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2025-04-05 (토)

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[퓨처 Eyes(77)] 지구 자전=무한 동력?⋯멈추지 않는 에너지의 비밀

지구가 팽이처럼 끊임없이 회전하는 힘, 그 속에 숨겨진 무한한 에너지를 인류가 사용할 수 있을까? 최근 미국의 과학자들이 지구 자기장과 특별한 물질의 '마법' 같은 만남을 통해 극미량이지만 전기를 생성하는 데 성공하며 오랫동안 잊혀졌던 아이디어를 다시금 뜨거운 논쟁의 중심으로 불러왔다. 과연 지구 자전 에너지는 미래를 밝힐 새로운 희망이 될 수 있을까? 미국 프린스턴 대학교의 크리스토퍼 치바를 비롯해 CIT의 제트추진연구소, 스펙트럴 센서 솔루션스(Spectral Sensor Solutions)의 물리학자 3명이 지구 자전 에너지로부터 전기를 생산할 수 있다는 혁신적인 아이디어를 제시하며 과학계의 이목을 집중시키고 있다고 사이언티픽 아메리칸, PHYS.org, 인터레스팅 엔지니어링 등 과학 전문 매체들이 최근 잇따라 보도했다. 이들은 지구 자기장과 특별한 장치의 상호작용을 통해 극미량이지만 실제로 전기가 생성되는 것을 실험적으로 확인하며 오랜 논쟁에 새로운 불씨를 지폈다. 과학 전문 학술지 '피지컬 리뷰 리서치'에 발표된 이 연구 결과는 지구라는 거대한 발전기의 잠재력을 엿볼 수 있게 해준다. 사실 지구의 회전 에너지를 활용하려는 시도는 과거에도 있었지만, 대부분 이론적인 가능성에 머물렀다. 기존의 과학적 이해로는 지구 자기장 내에서 움직이는 도체가 전기를 발생시키더라도 곧바로 전자의 재배열로 인해 전압이 상쇄되어 실제 에너지로 이어질 수 없다는 것이 일반적인 견해였다. 하지만 이번 연구팀은 이러한 기존 이론의 틀을 깨고 새로운 접근 방식을 제시했다. 상쇄되지 않는 미세한 전류, 실험으로 확인 연구팀은 전압 상쇄 현상을 막고 대신 미세한 전압을 포착하기 위해 특별한 장치를 고안했다. 핵심은 망간-아연 페라이트라는 특수한 물질로 만든 원통이었다. 이 물질은 약한 도체이면서 동시에 자기장을 특정한 방식으로 제어하는 역할을 한다. 팀은 이 원통(실린더)을 지구 자전 방향과 지구 자기장에 특정 각도(57도) 기울여 북쪽-남쪽 방향으로 배치했다. 이는 지구의 자전 운동과 지구 자기장에 수직이 되는 각도이다. 다음으로 전압을 측정하기 위해 연구팀은 실린더의 양쪽 끝에 전극을 배치한 다음 광전 효과를 방지하기 위해 불을 껐다. 놀랍게도 연구팀은 실린더 양 끝에서 18마이크로볼트라는 아주 작은 전압이 발생하는 것을 확인했다. 이는 단일 뉴런이 발화할 때 방출되는 전압의 극히 일부에 불과하지만, 다른 외부 요인으로는 설명하기 어려운 지구의 자전에서 나오는 에너지임을 강력하게 시사했다. 연구팀은 실린더 끝 사이의 온도 차이로 인해 발생할 수 있는 전압을 고려했다면서 각도를 변경하거나 제어 실린더를 사용했을때는 그러한 전압이 측정되지 않았다고 설명했다. 이러한 결과에 대해 연구를 이끈 크리스토퍼 치바는 "아이디어 자체는 직관에 어긋나지만, 실험은 매우 신중하게 진행됐다"며 "매우 설득력 있고 놀라운 결과"라고 평가했다. 하지만 모든 과학자가 그의 의견에 동의하는 것은 아니다. 암스테르담 자유대학교의 은퇴한 물리학자 링커 와인하르덴은 이 연구에 대해 여전히 회의적인 입장을 표하며, 자신의 실험에서는 동일한 효과를 발견하지 못했다고 밝혔다. 그는 "치바 등의 이론이 옳을 수 없다고 여전히 확신한다"고 단언하며, 추가적인 검증의 필요성을 강조했다. 지구 자기장과 특수 물질의 절묘한 조화 그렇다면 지구의 자전 에너지가 어떻게 미세한 전류로 바뀔 수 있었을까? 연구팀은 발전소의 원리와 유사하다고 설명했다. 발전소에서는 자기장 속에서 도체가 움직이면 전자가 이동해 전류가 발생한다. 지구도 마찬가지로 자전하면서 지구 자기장의 일부를 통과하는 도체가 있다면 전기가 발생할 수 있다. 하지만 지구 자기장은 비교적 균일하기 때문에 통상적인 도체에서는 전자가 스스로 배열되어 전기적인 힘이 상쇄된다. 그러나 연구팀이 사용한 망간-아연 페라이트 원통은 이러한 균일한 지구 자기장을 특정한 형태로 왜곡시키는 역할을 한다. 복잡한 계산을 통해 연구팀은 이 특수한 물질과 원통형 구조가 지구 자기장을 예상치 못한 형태로 만들어내고, 이로 인해 발생하는 자기적인 힘이 내부의 전기적인 힘으로 상쇄되지 않아 전류가 흐르게 된다는 것을 밝혀냈다. 이는 마치 좁은 길목을 통과하는 물줄기가 압력을 받아 더 강하게 흐르는 것과 비슷한 원리라고 할 수 있다. 넘어야 할 과제와 미래 에너지 혁명의 가능성 이번 연구는 지구 자전이라는 거대한 에너지원을 활용할 수 있는 새로운 가능성을 열었다는 점에서 매우 고무적이다. 하지만 아직 실용적인 에너지원으로 발전하기 위해서는 해결해야 할 과제가 많다. 우선 다른 연구팀의 독립적인 검증이 필수적이다. 링커 와인하르덴의 지적처럼, 다양한 환경과 조건에서 동일한 실험을 반복하여 일관된 결과를 얻어야만 이 현상이 실제로 지구 자전에 의한 것임을 확신할 수 있다. 만약 추가 검증을 통해 이 연구 결과가 확증된다면, 다음 단계는 장치의 규모를 확대하여 실제로 유용한 수준의 에너지를 생산하는 것이다. 크리스토퍼 치바 역시 "우리 방정식은 규모 확대가 어떻게 가능한지 보여주지만, 실제로 그것이 가능하다는 것을 입증하는 것은 완전히 다른 문제"라며 신중한 입장을 보였다. 현재까지 생성된 전압은 매우 미미한 수준이기 때문에, 실생활에 활용하기 위해서는 엄청난 규모의 장치 개발과 효율 증대 노력이 필요할 것이다. 더욱이 이 기술은 지구의 운동 에너지를 사용하는 것이기 때문에, 장기적으로 지구 자전 속도에 아주 미미한 영향을 줄 수 있다는 점도 고려해야 한다. 연구팀의 계산에 따르면, 만약 전 세계의 모든 전력을 이 방식으로 생산한다면 1세기 동안 지구의 자전 속도는 7밀리초 느려질 것으로 예상된다. 이는 달의 인력과 같은 자연 현상에 의한 변화와 비슷한 수준이지만, 지구 자전에 미치는 장기적인 영향에 대한 심층적인 연구가 필요할 것이다. 이번 연구는 아직 초기 단계이지만, 인류가 오랫동안 꿈꿔왔던 무한한 에너지원, 지구 자전 에너지 활용의 작은 씨앗을 뿌렸다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 마치 팽이가 멈추지 않고 돌아가듯, 지구의 자전은 영원히 계속될 것이다. 이 영원한 움직임 속에 숨겨진 에너지를 우리가 현실로 만들 수 있을지는 아직 미지수다. 하지만 이번 연구는 불가능해 보였던 꿈에 한 걸음 더 다가섰음을 보여준다. 앞으로 과학자들의 끊임없는 탐구와 혁신적인 기술 개발을 통해, 지구 자전 에너지가 정말로 우리의 미래를 밝혀줗 새로운 희망이 될 수 있을지 흥미진진한 여정을 함께 지켜보자
- 포커스온
2025-03-27 13:08:00
MS, 구글 이어 첫 양자컴퓨팅 칩 공개⋯수년내 AI 학습속도 100배

양자 컴퓨팅을 둘러싼 경쟁이 가속하는 가운데 구글에 이어 마이크로소프트(MS)가 자체 개발한 양자 컴퓨팅 칩을 공개했다. 온도·자기장 등 외부 환경 변화에 극히 민감해 오류가 잦고 보정이 어려웠던 기존 칩의 치명적 단점을 해결해 양자컴 시대를 앞당길 수 있게 됐다는 것이다. CNBC 등 외신들에 따르면 MS는 19일(현지시간) "세계 최초로 '위상(位相) 초전도체'를 사용한 양자 칩 '마요라나 1'을 개발했다"며 "반도체 발명이 오늘날의 스마트폰, 컴퓨터, 전자 제품을 가능하게 한 것처럼 이번 개발로 양자컴 시대가 몇 년 안에 실현될 수 있을 것"이라고 밝혔다. MS는 양자컴 연산의 기본 단위이자 성능 기준으로 꼽히는 '큐비트' 수를 향후 100만개로 확장할 수 있게 됐다고 설명했다. 현재 IBM과 구글의 양자컴이 1000큐비트급인 점을 감안하면 이보다 1000배에 달하는 규모를 구현할 수 있다고 공언한 것이다. 체탄 나약 MS 퀀텀 하드웨어 부사장은 "큐비트 100만개는 양자컴이 산업에 실질적 변화를 가져오기 위한 필수 임계치"라고 언급했다. 큐비트가 100만개 이상 탑재되는 시기를 '양자컴 상용화'가 시작되는 때로 본다는 것이다. MS가 자체 개발했다고 공개한 양자컴 칩 '마요라나1'에는 큐비트 8개가 탑재됐다. 이번에 MS는 큐비트를 100만개 이상으로도 확장할 수 있도록 양자 칩을 설계했다고 설명했다. 이번 양자 칩의 핵심인 '위상 초전도체'는 인듐 비소와 알루미늄 등으로 구현했다. 이를 통해 양자 정보의 손상을 막고 오류 파악과 수정도 디지털로 자동 제어할 수 있게 됐다. 마요라나 입자는 이탈리아의 물리학자 마요라나가 1937년 이론적으로 예측한 입자로, 발표 이후 실용적인 양자 컴퓨터 기술로 활용된 것은 이번이 처음이다. 이처럼 슈퍼컴퓨터를 월등히 초월하는 양자컴이 상용화되면 인공지능(AI) 분야에서도 근본적 혁신이 가능하다는 분석이 나온다. 막대한 양의 데이터를 학습한 뒤 이를 토대로 연산과 추론을 하는 AI에 양자컴 기술이 접목되면 소비 전력을 비롯해 비용과 시간을 대폭 줄이면서 AI 학습 속도를 100배 가까이 높일 수 있다는 것이다.
- IT/바이오
2025-02-20 08:47:00
['우주의 속삭임(94)] 지구 자기 북극 이동 가속화⋯5년 만에 위치 업데이트

지구 자기 북극의 위치가 변화함에 따라 선박, 항공기 등의 항법 시스템을 재조정해야 할 필요성이 제기되고 있다. 자기 북극은 현재 캐나다에서 시베리아 방향으로 이동하고 있으며, 그 속도가 가속화되고 있는 것으로 관측됐다고 CNN과 사이테크데일리 등 외신이 전했다. 미국 국립해양대기청(NOAA)과 영국 지질조사국(BGS)은 5년마다 갱신되는 세계 자기 모델(WMM)의 최신 버전을 발표했다. 지리적 북극은 지구 자전축의 최북단에 고정되어 있는 반면, 자기 북극은 지구 자기장이 수직으로 향하는 지점으로, 지구 내부의 철과 니켈의 이동에 따라 끊임없이 변화한다. 따라서 나침반이나 GPS 시스템을 사용하는 경우 정확한 자기 북극의 위치 정보가 필수적이다. BGS의 지구 자기장 모델링 전문가인 윌리엄 브라운은 "현재 자기 북극의 이동은 전례 없는 현상"이라고 말했다. 그는 "1500년대 이후 자기 북극은 캐나다 주변에서 천천히 움직였지만, 지난 20년 동안 시베리아를 향해 가속도가 붙었고, 5년 전까지 매년 속도가 증가했다"며 "최근에는 연간 50km에서 35km로 속도가 감소했는데, 이는 관측 사상 가장 큰 감속"이라고 설명했다. 연구 결과에 따르면, 캐나다와 시베리아 지하에 있는 두 개의 거대한 자기 엽이 자기 북극의 이동을 주도하는 것으로 추정된다. 이러한 이동은 때때로 급격하게 발생하여 5년 주기의 정기적인 업데이트 외에 긴급 업데이트가 필요한 경우도 있다. 이번에 발표된 새로운 WMM은 향후 5년간 자기 북극의 위치를 정확하게 제공할 것으로 예상된다. 특히 이번에는 해상도가 10배 이상 향상된 고해상도 지도가 함께 제공되어, 적도에서 약 300km의 공간 해상도를 제공한다. 이전 모델의 해상도는 3,300km였다. BGS 연구팀은 남아프리카에서 영국까지 8,500km를 직선으로 이동하는 경우, 이전 WMM을 사용하면 새로운 WMM에 비해 최종 목적지에서 150km 벗어나게 된다고 밝혔다. 이는 WMM의 정확도가 항법에 미치는 영향을 보여주는 사례이며, 지도 제작 및 물류 회사, 정부 기관 등은 이러한 업데이트를 적용해야 한다. 브라운은 CNN과의 인터뷰에서 "주요 항공사들은 전체 항공기의 항법 소프트웨어를 업그레이드하여 새로운 모델을 적용할 것이며, NATO 회원국들은 다양한 장비의 복잡한 항법 시스템 소프트웨어를 업그레이드해야 할 것"이라고 말했다. 다만, 개인이 사용하는 휴대폰이나 차량용 내비게이션의 경우 자동으로 업데이트가 진행될 예정이다. 한편, 자기 북극은 1831년 제임스 클라크 로스 경에 의해 캐나다 북부에서 처음 발견됐다. 이후 연구자들은 전 세계 지상 측정 및 위성 데이터를 활용하여 자기 북극의 위치를 추적해 왔으며, 그 정확도를 점차 높여왔다.
- IT/바이오
2025-01-24 09:55:00
[우주의 속삭임(90)] 우주의 찰나의 불꽃, 고속 전파 폭발의 기원 밝혀져

