우주선과 잠수정은 모양과 원리가 비슷하다. 그러나 엄청난 수압이 건재하고 태양빛과 태양에너지를 이용할 수 없는 등 해저의 환경은 우주보다 훨씬 열악하다.
해저는 옛날부터 인간이 도달할 수 없는 비경으로 간주돼 왔으며, 인공위성이 날고 있는 현대에도 여전히 미지의 영역으로 남아 있다. 그러나 인간은 옛날부터 바닷속을 보고 싶은 호기심이 강했다. B.C.332년 마케도니아의 알렉산더대왕은 유리통속에 들어가 깊은 물속에서 사흘간 지냈다고 한다. 그로부터 2천여년이나 지난 후에야 본격적인 잠수선이 등장했다. 금세기에 들어서면서 거대한 수압의 벽을 극복할 수 있는 기술이 등장하면서, 유사이래 신비의 베일에 덮여있던 해저가 조금씩 그 자태를 나타내고 있다.
인간이 도전하고 있는 미지의 분야인 해양과 우주는, 환경이 전혀 다른 상태임에도 불구하고 개발방법이나 개발도구의 설계에서 유사점이 많다. 특히 개발도구인 잠수정과 우주선에는 비슷한 점이 많다. 우주선은 중력과 원심력의 균형(balance)을 이용해 일정한 고도를 유지하며, 잠수정은 중력과 부력의 균형을 이용해 일정한 수심을 유지한다. 또한 사람이 활동하는 내압체(耐壓體)의 내부에는 지표면과 같은 대기압을 유지해야 하며, 외부와 내부와의 압력차를 견디면서도 완전밀폐가 요구되는 등 공통점들이 많다. 실제로 근대 심해잠수정은 비행선을 제작한 물리학자들에 의해 개발됐다.
지구표면의 71%를 점하고 있는 해양을 탐사하는 수단으로는 수상의 해양조사선, 수중의 잠수정 및 하늘의 비행체가 이용된다. 이중 해양조사선은 움직이는 연구소라고도 불리는데 해양연구의 기초자료를 얻기 위한 학술관측을 비롯해 해상기상 자원탐사 등의 실용적인 관측을 수행한다. 특히 선박이란 이점을 활용해 많은 과학자와 무거운 과학기재들을 실을 수 있으며 장기간 항해도 가능하다. 원격탐사(remote sensing) 방법은 주로 공중에서 관측하며, 기구(氣球) 비행기와 인공위성 등이 사용된다. 최근에 각광받고 있는 이 방법은 넓은 수역을 관측하며 동시성(同時性)도 높기 때문에 매우 효과적이지만 주로 해면(海面)에 대한 정보에 국한된다.
선박이나 비행체에 의해 계측하는 방법은 간접적인 조사여서 자료의 정확성에 한계가 있으므로, 직접 사람의 눈으로 관찰하고 촬영하거나 시료를 채취할 수 있는 장치로서 잠수정이 요구된다. 따라서 해저의 광역조사에는 해양조사선 비행기 또는 인공위성이, 정밀조사에는 잠수정이 적합하다.
프랑스와 미국의 깊이경쟁
잠수정에는 유인잠수정과 무인탐사정이 있다. 유인잠수정의 선구자로 불리는 세계 최초의 심해잠수구(bathysphere)는 미국의 비브(C. W. Beebe)에 의해 1930년에 제작됐는데 최대수심 9백20m를 기록했다. 이 잠수구는 직경 1백37cm, 두께 38mm의 강철구로 되어 있고 선박에서 외이어(wire)로 묶어 해저에 내려가는 방법을 사용했기 때문에 해저부근에서 자유로운 행동을 하지 못했다.
와이어로부터 해방된 심해 잠수정은 1948년 벨기에대학의 물리학자 피카드(A. Piccard)교수가 처음 건조했다. 자신이 만든 수소기구 FNRS호로 고도 2만3천m까지 성층권을 관측한 탐험가 피카드는, 기구의 원리를 이용한 심해잠수선도 설계했다. 이 심해잠수선의 이름은 FNRS2호, 직경 2m, 두께 6mm의 내압구로서 유인상태에서 2천5백m 잠수하는데 성공했다. 이 잠수정은 당시 심해기술의 선두를 다투던 프랑스와 미국에 국가의 명예를 건 잠수기록 경쟁을 유발시켰다.
프랑스 해군은 FNRS2호를 구입한 후 개조하여 작업수심을 최대 6천m로 증가시켰다. 개조된 FNRS3호는 세계 최초의 본격적인 심해잠수정으로 불리고 있으며 1954년 1월에 완성됐다. 이로써 심해잠수정의 개발에는 프랑스가 일차적으로 선두를 차지했다.
