열차리기보다는 비행기에 가까운 초전도 자기부상열차
21세기는 초전도(super conductivity)가 지배하는 사회가 될 것이다. 초전도란 잘 알려진 바와 같이 대부분의 금속이 절대온도 0도 가까이서 저항이 없어져, 전류가 잘 흐르는 현상을 말한다.
초전도의 응용영역을 매우 넓다. 전기저항이 없으므로 발전된 전기를 손실없이 송전할 수 있고, 회로에서 발생하는 열때문에 집적도의 한계에 부딛친 반도체칩에도 응용할 수 있다. 이밖에도 행융합발전 입자가속기 핵자기공명 단층촬영장치(NMR-CT) 자기부상열차 등 응용분야는 무한에 가깝다.
문제는 절대온도 0도 가까이 온도를 낮추는 것. 그러나 다행히도 뛰어난 머리를 갖춘 물리학자들이 초전도현상이 일어나는 온도를 높이는데 열성을 보여, 조만간(?) 상온(10℃~15℃)에서도 초전도현상은 가능할듯하다. 현재 초전도현상이 가능한 온도는 100K내외.
초전도를 깊이 이해한다는 것은 생각만큼 쉽지않다. 여기에서는 미래의 교통수단으로 각광받고 있는 자기부상열차를 중심으로 초전도 현상을 알아보자.
초전도체 사진 중에서 빠짐없이 등장하는 것은 뜬 초전도물질. 이를 '마이스너'효과라고 한다. 중학교 때 배웠듯이 자석 사이에 코일을 넣으면 전류가 흐른 것을 안다(전자석의 원리). 이는 전류가 흐는 곳에 자기장이 생기고 자기장 속에서는 전류가 흐르는 현상. 즉 전자기(電磁氣) 유도현상이다.
자기장 안에 도체를 넣으면 전자기유도현상에 의해 도체에 전류가 흐른다. 이 도체가 초전도체라 하면 전기저항이 없으므로 한번 생긴 전류는 자기장이 존재하는 한 계속 전류가 흐른다. 이 전류를 '차폐전류'라 하며, 이는 또다시 초전도체 주위에 기존의 자기장과는 반대 방향을 강력한 자기장을 형성하며, 이 두 자기장은 서로 반발하여 물제를 뜨게 만든다.
초전도 자기부상열차는 말 그대로 레일과 레일 좌우측에 전자코일을 설치하고, 초전도자석을 열차에 설치, 반발력으로 일정공간을 뜨면서 초스피드로 움직이는 것이다.
초전도 자기부상열차는 수송기관의 기본 3요소인 차체를 지탱해주는 지지구조, 차체를 가속 또는 감속시켜주는 추진구조, 차체를 방향지워주는 안내구조. 모두에 초전도 자석의 마이스너효과가 관여하여 부상(浮上)하면서 주행하게 된다.
일반적으로 리니어모터카, 자기부상열차에는 초전도가 아닌 상전도(常傳導)리니어모터카가 있고 초전도 리니어카나 있다. 잘 알려진 HSST는 상전도 리이어모터카이다. 상전도형은 반발식이 아니라 흡인식이며, 제어가 매우 불안정한 것으로 알려졌다.
이에 비해 초전도형은 아직 세상에 선을 보이지 않고 있다. 일본에서 가장 활발히 연구가 진행되는데, 이것이 실용화되면 열차라기 보다는 비행기라 불러야할듯. 똘이가 타고간 초전도 자기부상열차가 비행기를 탄 삼촌을 앞지르는 것은 당연한 일.
이 열차의 원리를 조금 자세히 살펴보면 초전도 자석을 설치한 열차가 가이드웨이(guide way)위를 통과하면 가이드웨이 위에 가설된 지지(支持)코일에 유도전류가 흐른다. 앞에서 설명한 '패러데이'의 전자유도 원리이다.
이 결과 지상코일과 열차의 자석은 반발하여 차체가 뜨게된다. 현재 13m길이의 차체 10t을 가볍게 부상시킬 수 있다. 차체의 방향도 가이드웨이 최후의 벽에 설치된 코일에서 반발력으로 조절한다.
추진력은 어떻게 얻는가. 지상에 설치된 코일에, 차량의 속도에 대응한 위상(位相)와 주파수를 흘려보내주면 차량의 초전도자석과의 사이에 차례로 흡인력과 반발력이 생긴다. 부상하기 때문에 마찰이 극히 적어, 일본에서 실험하기로는(약 7km정도) 시속 5백km를 기록했다. 육상의 교통기관으로 세계기록.
초전도상태를 만드는 것부터 쉽지 않으나, 골치아픈 문제는 과학자 기술자들에게 맡겨놓고 10cm 정도의 상공을 시속 5백km로 나는 꿈이나 꾸어보자.
꿈을 꾸다보면 초전도 스키도 탈 수 있고 초전도 자동차도 가능하다. 다만 이때에는 길 모두에 전자기코일을 깔아야 한다.