극도로 밀집된 천체에서 방출되는 찰나의 강력한 전파 폭발, 고속 전파 폭발(FRB-Fast Radio bursts))의 기원이 마침내 밝혀졌다. 미국 MIT 연구진은 FRB 20221022A로 명명된 고속 전파 폭발을 분석해 그 근원이 중성자별의 자기권임을 규명하는 데 성공했다고 Phys가 1일(현지시간) 전했다. 이번 연구 결과는 학술지 네이처(Nature) 최신호에 게재됐다. 고속 전파 폭발(FRB)은 밀리초 길이의 전파 펄스다. 그 에너지는 너무 강력해서 수십억 광년을 이동하여 지구에서도 감지될 수 있다. 2007년 최초로 발견된 이후, 수천 개의 고속 전파 폭발이 관측되었지만, 그 발생 원리는 여전히 베일에 싸여 있었다. 이러한 우주 전파 섬광은 1,000분의 1초라는 찰나의 순간 동안 은하 전체를 밝힐 만큼 막대한 에너지를 방출한다. 일각에서는 이 현상이 외계 문명에서 기원했을 가능성도 제기됐다. 하버드-스미소니언 천체물리학 센터의 아비 로브 교수 등 일부 이론물리학자들이 이런 주장을 펼쳤다. '섬광 기법'으로 전파 신호의 정확한 위치 파악 MIT 연구진은 FRB 20221022A의 밝기 변화를 분석하는 '섬광' 기법을 통해 전파 신호의 정확한 위치를 파악했다. 연구 결과, FRB는 일부 기존 모델에서 예측했던 먼 거리에서 기원한 것이 아니라, 발생원과 매우 가까운 곳에서 비롯된 것으로 확인됐다. 연구진은 FRB 20221022A가 회전하는 중성자별에서 최대 10,000km 떨어진 곳에서 발생했다고 추정했다. 이는, 뉴욕과 싱가포르까지의 거리보다 가깝다. 이는 폭발이 중성자별을 둘러싼 강력한 자기 영역, 즉 자기권에서 발생했음을 시사한다. 이번 연구는 고속 전파 폭발이 극도로 밀집된 천체 주변의 자기권에서 발생할 수 있다는 결정적인 증거를 최초로 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구를 주도한 MIT 카블리 천체물리학 및 우주 연구소의 켄지 니모 박사는 "중성자별의 자기장은 우주에서 생성될 수 있는 가장 강력한 수준에 이른다"며 "이러한 극한 환경에서 밝은 전파가 방출되고 탈출할 수 있는지에 대한 오랜 논쟁이 있었다"고 말했다. MIT 물리학과 키요시 마스이 부교수는 "자기장이 강력한 중성자별 주변에서는 원자가 존재할 수 없다. 강력한 자기장에 의해 원자는 해체된다"며, "흥미로운 점은 자기장에 저장된 에너지가 꼬이고 재구성되어 우주의 절반을 가로질러 관측 가능한 전파로 방출될 수 있다는 사실"이라고 강조했다. CHIME 망원경이 관측한 고속 전파 폭발 이 연구는 캐나다 수소 강도 매핑 실험(CHIME) 망원경의 관측 데이터를 기반으로 수행됐다. CHIME은 2020년 이후 전 우주에서 수천 개의 FRB를 탐지하며 고속 전파 폭발 연구에 새로운 지평을 열었다. MIT 연구진은 CHIME를 이용해 FRB 20221022A라는 고속 전파 폭발을 관측하고 섬광 현상을 분석했다. 이 폭발은 약 2밀리초 동안 지속되었으며, 밝기 면에서는 일반적인 FRB와 유사했다. 그러나 맥길 대학교 연구진은 FRB 20221022A에서 독특한 특징을 발견했다. 폭발에서 나온 전파는 편광각이 S자 곡선을 그리며 부드럽게 변하는 높은 편광을 보였다. 이는 폭발 지점이 회전하고 있음을 나타내며, 강력한 자기장을 가진 회전하는 중성자별인 펄서에서 관측되는 특징과 유사하다. 고속 전파 폭발에서 이와 같은 편광이 관측된 것은 처음이다. 이는 신호가 중성자별 근처에서 방출됐음을 암시한다. 맥길 대학교 연구팀의 결과는 네이처(Nature)지에 함께 게재됐다. MIT 연구진은 FRB 20221022A가 중성자별 근처에서 발생했다면 섬광을 이용하여 이를 입증할 수 있다고 판단했다. 니모 박사 연구팀은 CHIME 데이터를 분석하여 밝기의 급격한 변화, 즉 섬광 현상을 관측했다. 연구진은 전파를 굴절시키고 걸러내는 가스가 망원경과 FRB 사이 어딘가에 존재한다는 사실을 확인했다. 연구팀은 이 가스의 위치를 파악한 결과, FRB가 속한 은하 내 가스가 섬광 현상의 원인임을 밝혀냈다. 이 가스는 자연적인 렌즈 역할을 하여 연구진이 FRB 발생 지점을 확대해 분석할 수 있도록 했다. 그 결과 폭발이 약 10,000km 폭의 매우 작은 영역에서 발생한 것을 확인했다. 니모 박사는 "이는 FRB가 발생원으로부터 수십만 km 이내에 위치함을 의미한다"며 "이는 매우 가까운 거리다. 만약 충격파에서 발생했다면 신호는 수천만 km 이상 떨어져 있어야 하며 섬광 현상은 전혀 관찰되지 않았을 것"이라고 설명했다. 마스이 부교수는 "2억 광년 떨어진 곳에서 10,000km 영역을 확대하는 것은 달 표면에서 약 2나노미터 폭의 DNA 나선의 너비를 측정하는 것과 같다"며 "상상하기 어려울 정도로 정밀한 수준"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 맥길 대학교 연구팀의 결과와 함께, FRB 20221022A가 중성자별 외곽이 아닌 자기권에서 발생했다는 가능성을 최초로 입증했다. 이는 고속 전파 폭발이 매우 강력한 자기장이 존재하는 환경에서 중성자별과 가까운 위치에서 방출될 수 있음을 시사한다. 마스이 부교수는 "이러한 폭발은 매일 일어나고 있으며 CHIME은 하루에도 여러 개를 감지한다"며 "발생 방식과 위치에 다양한 차이가 있을 수 있다. 섬광 기법은 이러한 폭발을 일으키는 다양한 물리적 현상을 분석하는 데 매우 유용할 것"이라고 강조했다. 이번 연구는 고속 전파 폭발의 발생 메커니즘을 규명하는 데 중요한 단서를 제공하며, 우주에 대한 이해를 넓히는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2025-01-02 15:58:00
[퓨처 Eyes(65)] 한쪽으로는 질량 없는 기이한 입자, 첨단 기술 혁신의 열쇠 될까?

과학계가 술렁이고 있다. 마치 SF 영화에서나 나올 법한, 한 쪽 방향으로는 질량이 전혀 없지만 다른 한 쪽으로는 질량을 가진 기묘한 입자가 발견되었기 때문이다. '세미－디랙 페르미온(semi-Dirac fermions)'이라 불리는 이 준입자는 16년전 이론적으로 예측되었지만, 실제 물질에서 관측된 것은 이번이 처음이다. 이 획기적인 발견은 배터리, 센서 등 첨단 기술에 혁명적인 변화를 가져올 수 있다는 기대를 모으고 있다. 우연에서 탄생한 획기적 발견 이번 발견은 미국 펜실베이니아주립대학교(Penn State)와 컬럼비아대학교(Columbia University) 연구팀이 플로리다 국립 고자기장 연구소(National High Magnetic Field Laboratory)에서 수행한 실험 중 이루어졌다. 연구진은 지르코늄 실리사이드 설파이드(ZrSiS)라는 반금속 결정체를 -452℉(-269℃)로 냉각시키고 지구 자기장보다 90만 배 강력한 자기장을 적용해 광학적 반응을 조사하던 중 예상치 못한 신호를 관찰했다. 연구 논문의 주저자인 샤오 인밍(Yinming Shao) 펜실베이니아주립대학교 물리학 조교수는 "처음에는 우리가 무엇을 보고 있는지 몰랐다. 세미－디랙 페르미온을 찾으려던 것도 아니었다. 그런데 이해할 수 없는 신호를 발견했고, 결과적으로 이론적으로만 존재하던 준입자를 최초로 관찰하게 된 것"이라고 말했다. 플로리다 국립 고자기장 연구소의 하이브리드 자석은 세계에서 가장 강력한 지속형 자기장을 생성하는 데, 지구 자기장보다 약 90만배 강하다. 이 자기장은 너무 강해서 물방울과 같은 작은 물체를 공중에 띄울 수 있다. 연구진은 ZrSiS 결정체가 예상 밖의 특성을 보여준다고 강조했다. 그들은 "우리가 관찰한 신호는 기존의 준입자나 전자 행동과 완전히 다른 것이었다. 이는 물질 내 전자 구조가 상호작용하는 방식에 대한 새로운 시각을 제공한다"고 설명했다. 입자의 에너지가 전적으로 운동에서 비롯된 경우, 즉 본질적으로 빛의 속도로 이동하는 순수한 에너지인 경우 입자는 질량을 갖지 않을 수 있다. 예를 들어 광자나 빛의 입자는 광속으로 움직이기 때문에 질량이 없는 것으로 간주된다. 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 빛의 속도로 이동하는 물체는 질량을 가질 수 없다. 고체 물질에서는 준입자(quasiparticles)라고도 하는 많은 입자의 집단적 행동이 개별 입자와 다른 행동을 보일 수 있으며, 이 경우 한 방향으로만 질량을 갖는 입자가 발생한다고 샤오는 설명했다. 샤오는 "어떤 물질에 자기장을 가하면 그 물질 내부의 전자 레벨이 란다우 준위(Landau levels)라는 불연속 레벨로 양자화된다"고 설명했다. 이 레벨은 마치 계단을 오를 때 중간에 작은 계단이 없는 것처럼 고정된 값만 가질 수 있다. 이 레벨 사이의 간격은 전자의 질량과 자기장의 세기에 따라 달라지므로 자기장이 증가하면 전자의 에너지 준위는 전적으로 질량에 따라 정해진 양만큼 증가해야 하지만 이 경우에는 그렇지 않다. 즉, 세미－디랙 페르미온은 방향에 따라 질량이 존재하거나 사라지는 독특한 행동을 한다. 연구팀은 적외선을 비춰 반사된 빛의 신호를 분석하는 자기-광학 분광법(mganeto-optical spectroscopy)을 통해 이 현상을 확인했다. 전자의 에너지 상태가 특정 조건에서 기존 물질과는 전혀 다른 패턴을 보이며 이 준입자의 존재를 증명했다. 질행 행동성과 독특한 행동 '발견' 일반적인 입자는 모든 방향에서 질량을 갖지만, 세미－디랙 페르미온은 특정 방향에서만 질량을 갖는다. 이는 결정체의 전자 구조와 깊은 관련이 있다. ZrSiS의 경우 층상 구조를 가지고 있어 전자가 특정 경로로는 질량 없는 상태로 이동하고, 교차점에서 질량을 얻는다. 연구진은 이를 마치 "기차가 선로를 따라 이동하다가 교차점에서 방향을 바꿀 때 갑자기 저항 받는 상황"에 비유했다. 샤오는 "이 물질은 독특한 전자 구조를 가지고 있어 기존 물리학 이론으로는 완전히 설명되지 않는 행동을 보인다. 이 때문에 우리가 연구를 계속해야 하는 이유이기도 하다"라고 말했다. 이 현장은 란다우 준위(Landau levels)로 알려진 전자의 에너지 단계에서 관찰됐다. 일반적으로 전자의 에너지 단계는 자기장 강도에 따라 증가하지만. ZrSiS에서는 세미－디랙 페르미온만이 보여주는 'B^(2/3) 법칙'을 따른 패턴이 발견됐다. 이는 기존의 물질에서는 볼 수 없는 독특한 특성이다. 이러한 특징은 세미－디랙 페르미온이 지닌 독특한 에너지 분산 관계 때문이다. 그래핀의 전자와 같은 기존의 디렉 페르미온은 에너지가 운동량에 선형적으로 비례하지만, 세미－디랙 페르미온은 특정 방향에서는 에너지가 운동량의 제곱에 비례한다. 이러한 차이가 란다우 준위에서 독특한 에너지 패턴을 만들어내는 것이다. 란다우 준위는 자기장이 존재하는 2차원 전자 시스템에서 전자들이 특정 에너지 준위를 형성하는 양자역학적 현상을 말한다. 이 개념은 프랑스 물리학자 레프 란다우(Lev Landau)가 1930년에 제안했다. 세미-디랙 페르미온은 2008년과 2009년 프랑스 파리 쉬드 대학과 미국 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 과학자들을 포함한 여러 연구팀에 의해 처음으로 이론화됐다. 연구팀은 운동 방향에 따라 질량 이동 특성을 가진 준입자가 있을 수 있다고 예측했다. 즉, 한 방향으로는 무질량으로 보이지만 다른 방향으로는 질량이 있을 것으로 본 것이다. 과학과 기술의 개로운 가능성 제시 세미－디랙 페르미온의 발견은 단순한 이론 검증을 넘어, 첨단 기술로의 응용 가능성을 제시한다. 연구팀은 ZrSiS와 같은 층상 구조를 지닌 물질이 그래핀처럼 단일 층으로 분리될 경우, 전자 특성을 정밀하게 제아할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이는 새로운 이론적 모델을 필요로 하며, 앞으로의 연구가 이를 밝혀낼 것"이라고 덧붙였다. 이처럼 세미－디랙 페르미온은 전자의 이동성과 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 이는 차세대 전자 소자 및 에너지 저장 장치 개발에 새로운 돌파구를 마련할 수 있음을 의미한다. 세미-디랙 페르미온 미래 연구와 방향성 세미－디랙 페르미온은 기존 물리학의 틀을 확장시키는 동시에 양자 연구에 새로운 방향성을 제시한다. 이번 발견은 물질 내 전자의 상호작용, 길량의 생성 및 소멸, 에너지 흐름에 대한 이해를 심화시키는 데 중요한 기여를 할 것으로 보인다. 또한 준입자의 행동과 특성을 기반으로 새로운 재료 과학과 응용 기술 개발의 가능성을 열었다. 이 연구는 학술지 '피지컬 리뷰 엑스(Physical Review X)'에 개재됐으며, 과학계는 앞으로 더 많은 실험과 이론적 분석을 통해 이 준입자의 비밀을 밝혀낼 것으로 기대하고 있다. 한 방향으로 질량 없는 빛의 속도로 움직이고, 다른 방향으로는 무거운 질량을 지니는 세미－디랙 페르미온. 이 입자의 발견은 물리할뿐만 아니라 인류의 기술적 진보에도 깊은 영향을 미칠 것으로 보인다.
- 포커스온
2025-01-02 13:05:00
[신소재 신기술(142)] 난임 치료의 혁신-나팔관 막힘 제거하는 '자성 로봇 나사' 개발

