과학자 – 포커스온경제 통합 검색

전체기사보기
2024-11-22 (금)

검색

현대차-도요타, AI 휴머노이드 개발 가속화 위해 손잡았다

도요타자동차의 미국 연구개발 자회사 도요타 리서치 인스티튜트(TRI)와 현대자동차 산하 보스턴다이내믹스는 인공지능(AI)을 탑재한 휴머노이드 개발을 가속화하기 위해 제휴한다. 블룸버그통신 등 외신들에 따르면 TRI와 보스턴다이내믹스 양사는 16일(현지시간) 이같은 내용을 담은 제휴를 발표했다. 이번 양사의 제휴로 TRI가 가진 대규모행동모델(LBM) 개발에 관한 전문지식과 보스턴다이내믹스의 휴머로이드 '아틀라스'를 결합하게 된다. 보스턴을 거점으로 한 양사의 휴머노이드개발 팀은 인간과 로봇의 상호작용 등 분야에 있어서 AI탑재 로봇의 활용사례에 관한 연구를 진행하게 된다. TRI는 지금까지 생성AI를 사용한 로봇 교육용 LBM에서 획기적인 진전을 이루었다고 밝히고 있다. 한편 보스턴다이내믹스는 로봇개와 창고용 화물정리 로봇에서 상업적 성공을 거두고 있다. 이번 양사의 제휴는 테슬라가 개발한 ‘옵티머스’와 같은 다른 AI탑재로봇으로서는 위협이 될 가능성이 있다. 휴머노이드를 개발하는 스타트업도 주목을 받고 있으며 이 분야에는 대규모 자금이 투입되고 있는 상황이다. TRI와 보스턴다이내믹스의 제휴는 최종적인 상업적 이용을 시야에 둔 기초연구에 초점을 맞추고 있다. 양사의 고위관계자들은 프로젝트의 스케줄와 예산에 관해서는 구체적인 내용을 밝히지 않고 있다. 도요타자동차에서 수석과학자 지위를 맡고 있는 길 프랫은 "이런 유형의 기술은 앞으로 큰 가능성을 내포하고 있다"고 언급했다. 그는 "우리들이 추진하고 있는 생성AI의 연구는 보스턴다이내믹스가 진행해온 연구를 크게 보완할 수 있다"고 덧붙였다. 그는 이와 함께 최종적으로는 공장 조립라인과 가정에서의 고령자 보호에 로봇을 도입하는 것이 목표라고 지적했다. 현대자동차는 지난 2020년에 보스턴다이내믹스를 소프트뱅크로부터 인수했다. 현대차그룹이 지분을 인수할 당시 소프트뱅크그룹과 2025년 6월까지 상장을 약속했다. 현대차는 상장하지 못하면 소프트뱅크의 지분 20%를 되사와야 한다.
- IT/바이오
2024-10-17
[신소재 신기술(121)] 중국 연구진, 맥박 측정 로봇 손가락 개발

로봇 손은 산업계에 다양한 용도로 쓰이지만, 로봇 손의 촉각은 인간의 그것에 비하면 다소 떨어진다. 그런데 중국의 연구진이 인간의 맥박을 측정할 수 있는 로봇 손을 설계해 주목된다고 더레지스터가 전했다. 중국 과학기술대학의 연구진은 센서를 사용하여 로봇이 압력의 정확한 변화를 감지하고, 인간 손가락에 필적하는 민첩성으로 움직일 수 있는 생체 영감 소프트 핑거(BSF)를 개발했다. 이는 셀(Cell)에 게재됐다. 발표된 논문에서 연구진은 로봇이 새롭게 적용된 감각을 사용해 사람의 맥박을 측정하고, 혹을 확인하거나, 환자가 의사를 상대할 때 당황하지 않도록 다른 인체 검사를 수행할 수 있을 것이라고 밝혔다. 연구진의 일원인 감지 기술 과학자인 왕홍보는 "이처럼 손재주가 있는 로봇 손가락은 미래의 병원에서 의사처럼 '로보닥터' 역할을 수행할 수 있다고 믿는다"라고 설명했다. 그는 "기계학습과 결합하면 자동 로봇 검사 및 진단이 가능하며, 특히 의료 전문가가 턱없이 부족한 외딴 미개발 지역에서 유용할 것으로 기대한다"고 부연했다. 129mm 길이의 손가락 로봇은 부드럽고 유연한 광중합(포토폴리머) 수지 프레임워크에 내장된 공기 제어 액추에이터를 사용하며, 두 개의 전도성 섬유 코일이 내장되어 있다. 첫 번째 코일은 손가락의 움직임을 제어하고 두 번째 코일은 손가락 끝부분에 설치돼 매우 민감한 고감도 압력 센서와 연결된다. 실험에서 로봇 손가락은 실리콘 시트에 내장된 인공 덩어리를 식별할 수 있었으며, 실험 대상자의 동맥을 찾아 심박수를 정확하게 판독해 인간의 맥박을 측정했다. 논문에서는 "BSF는 인간의 손가락과 마찬가지로 작동 및 굽힘 감지 모두 50ms의 실시간 응답시간으로 손가락 끝의 힘을 감지할 수 있었으며, 굽힘 각도에 대해서는 0.02, 힘에 대해서는 0.4mN의 높은 감지 해상도를 제공한다"라고 설명했다. 또한 "제안된 BSF의 굽힘 및 힘 감지는 자체 분리되어 있으며 반복성이 높다. 가장 중요한 점은 BSF의 감지 및 작동이 모두 안정되며, 실용적인 응용 분야에서 기계적으로 내구성이 있다는 것"이라고 덧붙였다. 로봇 손가락의 장점은 특히 인간 의사, 특히 이성 의사가 검진하는 것을 불편해하는 환자가 편하게 사용할 수 있다는 것이다. 또한 의사를 전혀 만나지 않고도 집에서 예방적 검진을 위해 사용할 수 있다. 연구진은 또 키 입력에 필요한 힘을 스스로 판단해 손가락이 올바르게 타이핑하는 능력도 보여주었다. 제어를 위해 기계학습을 사용함으로써 민감성과 유용성 면에서 인간과 맞먹는 로봇 손을 만들 수도 있다. 연구진은 "정확한 감지 데이터를 널리 활용하고 BSF 기반 생물에서 영감을 손에서 기계학습 기반 감지 데이터 제어를 적용함으로써 인간과 같은 '촉감, 느낌, 시도, 학습, 조작' 및 정교한 인간-로봇 상호 작용을 실현할 수 있다"고 밝혔다.
- IT/바이오
2024-10-15
[기후의 역습(71)] 과학자들, 지구 온난화로 기온 섭씨 2.7도 상승 경고

기후 변화가 지구에 어떤 영향을 미치는지는 올해 그대로 드러났다. 올해의 기상 변화에 대해 '전례 없는', '역대 최고' 등의 문구가 따라다녔다. 미국 동부의 허리케인 헬렌과 베트남의 슈퍼 태풍 야기 등 열대성 폭풍이 유례를 찾아보기 어려울 정도로 빠르게 강해지고 있다. 캐나다에서는 전례 없는 화재가 발생해 마을이 파괴되었다. 브라질은 전례 없는 가뭄으로 거대한 강이 말라붙고 강바닥이 그대로 드러났다. 올해 메카에서 열린 하지(Hajj) 순례 기간 동안 기온이 섭씨 50도를 넘으면서 최소 1300명의 순례자가 사망했다. 불행히도 인류는 훨씬 더 나쁜 상황을 향해 나아가고 있다. 시드니 대학교, 오레곤 주립대, 영국 전문가 등 국제 과학자팀이 발간한 새로운 2024년 기후 현황 보고서는 심화되고 있는 기후 위기에 대한 또 다른 엄중한 경고다. 정부가 탄소 배출 저감 목표를 달성하더라도 지구가 섭씨 2.7도 온난화될 수 있다는 것이다. 이는 기후 변화를 1.5도로 유지하려는 파리 협정 목표의 거의 두 배에 달하는 수치다. 보고서는 옥스퍼드아카데믹의 바이오사이언스에 실렸다. 연구팀의 일원이었던 토마스 뉴섬, 윌리엄 리플 교수가 충격적인 보고서 내용을 더 컨버세이션을 통해 알렸다. 이 내용은 또 사이언스얼라트에도 게재됐다. 연구팀은 매년 빙하 해빙에서 산림에 이르기까지 지구의 35가지 생명 징후를 추적하고 있다. 올해는 그중 25가지가 기록적인 수준에 도달했다. 이 모두가 잘못된 방향으로의 추세를 보이고 있다. 인간은 이렇게 나빠지는 조건에 익숙하지 않다. 문명은 지난 1만 년 동안 너무 덥거나 춥지 않은 온화한 조건에서 출현했다. 그러나 살기 좋았던 기후는 이제 위험에 처해 있다. 두 세대만 지나도 기후 조건은 선사 시대에 인류가 겪었을 어떤 것보다 더 위협적일 것이다. 보고서에 따르면 화석 연료로 인한 배출은 계속 증가하고 있으며, 현재 사상 최고 수준을 유지하고 있다. 전문가들의 오랜 경고에도 불구하고 화석 연료 소비는 지구를 위험한 수준의 온난화로 몰아넣고 있다. 풍력과 태양광 발전이 급속히 성장했다지만, 화석 연료 사용은 14배 더 많다. 올해는 가장 더운 해로 기록될 것이 확실하다. 지난해의 거의 절반과 2024년 대부분 기간의 전 세계 일일 평균 기온이 역대 최고 수준을 기록했다. 11월 아제르바이잔에서 열리는 연례 유엔 기후 회담 COP29에서 노력을 배가해야겠지만, 훨씬 더 강력한 정책이 없다면 기후 변화는 계속 악화될 것이다. 인류는 여전히 '화석 연료의 일상적인 연소'라는 핵심 문제를 해결하지 못했다. 메탄과 이산화탄소로 대표되는 온실가스의 대기 중 농도는 계속 증가하고 있다. 지난해 9월 대기 중 이산화탄소 농도는 418ppm에 달했다. 올해 9월에는 422ppm을 넘었다. 강력한 온실가스인 메탄은 놀라운 속도로 증가하고 있다. 문제를 더욱 악화시키는 것은 대기 에어로졸이 최근 감소했다는 점이다. 이는 오염을 줄이기 위한 노력으로 인해 생긴 결과다. 공기 중에 떠다니는 에어로졸은 자연적 및 인간 활동의 과정 모두에서 발생하며, 뜨거워진 지구를 식히는 데 도움이 된다. 이런 냉각 효과가 없어지면 지구 온난화 속도가 빨라질 수 있다. 다른 환경 문제도 기후 변화에 영향을 미치고 있다. 아마존 등에서의 산림 벌채는 탄소 자연 흡수 능력을 감소시켜 추가적인 온난화를 유발한다. 이는 피드백 루프를 생성해 온난화로 인해 나무가 죽고 결과적으로 지구 온도가 증폭되는 결과를 가져온다. 해빙 손실도 또 다른 문제다. 해빙이 녹고 빙하가 추가 형성되지 않으면 짙푸른 바닷물이 노출된다. 얼음은 햇빛을 반사하지만 바닷물은 햇빛을 흡수한다. 결국 지구의 반사율(표면의 반사도)이 변하고 온난화가 더욱 빨라진다. 향후 수십 년 동안 해수면 상승은 해안 지역 사회에 점점 더 큰 위협이 될 것이다. 보고서는 화석 연료의 일상적인 사용을 즉각 끝내야 한다고 강조한다. 특히 배출량이 많은 선진국이 앞장서야 한다는 지적이다. 메탄 배출을 줄이기 위한 효과적인 정책 도입도 권고했다. 이산화탄소에 비해 대기 중에 머무르는 시간이 짧은 메탄을 빠르게 줄이면 단기적으로 온난화 속도를 늦출 수 있다. 산림 및 토양 복원과 같은 자연 기후 솔루션을 도입해 목재와 토양에 저장되는 탄소량도 늘려야 한다. 산불과 가뭄이 자주 발생하는 지역에 대한 보호 조치가 수반되는 것도 중요하다. 더 엄격한 토지 이용 정책을 도입하고, 파괴적인 화재 위험을 줄이며, 지속 가능한 산림 투자를 늘려야 한다. 보고서는 기후 변화가 이미 훨씬 악화되는 방향으로 진행되고 있다고 우려하고, 이를 막기 위해 배출량을 줄이고, 자연적 기후 솔루션을 강화하며, 기후 정의를 위해 노력함으로써 최악의 상황을 피해야 할 것이라고 강조했다.
- 포커스온
2024-10-14
[우주의 속삭임(70)] 달 내부에 녹은 암석층 존재 가능성…중력 측정 분석 결과 뒷받침

