시속 1000km이상의 속도를 내는 열차의 2가지 방식

안녕하세요?

지금도 KTX를 타면 서울까지는 부산에서 2시간에서 3시간 사이가 걸리는데, 20년 안에 서울과 부산의 그 먼 거리를 20분 안에 주파하는 열차를 개발하는 중이라고 과학동아 2017년 9월호 기사에서 들었습니다. 기사의 말미에는 이해를 돕기 위해서 이 서울 부산의 거리를 20분 안에 주파하는 고속열차? 초고속 열차의 장단점을 분석하고 있습니다. 이번 포스팅에서는 이 기사의 말미에 나왔는 초고속 열차의 2가지 방식에 대해서 포스팅을 하고자 합니다.

먼저 한가지 말해 두어야 하는 것이 있는데, 이 기사에서 소개된 방식은 정확하게 '철도'라는 것을 사용하지 않고, '진공상태'인 터널을 만들어서 운용한다는 차이점이 있습니다. 그리고 이런 기술을 상용화 하기위한 방법으로 '하이퍼 루프'와 '하이퍼 튜브'가 있다고 합니다. 먼저 미국에서 시운전에 성공하기도 했는 '하이퍼 루프'에 대해서 설명에 들어가겠습니다.

먼저 열차를 부상시킨다고 해야 할까요? 이렇게 열차를 레일에 고정 시키는 방식을 두고서 '상전도 흡인식'이라고 합니다. 위 그림에서 묘사가 된 것처럼 바닥에 전자석이 철판에 달라 붙으려 하는 성질 때문에 열차가 공중에 뜨게되는 것입니다. 기사에서 언급이 된 내용에 의하면, 전자석이 레일에 달라붙지 않도록 8mm~1cm의 간격을 유지해야 한다고 합니다.

열차 가속의 원리를 설명하기 위해서 먼저 선풍기에 들어간 모터의 회전 원리에 대해서 설명을 해야만 하겠습니다. 먼저 아시는 분은 이미 아시겠지만, 선풍기에서 회전 시키고자 하는 '축'은 '금속코일'로 만들게 됩니다. 그리고 주변을 '전자석'으로 만들게 되면, 금속코일이 '회전'을 시작하게 됩니다.

위에 나온 그림의 묘사처럼, 전자석과 금속 코일의 펼치게 되면, 선풍기처럼 둥글게 말았을 때는 회전 운동을 하던 것이 이제는 직선 운동을 하기 시작하는 것입니다. 이처럼 생각하기에는 단순하게 회전 운동을 하던 전자석과 금속 코일을 일자로 '펴주는' 것에 불과해 보이기는 하지만, 실제로는 더 복잡한 '계산'이 들어 갔으리라 생각이 됩니다.

이제 '하이퍼 튜브'에 대해서 설명을 들어갈 차례인데, 먼저 이 기술은 국내에서 한참 연구중인 방법이라고 합니다. 심지어 테슬라 최고 경영자인 일론 모스크가 '하이퍼 루프'라는 개념을 내놓은 것 보다 3년 앞서서 연구가 진행되고 있었다고 합니다. 다만, 미국처럼 실물 크기 모형의 실험은 못 들어갔고, 1/52크기의 모형에서 실험에 들어갔다고 합니다.

먼저 '하이퍼 튜브'는 '초전도 자석'을 이용해서 열차를 띄운다고 하는데, 문제는 액체 질소나 액체 헬륨을 이용해서 온도를 '영하 200도'까지 극저온으로 내려서 발생하는 '초전도 자석'을 이용한다고 합니다. 위 그림에서 묘사된 것처럼, 터널의 벽면에 서로 다른 극성을 띈 '초전도 자석'이 붙어 있어서, 객차를 '끌어당김'과 동시에 '밀어내는' 힘이 작용하게 됩니다.

위 그림의 묘사처럼 터널 벽면의 아랫쪽에 있는 전자석의 극은 객차를 위로 밀어냄과 동시에, 터널 벽면의 윗쪽에 있는 전자석의 극성은 객차를 위로 끌어당기는 힘이 작용해서 결과적으로 객차는 바닥에서 작용하는 힘과는 상관없이 공중으로 부양하게 됩니다. 이 방식을 사용하면 객차는 터널에서 10cm정도 띄우기 때문에 선로를 세밀하게 관리하지 않고, 고속운행에는 적압하지만 최소한 시속 100km가 되어야만 열차를 띄울 수 있는 힘이 생기는 것이 '단점'이라고 합니다.

위 그림은 '하이퍼 튜브'의 가속하는 방식을 나타낸 그림입니다. 먼저 극성을 지는 객차의 초전도 자석을 공중에 띄운 다음에, 바닥의 레일은 '전류에 따라서 극성이 바뀌는 전자석'을 '구획별'로 깔아 둡니다. 여기서 객차의 앞은 서로 '잡아 당기는'힘이 작용하게 되고, 객차의 뒤는 '서로 밀어내는 힘'이 작용해서 객차는 '앞으로' 나아가게 됩니다. 그 다음에는 이 레일에 흐르는 전류를 '제어'해서 '자석의 극성 위치'를 옮기면 계속 객차가 앞으로 가게 됩니다.

이번 기사에서 소개가 된 두가지 방법 모두 장단점이 분명한데, 산악지형이 많은 국내에는 '하이퍼 튜브'가 사용될 가능성이 있어 보입니다. 다만 두가지 방법 모두 그 커다란 터널의 공간을 '진공'으로 만들어야 하는데, 이걸 실현 시키는 것도 상당히 어려워 보이는 문제가 있어 보입니다. 다만 이 기술 중에 하나라도 실현이 되면, 전국이 20~30분 내에 연결이 된다는 말이 현실이 될 것입니다.