난임 치료 분야에서 기존의 수술법을 대체할 수 있는 획기적인 기술이 등장했다. 자성으로 구동되는 마이크로 로봇 나사가 나팔관 막힘을 제거하는 방식으로, 난임의 주요 원인 중 하나를 해결하는 새로운 가능성을 열었다. 중국 선전 첨단기술연구원(SIAT) 자성 소프트 마이크로로봇 연구실은 나팔관 폐쇄로 인한 여성 난임 치료를 위해 '자성 마이크로 로봇(magnetic microrobot)' 나사를 개발했다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 이는 전 세계 수백만명의 여성에게 영향을 미치는 나팔관 폐쇄 문제를 해결할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 자성 로봇은 회전하는 자기장을 이용해 기계적인 움직임을 발생시키며, 기존의 카테터와 유도 와이어를 이용한 수술적 방식보다 덜 침습적인 치료법으로 기대를 모은다. 연구진은 이번 기술이 난임 치료 방법을 개선하고, 나팔관 폐쇄로 임신에 어려움을 겪는 여성들에게 새로운 희망을 제공할 것이라고 밝혔다. 정밀한 로봇 기술로 나팔관 폐쇄 난임 해결 전 세계적으로 약 1억8600만명이 난임을 겪고 있으며, 여성 난임 사례의 11~67%가 나팔관 폐쇄로 인한 것이다. 전통적인 치료법은 카테터와 유도 와이어를 사용해 나팔관을 뚫는 방식이지만, 이러한 절차는 환자의 몸에 기기를 삽입해야 하며 침습적이고 불편함을 유발할 수 있다. 이에 연구팀은 기존 수술법보다 덜 침습적인 대안을 개발하고자 했다. 연구팀이 개발한 마이크로 로봇은 비자성 감광성 수지로 제작된 후, 표면에 얇은 철층을 입혀 자성을 부여했다. 로봇은 자기장에 반응해 회전하며, 이를 통해 나팔관을 모사한 유리 채널을 통과한다. 실험 결과 이 로봇은 여성 생식 기관에서 발생하는 막힘을 모방한 세포 덩어리를 성공적으로 제거했다. 자성 마이크로 로봇은 섬세하고 좁은 나팔관 구조를 정확하게 통과하며, 정확한 내비게이션이 가능함을 입증했다. 로봇이 회전하는 동안 소용돌이장을 형성해 막힌 찌꺼기를 뒤쪽으로 밀어내며 막힘을 효과적으로 제거한다. 이 같은 특별한 움직임과 설계는 나팔관 내 장애물을 효율적이고 정밀하게 제거하는 데 기여한다. 마이크로 로봇, 다양한 실험 통해 효과 입증 연구팀은 다양한 실험을 통해 시스템의 유효성을 입증했다. 회전하는 로봇 나사가 장벽에 쌓인 찌꺼기를 밀어내며, 시뮬레이션된 나팔관 막힘을 효과적으로 제거하는 모습을 보였다. 팀은 향후 더 정교하고 소형화된 로봇을 개발할 계획이며, 실제 장기 모델에서의 테스트와 실시간 위치 추적을 위한 생체 내 이미징 시스템 통합을 목표로 하고 있다. SIAT 염구팀의 하이펑 쉬(Xu Haifeng)는 "이번 기술은 기존의 카테터와 유도 와이어를 이용한 수술 방식부다 덜 침습적인 대안이 될 수 있다"며 "환자의 부담을 덜고 치료효과를 높이는 데 기여할 것"이라고 밝혔다. 연구팀은 자동 제어 시스템을 개발해 막힘 제거의 효율성을 높이고, 수술 등 다양한 의료 분야에 이 기술을 확대 적용할 계획이다. 쉬 박사는 "궁극적으로 난임을 겪는 환자들에게 더 효과적이고 최소 침습적인 솔루션을 제공하는 것이 목표"라고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 학술지 'AIP 어드밴시스(AIP Advances)'에 게재됐다.
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2024-12-24 15:34:00
[윌로우, 양자 혁명의 시작(5)] 윌로우 칩, 극저온의 심장으로 태어나다…구글 양자 AI 연구소 탐험

구글의 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우'는 단순한 기술적 도약을 넘어, 미래 컴퓨팅 혁신을 위한 새로운 패러다임을 열고 있다. 그러나 이 혁신이 가능했던 이유는 단순한 설계 이상의 과학적 정밀함과 최첨단 기술이 집약된 구글 양자 AI 연구소의 역할이 있었기 때문이다. 이번 회에서는 윌로우 칩 제작에 숨겨진 놀라운 기술적 비밀을 깊이 있게 탐구한다. [편집자 주] 양자 컴퓨팅, 극저온에서 태어나다 양자 컴퓨터의 기본 구성 요소인 큐비트는 외부 환경의 영향을 매우 민감하게 받는다. 이러한 특성 때문에 큐비트는 극저온 환경에서만 안정적으로 작동할 수 있다. 구글 양자칩은 초전도 회로를 사용해 에너지를 저장하고, 자기장과 전기장을 활용한 조셉슨 접합(Josephson junction)을 사용한다. 이 과정을 통해 고품질의 큐비트를 만들고, 이를 큰 규모의 복합 장치에 통합할 수 있다. 구글 연구소는 윌로우 칩의 안정성을 극대화하기 위해 '희석 냉장고(dilution refrigerator)'라는 첨단 장비를 활용한다. 이 냉장고는 절대 온도(0K, 섭씨 -273.15도)에 가까운 약 10밀리켈빈(mK, -273.14℃)의 초저온 환경을 유지한다. 이 온도에서는 전기 저항이 사라지는 초전도 상태가 형성되어 큐비트가 외부 간섭 없이 안정적으로 양자 상태를 유지할 수 있다. 이는 윌로우 칩의 연산 능력을 극대화하는 데 핵심적인 역할을 한다. 초전도 회로, 큐비트의 속삭임을 듣다 윌로우 칩은 초전도 회로를 기반으로 설계되었다. 초전도 회로는 전류가 전혀 손실 없이 흐를 수 있는 상태를 만들어 큐비트 간의 정보 전달을 정확하고 효율적으로 수행한다. 구글 연구소는 조셉슨 접합과 같은 기술을 활용해 큐비트의 상태를 정밀하게 제어하며 외부 환경으로부터 발생하는 간섭을 최소화한다. 또한, '표면 코드(surface code)' 기술을 적용해 큐비트 배열을 최적화함으로써 계산의 정확도를 높였다. 이러한 기술적 설계는 윌로우가 기존 양자 컴퓨팅 칩과 차별화되는 이유 중 하나다. 희석 냉장고, 큐비트를 지키는 방패 희석 냉장고는 윌로우 칩의 성능을 보장하는 중요한 장비다. 이 냉장고는 헬륨-3과 헬륨-4의 혼합을 통해 극저온을 생성하며, 큐비트 주변의 열적 노이즈를 제거한다. 양자 컴퓨터는 외부의 노이즈(잡음)에 매우 민감하다. 열 뿐만아니라 라디오파, 전자기장, 심지어 우주선으로부터 영향을 받을 수 있다. 희석 냉장고를 통해 큐비트는 안정적으로 작동하며, 더 높은 수준의 계산을 수행할 수 있다. 구글은 이 냉각 기술을 통해 큐비트의 성능을 극대화할 뿐만 아니라, 양자 오류 정정 기술을 실험하고 개선할 수 있는 환경을 조성했다. 이는 윌로우가 양자 컴퓨터 상용화를 향한 중요한 이정표가 된 이유다. 정밀한 배선 기술…큐비트를 연결하다 큐비트는 매우 민감한 구조를 가지고 있어 배선 과정에서도 신호 손실이나 노이즈를 최소화하는 정밀한 설계가 필요하다. 구글 연구소는 윌로우의 배선을 설계할 때, 실온에서 극저온 환경까지 안정적으로 신호를 전달할 수 있도록 특별히 설계된 마이크로파 신호 전달 시스템을 사용했다. 이는 큐비트 간 정보 전달의 정확성을 높이고, 계산 오류를 줄이는 데 기여했다. 윌로우 칩, 인류의 난제를 해결하다 윌로우 칩의 성공은 단순한 기술적 진보가 아니다. 이는 구글 퀀텀 AI가 양자 컴퓨팅의 상용화를 향해 나아가는 여정의 중요한 이정표다. 의약품 개발, 에너지 효율화, 기후 변화 대응 등 다양한 분야에서 윌로우는 인류가 직면한 난제를 해결할 강력한 도구로 자리 잡고 있다. 구글의 윌로우는 단순히 기술 혁신을 이루는 데 그치지 않고, 새로운 윤리적 논의를 불러일으키고 있다. 다음 회에서는 양자 컴퓨팅의 사회적 영향과 이를 둘러싼 논의를 심층적으로 다룬다. [윌로우, 양자 혁명의 시작(6)]에서 이어진다.
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2024-12-18 10:22:00
[신소재 신기술(141)] 칼텍, 인체 내 특정 부위에 치료 약물 전달하는 구형 마이크로 로봇 개발