달의 지각 아래 내부 구조는 무엇으로 이루어져 있을까. 지구 내부에는 녹은 암석층이 존재하며, 이는 지표면의 지각판 운동을 일으키는 원인으로 알려져 있다. 과학자들은 그동안 달에도 지구처럼 핵과 고체 외층 사이에 녹음 암석층이 존재하는 지에 대한 연구를 진행해왔다. 미 항공우주국(나사·NASA) 고다드 우주 비행 센터와 애리조나 대학의 연구팀은 최근 지구와 태양의 중력에 대한 달의 반응을 분석한 결과, 달 내부의 깊은 곳에 녹은 암석층이 존재할 가능성을 뒷받침하는 새로운 증거를 제시했다. 해당 내용에 대해서는 사이언스얼라트와 스페이스닷컴 등이 보도했다. 이번 연구를 통해 지구의 바닷물이 달과 태양의 중력에 의해 주기적으로 상승하고 하강하는 것처럼, 달도 조석력의 영향을 받는다는 것이 밝혀졌다. 다만, 지구처럼 바다가 없기 때문에 달의 조석 현상은 미묘하지만 모양과 중력의 변화를 통해 확인할 수 있다. 연구 결과 달의 맨틀은 조수처럼 오르락내리락하는 두껍고 끈적끈적한 영역을 갖고 있는 것으로 드러났다. 달의 조석력에 반응하는 방식은 내부 구조와 밀접한 관련이 있다. 연구팀은 지구와 태양에 대한 달의 조석 반응으로 분석하면 표면 아래에 무엇이 있는 지 단서를 얻을 수 있다는 점에 주목했다. 기존 연구에서는 한 달 동안 달의 조석 변화를 측정했지만, 이번 연구에서는 나사의 위성 기반 GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory) 미션과 달 정찰 궤도선(Lunar Reconnaissance Orbiter)을 통해 1년 동안의 데이터를 수집했다. 연구팀은 달의 월별 및 연간 형태 변화, 중력장 변화, 평균 밀도 등의 정보를 종합해 내부 구조를 시뮬레이션했다. 그 결과 달의 맨틀 하부에 부드러운 층을 포함했을 때 관측된 중력 측정값을 더 정확하게 재현할 수 있었다. 이는 달 내부 깊은 곳에 점성을 가진 물질 층이 존재할 가능성이 높음을 시사한다. 연구팀은 달 내부의 이러한 녹은 층이 티타늄이 풍부한 광물인 일메나이트(ilmenite)로 구성되었을 것으로 추측하고 있다. 하지만 이 층의 열원이 무엇인지, 정확한 구성 성분은 무엇인지 등이 여전히 풀어야 할 과제로 남아 있다. 해당 연구는 AGU 어드밴시스(AGU Advances)에 게재됐다. 한편, 일메나이트는 티타늄과 철의 산화 광물로 화학식은 FeTiO3이다. 일메나이트는 티타늄의 주요 광석이며, 이산화 티타늄(TiO2) 생산의 주원료다. 이산화 티타늄은 페인트, 잉크, 플라스틱, 종이, 선크림, 식품, 화장품 등 다양한 분야에서 사용된다. 일메나이트는 러시아의 일멘 산맥에서 처음 발견되어, 이름이 붙여졌다. 아폴로 우주선이 가져온 달에서 채취한 암석에서 상당량의 일메나이트가 발견됐다.
- IT/바이오
2024-10-11
[퓨처 Eyes(53)] 세계 최초, 나노 크기 물방울 생성 실시간 포착

수소와 산소를 결합하는 과정을 통해 나노크기의 물방울 생성 장면이 처음으로 포착됐다. 미국 노스웨스턴 대학교 연구팀이 은백색 금속인 팔라듐(Pd)을 이용해 수소와 산소를 결합, 나노 크기의 물방울을 실시간으로 생성하는 과정을 세계 최초로 관찰하고 촬영하는 데 성공했다. 이 연구는 심우주 탐사에서 물을 생산하는 혁신적인 기술로 활용될 가능성을 제시하며 주목받고 있다. PHYS.org, IFL사이언스, 사이언스 얼러트 등 다수 외신이 이 같은 내용을 중점적으로 다루었다. 팔라듐 반응으로 나노 물방울 생성 물(H₂O)의 성분은 간단하다. 수소 원자 2개와 산소 원자 1개를 섞으면 지구 생명체 유지에 가장 중한 물 분자가 만들어진다. 연구팀은 팔라듐 반응을 직접 관찰하기 위해 20나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터) 너비의 팔라듐 조각 표면에 수소와 산소 원자를 추가하고 멤브레인을 사용해 이어지는 상호작용을 포착했다. 팔라듐은 수소를 흡수하고 저장하는 능력이 뛰어난 금속으로, 수소가 팔라듐 구조 내부로 들어가 산소와 빠르게 결합하면서 물을 생성한다. 이번 연구에서는 벌집 모양의 나노 반응기와 초박막 유리 멤브레인을 사용해, 팔라듐 표면에서 수소와 산소가 결합해 물방울을 형성하는 과정을 실시간으로 시각화했다. 연구팀은 고진공 투과 전자 현미경을 이용해 이 극미세 반응을 관찰했다. 벌집 모양의 나노 반응기는 기체 분자를 가두어 서로 반응하게 한 후, 그 과정을 초박막 멤브레인을 통해 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 구현했다. 이를 통해 연구팀은 팔라듐이 수소와 산소를 빠르게 물로 변환하는 나노 단위의 과정을 확인했다. 전자 에너지 분광법을 통한 분석 연구팀은 팔라듐 표면에서 생성된 나노 크기의 물방울을 전자 에너지 분광법(EELS)을 사용해 분석했다. 이 방법은 전자를 시료에 쏘아 전자의 에너지 손실을 측정함으로써 시료의 화학적 결합 상태를 파악하는 기술이다. 이를 통해 연구팀은 팔라듐 표면에서 발생하는 물 분자의 결합 상태와 생성 과정을 정밀하게 관찰할 수 있었다. 이는 또한 인도의 달 탐사선 찬드라얀 1호가 달에서 물의 존재를 확인하는데 사용된 것과 동일한 기술이기도 하다. 2008년 발사된 찬드라얀 1호는 얼름, 헬륨-3을 포함한 달의 자원을 조사했다. 물은 인류 생존에 중요한 요소로 과학자들은 달의 남극에서 상당한 양의 물을 발견했으며, 미래의 우주 임무에서 달의 물을 활용하는 점에 주목하고 있다. 게다가 지난 2023년 8월 23일 찬드라얀 3호가 달에서 물이 풍부한 지역으로 알려진 남극 지역에 세계 최초로 착륙해 달 탐사의 새로운 이정표를 세웠다. 우주에서 물 생성 응용 가능성 이번 연구는 심우주 탐사에서 물을 현지에서 생산할 수 있는 가능성을 열었다. 팔라듐을 이용해 수소를 미리 우주선에 저장해두면, 우주 비행사들은 산소만 추가해 식수를 생산할 수 있는 방법을 제시한 것이다. 이는 달, 화성,목성 탐사와 같은 장기 우주 미션에서 중요한 자원 확보 방식으로 활용될 수 있다. 연구의 시니어 저자인 노스웨스턴 대학교 비나약 드라비드 교수는 "나노 규모의 물방울을 직접 시각화함으로써, 극한의 반응 조건 없이도 가스와 금속 촉매를 사용해 빠르게 물을 생성할 수 있는 최적의 조건을 파악할 수 있었다"고 밝혔다. 그는 "이 기술은 우주 환경뿐만 아니라, 수소 연료 전지와 같은 에너지 생산 기술에도 중요한 영향을 미칠 것"이라고 덧붙였다. 팔라듐의 촉매 역할과 수소 에너지 팔라듐은 연성과 전성이 뛰어나 가공하기 쉽고, 내부식성이 강하며 고온에서도 안정적이다. 특히 촉매 활성이 뛰어나 다양한 화학 반응에 활용되며, 수소를 흡수하는 능력 덕분에 최근 수소 에너지와 연료 전지 분야에서 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 이번 연구는 팔라듐이 수소와 산소를 결합해 물을 생성하는 속도가 수소와 산소의 주입 순서에 따라 크게 달라진다는 사실을 밝혀냈다. 이는 우주 공간과 같은 특수 환경에서 물을 효율적으로 생산하는 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다. 영화 '마션'의 현실화 연구팀은 영화 '마션'에서 주인공 마크 와트니(맷 데이먼 분)가 화성에서 로켓 연료를 태워 수소를 추출하고 산소와 결합해 물을 만든 장면을 언급하며, "우리 기술도 극한 환경 없이 팔라듐과 기체만으로 물을 생성할 수 있다"고 설명했다. 이는 우주 탐사에서 더 간단하고 효율적인 물 생산 방법을 제시한 것이다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재되었으며, 향후 우주 탐사 및 수소 에너지 분야에서 중요한 응용 가능성을 제시하고 있다.
- 포커스온
2024-10-11
[신소재 신기술(119)] 홍합에서 영감 얻은 접착 박테리아, 플라스틱 폐기물 분해 속도 높여

