*앤드루 코트는 고밀도 물질 물리학 실험실과 입자가속기에서 초전도체 관련 연구를 해온 공학 물리학자다. 코트는 핵융합에 쓰이는 초전도 자석 시스템을 고안한 바 있다.

지난 3주간 우리는 재료 과학 분야의 성배, 즉 상온 초전도체의 새로운 후보가 극적으로 부상했다가 사라지는 것을 목격했다. 7월 22일, 한국의 한 연구팀은 LK-99라는 화합물에 관한 연구 결과를 발표하면서 이번 발견이 “인류에 새 시대를 열어줄 완전히 새로운 역사적 순간”이라고 주장했다. 온라인에서 활발한 물리학 토론이 이어지고 관련 연구가 쏟아져 나왔지만, 2주 만에 소동은 가라앉았다. LK-99는 실패작으로 보인다.

LK-99에 대한 대중의 관심은 과학적인 현상인 동시에 사회적인 현상이라 할 만했다. 게시판과 채팅방, 레딧(Reddit)과 X(옛 트위터) 상에서 이루어진 토론의 규모는 한국 연구진의 주장을 재현하거나 반박하기 위해 시뮬레이션과 실험을 돌리기 시작한 연구진의 관심을 끌 만했다. 잠시였지만 초전도라는 개념을 처음 접하는 수많은 사람이 재료 과학의 한 틈새 영역에 갑자기 매료되어, 거의 물을 일이 없는 심오한 질문에 답을 찾고 있었다. 인류가 새로운 황금기에 접어든 것일까?

전력이 송전선을 통과하게 되면 일부는 폐열로 손실된다. 이는 자연의 법칙에 의해 부과되는 피할 수 없는 세금과도 같다. 초전도체는 완벽한 효율로 먼 거리까지 전기를 전달할 수 있다는 점에서 기적적인 잠재력을 지닌다. 초전도체를 저렴하게 생산하고 영하 수백 도가 아닌 상온에서 작동하는 법을 알아낸다면, 경제 혁명과 환경 보호로 이어질 것이다. 또한, 강력한 자기장과 공중 부양이 가능해지므로, 완전히 새로운 개념의 전자장치와 컴퓨터, 교통수단을 만들어 낼 수 있다.

안타깝게도 현재 알려진 초전도체는 영하 10도에서 약 190만 기압의 압력을 가해야만 작동한다. 일상적인 압력에서 재료가 초전도성을 띠려면 온도가 대략 영하 150도까지 낮아져야 한다. 그래서 지금껏 초전도체는 의료 영상이나 실험 물리학과 같이 극저온 공학을 활용할 가치가 있는 분야로 사용이 제한됐다.

이러한 특성은 전자가 일반 금속을 통과하는 방식과 초전도체를 통과하는 방식이 다르기 때문에 나타난다. 구리 등 다른 전기 전도성 물질의 경우, 전류라는 공을 파칭코 기계 안에 집어넣어 아래로 떨어지는 동안 계속해서 못이 공을 튕긴다고 상상해 보자. 공이 튕길 때마다 공에서 못으로 약간의 에너지가 전달되는데 이것이 바로 열세(heat tax)다. 초전도체에서는 전류가 트랙을 통과하는 구슬처럼 부드럽게 미끄러지며 이동한다. 따라서 열도, 에너지 손실도 발생하지 않는다.

친환경 전력망

상온 초전도체는 에너지 생산과 송전, 분배에 가장 큰 영향을 미칠 수 있다. 현재 전력망용으로 생산되는 에너지의 8~15%가 송전 도중 폐열로 손실된다. 미국의 경우 이는 원자력 발전소 수십 개에서 생산하는 전력과 맞먹는다. 송전선의 높은 전압을 가정에 적합한 수준으로 낮추는 변압기와 회전 에너지를 전력으로 변환하는 발전기에 상온 초전도체를 적용한다면, 낭비되는 전력의 30~40%를 추가로 절약하는 동시에 이 장비를 만드는 단계에서부터 재료를 덜 쓰면서 더 간단하게 만들 수 있다.