미국 캘리포니아 공과대학교(칼텍·Caltech) 과학자들이 생체적합형 미세 하이브리드 마이크로 로봇을 개발해, 치료용 약물을 원하는 신체 부위에 주입하는 데 성공했다. 미래에는 치료용 약물을 체내 필요한 곳에 정확히 전달하는 것이 소형 로봇의 과제가 될 것이다. 금속 휴머노이드 로봇이나 생체를 모방한 로봇이 아니라 눈에 보이지 않을 정도로 작은 거품과 같은 구체가 될 것이다. 체내 실핏줄을 따라 이동해야 할 것이기 때문이다. 이러한 로봇의 개발은 까다롭다. 위산과 같은 체액으로부터 생존해야 하고 외부에서 제어가 가능해야 한다. 그래야 정확하게 목표 부위로 향할 수 있다. 또 목표에 도달했을 때만 치료제를 방출해야 하며, 그 후에는 인체에 해를 끼치지 않고 신체 내에서 흡수되어야 한다. 이런 모든 요건을 충족하는 마이크로 로봇이 칼텍(Caltech) 연구팀에 의해 개발되었다고 칼텍이 공식 홈페이지를 통해 밝혔다. 연구팀은 로봇을 사용해 쥐의 방광에 발생한 종양의 크기를 줄이는 치료제를 성공적으로 전달했다. 관련 논문은 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 저널에 게재됐다. 연구팀이 개발한 로봇은 '생체흡수성 음향 마이크로 로봇(BAM)'이라고 명명됐다. 연구팀의 레이 가오 박사는 "약물을 신체에 주입하면 신체 모든 곳으로 확산된다. 우리가 개발한 마이크로 로봇은 종양 등 치료 대상 부위로 직접 안내해 통제되고 효율적인 방식으로 약물을 방출할 수 있다"고 말했다. 마이크로 또는 나노 로봇 개념은 새로운 것은 아니다. 전문가들은 지난 20년 동안 마이크로 로봇을 개발해 왔다. 그러나 혈액, 소변 또는 타액과 같은 복합적인 생체 유체에서 로봇을 정밀하게 움직이는 것은 매우 어렵기 때문에 생물 대상 적용은 제한적이었다. 특히 생체적합성 및 생체흡수성으로 신체에 독성 물질을 남기지 않아야 하는데, 이 역시 난제였다. 칼텍에서 개발한 마이크로 로봇은 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트라는 하이드로겔로 만들어진 미세한 구체다. 하이드로겔은 액체 또는 수지 형태로 시작해 내부에 있는 폴리머 네트워크가 굳어지면 고체가 되는 재료이다. 이러한 특성으로 하이드로겔은 다량의 액체를 유지할 수 있고, 많은 하이드로겔이 생체적합성을 갖는다. 또한 적층 제조 방법을 통해 구체의 외부에 치료용 약물을 탑재, 신체 내 목표 부위로 운반할 수 있다. 하이드로겔 레시피를 만들기 위해 연구팀의 일원이었던 줄리아 그리어는 '2광자 중합(TPP) 리소그래피'라는 기술을 활용, 3D 프린팅을 연상시키는 방식으로 복잡한 형태의 구조를 층층이 쌓아 올려 완성했다. 이 기술은 적외선 레이저 펄스를 사용해 특정 패턴에 따라 매우 정밀한 방식으로 감광성 폴리머를 가교시키는 기술이다. 그리어 팀은 직경 30마이크론의 미세 구조를 인쇄하는 데 성공했다. 이는 사람의 머리카락 직경과 비슷하다. 최종적으로 마이크로 로봇은 구체의 바깥쪽 내부에 자성 나노 입자와 치료 약물을 넣었다. 자성 나노 입자는 외부에서의 통제를 위한 것으로, 외부 자기장을 사용해 로봇을 원하는 위치로 안내할 수 있게 한다. 로봇이 목표 부위에 도달하면 그 자리에 머무르고 약물을 주입하게 된다. 연구팀은 마이크로 로봇의 외부를 친수성으로 설계해 구형 로봇이 신체를 통과할 때 뭉치지 않도록 했다. 그러나 마이크로 로봇의 내부는 기포를 가두어야 하기 때문에 친수성이어서는 안 된다. 그렇지 않으면 기포는 쉽게 붕괴되거나 용해된다. 가두어진 기포는 로봇을 이동시키고 실시간 이미징으로 추적하기 위해 중요하다. 외부는 친수성이고 내부는 소수성, 즉 물에 대한 저항성을 모두 갖춘 하이브리드 마이크로 로봇을 만들기 위해 연구팀은 2단계 화학적 변형을 고안했다. 먼저, 하이드로겔에 긴 사슬 탄소 분자를 부착해 전체 구조를 소수성으로 만들었다. 그런 다음 산소 플라즈마 에칭 기술을 사용해 외부의 긴 사슬 탄소 구조 일부를 제거함으로써 외부는 친수성으로, 내부는 소수성으로 남겼다. 이것이 이번 연구 프로젝트의 핵심 혁신이었다. 가오는 "내부는 소수성이고 외부는 친수성인 비대칭 표면 변형을 통해 소변이나 혈청과 같은 생체 유체에 장시간 기포를 가둘 수 있게 됐다“고 설명했다. 구형 마이크로 로봇 안에 있는 기포는 초음파 영상 대조제 역할을 한다. 기포를 통해 생체 내에서 움직이는 로봇을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 연구팀은 마이크로 로봇이 목표 지점으로 이동하는 것을 추적하는 방법도 개발했다. 연구의 마지막 단계는 방광 부위에 종양이 있는 쥐에 대한 테스트였다. 연구팀은 21일 동안 마이크로 로봇을 통해 네 차례 치료제를 전달했다. 그 결과 로봇이 전달하지 않은 치료제보다 종양을 줄이는 데 더 효과적이라는 사실이 규명됐다. 연구팀은 이번 개발 결과는 환자에 대한 약물 전달 및 정밀 수술을 위한 매우 유망한 플랫폼이 될 것이라고 자평하고 사람에 대한 임상 실험을 거쳐 상용화가 필요하다고 주장했다.
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2024-12-17 09:20:00
[우주의 속삭임(86)] 우주 팽창 속도, 표준 우주론에 의문 제기⋯제임스웹 망원경, 허블 망원경 측정값 검증

우주가 천문학자들의 예상보다 빠르게 확장되고 있는 것으로 나타나 우주론 연구에 새로운 국면을 예고했다. 미국 항공우주국(나사·NASA)의 제임스 웹 우주 망원경은 우주의 팽창 속도가 예상보다 8% 빠르다는 것을 확인했다. 우주는 마치 오븐 속에서 머핀을 굽는 것처럼 확장된다는 것이다. 즉, 빵 반죽이나 머핀 반죽을 넣어 오븐에 구으면 빵이나 머핀이 커지는 것처럼 우주가 팽창된다는 것. 이때 머핀 속의 건포도나 블루베리는 오븐 속에서 머핀 반죽이 부풀어 오르면서 서로 멀어진다. 제임스 웹 망원경의 최신 관측 결과는 우주의 팽창 속도에 대한 기존 이론에 의문을 제기했다. 이는 단순한 측정 오류가 아닌, 우주 자체의 미지의 특징이 현재의 팽창 속도를 설명할 수 있음을 시사한다. 우주론적 난제 '허블 텐션' 심화 제임스 웹이 수집한 2년간의 데이터는 허블 우주 망원경이 이전에 발견한 우주의 팽창 속도가 천체물리학자들이 우주의 초기 조건과 수십억 년에 걸친 진화에 대해 알고 있는 이론에 근거해 예상했던 것보다 8% 빠르다는 것을 입증했다. 이 불일치를 '허블 텐션'이라고 한다. 허블 텐션은 현재까지 최고 우주 모델로도 설명되지 않은 난제로 남아 있다. 이번 연구는 허블 우주 망원경의 측정값을 검증하며, 우주의 팽창 속도를 나타내는 허블 상수 측정에서 나타나는 불일치, 즉 '허블 텐션'을 해결하기 위한 중요한 단서를 제공한다고 스페이스닷컴, PHYS, KSL.닷컴 등 다수 외신이 전했다. 우주 가속 팽창을 공동 발견한 공로로 2011년 노벨상 수상자이자 이번 연구의 주요 저자인 존스 홉킨스 대학교의 애덤 리스 교수는 "관측된 우주 팽장 속도와 표준 모델의 예측 사이의 불일치는 우리의 우주에 대한 이해가 불전할 수 있음을 시사한다"며 "두 개의 NASA 주력 망원경이 서로의 발견을 확인하는 현 상황에서, 우리는 이 문제를 매우 심각하게 받아들여야 한다. 이는 도전이지만 동시에 우리 우주에 대해 더 많이 배울 수 있는 놀라운 기회이기도 하다"라고 말했다. 이번 연구는 천체물리학 저널(Astrophysical Journal)에 게재됐으며, 리스 교수의 노벨상 수상 업적인 '암흑 에너지'에 의한 우주 가속 팽창 이론을 기반으로 한다. 암흑 에너지는 별과 은하 사이의 광활한 공간에 스며들어 우주의 팽창을 가속화시키는 미지의 에너지다. 우주의 약 27%를 차지한다고 생각되는 '암흑 물질'은 눈에 보이지 않지만 일반 물질(별, 행성, 달, 지구상의 모든 물질)에 미치는 중력 효과를 바탕으로 그 존재가 추정되는 가설적 물질의 한 형태다. 지구상의 모든 물질은 우주의 약 5%를 차지한다. 우주의 약 69%를 차지하는 것으로 추정되는 '암흑 에너지'는 우주의 광대한 공간에 스며들어 중력을 상쇄하고 우주의 가속 팽창을 주도하는 에너지의 한 형태라고 가정된다. 우주가 정적이지 않고 확장되거나 수축될 수 있다는 이론은 1922년 물리학자 알렉산더 프리드먼이 처음 발표했다. 그는 우주가 확장되고 있다는 것을 수학적으로 확인했다. 우주의 확장 속도를 더 깊이 들여다 본 사람은 에드윈 허블이었다. 허블은 1929년 우주 전체가 확장되고 있으며 확장 속도가 증가하고 있다는 것을 확인한 유명한 논문을 발표했다. 수수께끼의 '허블 상수' 연구팀은 웹 망원경이 우주에서 보낸 첫 2년 동안 수집한 방대한 데이터를 활용하여 허블 망원경의 허블 상수 측정값을 검증했다. 초신성을 포함하는 거리를 정하는 세 가지 방법을 사용했으며, 특히 허블 망원경으로 측정하여 가장 정확한 '국부적' 허블 상수 값을 제공하는 것으로 알려진 거리에 초점을 맞추었다. 두 망원경의 관측 결과는 매우 유사하게 일치해 허블 망원경의 측정값이 정확함을 보여줬으며, 허블 텐션을 허블 망원경의 오류로 돌릴 만큼 큰 오차가 없음을 확인했다. 그러나 허블 상수는 여전히 수수께끼로 남아 있다. 망원경 관측을 기반으로 한 현재 우주의 측정값은 우주 마이크로파 배경 복사 데이터를 사용하여 보정된 표준 우주론 모델의 예측 값보다 높기 때문이다. 표준 우주론 모델에 따르면 허블 상수의 값은 약 67~68km/Mpc(메가파섹, 은하의 거리 단위)이어야 한다. 반면, 허블과 웹 망원경 데이터 기반 측정값은 일반적으로 70~76km/Mpc의 더 높은 값을 나타냈다. 평균값은 73km/s/Mpc다. 이러한 불일치는 측정 또는 관측 기술의 오류로 설명하기에는 너무 큰 차이이기 때문에 10년 이상 우주론자들을 혼란스럽게 했다. 메가파섹(Mpc)은 326만 광년에 해당하는 엄청난 거리를 말한다. 1광년은 빛이 1년 동안 이동하는 거리로 5.9조마일이다. 웹 망원경의 새로운 데이터가 허블 망원경 측정의 유의미한 편향을 배제함에 따라, 허블 텐션은 아직 밝혀지지 않은 미지의 요인이나 우주론자들의 물리학적 이해의 틈에서 비롯될 수 있다고 연구팀은 보고했다. 존스 홉킨스 대학교에서 이 연구를 진행한 대학원생 사양 리는 "웹 망원경 데이터는 처음으로 고화질로 우주를 보는 것과 같으며 측정의 신호 대 잡음비를 실제로 향상시킨다"고 말했다. 우주 진화를 보여주는 허블 상수 이번 연구는 NGC 4258이라는 은하까지의 알려진 거리를 기준점으로 사용하여 허블 망원경의 전체 은하 샘플의 약 3분의 1을 다루었다. 더 작은 데이터 세트에도 불구하고 연구팀은 측정값 간의 차이를 2% 미만으로 줄이는 인상적인 정밀도를 달성했는데, 이는 허블 텐션 불일치의 약 8~9% 크기보다 훨씬 작다. 연구팀은 우주 거리 측정의 황금 표준인 세페이드 변광성 분석 외에도 동일한 은하에 걸쳐 탄소가 풍부한 별과 가장 밝은 적색 거성을 기반으로 측정값을 교차 검증했다. 세페이드 변광성은 변광성(變光星·광도가 변하는 별)의 한 유형으로 이들의 변광 주기와 절대광도 사이의 정확한 관계성으로 유명하다. 웹 망원경으로 관측된 모든 은하와 그 초신성은 허블 상수 72.6km/s/Mpc를 산출했으며, 이는 허블 망원경이 동일한 은하에서 발견한 72.8km/s/Mpc 값과 거의 동일하다. 이 연구에는 리스 교수의 SH0ES 팀(초신성, H0, 암흑 에너지 상태 방정식), 카네기-시카고 허블 프로그램, 그리고 다른 팀들의 웹 망원경 데이터 샘플이 포함됐다. 이러한 결합된 측정은 허블 망원경 세페이드 변광성을 사용하여 측정된 거리의 정확도에 대한 가장 정확한 결정을 가능하게 했다. 세페이드 변광성은 허블 상수를 결정하는 데 기본적인 역할을 한다. 세페이드 변광성들의 강도는 태양의 10³~10⁴배이다. 허블 상수는 태양계, 지구 또는 일상생활에 실질적인 영향을 미치지 않지만, 매우 큰 규모에서 우주의 진화를 보여준다. 이는 과학자들이 우주의 구조를 파악하고 빅뱅 이후 130~140억 년이 지난 현재 우주의 상태에 대한 이해를 심화하며 우주의 기본적인 측면을 계산하는 핵심 값이다. 존슨 홉킨스 대학교의 우주론자인 마크 카미온코프스키 교수는 허블 텐션을 해결하면 최근 몇 년 동안 밝혀진 표준 우주론 모델과의 다른 불일치에 대한 서로 다른 수요 관측 현상을 설명할 수 있다고 말했다. 그러나 우주의 구성과 가속 팽창의 96%를 차지하는 것으로 추정되는 미지의 구성 요소인 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질을 완전히 설명하지는 못한다. 이번 연구에 참여하지 않은 카미온코프스키 교수는 "허블 텐션에 대한 한 가지 가능한 설명은 초기 우주에 대한 우리의 이해에 누락된 부분이 있는 경우다. 예를 들어 빅뱅 이후 우주에 예상치 못한 킥을 준 새로운 물질 성분인 초기 암흑 에너지가 존재할 수 있다"고 말했다. 그는 "그리고 재미있는 암흑 물질 특성, 이국적인 입자, 변화하는 전자 질량, 또는 원시 자기장과 같은 다른 아이디어들도 있다. 이론가들은 상당히 창의적일 수가 있다"고 덧붙였다.
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2024-12-11 11:35:00
[신소재 신기술(125)] 양자 '슈뢰딩거의 고양이' 23분간 유지 성공…양자역학 새 지평 열어