과학자들이 홍합의 자연적인 접착 특성을 활용해 플라스틱 폐기물 분해 속도를 높이고 있다는 희소식이 전해졌다. 미국 라이스 대학교 연구팀은 홍합의 접착력에서 영감을 얻어 플라스틱 표면에 강하게 달라붙는 미생물을 개발했다고 밝혔다. 이 미생물은 플라스틱 분해 효소와 결합하여 플라스틱 폐기물을 효율적으로 분해할 수 있는 가능성을 제시한다. 플라스틱 오염의 가장 큰 문제점은 자연적으로 분해되는 데 수 백년 이상 걸린다는 점이다. 또한 플라스틱은 완전히 분해되지 않고 미세 플라스틱이라는 작은 조각으로 분해된다. 이러한 미세 플라스틱은 토양과 바다를 오염시키고, 먹이 사슬을 통해 동물의 몸속에 축적된다. 결국 이러한 미세 플라스틱은 인간의 식탁까지 올라와 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 연구팀은 유전자 코드 확장 기술을 이용해 박테리아 유전자 코드에 홍합의 접착 단백질에 존재하는 도파(DOPA· 3, 4-디하이드록시페닐알라닌)라는 아미노산을 도입했다. 이를 통해 박테리아는 플라스틱의 주요 성분인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 표면에 강하게 부착하고, PET를 분해하는 효소와 함께 작용해 플라스틱 분해 효율을 높였다. 미국은 매년 최대 4천만톤의 플라스틱 폐기물을 배출한다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. PET는 플라스틱의 한 종류로 이 폐기물의 약 64%를 차지한다. PET는 분해되기까지 수 세기가 걸릴 수 있다. 이번 연구를 이끈 화학, 생명과학 및 생명공학 한 샤오(Han Xiao) 부교수는 "이 기술은 플라스틱 오염 문제 해결에 큰 도움이 될 것"이라며 "유전자 코드 확장 기술이 재료 및 세포 공학 분야에서 혁신적인 도구가 될 수 있음을 보여준다"고 설명했다. 생물 부착 방지 기술 활용성 가능성 제시 연구팀은 이 기술이 플라스틱 오염 문제 해결뿐만 아니라 선박, 해양 구조물, 물 처리 시설 등에서 발생하는 생물 부착 문제 해결에도 활용될 수 있다고 밝혔다. 도파를 이용해 변형된 단백질은 다양한 표면에 보호막을 형성해 미생물의 부착을 막는 효과를 나타냈다. 연구팀은 이 기술이 의료 기기, 조직 공학, 약물 전달 등 다양한 생물 의학 분야에도 응용될 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 재료 과학 분야 학술지 '스몰 메서드(Small Methods)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-10-10
[우주의 속삭임(69)] 화성, 왜 생명체가 살 수 없게 됐나?

현재 화성의 게일 분화구를 탐사하고 있는 나사(NASA)의 탐사선 큐리오시티가 초기 화성의 기후가 생명체가 살기에 적합했던 상황(표면에 광범위한 물이 있다는 증거)에서 어떻게 생명체가 살기에 부적합한 곳으로 바뀌었는지에 대한 새로운 세부 정보를 제공하고 있다고 나사가 홈페이지를 통해 밝혔다. 화성 표면은 매우 차갑고 오늘날 생명체가 살기에는 부적합하지만, 전문가들은 나사의 화성 탐사선은 먼 과거에 화성에 생명체가 살았을 수 있는지에 대한 단서를 찾고 있다. 그런 가운데 연구진이 큐리오시티에 탑재된 장비를 이용해 게일 분화구에서 발견된 탄소가 풍부한 광물(탄산염)의 동위원소 구성을 측정했고, 화성의 고대 기후가 어떻게 변화했는지에 대한 새로운 정보를 찾아냈다. 메릴랜드주에 소재한 나사 고다드 우주비행센터의 데이비드 버트 박사는 최근 미국 국립과학원회보에 발표된 연구 논문에서 "이 탄산염의 동위원소 값은 극심한 양의 증발이 있었음을 알려주며, 탄산염은 일시적인 액체 상태의 물만을 지탱할 수 있는 기후에서 형성되었을 가능성이 높다“라고 말했다. 그는 "채취한 탄산염 샘플은 화성 표면에서 생명체가 살았던 고대 환경(생물권)과 일치하지는 않지만, 탄산염이 형성되기 전 생물권이 있었을 가능성을 배제하지는 않는다"고 덧붙였다. 즉, 화성은 탄산염이 생성되기 전 물이 풍부했을 때에는 생물권이 있었을 가능성이 있지만, 갑작스러운 액체 상태 물의 대규모 증발로 인해 물이 마르고 그 과정에서 탄소가 풍부한 탄산염이 만들어졌을 가능성이 있다는 것이다. 동위원소는 원자 번호는 같지만, 질량이 다른 원자를 말한다. 물이 급속도로 증발함에 따라 가벼운 탄소와 산소는 대기 중으로 빠져나가고, 무거운 탄소 원자는 남아 더 많은 양이 축적되어 결국 탄산염 암석과 결합됐다. 과학자들이 탄산염에 관심을 갖는 이유는 기후에 대한 기록, 즉 증거로 작용할 수 있기 때문이다. 이러한 광물은 물의 온도와 산성도, 물과 대기의 구성을 포함, 광물이 형성된 당시 환경의 특징을 그대로 보존한다. 이 논문은 게일 분화구에서 발견된 탄산염에 대한 두 가지 형성 가능성을 제안하고 있다. 첫 번째는 탄산염이 게일 분화구 내에서 일련의 습윤-건조 순환을 통해 만들어졌다는 것이다. 두 번째는 탄산염이 게일 분화구에서 극저온 조건 아래 매우 염분이 많은 물에서 형성됐을 것이라는 가능성이다. 공동 연구자인 나사의 제니퍼 스턴 박사는 "이러한 형성 메커니즘은 서로 다른 생명체 거주 가능성 시나리오를 제시하는 두 가지 다른 기후 체제를 보인다"며 "첫 번째 시나리오인 습윤-건조 순환은 더 살기 좋은 환경과 덜 좋은 환경 사이의 교차를 나타낸다. 반면, 두 번째 시나리오에서 화성 중위도의 극저온 기온은 대부분의 물이 얼어 있고 염분이 많아 거주 가능성이 낮은 환경을 보인다"고 말했다. 첫 번째 시나리오에서 생명체의 거주 가능성이 높음을 시사한다. 고대 화성에 대한 이 같은 기후 시나리오는 특정 광물의 존재, 대규모의 모델링 및 암석층 형성의 식별을 기반으로 제안됐다. 이 결과는 시나리오를 뒷받침하는 암석 샘플의 동위원소 증거를 추가한 최초의 결과다. 화성 탄산염의 중금속 동위원소 값은 지구의 탄산염 광물보다 매우 높으며, 화성 광물에서 기록된 가장 무거운 탄소 및 산소 동위원소 값이다. 연구진에 따르면 습윤-건조 또는 차갑고 염분이 많은 두 가지 기후 시나리오는 모두 중금속 탄소와 산소가 풍부한 탄산염을 형성하는 데 필요하다. 이 발견은 큐리오시티 탐사선에 실린 화성 샘플분석(SAM) 및 레이저분광기(TLS) 장비를 사용해 이루어졌다. SAM은 샘플을 섭씨 900도까지 가열한 다음 TLS를 사용해 가열 단계에서 생성되는 가스를 분석한다. 한편, 이 작업에 대한 자금 지원은 나사의 화성 탐사 프로그램을 통해 지원됐다.
- IT/바이오
2024-10-10
[기후의 역습(69)] 기후 변화로 남극 '녹지' 가속화

극심한 더위로 인해 빙하로 뒤덮였던 남극 대륙의 얼음이 녹아내리면서 놀라운 속도로 식물이 자라나 녹색으로 변하고 있다고 CNN이 전했다. 광범위한 지역에 녹지가 형성되고 있으며, 이로 인해 남극의 변화하는 지형에 대한 우려가 높아지고 있다. 전문가들은 위성 이미지와 데이터를 사용, 남아메리카 대륙의 끝부분을 향해 북쪽으로 뻗어 간 긴 산맥인 남극 반도의 식생을 분석했다. 현재 이 남극 반도는 세계 평균보다 훨씬 빠른 속도로 온난화되고 있다. 영국의 엑서터 및 하트퍼드셔 대학교의 과학자들과 영국 남극조사국의 연구원으로 구성된 연구진이 최근 네이처 지구과학 저널에 발표한 연구에 따르면, 이 지역에서 대부분 이끼류로 구성된 식물이 지난 40년 동안 10배 이상 증가한 것으로 나타났다. 1986년에는 남극 반도의 식생이 0.4평방마일 미만이었지만 2021년에는 거의 5평방마일에 달했다. 같은 기간 동안 녹화되는 속도도 더욱 빨라져 2016~2021년 사이에 30% 이상 가속화됐다. 이 지역의 지형은 여전히 거의 전부 눈, 얼음, 바위 지대지만, 이 작은 녹지는 1980년대 중반 이후 극적으로 확대됐다고 엑서터 대학교의 토마스 롤랜드 박사는 말했다. 롤랜드는 "우리의 연구 결과는 인간에 의한 기후 변화의 영향이 한계가 없다는 것을 확인시켜 주었다"며 "가장 극단적이고 외딴 황무지 얼음 지대인 남극 반도에서도 풍경이 변하고 있으며, 이러한 효과는 우주에서도 바라볼 수 있다"고 밝혔다. 지구상에서 가장 추운 곳인 남극은 최근 극심한 더위에 시달리고 있다. 올여름 남극 대륙의 일부 지역은 7월 중순부터 평년 기온보다 화씨 50도 이상 올라가는 기록적인 폭염을 나타냈다. 2022년 3월, 대륙 일부 지역의 기온이 평년 기온보다 최대 70도까지 치솟았는데, 이는 이곳에서 기록된 가장 극심한 기온 변화였다. 화석연료 연소에 따른 오염이 세계를 계속 온난화시키고 있다. 남극은 계속 따뜻해질 것이고, 이로 인한 녹화는 가속화될 가능성이 크다는 전망이다. 남극 반도가 녹화될수록 토양이 더 많이 형성되고, 외부로부터의 침입 식물종에게 더 유리해져 토종 야생 동식물을 위협할 가능성이 커진다. 씨앗, 포자, 식물 조각은 관광객이나 연구자의 신발이나 옷, 조사 장비를 통해 남극 반도로 쉽게 이동할 수 있다. 또 철새와 바람, 해류 등 보다 전통적인 이동 경로를 통해 이 곳으로 옮겨질 가능성도 있다. 남극 생태계의 위험은 분명한 현실이라는 것이다. 녹화는 또한 빙하에 비해 어두운 표면을 형성해 더 많은 열을 흡수한다. 이 때문에 남극 반도를 비롯한 대륙이 태양 복사선을 우주로 반사하는 능력을 감소시킬 수도 있다. 이러한 영향은 지역적으로 선별해 발생할 가능성이 높지만, 기후가 계속 따뜻해지면 식물의 성장을 더욱 가속한다. 남극 대륙의 풍경은 영원히 바뀔 수 있다. 스코틀랜드 해양과학협회의 극지 식물 및 미생물 생태학 전문가 매튜 데이비 박사는 "이 연구는 남극의 식물을 이해하는 데 중요한 진전이다. 확인된 것보다 더 많은 식물이 있을 수 있다"고 말했다. 그는 연구가 "식물이 남극에서 느리게나마 확산되고 있는 추세를 보여준다"면서 다음 단계는 남극 빙하가 더 후퇴하면서 식물이 최근에 노출된 맨땅을 어떻게 점령하는지를 연구하는 것이 되어야 할 것이라고 지적했다.
- IT/바이오
2024-10-08
[우주의 속삭임(67)] NASA, 명왕성의 최대 위성 카론에서 이산화탄소 감지