한편 피카드는 이탈리아의 트리에스테(Trieste)시에서 제공하는 자금으로 1954년에 6천m급 트리에스테호를 개발했고, 미국해군이 이를 매입하여 작업수심을 1만2천m로 증가시켰다. 개조된 트리에스테2호는 1969년 5천5백m의 잠수기록을 수립해 프랑스가 가지고 있던 4천1백m 수심기록을 갱신했고, 1960년 1월23일에는 지구상에서 가장 깊은 필리핀의 마리아나해구 수심 1만8백63m까지 잠수해 세계를 놀라게 했다. 트리에스테호는 현재 워싱턴에 있는 해군박물관에 보존돼 있다.
프랑스는 미국보다 뒤늦은 1961년에 1만1천m급 아르키메데스(Archimedes)호를 건조했다. 미국의 트리에스테호가 퇴역한 현재로서는 1만m이상을 잠수할 수 있는 심해잠수정은 아르키메데스호가 유일하다. 한편 프랑스는 1984년에 전세계해역의 97%를 탐사할 수 있는 6천m급 노틸(Nautile)호를 건조했다. 중량은 18t이고 건조비용은 잠수정 자체에만 1천만달러가 소요됐다고 한다. 노틸호는 일본해구(海溝)의 수심 5천m에서 판구조(plate tectonics) 조사와 지진조사를 하기도 했다.
세계기록을 깨뜨린 미국은 1964년 심해잠수선 앨빈(Alvin)호를 건조했다. 앨빈호는 가솔린 대신에 미소한 유리구를 수지로 고착시킨 부력재(syntactic foam)을 개발해 완벽한 부력을 확보하고, 초고장력강(超高張力鋼)으로 내압체를 제작했으며 수중장비를 유지균압(油漬均壓) 형식으로 내압구에 설치함으로써 작업수심 1천8백m급 잠수정의 중량을 16.5t으로 경량화하는데 성공했다. 따라서 선박에 탑재하기가 용이하며, 또한 수중에서 3차원운동이 자유로우므로 관측활동을 하기가 적합하다. 또한 측위시스템 소나등의 항해장치, 매니퓰레이터(manipulator, 기계팔) 등의 최신 작업장비를 탑재해 조사능력을 극대화했다.
앨빈호는 이러한 기동성과 조사능력으로 혁혁한 성과를 올렸다. 1968년 스페인해안에 침몰된 수소폭탄을 회수해 잠수정의 진가를 발휘했고, 1979년에 동태평양 해팽(海膨)에서 열수광상(熱水鑛床)을 발견해 심해가 자원의 보고(寶庫)임을 증명했으며, 태양빛이 미치지 못하는 암흑의 열수광상부근 해저 2천m에 조개와 물고기가 서식하고 있는 사실을 발견했다. 또한 1985년에는 침몰여객선 타이타닉호를 북극해에서 찾아내 세계를 흥분시키는 등 많은 활약을 했다. 또한 앨빈호는 내압구를 티탄합금으로 교체한 것을 비롯해 작업장비들을 대폭 개량해 현재 작업수심이 4천m이고, 연간 1백여회의 잠수활동을 수행하고 있다.
수소폭탄 건진 앨빈호
해양개발에서 후발국가인 일본은 1969년에 6백m급 잠수정 신카이호를 만들고, 1979년부터 심해잠수정 개발에 착수했다. 중간단계로 1981년에 2천m급을 만들고, 이를 바탕으로 전해양의 98%를 탐사할 수 있는 6천5백m급 심해잠수정을 개발했다. 일본은 다른 나라에 비해 뒤늦게 개발을 시작했지만, 정부의 적극적인 지원에 힘입어 신소재 티탄합금, 이를 용접하기 위한 전자빔용접법과 3차원기계가공기, 큰 수압에 견디는 부력재, 저소음 수중기기 및 수중음향측심기 등을 모두 개발해 자국의 잠수정 신카이6500호에 사용함으로써 선진해양국가와의 기술격차를 좁히고 선진해양국으로 발돋움했다.
미국 프랑스 일본 등의 심해잠수개발 경쟁이 치열한 가운데 1976년 세계의 물리학자들이 모여 심해저탐사방안을 협의한 결과, RISE계획(Rivera Submersible Experiments)을 수립하고 이 연구에 심해 잠수정을 투입하기로 했다. 해저에서 실제로 무슨일이 일어나는지 눈으로 직접 확인하고, 열수가 분출되면 그 솟아오른 물과 퇴적물을 직접 채취하겠다는 것이었다. 또한 암석의 자화율(磁化率), 해저에서의 중력측정, 심해에서의 전자파 전달실험, 마그마의 존재탐사 등도 이 계획에 포함돼 있었다. 특히 중력측정은 지상보다 심해저가 1백배 정도 더 정확하기 때문에 해양과 지구를 이해하는데 매우 소중하다. 또 수십만년을 주기로 지자기가 역전하는 사실은 잘 알려져 있으나 그 원인은 정확하게 밝혀지지 않고 있다.