초전도 송전선을 통해 재생 에너지 역시 거의 손실 없이 장거리로 전송할 수 있다. 서부 해안 사막의 대규모 태양열 발전소에서 생산된 전력으로 겨우내 동부 해안 도시에 연료를 공급할 수 있게 된다. 초전도 기반 에너지 저장 장치는 공업용 배터리를 완전히 대체하여 재생 에너지를 대규모로 쓰는 데 필요한 주요 과제 하나를 해결해 줄 것이다. 이런 저장 시스템은 전류를 끝없이 순환하는 방식으로 작동하며, 사실상 손실이 거의 없으므로, 아주 작은 전력으로 순환을 이어갈 수 있다. 기존 배터리를 충전하고 방전할 때 손실되는 에너지가 약 20%인 반면, 초전도 저장 시스템에서는 손실률이 5% 정도에 불과하다.

더 저렴한 고성능 MRI

저온 초전도체는 오늘날 MRI 기계와 같이 강력한 자기장이 필요한 분야에 쓰인다. 이러한 기계의 비용은 자석을 극저온으로 냉각하는 데 필요한 액체 헬륨 때문에 비싸다. MRI 기계를 하나 작동하려면 약 500갤런의 헬륨이 필요하다. 제한적이고 변동이 심한 헬륨의 공급 가격 때문에 MRI 검사 비용이 올라가면, MRI가 필요한 환자들도 MRI 촬영을 하지 못하게 되기도 한다.

MRI 스캔의 해상도 한계는 자기장 강도에 따라 결정되는데, 초전도체는 매우 강한 자기장을 생성할 수 있다. 극저온 냉각 없이 작동하는 좀 더 저렴한 기계가 제시되었지만, 초전도체 없이는 해상도가 훨씬 낮아 작지만 치명적인 건강 정보를 감지하는 능력은 떨어질 수밖에 없다. 상온 초전도체는 이 두 가지 문제를 동시에 해결할 수 있다. 보다 저렴하고, 접근성이 좋으며, 해상도가 높은 비침습 의료 영상은 진단 의료의 질을 크게 높일 수 있다. MRI에 대한 접근성이 낮은 빈곤국에서는 더욱 그러하다.

고속 대중교통

초전도체에서 생성되는 고강도 자기장으로 고속 열차를 선로 위의 얇은 공기쿠션 위에 띄우는 것이 상업적으로 가능해진다. 이 기술은 일본에서 수십 년간 개발 중이며, 2027년 도쿄와 나고야 사이를 시속 600km로 달리는 자기 부상열차가 일반에 공개될 예정이다. 미국에서는 최근 뉴욕과 워싱턴 D.C. 사이를 1시간 이내에 주파하는 자기 부상열차 노선이 제안된 바 있다.

이러한 특수 열차는 만드는 데 엄청난 비용이 들고 만들기도 어렵다. 현재의 초전도 물질로는 세계에서 가장 붐비고 밀도가 높은 통근 노선에만 제한적으로 적용할 수밖에 없다. 상온 초전도체는 고속열차 설계 및 엔지니어링을 극적으로 단순화시켜 철도가 도시 간 이동에 있어 항공기와 경쟁할 수 있는 속도에 도달할 수 있게 된다. 또한, 이 열차가 청정한 초전도 전력망 에너지로 달리게 된다면 국내선 여객기가 내뿜는 엄청난 양의 이산화탄소도 줄일 수 있다.

고효율 컴퓨터 칩

모든 현대 전자 기기를 작동하는 트랜지스터에는 몇 가지 한계가 있다. 작동 속도에 어느 정도 한계가 있고, 모든 작동에서 열로 인한 에너지 손실이 발생한다. 컴퓨터 칩의 트랜지스터 작동 속도는 2010년대 중반까지 꾸준히 빨라져서, 현재 실리콘 기반 트랜지스터의 재료적 한계에 도달했다. 최신 컴퓨터 칩의 트랜지스터 밀도는 폐열을 제거하는 능력에 의해 영향을 많이 받는다. 칩이 정육면체가 아닌 작고 납작한 직사각형이고, 상단에 대형 방열판이 부착된 이유도 그 때문이다.