태양에서 57억km 떨어진 태양계의 외곽에는 왜소행성인 명왕성이 있다. 호주보다 작은 명왕성은 평균 기온이 섭씨 영하 232도로, 산과 빙하, 분화구로 이루어진 얼음 세계이다. 왜소행성 또는 왜행성은 태양을 공전하는 태양계 내 천체의 일종으로 행성 조건은 충족하지 못하지만 소행성보다는 행성에 가까운 중간적 천체이다. 명왕성 주위에는 스틱스, 닉스, 케르베로스, 히드라, 카론 등 다섯 개의 위성이 돌고 있으며, 이중 카론이 가장 크다. 다른 대부분의 행성계와 달리 카론은 모체인 명왕성와 함께 '쌍성계'로 존재한다. 이는 두 행성이 모두 둘 사이의 공간 한 지점을 공전하는 것을 의미한다. 명왕성과 위성을 둘러싼 수수께끼는 여전히 많다. 그런 가운데 미국 사우스웨스트 연구소의 천문학자 실비아 프로토파파가 이끄는 연구팀이 카론 표면에서 이산화탄소와 과산화수소를 발견했다고 더컨버세이션이 전했다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 발표됐다. 나사(NASA)의 제임스 웹 우주 망원경이 포착한 데이터에 기반한 이 발견은 비행성 또는 행성계가 어떻게 형성되었는지에 대한 중요한 단서를 제공한다. ◆ 명왕성 최대 위성 카론 과학자들은 1978년 명왕성의 궤도를 연구하던 중 처음으로 카론을 발견했다. 카론은 명왕성의 작은 쌍둥이와 비슷하다. 명왕성의 약 절반 크기로, 폭이 1200km가 조금 넘는다. 따라서 태양계에서 모체(명왕성)와 비교해 (상대적으로) 가장 큰 것으로 알려진 위성이다. 명왕성 자체는 지구의 달보다 작다. 명왕성의 크기는 달의 약 3분의 2이고 질량은 6분의 1이다. 카론의 질량은 명왕성의 약 8분의 1이다. 카론과 명왕성은 특이한 궤도를 가지고 있다. 카론이 명왕성 주위를 도는(공전) 동안 명왕성도 중심점을 공전한다. 즉 한 지점을 중심으로 카론과 명왕성이 같이 도는 것이다. 그들은 거의 이중 왜성처럼 움직인다. 이는 달과 지구와는 관계와는 다르다. 달은 지구를 중심으로 돌고, 지구는 위치를 바꾸지 않고 태양을 중심으로만 공전한다. 이것이 명왕성이 행성으로 인정받지 않고 왜소행성으로 분류되는 이유 중 하나다. ◆ 카론의 구성 2015년, 나사의 뉴 호라이즌스는 발사된 지 9년이 지난 후 명왕성과 그 위성을 근접 탐사했다. 탐사 결과는 최대 위성 카론이 다양한 화학 물질로 구성되어 있음을 보여주었다. 카론은 얼음이 풍부한 매우 차가운 위성이다. 여기에는 암모니아와 다양한 탄소 기반 화합물도 포함되어 있다. 카론에는 지구의 화산처럼 마그마를 쏟아내는 대신 얼음이 분출되는 극저온 빙화산(cryovolcano)이 있는 것으로 여겨진다. 명왕성의 구성과는 다르다. 카론에서 이산화탄소와 과산화수소를 새로 발견한 것은 인접 해왕성 너머 천체에서 다양한 프로세스가 어떻게 상호 작용하는지에 대한 다양한 정보와 지식을 얻고 미래 가능성도 예상할 수 있다. 그중 이산화탄소는 우리가 이해해야 할 핵심 분자다. 천체의 역사에 대해 많은 것을 알려주기 때문이다. 카론의 경우 이산화탄소는 얼음 표면 아래에서 발생하며, 소행성 및 기타 물체가 카론과 충돌해 분화구를 만들면서 새로운 지하 표면을 노출시키는 것으로 알려져 있다. ◆ 제임스 웹 우주 망원경을 이용한 큰 발견 천문학자들은 제임스 웹 우주 망원경을 이용한 관측을 통해 카론에서 이산화탄소를 감지했다. 2021년에 작동을 시작한 이 우주 망원경은 폭 6.5m의 대형 거울을 장착해 매우 강력하고 민감하다. 제임스 웹은 사람의 눈이나 지구상에 설치된 대부분의 망원경이 감지할 수 없는 빛의 색상인 적외선을 볼 수 있다. 적외선은 행성에서 별, 은하계 등 다른 천체에 존재하는 다양한 분자를 찾는 데 중요한 빛이다. 이런 화합물을 찾기 위해 망원경은 분광법이라는 기술을 사용한다. 빛은 프리즘을 통과할 경우 무지개같이 나뉘는 것처럼, 빛의 파장에 따라 여러 색상으로 분해된다. 합물의 각 원소나 분자 역시 고유한 색상 특징을 가지고 있다. 분광법을 통해 그 색상을 찾아내고 원소의 종류를 판별한다. 분광법을 이용한 새로운 관찰을 통해 카론에서 지금까지 알려진 것과 달리 물, 얼음과 함께 이산화탄소와 과산화수소의 특징이 나타난 것이다. ◆ 고대 수수께끼에 대한 중요한 단서 카론의 형성은 과학계에서는 미스터리다. 가장 유력한 이론 중 하나는 달과 비슷한 방식으로 형성되었다는 것이다. 이 이론에 따르면 약 45억 년 전, 명왕성과 카론이 위치한 카이퍼 벨트에서 큰 물체가 명왕성과 충돌했고, 명왕성의 일부가 떨어져 나가 카론이 형성되었다. 또 명왕성과 충돌한 물체가 카론이었으며, 이들이 서로를 공전하는 궤도에 묶였을 가능성도 있다. 카론의 화학적 구성을 이해하면 카론이 어떻게 형성되었는지에 대한 이해를 높일 수 있다. 그런 의미에서 카론에서 이산화탄소와 과산화수소의 발견은 중요한 진전이다. 카론뿐만 아니라 명왕성 근처의 다른 천체에 대한 단서를 제공할 수도 있다. 카론에 대한 더욱 풍부한 정보들이 태양계의 먼 부분에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 것이라는 기대다.
- IT/바이오
2024-10-07
[우주의 속삭임(66)] 달, 지구가 '낚아챈' 외계 천체?…새로운 기원설 등장

달은 약 45억 년 전 지구와 테이아(Theia)라는 작은 행성의 충돌로 형성된 것으로 널리 알려져 있다. 그런데 최근 연구에서 달의 기원에 대한 새로운 이론이 제안돼 관심을 끌고 있다고 어스닷컴이 전했다. 연구에 따르면 초기의 젊은 지구가 쌍성계에 가까이 접근해 달을 낚아챘을 가능성이 있다고 한다. 지금까지의 통설과는 큰 차이가 나는 이론 제안이다. 지난 1969~1972년 사이, 여섯 차례의 달 탐사 임무를 통해 아폴로 우주비행사들은 800파운드(약 363kg)가 넘는 달의 암석과 토양을 수집했다. 이 샘플에 대한 화학 및 동위원소 분석 결과, 그것들이 지구의 암석 및 토양과 유사하다는 사실이 밝혀졌다. 칼슘이 풍부하고 현무암질이었으며 태양계가 형성된 후 약 6000만 년이 지난 것으로 나타났다. 아폴로 샘플 데이터를 바탕으로 1984년 하와이에서 열린 코나 회의에 모인 행성 과학자들은 달이 지구와의 대규모 충돌 후 파편으로 형성되었다 합의에 도달했다. 달의 기원에 대한 이 이론은 수십 년 동안 정론으로 받아들여져 왔다. 그런데 펜실베이니아 주립대학의 연구진은 최근 연구에서 오랫동안 유지되어 온 이 이론에 이의를 제기했다. 다렌 윌리엄스, 마이클 저거 교수가 주관한 연구팀이 달은 지구와 한 쌍의 암석체가 근접 조우했을 때 만들어졌다는 새로운 관점을 제시한 것이다. 윌리엄스는 "코나 회의를 통해 40년 동안 달 형성 이론이 확립됐지만 몇 가지 미해결 의문이 남아 있었다"고 지적했다. 그중 하나는 달의 궤도에 관한 것이다. 달이 지구 충돌의 잔해에서 만들어져 지구 궤도에 정착했다면, 지구의 적도 바로 위를 공전해야 한다. 그러나 달의 궤도는 지구 적도와 정렬되지 않고 태양과 더 일치한다. 이에 따라 연구팀은 달의 형성을 이진 교환 포획 이론(binary-exchange capture theory)으로 해석했다. 지구의 중력은 이진법에 따라 두 천체를 분리했고, 그중 달을 붙잡고 다른 천체는 떨어져 나갔다는 것이다. 지구 중력으로 붙잡힌 달은 오늘날의 궤도에 안착했다. 연구팀은 이를 태양계의 다른 사례와 비교하면서 "전례가 있었다"고 설명했다. 해왕성의 가장 큰 위성인 트리톤을 비슷한 사례로 제시했다. 트리톤은 카이퍼 벨트((Kuiper Belt)에서 궤도로 끌려온 것으로 여겨지고 있다. 카이퍼 벨트에서는 약 10%의 천체가 쌍성계로 이루어진 것으로 추정된다. 트리톤의 역행 궤도(해왕성의 자전과 반대)가 행성 적도에서 67도 기울어진 것이 이를 반증한다. 연구팀은 지구가 달보다 더 큰 위성, 즉 수성이나 화성 크기의 천체를 붙잡을 수 있다고 계산했다. 그러나 그들은 궤도를 유지할 만큼 안정적이지 않았을 수 있다는 지적이다. 연구원들은 달의 궤도가 처음에는 원이 아닌 타원으로 시작했다고 설명한다. 시간이 지남에 따라 지구의 조수가 궤도에 영향을 미쳐 궤도가 바뀌었다. "지구의 만조는 궤도를 가속한다. 궤도에 추진력을 줌으로써 시간이 지남에 따라 달이 조금씩 멀어진다"는 것이다. 이 같은 작용으로 초기 달의 타원형 궤도는 수천 년에 걸쳐 수축되어 점차 원형이 되었을 것으로 추정했다. 결국 달의 자전은 지구를 도는 달의 궤도에 고정되었고, 이 상태는 오늘날에도 지속되고 있다. 한편 연구팀은 달이 매년 지구에서 약 3cm씩 더 멀어진다고 설명했다. 현재 달은 23만 9000마일(약 38만km) 떨어져 있으며, 태양과 지구 모두로부터 중력의 영향을 받는다. 태양과 지구 모두가 달을 끌어당기고 있다는 얘기다. 윌리엄스와 저거는 "달이 어떻게 형성되었는지는 아무도 모른다. 지난 40년 동안 달의 형성에 대한 하나의 가능성이 제시됐는데, 이번 연구로 이제는 두 가지가 되었다. 새로운 추가 연구가 필요하다”고 밝혔다. 이 연구는 행성과학 저널(The Planetary Science Journal)에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-10-04
[신소재 신기술(116)] 양자 실험으로 '음의 시간' 증거 발견

