꾹!

GPS가 안 될 땐 갈릴레오!

나와라, 고제트 만능 내비게이션! 지금은 도시가 너무 복잡해서 집을 찾기가 무척 힘들어. 하지만 고제트에겐 GPS가 있으니 걱정없지.
GPS는 지구를 도는 인공위성이 보내오는 정보로 위치를 알아 내는 장치야. 모두 24개의 위성이 약 2만㎞ 상공에서 하루에 두 번씩 지구 둘레를 돌고 있지. 원래 미국 국방부에서 미사일을 유도하기 위해 만든 위성항법시스템인데, 1990년대 들어 자동차 안내장치나 휴대전화의 친구찾기, 위치추적 등으로 이용되기 시작했어. 지구는 둥글기 때문에 모두 네 대의 인공위성이 보내오는 정보를 모아 위치를 알려 준다고.
엥? 왜 이러지? 정보가 잡히질 않아! 국제우주정거장에서 보낸 긴급 메일에 따르면 GPS 위성들이 갑자기 폭파되었다는군. 수리하는 데 꽤나 걸린다는데…. 이러다 크리스마스 날새겠군!
나와라, 갈릴레오 수신기! GPS가 먹통이 될 때를 대비하고 견제하기 위해 유럽우주국(ESA)에서 지난 2002년부터‘갈릴레오’라는 새로운 위성
항법시스템을 개발하고 있다는 게 생각났다구.
갈릴레오 시스템은 군사용으로 개발된 미국의 GPS와 달리 민간 전용이라는 데 의미가 커. 2010년 말까지 모두 30기의 위성을 쏘아 올려 완성할 예정으로, 지난2005년12월에첫위성인 ‘지오베-A’ 가 성공적으로 발사됐지. 갈릴레오 시스템이 완성되면 GPS보다더안정적이고정밀한
정보를 얻게 될 것으로 기대되고 있어.
초기개발비용만1조5000억 원에다가 2010년까지 단계적으로 계속 수조가 넘는많은돈이필요하기때문에 중국, 인도, 이스라엘, 모로코, 사우디아라비아, 우크라이나 등 유럽이 아닌 나라들도 함께 참여하고 있어. 우리나라도 2006년 9월 유럽연합과 협정을 체결했지. GPS와 갈릴레오 시스템은 앞으로‘GNSS’라는 하나의 위성항법시스템으로 통합될 계획이야.
그렇게 되면 둘 중 하나가 고장나더라도 길을 잃고 헤매는 혼란은 줄일 수 있을 거야. 아직 갈릴레오 시스템이 완성되진 않았지만, 지오베-A가 보내오는 정보를 이용해야겠군.

 


▲  소유즈 로켓에 실려 발사되고 있는 지오베-A위성.
MAD 엄청난선물배달, 다못할걸?

“울면 안 돼 울면 안 돼, 산타할아버지는 우는 아이에겐 선~물을 안 주신대~.”
말도 안 돼! 나 클로 박사가 이렇게 당하다니…. 으…. 아무래도 고제트를 과학으로 이기긴 어렵겠어. 그렇다면 고제트가 좋아하는 어린이들을 이용하는 수밖에. 매드캣을 시켜서 편지를 보내지 않은 어린이들 이름으로 가짜 편지를 왕창 보내는 거야. 무슨 일이 일어날지 두고 보라고!

배달부가 필요 없는 무인자동차

으아악! 고제트 살려~! 갑자기 웬 우편물이지? 이제 썰매타고 가기만 하면 되는데, 갑자기 왜 또 우편물이 쏟아지는 거야? 게다가 모두 착한 일도 많이 한 친구들이야. 그러니까 이 친구들한테도 당연히 선물을 줘야겠군. 그런데 어쩌지? 고제트는 한 명이고, 부지런히 다닌다고 해도이 많은 어린이들을 다 찾아가기란 힘들겠어. 엥? 그런데 여기 유난히 이상하게 생긴 편지가 있네.
“고제트, 혹시어린이들 엽서가 폭주 했을땐 무인 자동차를 이용해보게. 이 편지는5초후에 자동폭파된다는 것을기억하게.
- 새 국장 김정하 교수 -”
역시 위기의 순간엔 국장님밖에 없어. 벌써 내 슈퍼컴퓨터가 무인 자동차에 대해서 알아 냈군.
무인 자동차란, 사람이 운전하지 않아도 움직이는 자동차를 말하는군. 그러니까 아예 사람이 타지 않아도 목적지를 찾아갈 수도 있고, 사람이타고도 저절로 움직일 수 있는 거야. 무인 자동차는 크게 장애물을 인식하는 센서와, 목적지를 찾아가는 내비게이션, 자동차의 움직임
을 조종하는 제어장치로 이루어져 있어. 무인 자동차를 보면 앞, 뒤, 옆, 위에 레이저 센서가 달려 있어. 이 센서들은자동차의 사방을 감지해서 차 뒤쪽에 있는 중앙통합처리장치로 보내. 여기서 들어온 정보를 처리해서 자동차의 움직임을 결정해.