과학자들이 양자 고양이 상태를 무려 23분(1400초) 이상 유지해 기존 기록을 경신했다. 중국 과학기술대학교 연구진이 '슈뢰딩거의 고양이' 상태를 1400초(약 23분 33초) 동안 유지하는 데 성공했다는 연구 결과를 발표했다고 IFL사이언스가 전했다. 이는 양자 중첩 상태를 장시간 유지한 세계 최장 기록으로, 고정밀 특정 및 양자 컴퓨터 정보 처리 분야에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 원리를 설명하는 데 자주 사용되는 비유로 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 1935년에 고안한 사고 실험이다. 이 실험은 양자 역학의 불완전함을 보여주기 위해서 고안됐다. 실험 원리는 다음과 같다. 상상속의 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리가 들어있다. 또 상자 안에는 방사성 물질과 연결된 독가스 장치가 있다. 방사성 물질은 1시간 안에 50%의 확률로 붕괴한다. 만약 붕괴하면 독가스가 방출되어 고양이가 죽고, 붕괴하지 않으면 고양이가 살아 있다. 여기서 중요한 점은 상자를 열어보기 전까지는 고양이가 죽었는지 살았는지 확인할 수 없다는 것이다. 양자역학에 따르면, 상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 중첩되어 존재한다. 즉, 고양이는 살아 있으면서 죽어 있는 상태다. 슈뢰딩거는 이 실험을 통해 양자역학의 '중첩' 해석에 의문을 제기했다. 거시세계에서는 고양이가 죽었거나 살았거나 둘 중 하나이며 중첩된 두 가지 상태가 동시에 존재할 수 없기 때문이다. 즉, '슈뢰딩거의 고양이'는 양자역학의 불확실성을 설명하는 사고 실험으로, 상자 속 고양이가 살이 있는 상태와 죽어 있는 상태가 중첩되어 존재한다는 개념이다. 연구팀은 1만개의 이터븀 원자를 절대영도보다 몇 천분의 1도 높은 온도로 냉각시키고 빛을 이용하여 포획하는 실험을 진행했다. 각 원자는 정밀하게 제어되어 두 가지 스핀 상태의 중첩 상태, 즉 '양자 고양이' 상태를 형성했다. 이번 연구에서 주목할 점은 양자 고양이 상태의 유지 기간이다. 자연 상태에서는 중첩 상태가 순식간에 붕괴되지만, 이번 실험에서는 1400초 동안 유지됐다. 연구진은 진공 개념을 개선하면 유지 시간을 더욱 늘릴 수 있을 것으로 예상했다. 인도 캘거리 대학교의 배리 센더스 교수는 "이터븀 원자를 이용해 안정적인 양자 고양이 상태를 구현한 것은 놀라운 성과"라며 "이를 통해 미세한 외부 영향을 감지하고 상호 작용을 연구하는 데 활용할 수 있다"고 평가했다. 센더스 교수는 이 연구에 참여하지는 않았다. 이번 연구는 이터븀 원자를 이용한 장치가 자기장 측정에 매우 민감하게 반응한다는 사실을 밝혀냈으며, 다양한 분야의 응용 가능성을 제시했다. 양자역학 분야에서는 지난해에 16 마이크로그램의 결정을 중첩 상태로 만드는 실험이 성공하는 등 끊임없는 혁신이 이루어지고 있다. 이번 연구 결과는 아직 동료 평가를 받지 않았으며, 관련 논문은 아카이브(arXiv)에서 확인할 수 있다.
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2024-11-01 13:05:00
[신소재 신기술(122)]MRI, AI 모델 학습으로 뇌 이상 진단 정확도 높인다

미국 과학자들이 뇌의 이상을 진단하는 MRI(자기공명영상)의 정확도를 높이는 머신러닝 모델을 개발했다. 캘리포니아대 샌프란시스코(UCSF) 연구팀이 인공지능(AI)을 활용하여 3T MRI 화질을 7T MRI 수준으로 향상시키는 기술을 개발했다고 뉴로사이언스닷컴 뉴스가 전했다. 이 연구는 지난 7일 제27회 의료영상 컴퓨팅 및 컴퓨터 지원 개입 국제 학술대회(MICCAI)에서 발표됐다. 수석 연구 저자인 UCSF 신경과 조교수인 레자 아바시아슬(Reza Abbasi-Asl)은 "저희 논문은 낮은 품질의 이미지에서 고품질 MRI를 합성하는 머신러닝 모델을 소개한다. 이 AI 시스템이 외상성 뇌 손상에서 MRI로 포착한 뇌 이상을 시각화하고 식별하는 방법을 보여준다"고 설명했다. 저품질 MRI 영상의 고품질화 3T MRI와 7T MRI의 가장 큰 차이점은 자기장의 세기이다. 숫자가 높을수록 자기장이 강하다는 것을 의미하며, 이는 영상의 해상도와 선명도에 직접적인 영향을 미친다. 7T MRI는 3T MRI보다 두 배 이상 강력한 자기장을 사용하기 때문에 더욱 선명하고 상세한 이미지를 얻을 수 있다. 연구팀은 경도 외상성 뇌 손상(TBI) 환자의 3T MRI 영상 데이터를 사용하여 AI 모델을 학습시켰다. 이 모델은 3T MRI 영상을 기반으로 7T MRI와 유사한 고품질 영상을 생성하며, 뇌 병변의 경계를 더욱 선명하게 보여주어 진단 정확도를 높이는 데 기여할 수 있다. 참고로, 미국에서 대부분의 임상 MRI는 1.5T 또는 3T MRI 시스템으로 수행된다. 미국국립보건원(NIH)은 2022년 전 세계적으로 진단 영상에 사용되는 7T MRI는 약 100대에 불과하다고 밝혔다. 신경 퇴행성 진단 활용 기대 연구 결과, 합성된 7T MRI 영상은 실제 7T MRI와 비슷한 수준의 해상도를 보였으며, 뇌 병변의 경계를 더욱 명확하게 구분하고 미세 출혈을 더 잘 포착하는 것으로 나타났다. 특히, 백질 병변 내 다양한 특징을 더욱 세밀하게 보여주어 다발성 경화증과 같은 신경 퇴행성 질환 진단에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이 기술은 뇌의 해부학적 구조를 세밀하게 관찰해야 하는 TBI 및 다발성 경화증 환자의 진단 및 치료에 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다. 하지만 연구팀은 "AI 기반 합성 기술이 임상 현장에 적용되기 위해서는 광범위한 검증이 필요하다"며 "향후 모델 결과에 대한 임상적 평가, 모델 생성 영상에 대한 임상 등급 평가, 모델의 불확실성 정량화 등 추가 연구가 필요하다"고 밝혔다. 이번 연구는 AI 기술이 저사양 영상 장비의 한계를 극복하고 의료 영상의 품질을 향상시키는 데 기여할 수 있음을 보여주는 사례로, 의료 분야에서 AI 기술의 활용 가능성을 더욱 확대할 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-10-18 10:15:00
[우주의 속삭임(71)] 나사, 태양 11년 주기의 극대기 도달

나사(NASA)와 국립해양대기청(NOAA), 국제 태양주기예측패널은 태양이 태양 극대기에 도달했으며, 이는 내년에도 지속될 수 있다고 발표했다. 발표의 자세한 내용이 나사 홈페이지에 게재됐다. 태양 주기는 태양이 낮은 자기 활동과 높은 자기 활동을 반복하면서 거치는 자연스러운 주기다. 대략 11년마다 태양 주기가 최고조에 달할 때 태양의 자기극이 뒤집힌다. 지구에서는 북극과 남극이 10년마다 자리를 바꾸는 것과 같으며, 태양은 고요한 상태에서 활동적이고 폭풍우가 몰아치는 상태로 전환된다. 나사와 NOAA는 태양 흑점을 추적해 태양 주기의 진행 상황을 파악하고 궁극적으로 태양 활동을 예측한다. 태양 흑점은 자기장 선이 집중돼 발생하는 태양의 차가운 영역이다. 태양 흑점은 태양의 활동 영역, 즉 태양의 강렬하고 복잡한 자기장 영역의 가시적 구성 요소로, 태양 폭발의 원천이다. 워싱턴 소재 나사 본부의 우주 날씨 프로그램 책임자인 제이미 파보스는 "태양 활동 극대기에는 흑점 수가 증가하고, 이에 따라 태양 활동량도 증가한다"면서 "활동의 증가는 가장 가까운 별에 대해 새로운 지식을 쌓을 수 있는 기회를 제공하는 동시에 지구와 태양계 전체에 실제적인 영향을 미친다"고 말했다. 태양 활동은 우주 날씨라고 알려진 우주의 조건에 큰 영향을 미친다. 이는 우주의 위성과 우주인, 라디오와 GPS 등 통신 및 항법 시스템, 지구의 전력망에 영향을 미칠 수 있다. 태양이 가장 활발할 때 우주 기상 현상이 더 빈번해진다. 태양 활동으로 인해 최근 몇 달 동안 오로라 현상이 증가했음은 물론 위성과 인프라에 영향을 미쳤다. 2024년 5월, 대규모 태양 플레어와 코로나 질량 방출(CME)이 일어나면서 하전 입자와 자기장 구름이 지구를 향해 발사돼 20년 만에 지구에서 가장 강력한 지자기 폭풍을 일으켰으며, 지난 500년 동안 기록된 가장 강력한 오로라가 하늘을 수놓았다. NOAA의 우주 기상 운영 책임자인 엘세이드 탈라트는 "지금이 이번 태양 주기에서 볼 수 있는 태양 활동의 정점이라는 것을 의미하지는 않는다"라고 말했다. 그는 "태양이 극대기에 도달했지만, 태양 활동이 정점에 도달하는 달은 몇 달 또는 몇 년 동안 확인되지 않을 것"이라고 언급했다. 태양 극대기의 정확한 정점을 여러 달 동안 결정할 수 없을 것이라는 의미다. 정점 이후 태양 활동이 지속적으로 감소한 것을 추적한 후에야 식별할 수 있게 된다. 다만 전문가들은 최근 2년이 태양 주기의 활동적인 단계의 일부였음을 확인했는데, 이는 이 기간 동안 태양 흑점이 지속적으로 많았기 때문이다. 학자들은 태양이 감소 단계에 들어가 태양 최소기로 돌아가기 전까지 최대 단계가 1년 정도 더 지속될 것으로 예상했다. 1989년부터 나사와 NOAA가 후원하는 전문가로 구성된 국제 패널인 태양 주기 예측 패널은 태양 주기에 대해 예측하기 위해 협력해 왔다. 천문학자들은 갈릴레오가 1600년대에 처음으로 흑점을 관찰한 이래 태양 주기를 추적해 왔다. 각 태양 주기는 다르다. 때로는 더 크고 짧은 시간 동안 최고조에 도달하고, 다른 경우에는 최고조가 더 작고 더 오래 지속되기도 한다. 지금까지 태양 주기에서 가장 강력한 플레어는 지난 10월 3일 발생한 X9.0이었다. X 등급 숫자는 강렬한 플레어의 단계를 나타낸다. NOAA는 이번 태양 극대기 동안 추가적인 태양 및 지자기 폭풍이 있을 것이며, 향후 몇 달 동안 오로라를 볼 수 있는 기회와 함께 기술 인프라에 대한 영향이 있을 것으로 예상했다. 나사와 NOAA는 우주 날씨 연구 및 예측의 미래를 준비하고 있다. 오는 12월, 나사의 파커 태양 탐사선 임무는 태양에 역사상 가장 가까이 접근해 관측을 수행하게 되는데, 이를 통해 우주 날씨를 더 깊이 이해할 수 있을 것으로 기대된다. 우주 날씨 예측은 나사의 아르테미스 미션에 참여하는 우주선과 우주인을 지원하는 데 필수적이다. 우주 환경을 탐사하는 것은 우주인이 우주 방사선에 노출되는 것을 막는 데 중요하다.
- IT/바이오
2024-10-17 07:38:00
강력한 태양 폭풍으로 오로라 남하…캘리포니아·앨라배마서도 관측 기회