과학자들이 양자 실험을 통해 '음의 시간' 증거를 발견했다. 캐나다 토론토 대학의 연구팀이 광자가 원자를 통과하는 과정에서 '음의 시간' 현상을 보이는 것을 관찰했다고 밝혔다고 IFL사이언스와 퓨처리즘 등 다수 외신이 전했다. 아직 동료 평가를 거치지 않은 이 연구는 과학 전문 매체 '사이언티픽 아메리칸'에 소개되며 학계의 주목을 받고 있다. 음의 시간은 시간이 마치 거꾸로 흐르는 것처럼 보이는 현상을 말한다. 시간은 일반적으로 과거에서 현재, 미래로 흐른다고 여겨진다. 하지만 양자역학의 세게에서는 시간이 마치 뒤로 가는 것처럼 보이는 현상이 나타날 수 있다. 이것을 '음의 시간' 또는 '시간 역행'이라고 부른다. 연구팀은 광자 펄스를 절대 영도에 가까운 온도의 원자 구름에 발사하는 실험을 진행했다. 그 결과, 광자가 원자에 흡수되지 않고 통과할 때에도 원자는 마치 광자를 흡수한 것처럼 일정 시간 동안 들뜬 상태를 유지하는 현상이 관찰됐다. 반대로 광자가 원자에 흡수된 경우에는 원자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아가기 전에 광자가 다시 방출되는 현상이 나타났다. 이는 광자가 원자를 들뜨게 할 때, 즉 흡수될 때, 원자에 영향을 주지 않고 통과할 때보다 더 빠르게 원자 구름을 통과한다는 것을 의미한다. 연구팀은 이러한 현상을 '음의 시간 지연'이라고 설명하며, 양자역학적 불확정성과 중첩 현상으로 인해 발생한다고 분석했다. 즉, 광자와 같은 양자 입자는 동시에 두 가지 상태로 존재할 수 있으며, 이로 인해 측정 결과는 양수와 음수 값 모두를 가질 수 있다는 것이다. 이 연구는 시간에 대한 우리의 이해를 바꾸는 것은 아니지만, 광학 분야에서 음의 시간이 광자 전송과 관련하여 "일반적으로 인식되어 온 것보다 더 큰 물리적 의미를 가진다"는 것을 시사한다. 하지만 일부 전문가들은 이 연구 결과에 대해 신중한 입장을 보이며, 추가적인 연구를 통해 검증이 필요하다고 지적했다.
- IT/바이오
2024-10-04
[신소재 신기술(114)] 상어 장 모방한 3D 프린팅 파이프, 역류 없는 액체 흐름 구현

미국 과학자들이 상어의 소화기관에서 영감을 얻어 한 방향으로만 흐르는 파이프를 3D 프린팅 기술로 제작했다. 워싱턴대학교(UW) 연구팀은 상어의 나선형 장 구조를 모방해 3D 프린팅 기술로 '한 방향 흐름 파이프'를 개발했다고 과학 전문매체 뉴아틀라스가 전했다. 이 파이프는 액체가 역류하지 않고 한 방향으로만 흐르도록 설계되어, 상어의 소화기관처럼 효율적인 물질 이동을 가능하게 한다. 인간의 장은 속이 빈 튜브에 불과하지만 상어의 장은 아래쪽 부분에 나선형 판막이라는 것이 있다. 이 나선형 판막은 비교적 짧고 굵은 장의 일부로, 내부에 일종의 코르크 마개와 같은 나선형 구조가 있다. 이 구조는 음식물의 이동 속도를 늦추고 표면적을 넓혀 영양분 흡수 효율을 높이는 역할을 한다. 또한 나선형 장의 구조는 음식물의 역류를 방지하는 데도 도움이 된다. 연구팀은 다양한 형태의 나선형 구조를 가진 파이프를 제작하고 실험을 통해 최적의 구조를 찾아냈다. 그 결과 개발된 파이프는 기존의 무빙 파트가 없는 한 방향 흐름 장치인 태슬라 밸브보다 뛰어난 성능을 보였다. 테슬라 밸브(Tesla Valve)는 니콜라 테슬라가 1920년에 발명한 특수한 형태의 유체 흐름 제어 장치다. 움직이는 부품 없이 유체의 흐름을 제어하는 것이 특징이다. 여러 개의 물방울 모양 루프가 파이프 내부에 배열되어 유체가 순 방향으로 흘르 때는 루프를 따라 부드럽게 통ㅎ과하지만, 약방향으로 흐르려고 하면 루프에 의해 와류가 발생하고 흐름이 저항을 받아 통과가 어려워진다. 특히 부드러운 소재로 제작된 이 파이프는 테슬라 밸브보다 최소 7배 이상 효율적인 흐름을 보였다. 그러나 연구팀은 파이프가 상어의 장 조직보다 100배나 더 단단해 앞으로 개선의 여지가 있다고 밝혔다. 이번 연구는 부드럽고 강하며 프린팅 가능한 폴리머 개발에 대한 화학자들의 동기를 더욱 강화할 것으로 기대된다. 이러한 폴리머는 공학, 의학 등 다양한 분야에서 유체 흐름 제어에 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 이번 연구 결과는 미국 국립학회보(PNAS)에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-09-27
전 세계 어린이 3명 중 1명 근시…2050년 40%까지 증가 전망

전 세계 어린이 3명 중 1명이 근시라는 연구 결과가 나왔다. 그중 한국 어린이는 70% 이상이 근시로 나타났다. 중국 과학자들이 진행한 새로운 연구에 따르면 2023년 전 세계 어린이의 3분의 1 이상이 근시를 겪고 있으며, 이 비율은 2050년에는 거의 40%까지 증가할 것으로 예상된다고 CNN이 보도했다. 근시는 가까운 물체는 선명하게 보이지만 먼 물체를 흐릿하게 보이는 시력 장애다. 심한 경우 두통이나 눈의 피로를 겪을 수 있다. 반대로 노안은 나이가 들면서 수정체의 탄력이 감소하고, 수정체를 조절하는 근육의 힘이 약해져서 가까운 곳에 초점을 맞추는 능력이 떨어지는 노화현상이다. 일반적으로 40대 중반부터 노인이 시작된다. 연구에 따르면 지난 30년 동안 어린이와 청소년의 근시 유병률은 1990년 24%에서 2023년 약 36%로 크게 증가했다. 중국 관저우 중산대 연구팀은 6개 대륙 50개국의 어린이 및 청소년 540만명 이상을 대상으로 한 276개 연구 결과를 분석해 이러한 연구 결과를 도출했다. 연구팀은 근시의 증가는 대체로 점진적이었지만 코로나19 팬데믹(대유행) 이후 눈에 띄게 급증했다고 밝히며 지역적 차이도 지적했다. 특히 동남아시아 어린이의 근시율이 35%로 가장 높았으며, 이는 백인 어린이의 두 배가 넘는 수치이다. 연구팀은 이러한 현상이 동아시아 어린이들이 다른 지역보다 이른 2~3세에 정규 교육을 시작하는 것과 관련이 있을 수 있다고 설명했다. 연구 결과에 따르면 도시 지역(28.55%)에 거주하는 개인, 여자(33.57%), 청소년(47.00%), 고등학생(45.71%)이 근시 유병률이 더 높은 것으로 나타났다. 국가별로는 일본 어린이의 근시율이 86%로 가장 높았고, 한국이 74%로 그 뒤를 이었다. 이어 러시아, 싱가포르, 중국 순이었다. 연구팀은 어린 아이들이 성인보다 환경적 요인에 더 취약하다고 강조했다. 특히 미취학 아동은 시각 발달의 중요한 시기가 있어 가소성이 높기 때문에 주의가 필요하다고 밝혔다. 또한 향후 어린이 및 청소년의 근시 유병률이 계속 증가해 2040년에는 36.6%, 2050년에는 39.8%(약 7억4000만명)에 이를 것으로 전망했다. 연구팀은 청소년 등 어린이들이 정기적으로 눈 보호 조치를 취하는 습관을 기르도록 권장했다. 또한 학생들은 신체 활동 시간을 늘리고 휴대폰 사용, TV 시청, 비디오 게임, 인터넷 서핑 등 비활동적인 시간을 줄여야 한다고 조언했다. 아울러 교육부 등 관계 당국에는 학생들의 숙제와 과외 부담을 줄이고 시력 검사, 근시 조기 발견 및 치료를 장려할 것을 촉구했다. 연구 결과에 따르면 이에 대한 확실한 증거는 전 세계적으로 여전히 보고되지 않았다고 한다. 이번 연구는 지난 9월 24일 영국 안과학회지(British Journal of Ophthalmology)에 게재됐다. 모든 질병과 마찬가지로 근시도 조기에 발견하는 것이 치료에 도움이 된다. 6개월~1년에 한 번 정기적으로 안과 검진을 받는 것이 좋다. 특히 어린이의 경우, 시력 발달이 완성되지 않은 상태이므로 근시 예방에 더욱 신경써야 한다. 부모들은 자녀의 생활 습관을 주의 깊게 관찰하고, 필요한 경우에는 안과 전문의와 상담해 적절한 조치를 취하는 것이 중요하다. 전문가들은 근시를 예방하기 위해서는 야외 활동을 늘리고 근거리 작업 시간을 줄이는 것이 도움이 된다고 말했다. 햇빛은 눈의 성장을 조절하는 호르몬 분비에 영향을 미쳐 근시 진행을 억제하는 효과가 있다. 하루 2시간 이상은 야외에서 활동하는 것이 좋다는 것. 또한 스마트폰, 컴퓨터, 책 등을 가까이서 오래 보는 것은 근시를 유발하거나 악화시킬 수 있다. 30분 작업 후 5~10분 휴식을 취하고 먼 곳을 바라보는 것이 좋다. 책이나 컴퓨터 화면 등을 볼 때 너무 가까이 하거나 엎드려서 보는 것은 눈에 부담을 줄 수 있다. 허리를 편 자세에서 30~40cm 이상 거리를 유지하는 것이 도움이 된다.
- 생활경제
2024-09-26
[퓨처 Eyes(52)] 인간 게놈, '5D 메모리 크리스탈'에 담겨 수십억 년 보존