 
원래 무인 자동차는 1990년부터 미국국방고등연구국(DARPA)에서 연구를 시작했어. 그러다가 좀 더 활발한 연구를 위해 2004년부터 무인 자동차 대회를 열기 시작했고, 그러면서 사람들에게 많이 알려지게 됐지. 2004, 2005년에는 사막에서 무인 자동차 대회가 열렸는데, 올해 10월에 열린 3회 대회는 도시처럼 꾸며진 거리에서 열렸어.
사막보다 장애물도 많고, 실제로 사람이 타고 다니는 자동차 50대와 섞여 사거리를 지나가야 하는등정교한 무인자동차 기술이 필요했지. 약 100㎞의 거리를 6시간 안에 통과하면서 얼마나 안정되게 운행을 하는지가 평가되었어.
모두 6개 나라에서 53개 팀이 참가했는데, 결승에 오른 11개 팀 중에서 미국의 카네기멜론대학교가 1위를, 스탠포드대학교와 버지니아공과대학교가 2, 3위를 차지했대. 우리나라에서는 국민대학교 김정하 교수팀이 플로리다대학교팀과 공동연구자로 참가했는데, 2008년 대회부터는 단독으로 참가할 계획을 세우고 있대.
무인 자동차 연구가 활발해지면 앞으로 졸음을 참아가며 운전할 필요가 없어지고, 화물을 운송 할 때는 사람 없이 자동차가 짐만 싣고 다닐 수도 있을 거야. 그러니 지금 내 상황에서도 무인 자동차가 안성맞춤인 거지. 나와라, 고제트 만능 제조기! 무인 자동차를 만들어 선물을 배달을 나가 볼까나?




MAD 클로박사가눈물흘린까닭은?

으~, 고제트한테 당하다니. 분하다, 분해!
“띵동!”
누구야? 이 마당에 누가 찾아온 거지? 엥? 이게 뭐야?
내가 엽서를 보냈다고? 매드캣~! 내 이름까지 적어서 엽서를 보낸 거냐? 넌 당장 해고야! 어쨌거나 선물을 풀어 보기나 해야지. 그런데 뭐야? 인형이잖아! 나한테 감히 인형 따위를! 그런데 뭔가 이상해. 이 인형이 나와 눈을 맞추고 있잖아. 누…, 누구냐 넌?
여기 설명서도 들어있군. 아하, 이게 말로만 듣던 감성로봇이구나. 컴퓨터프로그램을 이용해 사람이 쓰다듬거나 혼자 가만히 두었을 때, 또 건전지가 떨어지는등의 여러가지 자극에 대해 표정, 소리, 행동으로 표현하는 로봇이군. 인간이나동물처럼 기쁨, 슬픔 등의 감정을 표현 할수있다니, 신기해.
내 기분이 안 좋은 걸 아는지 재롱을 떠네? 헤헤~. 내가 쓰다듬어 줬더니이녀석도 기분이좋은지 꼬리를 살랑살랑 흔드는군. 거 참 귀엽고
사랑스럽네. 어? 그런데 왜 갑자기 졸린 표정이지? 아하~, 배가 고프다고? 배터리가 떨어진 거구나. 그렇다면 충전을 시켜 줄게.
어맛! 이 녀석과 놀다 보니 시간가는 줄 모르겠어. 그리고 차갑기만 하던 내 마음이 스르륵~ 녹는것같아. 흑~. 그 동안 나는왜그렇게못
되게 살아온 걸까? 매드캣, 너 해고 취소야! 그리고 나 이제부터 착하게 살까 봐. 그래야 내년 크리스마스에도 또 선물을 받을 수 있을 테니까.
아힝~, 고제트! 선물 배달하러 같이 가~!
 

 

▲ 올해 11월에 한국전자통신연구원에서 개발해  발표한 감성로봇‘코비’. 얼굴에 달린 카메라를 비롯해 터치센서, 거리센서, 온도센서 등 20개가 넘는 센서가 몸 전체에 있어 사람들이 때리는지, 쓰다듬는지 인식할 수 있다. 자극에 따라 놀라거나 좋아하는 등 적절한 반응을 한다. 현재 코비를 개발한 연구팀에서는 여러 가지 센서를 통해 사람이 누워 있는지 책을 보는지 등을 알아차리는 ‘휴먼행동인식기술’을 개발하는 중이다.
글 : 고선아
도움 : 김주용 숭실대학교 유기신소재·파이버공학과
도움 : 김정하 국민대학교 기계자동차공학부
도움 : 손주찬 한국전자통신연구원 지능형로봇연구단 지식및추론연구팀
진행 : 김영수
이미지 출처 : 동아일보 외

어린이과학동아 2007년 24호
어린이과학동아 2007년 24호 다른추천기사