미국 국립기상청 우주 기상 예측 센터에 따르면, 강력한 태양 폭풍으로 인해 오로라가 10일(현지시간) 저녁에 평소에 나타나던 지역보다 훨씬 남쪽인 앨라배마와 북부 캘리포니아 등지에서도 나타날 것으로 보인다고 CNN 등 외신이 전했다. 허리케인과 유사하게 태양 폭풍은 레벨 1~5 단계로 분류되는데, 이번 폭풍은 레벨 4로 분류돼 대단히 강력한 것으로 예측됐으며 이로 인해 통신, 전력망 및 위성 운영을 방해할 수도 있다. 태양 폭풍은 현지시간 10일 오전 지구에 도달하며, 이는 11일까지 지속될 가능성이 높다고 센터는 밝혔다. 시속 400만km 이상의 속도로 지구를 향하는 폭풍의 강도와 전체 특성은 지구에서 160만km떨어진 궤도를 도는 심우주 기후관측소(Deep Space Climate Observatory)와 'Advanced Composition Explorer' 위성 관측을 통해 밝혀진다. 우주 기상 예측 센터는 이 위성이 폭풍의 속도와 자기 강도를 측정할 것이며, 폭풍은 우주 관측소에 도착한 후 15~30분 지나 지구에 도착할 것으로 예상했다. X급 플레어로 알려진 가장 강렬한 태양 플레어(태양 표면에서 일어나는 폭발)가 이번 주 태양에서 방출되었으며, 이 플레어는 8일의 코로나 질량 방출과 일치했다. 코로나 질량 분출은 태양의 외기권인 코로나에서 방출되는 플라스마와 자기장이라고 하는 이온화된 가스의 큰 구름이다. 강력한 폭발이 지구로 향하면 지자기 폭풍 또는 지구 자기장의 교란을 일으킬 수 있다. 이번 폭발은 대단히 강력한 것으로 측정됐다. 우주 기상 예측 센터에 따르면 지자기 폭풍은 지구 근처 궤도와 통신망 등 지구 표면의 인프라에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 센터는 연방 비상관리청, 북미 전력망 및 위성 운영자들에게 교란 및 일시적 중단에 대비할 것을 통보했다. 역사적으로 레벨 4단계의 태양 폭풍은 흔하게 발생하지만, 지난 5월 10일 발생한 레벨 5단계 또는 극심한 지자기 폭풍은 매우 드물다. 센터는 이번 태양 폭풍이 5단계가 될 확률이 25%라고 말했다. ◆ 태양 활동의 증가 태양이 올해 예상되는 11년 주기의 정점인 태양 극대기에 가까워짐에 따라, 태양 활동은 더욱 활발해지고 있다. 전문가들은 불타는 태양에서 점점 더 강렬한 태양 플레어가 분출되는 것을 관찰했다. 태양 활동이 증가하면 지구의 극지방에서는 춤추는 오로라가 발생한다. 북극의 경우 이를 북극광 또는 오로라 보레알리스라고 하며, 남극은 남극광 또는 오로라 오스트랄리스라고 한다. 코로나 질량 분출로 인해 활성화된 입자가 지구 자기장에 도달하면 대기 중의 가스와 상호 작용해 하늘에 다양한 색상의 빛을 생성한다. 이 오로라는 최고의 관광 상품이기도 하다. 예측 센터 관계자는 눈에 보이는 오로라가 동부 및 중부 주와 중서부 남부에서 나타날 가능성이 높다고 판단하고 있다. 그러나 태양 폭풍이 지난 5월처럼 전 세계적인 오로라 현상을 일으킬지는 아직 알 수 없다고 밝혔다. 이번 태양 폭풍이 5단계로 올라가면 미국의 남부 주와 전 세계의 다른 지역에서도 오로라를 볼 수 있다. 미국 해양대기청(NOAA)은 센터의 오로라 대시보드를 이용해 내가 거주하는 지역에서 오로라를 볼 수 있을 것인지 확인할 것을 권했다. 대시보드는 지속적으로 업데이트되며 정보가 제공된 후 몇 분 이내에 오로라가 나타날 수 있는 위치를 보여준다. ◆ 교란 가능성 NOAA는 이번 태양 폭풍이 5월의 폭풍 수준을 능가할 것으로는 생각하지 않는다고 말했다. 지난해 이전에 지구를 강타했던 마지막 5단계 폭풍은 2003년으로, 스웨덴에서 정전이 발생했고 남아프리카에서는 변압기가 손상됐다. 지난 5월의 지자기 폭풍에서는 농기구 회사인 존 디어(John Deere)가 정밀 농업에 GPS를 사용하는 일부 고객이 교란을 겪었다고 보고했다. 그러나 대부분의 전력망과 위성은 적절한 관리로 문제를 일으키지 않았다. 전문가들은 태양 활동의 급증에 따라 신중한 모니터링을 이어가고 있다. 이번주 태양의 코로나 질량 분출 속도는 지금까지 이 태양 주기에서 측정된 가장 빠른 속도였다고 한다. 물론 이것이 '태양 활동의 최고점이 지금 발생하고 있다'는 의미는 아니다. 이전 태양 주기에서는 가장 큰 폭풍 중 일부가 최고점 이후에 발생할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 센터는 "우리는 지금 태양 극대기의 중심에 있다. 정점에 도달했는지 아직 모른다. 올해 어느 시점이 될 수도 있고 내년 초가 될 수도 있다. 심지어 2026년 초까지 태양 주기 활동이 계속될 것이다"라며 지속적인 관심과 추적이 있어야 할 것이라고 지적했다.
- 포커스온
2024-10-11 07:54:00
[우주의 속삭임(60)] 달 표면 전체에서 물의 흔적 발견

달은 물에 관한 한 다크호스일 수 있다. 의외의 결과를 가져올 수 있다는 의미다. 달의 광물 지도에 대한 새로운 분석에 따르면, 물과 수소와 산소로 구성된 또 다른 분자인 ‘수산기(산소 원자 하나와 수소 원자 하나로 구성됨)'는 달의 모든 위도와 지형에 걸쳐 여러 위치에서 발견될 수 있으며, 심지어는 태양이 가장 강력하게 비추는 곳에서도 나타날 수 있다고 사이언스얼라트가 전했다. 이는 여러 가지 의미를 내포하고 있는 발견이다. 달의 지질학적 역사와 진행 중인 과정을 이해하고, 지구의 달에 대한 유인 우주 임무에 정보를 제공할 수 있다. 행성과학연구소(Planetary Science Institute)의 로저 클라크 박사는 "미래의 우주인은 달에서 물이 풍부한 지역을 활용하고 달의 적도 근처에서도 물을 찾을 수 있을 것이다. 과거에는 극지방, 특히 극지방의 짙은 그늘진 분화구에서만 물이 발견될 수 있다고 생각했지만 이제는 다르다"고 말했다. 달은 건조하고 습기가 없는 천체로 보인다. 어떤 면에서는 그렇기도 하다. 표면에는 웅덩이에 고여진 물이 없다. 호수나 강도 없다. 그러나 연구에 따르면, 달에는 물이 숨겨져 있다는 사실이 많이 나타나고 있다. 그렇다면 달에는 물이 어디에 숨겨져 있을까. 과거의 연구에 따르면, 고위도의 달 분화구 깊은 곳에 많은 양의 물이 있을 수 있다. 분화구 같은 깊은 곳은 태양의 직사광선과 열에 노출되지 않으므로 수 미터 두께의 얼음이 쌓여 있을 수 있다는 것이다. 최근 다른 연구에 따르면, 달의 다른 부분에도 물이 있을 수 있는 것으로 나타난다. 이번 클라크 연구팀의 분석 결과도 이를 뒷받침한다. 물과 수산기는 달 표면의 암석과 흙을 형성하는 광물에 결합되어 달에서 매우 풍부한 것으로 보인다는 것이다. 연구팀은 2008년과 2009년에 달을 공전한 찬드라얀-1 우주선의 달광물학매퍼(M3) 장비에서 얻은 데이터를 이용해 달의 분광 이미지를 수집했다. 이 데이터로 달에서 반사된 적외선을 기록하여 물과 수산기와 일치하는 스펙트럼의 색상을 찾아냈다. 연구팀은 물과 수산기가 달의 모든 위도에서 찾을 수 있다는 사실을 발견했지만, 달의 암석에서는 분자가 덜 풍부한 것으로 나타났다. 그러나 운석 등의 충돌 중에 파내어진, 물이 풍부한 암석은 충돌이 발생하는 모든 곳에서 발견될 수 있다. 물은 한곳에 영원히 머물지 않는다. 연구진은 달 표면의 물이 분화구 형성 과정에서 노출된 후 수백만 년에 걸쳐 태양풍의 복사에 의해 서서히 파괴된다는 사실을 발견했다. 그러나 이 과정에서 수산기가 남는다. 수산기는 또한 태양풍에 의해 생성되며, 이 태양풍은 달 표면에 태양 수소를 증착시키고, 이 수소는 그곳에서 산소와 결합해 분자를 생성할 수 있다. 클라크는 "모든 증거를 종합해 보면, 달의 표면은 지질이 복잡하며, 지하에는 상당한 양의 물이 있고, 표면층에는 수산기 층이 있다"면서 "분화구 형성과 화산 활동은 모두 물이 풍부한 물질을 표면으로 올릴 수 있으며, 이 모두가 달 데이터에서 관찰됐다"고 지적했다. 연구팀은 또한 화성암의 일종인 휘석의 물 특징이 햇빛이 닿는 각도에 따라 변한다는 것도 발견했다. 이는 달의 수수께끼를 정리해준다. 과학자들은 그동안 이 변화의 특징을 관찰해 왔지만, 그것이 무엇을 의미하는지 알지 못했다. 그것은 마치 물이 달에서 움직이고 있음을 암시하는 듯했다. 팀이 만든 지도는 달의 또 다른 수수께끼인 '달의 소용돌이'에 대한 추가 정보도 제공한다. 이는 달 표면에서 이상하게 소용돌이치는 패턴이며, 전문가들은 확실치 않지만 자기장이 역할을 할 수 있다고 추정한다. 클라크 연구팀은 소용돌이에 물이 거의 없다는 것을 알아냈다. 연구팀은 이 소용돌이가 물의 흔적만 남긴 고대 소용돌이일 수 있다고 보고 있다. 이번 연구는 달의 소용돌이의 실체를 알아내는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 행성과학저널(The Planetary Science Journal)에 게재된 이 연구는 달을 탐사하는 우주인들에게 물 공급이 가능할 수 있음을 시사한다. 수산기가 풍부한 미네랄을 처리함으로써 미래의 우주인은 실제로 돌에서 물을 추출할 방법을 찾을 수 있을 것이라는 기대다.
- IT/바이오
2024-09-24 13:19:00
[퓨처 Eyes(50)] 핵시계, 초정밀 시간 측정의 새로운 지평을 열다