영국 과학자들이 인간 게놈(유전자) 전체를 '5D 메모리 크리스털'에 저장하는 데 성공했다고 CNN과 파퓰러 사이언스, 라이브사이언스 등 다수 외신이 보도했다. 이 기술은 미래에 인류 멸종 위기 극복에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 멸종 위기 동식물 종 보존에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 사우스햄튼 대학교 연구팀은 열과 화학적으로 가장 안정적인 물질 중 하나인 거의 순수한 실리카로 만든 유리인 용융 석영의 특성을 모방한 합성 소재를 개발해 5D 메모리 크리스털을 만들었다. 이 특수 크리스털은 수십억 년 동안 최대 360테라바이트[Terabyte, 컴퓨터 데이터 저장 용량을 나타내는 단위 중 하나로, 1테라바이트(TB)=1000기가바이트(GB) 또는 약 1조 바이트에 해당]의 정보를 저장할 수 있다. 연구팀이 개발한 동전 크기의 이 메모리 크리스털은 현재 독일 할슈타트에 있는 버려진 소금 광산 깊숙한 곳에 있는 '인류 기억 기록 보관소'에 보관될 예정이다. 이 팀이 개발한 크리스털은 2014년에는 '가장 내구성 있는 디지털 저장 장치'로 기네스 세계 기록에 등재되기도 했다. 섭씨 1천도·우주 방사선 등 극한의 조건 견뎌 사우스햄튼 대학 측은 지난 19일 보도자료를 통해 5D 메모리 크리스털은 섭씨 1000도의 고온, 1제곱센티미터당 10톤(아프리카 코끼리 두 마리의 무게에 해당)의 압력이라는 극한의 환경 조건에서도 견딜 수 있다고 밝혔다. 또한 우주 방사선에 장기간 노출되어도 견딜 수 있어 우주를 통한 긴 여행에도 살아남을 수 있다. 또한 이 크리스털은 영구 보존이 가능하다. 현재 138억 년(우주의 나이와 비슷한 시간) 동안 데이터 유지가 가능한 것으로 알려졌다. 현재 우리가 살고 있는 지구는 50억년 후 태양이 파괴되면 사라질 것으로 추정된다. 단순 계산으로 이 메모리 크리스털은 지구가 파괴된 후에도 데이터 유지가 가능하다. 사우스햄튼 대학교 광전자공학 피터 카잔스키 교수가 주도한 연구팀은 크리스털 결정 내에 정보를 저장하기 위해 초고속 레이저를 사용해 5차원 매트릭스 내에 쌓인 수백만개의 20나노미터(0.0000008인치, 1나노 미터는 10억분의 1미터) 폭의 노드에 데이터를 새겨 넣었다. 정보는 나노 구조의 5가지 차원(높이, 길이, 너비, 방향, 위치)으로 변환되어 저장되므로 '5D'라고 불린다. 팀은 "두 개의 광학 차원과 세 개의 공간 좌표가 포함돼 있다"고 밝혔다. 유기체 복원 가능 게놈 영구 저장 5D 메모리 크리스털은 기존 3D 광학 저장 기술에 '복굴절' 현상을 추가하여 개발됐다. 복굴절은 빛이 매질을 통과할 때 편광 방향에 따라 굴절률이 달라지는 현상이다. 이를 이용해 각각의 미세한 데이터 저장 공간에 1비트가 아닌 8비트(1바이트)의 데이터를 저장할 수 있게 됐다. 카잔스키 교수는 "5D 메모리 크리스털은 미래에 과학 기술이 허락한다면 식물과 동물 등 복잡한 유기체를 복원할 수 있는 게놈 정보의 영구 저장소를 구축할 가능성을 열어준다"고 설명했다. 팀은 DNA의 뉴클레오타이드 또는 염기를 나타내는 네 글자, 즉 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G) 티민(T)을 사용해 전체 인간 게놈을 설명했다. 국립인간게놈 연구소에 따르면 전체 게놈은 약 30억 글자 길이이다. 또한 연구팀은 먼 미래에 정보를 해독할 존재를 고려하여 시각적 키를 메모리 크리스털에 포함시켰다. 팀은 먼 미래에 누가, 또는 무엇이 정보를 검색할지 고려했다. 그것은 지능(종 또는 기계)일 수도 있고, 너무 먼 미래에 발견되어 참조 프레임이 존재하지 않을 수도 있기 때문이다. 카잔스키는 "크리스탈에 새겨진 시각적 열쇠는 발견자에게 내부에 어떤 데이터가 저장되어 있고 어떻게 사용할 수 있는지에 대한 지식을 제공한다"고 말했다. 현재 과학 기술로는 단일 게놈만으로 종을 부활시키는 것은 불가능하다. 그러나 연구팀은 인간에서 진화했거나 외계에서 온 진보된 문명이 이를 달성하는 데 필요한 지식과 기술을 보유하고 있을 것으로 예상하고 있다. 이번에 사우스햄튼 대학교 연구팀이 개발한 메모리 크리스탈은 5D 메모리 크리스탈의 잠재력을 보여주는 중요한 이정표다. 현재 실험 단계에 있는 이 메모리 크리스탈은 상용화를 위해서는 추가적인 연구 개발이 필요하다. 상용화될 경우, 우리가 데이터를 저장하고 활용하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 외부 전문가들은 이 연구에 대해 "매우 인상적"이라면서도 미래에 데이터를 읽는 방법에 대한 의문을 제기했다. 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 토마스 헤이니스는 CNN에 "수백 년 후에도 데이터를 읽을 수 있는 장치를 만들 수 있을지, 그 장치가 여전히 작동할지 의문"이라고 지적했다. 이 기술은 2016년 세계인권선언, 대헌장, 킹 제임스 성경과 같은 중요 문서 저장에 사용된 바 있다. 지구의 멸종 위기 종, 달에 보관 지구 종말에 대비해 인류의 유산을 남기려는 과학자들의 노력은 이어지고 있다. 올해 초 과학자들은 지구의 멸종 위기 종을 달에 보관하여 보호하는 계획을 발표하기도 했다. 이는 지구에 대재앙이 발생할 경우를 대비한 것이다. 스미소니언 국립 동물원 및 보존 생물학 연구소의 메리 하게돈 연구팀은 지구상 생물종의 멸종에 대비해 달에 멸종 위기 생물 샘플 저장소를 만드는 것이 가능한가를 탐구했다. 새로운 개념의 냉동 세포 저장소는 궁극적으로 섬유질 세포로 동물 피부 샘플을 냉동 보존해 섬유아세포라고 하는 세계의 멸종 위기종의 다른 조직이나 기관을 연결하는 것이다. 달 생물 저장소는 '냉동 보존'을 통해 가능하다는 주장이다. 달의 극지방에는 20억 년 이상 햇빛이 비치지 않는 분화구 바닥과 같은 영구적으로 그늘진 지역이 있다. 이 지역의 온도는 대개 섭씨 영하 196도 이하로 유지된다. 연구팀은 달의 이러한 낮은 온도를 활용해 장기 냉동보존 저장 시설을 건설하고 샘플을 수동 냉각할 것을 제안했다. 물론 이를 실현하는 데는 앞으로도 수십 년이 걸릴 것으로 예상된다. 이처럼 과학자들은 현재에도 일어나고 있는 멸종 위기 동식물 보존을 위해 다각적인 노력을 기울이고 있다. 또한 DNA 타임 캡슐 역할을 할 것으로 보이는 5D 메모리 크리스털은 인류의 지식과 생물 다양성을 보존하며, 먼 미래 세대에게까지 그 유산을 전달할 수 있는 혁신적인 기술로 기대된다.
- 포커스온
2024-09-26
[기후의 역습(63)] 영구동토층 해빙으로 북극-아북극 산불 급증