초전도 재료로 만들어진 컴퓨터 칩은 현재의 실리콘 기반 초소형 전자기기에 비해 에너지 효율은 약 300배, 속도는 10배 높아질 잠재력이 있다. 폐열을 제거하면 더 콤팩트한 디자인, 더 긴 배터리 수명, 전력망 세금 감소를 통해 디지털 경제에 동력을 공급할 수 있을 것이다. 마침내 우리는 브라우저 탭을 원하는 만큼 열어둘 수 있게 될 것이다.

핵융합 에너지

상온 초전도체가 미래 경제에서 수행할 수 있는 가장 흥미로운 역할은 값싸고 깨끗한 에너지를 생산하는 일이다. 최근 민간 자금이 투입된 핵융합 프로젝트는 플라스마라는 뜨겁고 충전된 기체를 1억 8천만 도 이상에서 가두어 엄청나게 강력한 자기장을 만드는 고온 초전도체 테이프의 발전 덕분에 가능해졌다. 값싸고 흔한 금속으로 만들어진 상온 초전도체가 나온다면 석탄과 석유처럼 가장 위험하고 환경을 오염시키는 에너지원을 태양과 같은 원리로 작동하는 핵융합 에너지로 대체하는 시기가 획기적으로 앞당겨질 것이다.

핵융합 에너지를 쓸 수 있게 된다면 인류에게는 더 이상 다른 동력원이 필요 없어진다. 핵융합에 필요한 연료는 바닷물에서 추출할 수 있기 때문에 에너지 공급은 석유와 천연가스의 가격에 영향을 주어 수시로 세계 경제에 충격을 안기는 지정학적 혼란으로부터 자유로워질 것이다. 규모를 설명해 보자면, 바닷물 1갤런에서 추출한 수소를 핵융합로에서 태우면 1,000갤런 이상의 정제된 휘발유와 비슷한 양의 에너지가 생긴다. 무한하고, 분쟁에서 자유로운 무탄소 에너지는 거의 모든 부품과 공산품의 가격을 낮춘다. 철이나 알루미늄과 같은 흔한 재료의 가격은 절반 이상이 생산에 필요한 전기 비용에서 비롯되기 때문이다.

환경을 생각하는 현대 사회에서 가장 큰 딜레마는 적은 자원으로 더 많은 일을 하는 법을 익혀야 한다는 점이다. 경제의 엔진은 계속해서 성장해야만 유지될 수 있다. 동시에 주변 환경에 미치는 영향을 줄이고, 병들어 가는 환경을 보호해야 한다. 물질적 세계에 대한 인센티브와 의무는 각자 반대 방향으로 우리를 이끌고 있다. 경제와 환경에 대한 전망이 어두워질수록 상온 초전도체의 매력은 더욱 커진다. 상온 초전도체는 공상과학 소설로나 볼 수 있던 새로운 기술을 현실로 만들어, 기후변화를 늦추는 동시에 세계적인 경제 번영을 촉진할 기적의 물질이다.

최근 며칠 사이 과학자들은 LK-99가 강한 자석 위를 공중 부양하는 것과 같은 초전도체 특유의 시각적 특징을 갖고 있는 평범한 자성 물질로, 초전도체의 가장 중요한 물리적 특성(전기저항 0)을 갖추지 못했기 때문에 상온 초전도체가 아니라는 새로운 보고서를 여러 차례 발표했다. 한국 연구진은 금광을 발견한 것이 아니라, 새로운 형태의 황철광을 발견한 것일지 모른다.

여러 연구실에서 LK-99와 유사한 물질을 계속해서 연구한다면 초전도 연구 분야가 지난 몇 주 사이 새롭게 열린 길을 통해 성과를 내게 될지는 아직 알 수 없다. 초전도 분야에서는 이론과 실험이 대치되는 경우가 많으며, 관찰 결과에 따라 앞으로 무엇이 가능할지에 대한 우리의 기대치가 도전받는 일도 잦다. 대중의 관심은 이제 분명히 사그라들겠지만, 대담한 약속은 여전히 유효하다. 초전도 황금시대가 언제고 도래할 수 있으며, 그 시대로 가는 길을 찾는 것이 과학의 역할이다.

원문 : Why a Floating Speck of Metal Sent Scientists’ Hearts Racing

(c) 2023 The New York Times Company

번역 : 뉴스페퍼민트

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