상상을 초월하는 정확성, 10억년에 단 1초의 오차도 허용하지 않는 시계가 현실로 다가왔다. 과학자들이 기존 원자시계를 뛰어넘는 핵시계 개발에 성공하며, GPS, 인터넷 동기화, 금융 거래 등 다양한 분야에 혁신을 예고했다. 미국 물리과학 연구기관인 JILA와 국립표준기술원(NIST) 펠로우이자 콜로라도 볼더 대학교 물리학 교수인 준 예(Jun Ye)와 그의 팀이 이끄는 국제 연구팀이 핵시계로 알려진 획기적인 시간 측정 장치를 개발했다. 원자시계 넘어 핵시계로, 시간 측정의 새로운 지평 현재 가장 정확한 시계는 원자시계다. 원자시계는 원자 내 전자의 에너지 변화를 이용해 1초를 정의하고, 1초에 수십억 번 진동하는 신호를 통해 시간을 측정한다. 이번에 개발된 핵시계는 원자핵 내부의 에너지 변화를 이용한다는 점에서 원자시계와 차별화되는 새로운 유형의 시간 측정 장치다. 핵시계는 원자 전체가 아닌 원자핵의 진동을 측정한다. 원자핵은 원자보다 훨씬 작지만, 더 많은 '틱(tick)'을 가지고 있어 더 정확한 시간 측정이 가능하며, 전자기장과 같은 외부 교란에도 안정적이다. 새로운 연구에서 JILA와 그의 연구팀은 핵시계의 모든 필수 부품을 만들었다. 즉 시계의 '틱(tick)'을 제공하는 토륨-229 핵전이, 핵의 개별 양자 상태 사이에 정밀한 에너지 점프를 생성하는 레이저, 이러한 '틱'을 직접 측정하는 주파수 빗 등이다. 연구팀은 이러한 노력으로 이전 파장 기반 측정기보다 100만배 높은 수준의 정밀도를 달성했다. 또한 연구팀은 자외선 주파수를 세계에서 가장 정확한 스트론튬 원자시계 중 하나에 사용되는 광학 주파수와 직접 비교해 핵 전이와 원자시계 사이의 직접적인 주파수를 연결하는데 최초로 성공했다. 이러한 직접적인 주파수 연결과 정밀도 향상은 핵시계를 개발하고 기존 시간 유지 시스템과 통합하는 데 있어 매우 중요한 단계다. 더 작지만 더 강력한 핵시계, 정확성의 한계를 뛰어넘다 원자시계는 수십억 년에 몇 초의 오차만 발생할 정도로 정확하지만, 외부 환경의 영향을 받을 수 있다. 반면, 핵시계는 원자핵의 안정성 덕분에 외부 간섭에 덜 민감하고, 더 높은 주파수에서 진동하여 더 정밀한 시간 측정이 가능하다. JILA 연구팀은 토륨-229 원자핵에 자외선 레이저를 쏘아 핵입자를 여기시키고 '광 주파수 빗' 기술로 핵의 에너지 펄스 주파수를 측정하는 데 성공했다. 이는 일반 시계의 추가 진자 운동을 하는 것과 유사한 원리로, 1초당 더 많은 파동 사이클을 측정하여 더욱 정확한 시간 측정을 가능하게 한다. 이번 연구 결과는 지난 9월 4일자 세계적인 학술지 "네이처' 표지 기사에 게재됐다. 연구팀에는 JILA, 비엔나 양자 과학 기술 센터, IMRA America Inc.의 연구자들이 포함됐다. 물리학의 획기적인 발전, 핵시계 현실화에 한 걸음 더 이번 연구는 핵시계 개발에 중요한 이정표를 세웠다. 1976년 토륨 핵의 저에너지 특성을 발견, 2003년 토륨-299 핵시계 활용 가능성 제시, 2023년 토륨-229 결정 삽입 기술 개발 등 오랜 연구 끝에 마침내 핵시계 프로토타입이 탄생한 것이다. 특히 연구팀은 토륨-229 핵의 에너지 변화를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 생성된 신호를 높은 정확도로 측정하는 데 성공했다. 이는 핵시계의 실현 가능성을 입증하는 중요한 성과로 평가받는다. 핵시계, 시간 측정 넘어 과학 혁신 이끌 것 핵시계는 아직 초기 단계지만 상용화될 경우 공식 국제시간 측정뿐만아니라 물리학 연구, 우주 탐사 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 특히 암흑 물질 탐색, 자연 상수 검증 등 기본 물리학, GPS 정확도 향상, 통신 네트워크 안정화 등에도 활용될 수 있다. 연구팀은 "이번 연구는 핵시계의 가능성을 보여주는 중요한 발검음"이라며 "레이저 정렬 및 주파수 조정 등을 통해 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것"이라고 밝혔다. 또한 "2~3년 안에 핵시계가 원자시계의 정확성을 능가할 것"이라고 전망했다. 핵시계는 휴대성과 안정성도 뛰어나 통신, 인터넷, GPS 등 일상생활에도 영향을 미칠 것으로 예상된다. 물리학 전문가들은 "핵시계는 시간 측정의 새로운 패러다임을 제시하는 혁신적인 기술"이라며 "기초과학 연구부터 첨단 기술 개발까지 다양한 분야에 파급 효과를 가져올 것"이라고 평가했다. 핵시계, 미래를 향한 새로운 추 원자시계는 이미 지진, 중력장, 시공간 연구에 중요한 도구로 활용되고 있다. 핵시계는 이러한 분야에 더 큰 발전을 가져올 수 있으며, 휴대성과 사용 편의성도 높을 것으로 예상된다. 핵시계와 원자시계를 함께 사용하면 기본 물리 상수의 변화 여부를 확인하고 암흑 물질 연구에도 새로운 가능성을 열 수 있다. JILA와 NIST 물리학자 준 예는 "수십억년 동안 켜두어도 1초도 잃지 않는 손목시계를 상상해보라"며 "아직은 그 수준에 이르지 못했지만 이 연구를 통해 그 수준의 정밀도에 더 가까워졌다"고 말했다. 더 정확하고 안정적인 시간 측정을 향한 인류의 도전은 끝없이 계속된다. 핵시계 기술의 발전은 단순히 시간 측정의 정확성을 높이는 것을 넘어, 더 빠른 인터넷 속도, 더 안정적인 네트워크 연결, 더 안전한 디지털 통신을 제공할 수 있다. 또한 대규모 입자 가속기 없이 입자 물리학 이론을 검증할 수 있으며, 우주 구조 탐사 등 우리가 우주와 자연을 이해하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 잠재력을 지니고 있다.
- 포커스온
2024-09-12 14:24:00
[우주의 속삭임(52)] NASA, 목성 생명체 탐사 위해 유로파 클리퍼 임무 우주선 10월 발사

목성의 생명체 탐사를 위한 나사(NASA)의 유로파 클리퍼(Europa Clipper) 임무 우주선이 오는 10월 발사된다고 스페이스닷컴이 전했다. 이를 위해 현재 목성 위성 주변의 혹독한 방사선 환경을 견딜 수 있는지를 확인하는 테스트가 진행되고 있다. 유로파 클리퍼 우주선은 목성의 얼음 위성인 유로파(Europa)를 연구하는 것을 목표로 한다. 유로파는 지구의 모든 바다를 합친 것보다 두 배나 많은 물을 가진 지하 바다를 품고 있는 것으로 알려져 있다. 카메라, 지상 투과 레이더, 분광기 등 9개의 장비를 탑재한 이 우주선은 유로파를 여러 번 근접 비행하고, 유로파의 얼음 지각 아래 환경을 조사하며 생명체의 흔적을 찾을 계획이다. 우주선은 플로리다에 있는 나사 케네디 우주 센터의 39A 발사장에서 스페이스X(SpaceX) 팰컨 헤비(Falcon Heavy) 로켓에 실려 발사될 예정이다. 나사는 오는 10월 10일이 발사 목표일이라고 발표했다. 나사 관계자는 "유로파 클리퍼의 주요 탐사 목표는 유로파 위성의 표면 아래에 생명체가 살 수 있는 곳이 있는지 확인하는 것"이라고 밝혔다. 관계자는 또 "이 임무의 세 가지 주요 목표는 얼음 표면과 그 아래의 바다의 특성, 유로파 위성의 구성 및 지질을 이해하는 것이다. 유로파에 대한 우주선의 자세한 탐사는 과학자들이 지구 너머에 있는 거주 가능한 세계의 천체생물학적 가능성을 더욱 깊이 이해하는 데 도움이 될 것"이라고 부연했다. 이전에는 목성의 강력한 자기장으로 인해 생성된 높은 방사선 환경에서 우주선이 견딜 수 있는가에 대한 우려가 제기됐다. 이때 탐사선의 전기 흐름을 제어하는 장치인 트랜지스터가 예상보다 낮은 방사선량에서도 고장을 일으킨 바 있다. 10월 발사가 예정된 우주선에 대한 방사선 환경 테스트도 이 때문에 시행되고 있는 것. 나사 관계자는 최근의 테스트에서 우주선의 트랜지스터가 기본 임무를 지원할 수 있음이 확인되었다고 밝혔다. 이번에 발사되는 우주선은 2030년 목성에 도착할 예정이며, 2031~2034년 사이에 유로파를 약 50회 비행할 것으로 예상된다. 한편 나사는 오는 9일 실시될 핵심 검토를 통해 유로파 클리퍼 우주선이 최종 발사 준비에 들어갈 수 있는지의 여부를 판단할 방침이다.
- IT/바이오
2024-09-06 07:47:00
[신소재 신기술(105)] 세계 최고 슈퍼컴퓨터, 칼슘-48 자기적 특성 규명…10년 논쟁 종결

세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터인 '프론티어'가 10년 동안 과학자들의 논쟁의 중심에 섰던 칼슘-48 퍼즐을 해독했다. 미국 오크리지 국립연구소(ORNL)의 핵물리학 연구팀은 세계 최고 슈퍼컴퓨터 프론티어를 활용해 칼슘-48 원자핵의 자기적 특성을 규명하는 데 성공했다고 과학전문 매체 인터레스팅엔지니어링이 4일(현지시간) 보도했다. 이는 1980년대부터 지속되어온 핵물리학계의 논쟁을 종식시키는 중요한 성과로 평가된다. 칼슘-48, '이중 마법' 핵으로 안정성 높아 칼슘-48은 20개의 양성자와 28개의 중성자로 이루어진 '이중 마법' 핵으로 매우 안정적인 구조를 가지고 있다. 이러한 특성 대문에 핵물리학 연구에 이상적인 물질로 꼽힌다. 하지만 칼슘-48의 자기적 특성은 오랜 기간 동안 논쟁의 대상이었다. 양성자와 전자빔을 사용한 초기 실험에서는 자기 전이 강도가 4제곱 마그네톤으로 측정되었으나 2022년 감마선을 이용한 실험에서는 이 값이 두 배나 높게 나타났기 때문이다. 여기서 '핵 마그네톤'은 원자핵의 자기적 특성을 나타내는 기본 단위다. 쉽게 말해, 핵 마그네톤은 원자핵이 얼마나 강한 자석처럼 행동하는 지를 나타내는 척도라고 할 수 있다. 따라서 4제곱 마그네톤은 칼슘-48 원자핵이 특정 에너지 상태 변화를 겪을 때, 자기장의 세기가 핵 마그네톤 단위로 4의 제곱만큼 변한다는 것을 의미한다. 수퍼컴퓨터 '프론티어' 활용, 10년 논쟁 종식 ORNL 연구팀은 초당 퀸틸리언(quintillion, 100경) 이상의 계산을 수행할 수 있는 세계 최초의 엑사스케일 컴퓨터인 '프론티어' 슈퍼컴퓨터를 활용해 칼슘-48의 자기 전이 강도를 시뮬레이션했다. 그 결과 감마선 실험 결과와 일치하는 값을 얻어냄으로써 오랜 논쟁에 종지부를 찍었다. 또한 이 연구는 핵 내부의 핵자 쌍(양성자와 중성자)의 복잡한 상호작용과 핵이 주변 환경과 상호작용하는 방식을 설명하는 연속 효과에 대한 새로운 통찰력을 제공했다. 초신성 연구에도 영향 이번 연구는 핵물리학뿐만 아니라 천체물리학에도 중요한 의미를 갖는다. 칼슘-48은 초신성 폭발 과정에 풍부하게 생성되는 데, 이 때 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식을 이해하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문이다. 연구의 제 1저자인 비자야 아차리아는 "칼슘-48의 자기 전이 강도를 설명하는 물리학은 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식도 설명한다"고 말했다. 칼슘-48의 자기 전이 강도에 대한 정확한 이해는 초신성 폭발과정과 우주 형성 과정에 대한 이해를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. ORNL 핵천체물리학자 라파엘 힉스는 "이번 연구는 핵의 생성 원리를 밝히는 데 중요한 걸음이며, 별과 행성의 생성부터 원소의 풍바함까지 우주를 형성하는 과정을 더 잘 이해하게 해 줄것"이라고 말했다.
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2024-09-05 16:25:00
[우주의 속삭임(51)] 토성 고리, 6개월 후에 못본다