극심한 기후 변화로 영구동토층인 북극 지역에 산불이 급증할 것이라는 암울한 연구 결과가 나왔다. 국제 기후 과학자 및 영구동토층 전문가 팀의 연구에 따르면, 새로운 기후 컴퓨터 모델 시뮬레이션 결과 지구 온난화로 인해 영구동토층 해빙이 가속화되고, 이로 인해 북부 캐나다 및 시베리아의 아북극 및 북극 지역에서 산불이 급격히 증가할 것으로 예상된다고 네이처닷컴과 PHYS 등 다수 외신이 24일(현지시간) 보도했다. 최근 관측 결과 따뜻하고 건조한 기후 조건으로 인해 이미 북극 지역의 산불이 심화되고 있는 것으로 나타났다. 미래 인위적 온난화가 산불 발생에 미치는 영향을 이해하고 시뮬레이션하기 위해서는 가속화된 영구동토층의 해빙의 역할을 고려하는 것이 중요하다. 영구동토층 해빙은 토양의 수분 함량을 크게 좌우하며, 이는 산불 발생의 핵심요소다. 최근 기후 모델들은 지구 온난화, 북부고위도 영구동토층 해빙, 토양 수분 및 화재 사이의 상호작용을 완전히 고려하지 않았다. 이번 새로운 연구는 가장 포괄적인 지구 시스템 모델 중 하나인 '커뮤니티 지구 시스템 모델'에서 생성된 영구동토층 및 산불 데이터를 사용했다. 이 모델은 토양 수분, 영구동토층 및 산불 사이의 결합을 통합적으로 파악하는 최초의 모델이다. 온실가스 배출 증가의 인위적인 영향과 자연 발생적인 기후 변화를 더 잘 구분하기 위해 과학자들은 1850년부터 2100년까지의 기간(SSP3-7.0 온실가스 배출 시나리오)을 다루는 50개의 과거-미래 시뮬레이션 앙상블을 사용했다. 이 시뮬레이션은 최근 한국의 부산 IBS 기후물리센터와 미국 콜로라도 볼더 국립대기연구센터 과학자들이 IBS 슈퍼컴퓨터 Aleph에서 수행했다. 이 앙상블 모델링 접근 방식을 통해 연구팀은 21세기 중후반까지 아북극 및 북극 지역에서 인위적인 영구동토층 해빙이 상당히 광범위하게 진행될 것임을 입증했다. 많은 지역에서 과도한 토양 수분이 빠르게 배출되어 토양의 수분이 급격히 감소하고, 이후 지표면 온난화 및 대기 건조가 발생한다. 부산에 있는 IBS 기후물리학 연구원의 연구 주저자이자 박사후 연구원인 김인원 박사는 "이러한 조건은 산불을 심화시킬 것"이라고 말했다. 연구팀은 이러한 조건들이 산불을 심화시킬 것이라고 경고했다. 모델 시뮬레이션 결과 21세기 후반에는 불과 몇 년 만에 사실상 화재가 거의 없는 상태에서 매우 강렬한 화재로 갑작스럽게 전환되는 것으로 나타났다. 이러한 미래 산불 추세는 대기중 이산화탄소 농도 증가로 인해 고위도 지역의 식물 바이오매스가 증가할 가능성이 높다는 사실로 인해 더욱 악화될 것으로 전망된다. 이른바 '이산화탄소 비료 효과'는 추가적인 화재 연료를 제공한다는 것. 참고로 이산화탄소 비료 효과는 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하면 식물의 광합성 속도가 빨라져 성장이 촉진되는 현상을 말한다. 쉽게 말해 이산화탄소는 식물에게 비료와 같은 역할을 한다고 볼 수 있다. 식물이 더 빠르게 성장하면 화재가 발생할 경우 연료가 추가되는 것과 같은 효과를 내 화재 위험이 더 높아질 수 있다. 공동연구자인 노르웨이 트론헤임에 있는 노르웨이 과학기술대학의 한나 리 부교수는 "복잡한 영구동토층 환경이 미래를 더 잘 시뮬레이션하기 위해서는 확장된 관측 데이터 세트를 사용하여 지구 시스템 모델에서 소규모 수문학적 과정을 더욱 개선해야 할 필요성이 있다"고 강조했다. 이번 논문의 공동 저자이자 ICCP 책임자 겸 부산대학교 명예 교수인 악셀 팀머만 박사는 "산불은 이산화탄소, 검은 탄소 및 유기 탄소를 대기중으로 방출하여 기후에 영향을 미치고 북극 영구동토층 해빙 과정에 피드백을 줄 수 있다"고 지적했다. 팀머만 교수는 "하지만 화재 배출과 대기 과정 사이의 상호작용은 아직 지구 시스템 컴퓨터 모델에 완전히 통합되지 않았으며, 이러한 측면을 추가로 고려하는 것이 다음 단계가 될 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스에 게재됐다. 실제로 2023년 캐나다 북부에서 미국 플로리다 주 크기의 지역을 태운 기록적인 산불이 발생했다. BBC에 따르면 2023년 캐나다 산불은 엄청난 이산화탄소를 배출했다. 과학자들은 캐나다의 한대 삼림이 지구 온난화를 유발하는 탄소를 포집하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 이례적으로 화재가 발생하면 전 세계 기후 변화 예측에 영향을 미칠 수 있다고 우려하고 있다. 지난 8월 28일 캘리포니아 공과대학과 캐나다, 네덜란드 등 국제 연구팀이 네이처 저널에 발표한 자료에 따르면, 캐나다 화재로 인한 총 배출량을 약 647테라그램의 탄소로 계산했다. 1테라그램은 백만 미터톤이다. 이는 지난 10년 동안 약 29테라그램에서 82테라그램 사이를 오르내렸던 캐나다의 전형적인 산불 배출량을 훨씬 웃도는 수치다. 또한 이는 캐나다의 연간 총 탄소 배출량보다 5배 많으며, 작년에 740테라그램의 탄소를 배출한 인도와 비슷한 수준이었다. 2023년 캐나다 산불보다 더 많은 탄소량을 배출한 나라는 중국, 미국, 인도뿐이었다. 인류의 생존을 위협하는 탄소 배출량을 실질적으로 감소하기 위해 각국 정부와 기관이 더욱 머리를 맞대야 할 시기다.
- IT/바이오
2024-09-25
[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
[우주의 속삭임(59)] 블랙홀, 냉각된 별일까? 아인슈타인 이론 도전하는 새로운 가설

블랙홀은 '얼어붙은 별'이라는 새로운 이론이 등장했다. 극도로 강력한 중력을 가진 블랙홀은, 그 중력이 너무 강해서 빛조차도 탈출할 수 없기 때문에 '검은 구멍'이라고 불린다. 또한 블랙홀은 엄청난 질량을 아주 작은 공간에 압축하고 있어서, 주변의 모든 것을 끌어당긴다. 블랙홀의 중심에는 '특이점'이라고 불리는 점이 있다. 이곳에서는 밀도와 중력이 무한대가 되어 우리가 알고 있는 물리 법칙이 적용되지 않는다. 또한 빛 조차도 빠져나갈수 없는 경계인 '사건의 지평선'이라는 두 가지 특징을 갖는다. 하지만 이 모델은 양자 역학이 도입되면서 심각한 문제에 부딪혔다. 게다가 1970년대에 스티븐 호킹은 사건의 지평선 근처의 양자 효과가 우주 진공에 입자를 생성하는 '호킹 복사(호킹의 복사 역설)'라고 알려진 과정을 일으킨다는 사실을 발견했다. 블랙홀은 이처럼 과학 법칙을 거스르는 특이한 존재로, 해결할 수 없는 많은 역설과 연관되어 왔다. 최근 남아프리카공화국의 로즈대학교와 이스라엘의 벤구리온 대학교 공동 연구팀은 블랙홀에 대한 우리의 모든 지식을 바꿀 수 있는 새로운 이론을 제시했다. 연구팀은 얼어붙은 별 모델에 대한 상세한 이론 분석을 수행했으며, 이 모델이 사건의 지평선과 특이점이 모두 없기 때문에 블랙홀이 실제로 '얼어붙은 별(frozen star)'일 수 있다고 주장했다. 얼어붙은 별은 냉각되어 더 이상 빛이나 열을 방출하지 않는 별의 잔해로, 흑색 왜성(black dwarf)이라고도 불리며 별의 마지막 단계를 나타낸다. 일반적으로 과학자들은 별이 흑색 왜성에 도달하는데 수 조년이 걸린다고 추정한다. 우리 우주는 137억년 밖에 되지 않았기 때문에 아직 흑색 왜성은 존재하지 않는다. 그러나 연구팀은 이번 연구에서 흑색 왜성과 블랙홀 사이의 유사성을 자세히 분석해, 기존 블랙홀 모델과 관련된 많은 역설을 해결할 수 있음을 발견했다. 현재 블랙홀 모델의 문제점 과학계는 블랙홀에 관해서는 1915년 알버트 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서 제시한 내용을 따르고 있다. 아인슈타인에 따르면 블랙홀에는 두 가지 특징이 있다. 첫째, 중심에 '특이점(singularity)'이라고 하는 무한 밀도의 점이 존재한다. 둘째, 블랙홀에는 '사건의 지평선(event horizon)'이 있어 빛조차도 탈출할 수 없는 경계를 형성한다. 이 이론은 널리 받아들여지고 있지만, 몇 가지 문제점에 직면해 있다. 예를 들어 실제 관측 결과는 자연에 무한대가 존재하지 않음을 시사하며, 이것이 물리학에서 모든 것이 유한하다고 간주되는 이유다. 또 다른 모순은 앞서 말했듯이 스티븐 호킹의 복사 역설에서 발생한다. 이 역설은 블랙홀이 복사를 방출하고 시간이 지남에 따라 질량을 천천히 잃어 결국 완전히 증발한다고 제안한다. 그러나 아인슈타인은 블랙홀에서 아무것도 빠져나갈 수 없다고 했다. 또한 블랙홀이 증발하면 블랙홀을 형성한 물질이 파괴된다. 그러나 이것은 정보 보존의 법칙에 위배된다. 정보 보존 법칙은 물질과 마찬가지로 정보도 생성되거나 파괴될 수 없다고 명시하며, 양자 역학의 기초를 형성한다. 연구팀은 블랙홀을 특이점과 사건의 지평선이 없는 '얼어붙은 별'로 간주하면 이러한 모든 역설이 해결된다고 밝혔다. 블랙홀은 얼어붙은 별일까? 연구팀은 블랙홀의 엔트로피 및 열 복사와 같은 열역학적 특성의 이론적 값이 흑색 왜성의 값과 유사함을 입증했다. 이번 연구의 제1 저자인 이스라엘 벤 구리온 대학교의 라미 브루스타인 물리학 교수는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "우리는 얼어붙은 별이 사건의 지평선이 없지만 (거의) 완벽한 흡수체처럼 행동하고 중력파의 원천으로 작용하는 방법을 보여주었다"며 이러한 물체는 블랙홀처럼 그 위에 떨어지는 거의 모든 것을 흡수할 수 있다고 지적했다. 그는 "게다가 이 천체들은 기존 블랙홀 모델과 동일한 외부 기하학적 구조를 갖고 있으며 기존의 열역학적 특성을 재현한다"고 덧붙였다. 블랙홀이 얼어붙은 별이라면 무한 밀도의 점이나 특이점이 없다는 것을 의미한다. 이는 블랙홀이 실제 세계의 물체와 동일한 유한성 관련 규칙을 따른다는 것을 시사한다. 또한 사건의 지평선이 없다는 것은 복사와 입자가 경계를 탈출할 수 있음을 의미하며, 이는 호킹이 블랙홀에서 빛이 방출된다는 주장과 일치한다. 브루스타인은 "우리는 얼어붙은 별이 지평선이 없음에도 불구하고 (거의) 완벽한 흡수체처럼 행동하고 중력파의 원천 역할을 하는 방법을 보여주었다. 또한 기존 블랙홀 모델과 동일한 외부 기하학적 구조를 생성하고 기존의 열역학적 특성을 재현한다"고 말했다. 그러나 이 연구에도 몇 가지 한계가 있다. 예를 들어 흑색 왜성은 내부 구조를 가지고 있다고 믿어지지만 블랙홀의 경우에는 그렇지 않다. 또한 블랙홀이 실제로 얼어붙은 별이라는 것을 확인하는 실험적 증거는 없다. 따라서 이 가설을 검증하려면 추가 연구가 필요하다. 이 연구는 '피지컬 리뷰 D(physical Review D)' 저널에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-09-23
화성 '거미' 지형, NASA 실험실서 최초 재현 성공