수중관광에도 이용
우리나라에서는 1986년 한국기계연구소 부설 해사기술연구소가 2백50m급 3인승 유인잠수정 '해양250'호를 개발해 연근해 해저 환경조사의 기틀을 마련했다. 이 잠수정은 현재 해양연구소의 인도돼 대륙붕의 해저생태계조사와 침몰된 유조선의 상태조사 등에 이용되고 있다. 우리나라는 해양250호의 개발을 통해 천해용 유인 잠수정의 설계 제작, 시험평가 및 운용기술을 확립했다. 이렇게 축적된 기술을 바탕으로 수심 3천~5천m에 산재된 망간단괴를 채취할 수 있는 심해용 잠수정의 기술개발이 시도되고 있다.
앨빈호가 수소폭탄을 회수하고, 타이타닉호의 사진을 촬영하는데는 숨은 공로자가 있었다. 무인수중탐사정(ROV, Remotely Operated Vehicle)이 그것으로 소형의 추진기 TV카메라 인공조명등 콤파스 등이 부착된 중량 수십 kg정도의 장치다. ROV가 보내주는 수중상태를 모니터 화면으로 보면서 수면위에서나 유인잠수정 안에서 조종하므로 유인잠수정이 수행하기 위험한 역할은 물론, 잠수부의 역할을 대신해 수중작업을 할 수가 있다. 최악의 경우에는 ROV를 분실할 수도 있겠지만, 인명사고의 예방과 운반 및 조작이 용이하므로 수요가 점차 확대되고 있다.
과학적인 해양탐사를 위하여 개발된 잠수정개발기술은 레저산업에도 이용되고 있다. 80년대에 들어 잠수정의 신뢰성과 안전성이 증대함에 따라 본격적인 관광잠수정이 출현했다. 상업적인 최초의 관광잠수정은 1985년 캐나다에서 건조한 30인승이며, 현재 전세계에 10척 정도가 운항되고 있다. 우리나라에도 제주도 앞바다에 48인승 1척이 운항되고 있다.
군사용 잠수정(잠수함)에 대한 총괄적인 자료는 국내외를 막론하고 비밀에 붙여져 상세히 알 수는 없지만 군사전문잡지에서 설명하는 단편적인 기사를 토대로 과학탐사용 잠수정과 비교하면 다음과 같다.
군사용 잠수정은 임무가 전쟁에서 승리하는 것이므로 자신의 위치를 노출시키지 않기 위해 은밀성이 요구된다. 수중에서는 음파의 전달이 용이하므로 작전시 프로펠러나 물의교란 등에 의해 소음이 발생되지 않아야 한다. 수중에서는 아무리 작은 소음도 멀리 전달되기 때문에 잠수함은 '미끄러지듯'이동해야 한다. 몇년전 미국 해군에서 적성국의 잠수함추적이 어려워져 조사한 결과, 일본의 한 회사가 정밀프로펠러가공기를 판매한 것으로 판명되어 국제적인 관심거리가 된 적이 있다. 속도면에서는 과학탐사용이 시속 2~3노트에 불과하지만 군사용은 20~30노트의 고속인 것으로 알려져 있다. 또 탐사용이나 관광용은 안전이 허락하는 한 가급적 많은 창을 설치하지만, 군사용은 창 대신 잠망경(periscope)을 통해서만 외부를 볼 수가 있다.
우주보다 열악한 환경
잠수정이 수중에서 접하는 환경은, 지구위라는 점에서 쉬울 것으로 생각되지만, 실제로는 우주선보다 더 열악한 환경조건이 많다. 가장 어려운 조건은 수압으로 수중에서는 10m 잠수할 때마다 수압이 1기압씩 증가되므로 수심 6천m에서는 6백기압이 되어 잠수선의 구조물은 6백기압에 견디도록 설계돼야 한다. 엄지손가락의 면적에 성인 열명이 올라가 있는 것과 같은 압력이 작용하고 있는 것이다. 따라서 잠수정의 개발에는 가볍고 강도가 높은 재료인 초고장력강이나 티탄합금이 사용되며, 중량을 줄이기 위해 앨빈호와 같이 완벽한 부력재를 사용해야 한다.