가스 행성 토성의 고리는 태양계에서 가장 매혹적이고 상징적인 천체적 특징이다. 17세기에 이탈리아 천문학자 갈릴레오 갈릴레이가 고대 망원경으로 처음 발견했다. 다만 망원경의 성능적 한계로 인해 토성의 모습을 '귀'가 달린 것처럼 비유했다. 그 이후 최첨단 연구와 관찰을 통해 학계는 토성 고리의 복잡한 수수께끼를 풀고 고리의 구성과 이를 형성하는 역동적인 과정을 밝혀냈다. 빠르게 다가오는 중요한 우주적 사건이 곧 토성에 대한 우리의 시각을 극적으로 바꿀 것이라고 한다. 2025년 3월이 되면 토성의 장엄한 고리는 지구서는 사실상 보이지 않게 될 것이라고 지구 및 천체 물리학을 다루는 어스닷컴이 전했다. 물론 고리가 물리적으로 사라지는 것은 아니다. 보이지 않는 현상은 토성의 축이 기울어져 고리가 우리 시야에 가장자리로 위치하기 때문에 발생한다는 것이다. 이는 역설적으로 천문학자와 관찰자 모두에게 독특한 천체 변화를 목격할 수 있는 희귀한 기회를 제공한다. 이 현상은 토성이 태양을 공전하는 데 걸리는 시간인 29.5년마다 반복되는 이벤트다. 2025년 3월 이후에는 토성의 축 기울기의 변동으로 고리가 다시 관측자의 시야에 들어오고, 2025년 11월에 다시 사라지게 된다. 천문학자들은 이는 결국 일종의 숨바꼭질을 하면서 천체 게임을 하는 것이라고 말했다. 토성의 고리는 대부분 얼음 입자, 암석 파편, 우주 먼지로 구성되어 있다. 고리를 구성하는 입자는 모래 크기의 작은 먼지에서 버스, 집이나 학교만큼 거대한 덩어리까지 다양하다. 이러한 혼합으로 고리가 흥미로운 모습을 갖게 된다. 토성의 고리는 견고한 하나의 구조가 아니다. A, B, C 고리와 보기 어려운 희미한 D, E, F, G 고리를 포함한 여러 개로 구성되어 있다. 이러한 부분은 A와 B 고리 사이의 '카시니 분할'과 같은 틈새로 구분되어 있으며, 너비는 약 4800km이다. 고리의 모양과 구성은 주로 토성의 많은 위성과의 중력적 상호 작용에 의해 형성된다. 위성 중 일부는 고리의 가장자리 근처에 매달려 있으며 중력으로 고리 입자를 끌어당겨 고리 모양을 유지하는 데 도움을 준다. 토성의 고리가 어떻게 생겨났는지는 천문학자들 사이에서 여전히 뜨거운 주제다. 파괴된 토성의 위성, 토성의 강한 중력에 의해 찢어진 혜성의 잔재, 40억 년 전 토성이 형성될 때 남은 물질 등 수많은 이론이 제안됐다. 새로운 이론이 계속 등장하고 있다. 나사(NASA), 유럽우주국(ESA), 이탈리아우주국(ASI)이 토성과 위성들을 탐사할 목적으로 공동 발사한 카시니-하위헌스(Cassini-Huygens) 임무는 많은 성과를 가져다 주었다. 우주선의 탐사는 2004년 토성에 도착하면서 시작되어 2017년에 마무리된 13년간 이루어졌다. 카시니-하위헌스 임무는 활동 내내 토성과 복잡한 위성 및 고리 시스템에 대한 귀중한 정보를 제공했다. 가장 멋진 발견 중 하나는 고리의 틈새, 특히 A와 B 고리 사이의 눈에 띄는 공간인 카시니를 발견한 것이었다. 이 공간은 토성의 위성의 중력에 의해 형성되어 고리 시스템이 실제로 얼마나 역동적이고 끊임없이 변화하는지를 보여준다. 우주선은 또 많은 위성에 대한 더 깊은 지식을 제공, 위성의 고유한 구성과 지질학적 특징을 알려주었다. 예를 들어 토성의 얼음 위성 중 하나인 엔셀라두스에는 수증기와 유기 물질을 뿜어내는 간헐천이 있어 지하 바다의 가능성을 암시한다. 토성은 고리 외에 최소 145개에 달하는 위성이 있으며, 각각 고유한 특성을 갖고 있다. 태양계에서 두 번째로 큰 위성인 타이탄은 두꺼운 대기와 흥미로운 표면으로 주목받고 있다. 타이탄은 목성보다 약하지만 지구보다는 강한 자기장을 가지고 있어 토성과의 복잡한 상호 자기작용을 나타낸다. 향후 진행될 드래곤플라이 탐사 임무는 타이탄에서 생명체의 흔적을 찾을 계획이다. 엔셀라두스에서는 생명체에 필수적인 구성 요소가 존재한다는 것을 발견했다. 토성은 망원경이나 고성능 쌍안경을 가진 관찰자들에게 여전히 매혹적인 대상이다. 무수한 얼음 입자와 암석 파편으로 구성된 고리는 특히 태양계의 신비다. 토성의 고리가 내년 3월 사라지기까지 천체 관찰자는 고리를 달리 관찰할 독특한 기회를 얻게 될 것이다.
- IT/바이오
2024-09-05 14:16:00
[우주의 속삭임(48)] NASA, 지구 '양극성 전기장' 세계 최초 발견

미국 항공우주국(나사·NASA)이 최근 인듀어런스(Endurance) 임무를 통해 지구의 양극성 전기장을 밝혀냈다. 이는 지구의 대기 역학을 이해하고 다른 생명체가 살 수 있는 행성을 탐사하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 나사는 홈페이지를 통해 국제 연구팀이 NASA의 준궤도 로켓 관측을 통해 지구의 중력 및 자기장과 함께 근본적인 역할을 하는 것으로 추정되는 '양극성 전기장'을 세계 최초로 측정하는 데 성공했다고 밝혔다. 과학전문매체 사이테크데일리, 라이브사이언스 등은 지구 양극성 전기장에 대해 중점적으로 다루었다. 60여 년 전 처음 감지된 뒤 가설로 제시된 이 전기장은 지구 극지방에서 끊임없이 우주로 방출되는 하전 입자의 흐름인 '극풍(Polar Wind)'의 주요 원동력이다. '양극성 전기장'은 지구의 상층 대기, 즉 극지방에서 발생하는 약한 전기장이다. 이 전기장은 대기 중의 이온과 전자의 움직임에 영향을 주어 극풍이라는 현상을 일으킨다. 극풍은 대기 중의 하전 입자들이 지구의 자기력선을 따라 우주 공간으로 빠져나가는 현상이다. 이 전기장은 양방향 즉 '양극성'인데, 이는 두 방향으로 모두 작동하기 때문이다. 이온은 중력에 의해 가라앉을 때 전자를 아래로 당긴다. 동시에 전자는 이온이 우주로 탈출하려고 할때 이온을 더 높은 높이로 들어올린다. 나사는 "양극성 장은 상층 대기의 대전된 입자를 원래 도달할 수 있는 높이보다 더 높은 곳까지 끌어 올리며 아직 탐구되지 않는 방식으로 우리 지구의 진화에 영향을 미쳤을 수 있다"고 설명했다. 양극성 전기장은 지구의 중력 및 자기장처럼 지구의 근본적인 특성 중 하나로 여겨지지만 그 존재를 직접 측정하기는 매우 어려웠다. 나사는 최근 인듀어런스 임무를 통해 처음으로 양극성 자기장의 존재를 확인하고 그 강도를 측정하는 데 성공했다. 이를 통해 과학자들은 지구 대기의 탈출 과정과 이온층의 형성 과정을 더 잘 이해할 수 있게 됐다. 앞서 과학자들은 이 전기장이 고도 약 250km(약 150마일)에서 대기 중의 원자가 음전하(-)를 띤 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리되기 시작한다는 가설을 세웠다. 전자는 엄청나게 가벼워서 에너지를 조금만 가해도 우주로 날아갈 수 있다. 반면, 이온은 전자보다 최소 1836배 무겁고 땅을 향해 가라앉는 경향이 있다. 중력만 작용한다면 한 번 분리된 두 개체군은 시간이 지남에 따라 서로 멀어질 것이다. 하지만 전자와 이온은 서로 반대 전하를 띠고 있기 때문에 전기장에 형성되어 전하가 분리되는 것을 방지하고 중력의 영향을 일부 상쇄한다. 이 전기장은 상층 대기의 하전 입자들을 더 높은 고도로 끌어 올려 지구의 진화 과정에 아직 밝혀지지 않은 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 아원자 규모에서 생성되는 가설의 전기장은 매우 약해서 수백마일 이상에서만 그 효과가 느껴질 것으로 예상됐다. 수십년 동안 이 전기장을 감지하는 것은 기존 기술의 한계를 넘어서는 일이었다. 글린 콜린슨과 그의 팀은 2016년 지구의 양극장을 측정할 수 있는 새로운 기기를 발명하기 시작했다. 나사의 인듀어런스는 2022년 5월 11일 발사돼 약 768km(약 477.23마일) 고도에 도달한 뒤 19분 후 그린란드해에 낙하했다. 인듀어런스는 양극성 자기장 데이터를 수집한 약 518km(322마일) 고도 범위에서 0.55볼트에 불과한 전위 변화를 측정했다. 멜린랜드 주에 있는 나사 고다드 우주빙행센터의 인두어런스 수석연구원이자 이 논문의 주저자인 글린 콜린슨은 "0.55볼트는 거의 아무 것도 아니며 시계 배터리 정도에 불과하다"면서 "하지만 이 정도면 극지방의 바람을 설명하기에 적당한 양이다"라고 설명했다. 극풍에서 가장 풍부한 입자인 수소 이온은 이 전기장에서 중력보다 10.6배 강한 외력을 경험한다. 나사 고다드의 지구력 프로젝트 과학자이자 논문의 공동 저자인 알렉스 글로서는 "이는 중력에 대항하기에 충분하며, 실제로 초음속으로 우주로 발사하기에 충분하다"고 말했다. 콜린슨은 "이것은 마치 대기를 우주로 들어올리는 컨베이어 벨트와 같다"고 덧붙였다. 연구팀은 이번 발견을 통해 지구 대기의 복잡한 움직임과 진화 과정을 이해하고, 지구 역사뿐 아니라 다른 행성의 비밀을 밝히고 생명체 존재 가능성을 판단하는 중요한 단서를 얻을 수 있을 것으로 전망했다. 이번 연구 결과는 2024년 8월 28일 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-09-02 16:51:00
[신소재 신기술(93)] 미국 버팔로대학, 세계 최고 성능 초전도체 와이어 개발…에너지 혁신 앞당겨

미국에서 세계 최고 성능의 초전도체 와이어가 개발됐다. 미국 버팔로 대학교 화학생물공학과 아미트 고얄 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 초전도(HTS) 와이어 개발에 성공했다고 Phys. org, 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 전했다. 이번에 개발된 와이어는 섭씨 영하 268도에서 영하 196도 사이의 온도에서 작동한다. 이는 다른 초전도체의 작동 온도인 절대 영도보다는 높지만 여전히 극저온 환경이다. HTS 와이어는 전력 손실 없이 전기를 전송할 수 있어 미래 에너지 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다. 해상 풍력 발전소의 전력 출력을 두 배로 높이고, 초전도 자기에너지 저장 시스템을 구축하는 등 에너지 인프라 분야에서 다양한 활용이 기대된다. 또한, 최근에는 핵융합 원자로, 차세대 이미징 및 분광 기술에도 적용되고 있다. HTS 와이어는 비교적 높은 온도에서 작동하는 장점이 있지만, 제조 비용이 높다는 단점이 있었다. 버팔로 대학교 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 이온 빔 보조 증착(IBAD) 기술과 나노기둥 결함 기술을 결합한 새로운 방식을 개발했다. 나노기둥 결함 기술은 절연 또는 초전도 물질을 초전도체에 통합하여 더 높은 초전류 흐름을 가능하게 하는 기술이다. 연구팀은 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO) 와이어에 펄스 레이저 증착 시스템을 사용하여 HTS 필름을 제작했다. 또한 캐나다 맥마스터 대학교와 이탈리아 살레르노 대학교와의 협력을 통해 원자 해상도 현미경 및 초전도 특성 측정을 수행했다. 이번에 개발된 HTS 와이어는 5 켈빈(-268℃)에서 77 켈빈(-196℃)까지 모든 자기장 및 온도에서 최고의 임계 전류 밀도와 고정력을 달성했다. 특히, 4.2 켈빈에서 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 9000만 암페어의 전류를 전달했으며, 7 테슬라의 자기장에서는 제곱센티미터당 9000만 암페어를 전달했다. 또한, 상용 핵융합 반응 온도인 20 켈빈에서는 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 5000만 암페어, 7 테슬라 자기장에서는 제곱센티미터당 6000만 암페어 이상의 전류를 전달하는 데 성공했다. 이러한 성과는 0.2 마이크론 두께의 HTS 필름으로 달성되었다는 점에서 더욱 주목할 만하다. 일반적으로 이 정도의 전류를 전달하려면 10배 더 두꺼운 HTS 와이어가 필요하다. 이 연구의 책임 저자인 아미트 고얄 박사는 "이러한 결과는 산업이 상업용 코팅 도체의 가격 대비 성능 지표를 크게 개선하기 위해 증착 및 제조 조건을 더욱 최적화하는 데 도움이 될 것"이라면서 "가격 대비 성능 지표를 더욱 유리하게 만드는 것은 초전도체의 수많은 대규모 예상 응용 분야를 완전히 실현하는 데 필요하다"고 말했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-08-09 10:45:00