수중에서는 빛과 전파의 에너지 감쇄가 공기에 비해 대단히 크므로 육상이나 우주공간에서 통상적으로 사용하는 통신기기의 사용이 불가능하다. 다행히 음파(acoustic wave)는 수중에서 감쇄현상이 비교적 적은 편이다. 따라서 잠수정과 선박의 통신, 잠수정의 위치측정 및 장애물탐지에는 물이라는 매체의 특성을 이용한 음파이용이 유일한 방법이다. 수중음파의 진행속도는 매초 1.5km정도로 전파에 비해 느리며 바닷물의 밀도가 불균일하므로 음파는 수신해역에 따라 속도가 불안정하고 반사되는 특성이 있다. 또 전파에 비해 주파수가 낮으므로 반송(搬送)되는 정보량도 매우 적고 해상력도 나쁘다. 현대의 잠수정개발과 운용기술수준은 정보전달의 어려움을 극복하는 수중음향기기의 정확도로서 평가되기도 한다.
수중에서는 빛의 감쇄가 크므로 1백m 이상 깊은 해저에는 태양광이 전혀 들어오지 못하는 암흑세계다. 인공조명등을 사용해도 밀도가 큰 해수의 입자에 의해 산란되므로 빛이 10m정도밖에 나아가지 못하며, 강력한 빛을 투광하면 수중부유물에 의하여 난반사되므로 시계가 불량하게 된다.
수중에서는 외부로부터 공기를 공급받을 수 없으며, 더구나 배기가스의 배출이 어려우므로 디젤기관과 같은 동력을 사용할 수가 없다. 또한 우주선과 같이 태양에너지를 이용할 수도 없다. 대개 수상선박에서 충전된 축전지를 수중에서 사용하므로 동력을 공급하는데 한계가 있다. 따라서 단위 무게당 고에너지밀도를 갖는 특수축전지, 예를 들면 니켈-카드뮴전지나 은-아연전지의 개발이 요구되며, 방전시에 발생하는 수소가스로부터 안전도가 확보되어야 한다.
해수는 이에 녹아있는 염분이온때문에 담수보다 약4천배의 전기전도도를 갖는다. 공기중에서는 전기선이나 터미널단자가 노출되어도 아무런 지장이 없지만, 해수중에서는 미세한 흠집만 있어도 즉시 누전되거나 해수가 스며들어 인명피해와 장비의 손실을 가져온다. 따라서 모든 전기류는 완전한 방수가 되도록 내압피복(耐壓被覆)을 씌우거나 비전도체 기름에 담가 놓아야 한다.
해저유전개발에 자극받아
잠수정의 내부는 밀폐된 공간이므로, 사람이 정상적인 호흡을 하기 위해 고압 산소용기로부터 순수한 산소를 공급하고, 사람이 배출한 탄산가스는 소다라임(soda lime)과 같은 탄산가스 흡수제로 제거하여 적절한 공기조정이 되도록 한다. 또 제한된 공간에서 활동하므로 습도와 온도를 적절히 유지해 쾌적한 환경이 되도록 한다.
이러한 환경을 극복하고 우수한 성능의 잠수정을 만들기 위해서는 신소재와 첨단기술이 집약적으로 요구되므로, 잠수정 제조기술은 그 나라의 첨단산업 기술수준을 평가하는 기준이 되기도 한다.
수중탐사기술의 발전은 2차대전이후 금속전자공학의 발전에 힘입은 바가 크지만 잠수기술은 해저유전개발사업과 더 밀접한 관계가 있다. 육상의 석유자원개발이 한계에 이르자 해저유전으로 관심이 모아졌고, 해저유전 개발을 위해서는 해중에서 작업이 이루어져야 하므로 잠수기술과 장비의 개발이 필수적이다. 잠수기술을 기반으로 발전해온 수중탐사기술은 과학 산업 군사분야에 폭넓게 활용되고 있다. 특히 해저지층탐사 해저자원탐사 수중고고학 등 과학연구와 유조선의 해난사고 조사, 인공해양도시와 해양목장의 조성, 해저케이블 해저송유관 등 해중구조물의 설치와 유지보수 등 해양개발에서의 비중이 지대하다.
과학탐사용으로 개발된 잠수정이 두차례 세계대전을 통해 군사적으로 활용됐고, 실전에서 얻어진 기술경험과 선진해양국들의 지속적인 신기술개발로 인해 심해저의 비밀이 베일을 하나씩 벗고 있다. 이제 잠수정 개발기술은 인공지능을 이용한 자율형 무인탐사기(AUV, Autonomous Underwater Vehicle)로 발전하는 단계로 접어들었고, 잠수정은 레저스포츠용으로도 개발되고 있다. 멀지않아 모든 사람이 편안하게 앉아서 산호초와 물고기가 놀고있는 용궁을 구경하게 될것이니 수중에 관한한 가위 유토피아가 펼쳐지고 있는 셈이다.