미 항공우주국(나사·NASA) 과학자들이 실험실에서 화성의 거미 지형 재현에 성공했다고 나사가 지난 11일(현지시간) 홈페이지를 통해 밝혔다. 2003년 궤도선 이미지를 통해 발견된 이후, 화성 남반구에 펼쳐진 거미 모양의 지형은 그동안 과학자들의 호기심을 자극해 왔다. 각각의 가지 형태는 길이가 1km 이상 뻗어 있으며 수백 개의 가느다란 '다리'를 포함하고 있다. '아라네이폼 지형'이라고 불리는 이 지형은 종종 군집을 이루어 표면에 주름진 모습을 띠고 있다. 지금까지는 지구에는 자연적으로 존재하지 않는 이산화탄소 얼음과 관련된 과정을 통해 이 '거미' 지형이 생성된다는 이론이 지배적이었다. 하지만 최근 '행성과학저널(The Planetary Science Journal)'에 발표된 논문에 따르면, 과학자들은 화성의 온도와 기압을 모방한 환경에서 처음으로 이러한 형성 과정을 재현하는 데 성공했다. NASA 제트추진연구소(JPL)의 로렌 맥키온은 "이 거미들은 그 자체로도 기이하고 아름다운 지질적 특징"이라며 "이번 실험은 거미 지형이 어떻게 형성되는 지에 대한 모델을 개선하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다. 이번 연구는 '키퍼 모델(Kieffer model)'에서 설명하는 몇 가지 형성 과정을 확인했다. 키퍼 모델은 화성의 남반구에서 발견되는 독특한 거미 모양 지형 즉 '아라네이폼' 지형의 형성 과정을 설명하는 이론이다. 이 모델은 햇빛, 이산화탄소 얼음, 그리고 토양 사이의 상호 작용을 통해 이러한 지형이 만들어진다고 설명한다. 화성의 거미 지형이 만들어지는 원리는 다음과 같다. 먼저 겨울마다 화성 표면에 쌓이는 투명한 이산화탄소 얼음층을 통해 햇빛이 토양을 가열한다. 토양은 위의 얼음보다 어둡기 때문에 열을 흡수하고, 그 결과 가장 가까운 얼음이 액체 상태를 거치지 않고 바로 가스로 변하는 '승화' 과정이 발생한다. 드라이아이스가 액체가 아닌 기체 상태로 바로 변하는 것이 승화다. 다음으로 가스 압력이 증가하면 화성의 얼음에 균열이 생기고 가스가 빠져나갈 수 있게 된다. 가스가 위로 스며 나오면서 토양에서 나온 어두운 먼지와 모래를 함께 끌고 올라가 얼음 표면에 쌓이면서 거미 다리와 같은 모양이 생성된다. 즉, 키퍼 모델 이론에 따르면 겨울이 봄으로 바뀌고 남은 얼음이 승화하면 가스 분출로 인해 거미 모양 지형이 남게 된다. 실험실에서 화성 재현 연구팀에게 가장 아려운 부분은 화성 극지 표면의 조건, 즉 극도로 낮은 기압과 영하 185도에 이르는 낮은 온도를 재현하는 것이었다. 이를 위해 맥키온은 JPL의 액체 질소 냉각 테스트 챔버인 DUSTIE((Dirty Under-vacuum Simulation Testbed for Icy Environments)를 사용했다. 맥키온은 "DUSTIE를 좋아한다. 역사적인 장비다"라며 와인통 크기의 이 챔버가 NASA의 화성 탐사선 피닉스 착륙용으로 설계된 긁는 도구 프로토타입을 테스트하는 데 사용되었다고 밝혔다. 이 도구는 탐사선이 화성 북극 근처에서 물로된 얼음을 깨고 물을 퍼올려 분석하는 데 사용됐다. 이번 실험에서 연구원들은 액체 질소 욕조에 담긴 용기에 화성 토양 시뮬레이션 물질을 넣고 냉각했다. 그런 다음 이를 DUSTIE 챔버에 넣고 화성 남반구와 유사한 기압으로 낮췄다. 이후 이산화탄소 가스를 챔버에 주입하고 3~%시간 동안 기체에서 얼음으로 응축시켰다. 맥키온은 실험에 적합할 만큼 충분히 두껍고 투명한 얼음을 얻기 위해 여러번 시도해야 했다. 화성 남반구와 적절한 특성을 가진 얼음을 얻은 후에는 챔버 내부 시뮬레이션 물질 아래에 히터를 놓고 가열해 얼음 균열을 일으켰다. 맥키온은 마침내 분말 시뮬레이션 물질 내부에서 이산화탄소 가스 기둥이 분출되는 것을 보고 기뻐했다. 그는 "금요일 늦은 저녁이었는데, 실험실 관리자가 제 비명 소리를 듣고 뛰어왔다"며 5년 동안 이런 기둥을 만들기 위해 노력해왔다고 말했다. 어두운 기둥은 시뮬레이션 물질에서 구멍을 뚫고 뿜어져 나왔고, 모든 압축 가스가 배출될 때까지 10분 동안 시뮬레이션 물질을 분출했다. 실험 결과, 키퍼 모델에는 반영되지 않은 놀라운 사실이 발견됐다. 시뮬레이션 물질 알갱이 사이에 얼음이 형성된 후 균열이 생긴 것이다. 이러한 과정은 왜 '거미 지형'이 더 갈라진 모습을 갖는 지 설명했다. 갈라짐 현상 발생 여부는 토양 알갱이의 크기와 지하에 얼음이 얼마나 묻혀 있는지에 따라 달라지는 것으로 보인다. JPL의 세리나 디니에가는 "이것은 자연이 교과서 이미지보다 조금 더 복잡하다는 것을 보여주는 세부 사항 중 하나"라고 말했다. 향후 거미 지형 기둥 테스트 계획 기둥 형성 조건을 찾은 연구팀은 다음 단계로 아래의 히터 대신 위에서 인공 태양을 비추는 실험을 시도할 계획이다. 이를 통해 연구팀은 기둥과 토양 분출이 발생할 수 있는 조건의 범위를 좁힐 수 있을 것으로 보인다. 그럼에도 실험실에서는 답할 수 없는 거미 지형에 대한 많은 질문이 남아 있다. △왜 화성의 특정 지역에서만 거미 지형이 형성되었을까? △계절 변화의 결과로 나타나는 것으로 보이는 거미 지형은 왜 시간이 지나도 그 수나 크기가 증가하지 않는 것일까? 등이다. 거미 지형은 화성의 기후가 달랐던 먼 과거에 형성되었을 가능성도 있으며, 화성의 과거를 들여다 볼 수 있는 독특한 창을 제공할 수도 있다. 과학자들은 당분간 실험실 실험을 통해서만 화성의 거미 지형에 가까이 다가갈 수 있을 것으로 보인다. 화성 탐사선 큐리오시티와 퍼시비어런스 로버는 화성 남반구에서 멀리 떨어진 곳을 탐사하고 있다. 이 지역에는 아직 어떤 우주선도 착륙한 적이 없다. 2007년 8월 발사돼 2008년 5월 25일 화성 북반구에 착륙한 피닉스 우주선은 극심한 추위와 제한된 햇빛으로 같은해 11월 10일 임무가 종료됐다. 피닉스 탐사선은 물과 생명체를 탐사하는 두 가지 목표를 가졌지만 화성의 극한의 기온을 견디지 못했다.
- IT/바이오
2024-09-13
[기후의 역습(57)] 과학자들, 기후 변화 대응에 기여할 새로운 목재 유형 발견

올 여름 역대급 폭염이 이어진 가운데 튤립나무가 기후 변화에 직접적인 영향을 미치는 탄소 포집 효과가 탁월하다는 연구 결과가 나왔다. 한국 기상청에 따르면 지난 8월 폭염일수는 16일로, 2016년 16.6일에 이어 관련 통계를 집계한 1973년 이래 두 번째로 많았다. 또한 지난달 열대야 수는 11.3일로 통계 집계 이후 처음으로 두자릿수를 기록했다. 오래된 나무와 숲이 이산화탄소를 더 많이 흡수하고, 저장한다는 것은 이전의 여러 연구에서 확인됐다. 튤립나무에 대한 연구에서 탄소포집 잠재력이 큰 새로운 목재 구조가 확인됐다고 사이테크데일리가 11일(현지시간) 보도했다. 폴란드 야기에우워 대학교(Jagiellonian University)와 영국 케임브리지 대학교 연구진은 세계적으로 유명한 나무와 관목들의 목재 미세 구조를 진화적으로 조사하던 중 튤립나무에 대한 연구에서 탄소 포집 잠재력이 큰 새로운 목재 구조가 확인됐다고 사이테크데일리가 11일(현지시간) 보도했다. 연구팀은 목련과의 친척이자 30미터 이상 자라는 튤립나무가 활엽수와 침엽수 어느 쪽에도 속하지 않는 독특한 목재를 가지고 있음을 확인한 것이다. 이 획기적인 발견은 빠르게 성장하는 튤립나무를 조림지에 심어 탄소 격리 효율을 높이는 새로운 가능성을 제시한다. 목재 구조의 새로운 발견 최근 국제학술지 '신식물학자(New Phytologist)'에 발표된 연구에서 연구진은 저온 주사 전자 현미경(cryo-SEM)을 사용하여 수분이 함유된 상태의 목재 세포벽 나노 구조를 이미지화했다. 그 결과, 튤립나무(Liriodendron tulipifera)와 중국 튤립나무(Liriodendron chinense) 두 종의 고대 리리오덴드론(Liriodendron) 속 나무들이 활엽수 친척들보다 훨씬 더 큰 마크로피브릴을 가지고 있음을 발견했다. 마크로피브릴은 2차 세포벽 내 층에 정렬된 긴 섬유를 말한다. 탄소 포집에 대한 함의 연구 책임자인 야기에우워 대학교의 얀 우이차코프스키(Jan Łyczakowski) 박사는 "튤립나무는 침엽수나 할엽수와는 구별되는 중간적인 마크로피브릴 구조를 가지고 있다"며 "튤립나무는 약 300만~5000만년 전 목련나무에서 분기되었는데, 이 시기는 대기 중 이산화탄소 농도가 급격히 감소하던 시기와 일치한다. 이는 튤립나무가 탄소 저장에 매우 효율적인 이유를 설명하는 데 더움이 될 수 있다"고 말했다. 연구팀은 이 '중간 목재' 또는 '축적 목재'의 더 큰 마크로피브릴이 튤립나무의 빠른 성장 뒤에 있는 원인이라고 추측한다. 우이차코프스키는 " 두 종의 툴립나무는 탄소를 매우 효율적으로 포집하는 것으로 알려져 있으며, 확대된 마크로피브릴 구조는 대기 중 탄소 이용 가능성이 감소했을 때 더 많은 양의 탄소를 쉽게 포집하고 저장하도록 돕는 적응일 수 있다"며 "튤립나무는 탄소 포집 조림에 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 일부 동남아 국가에서는 이미 튤립나무 조림을 통해 효율적으로 탄소를 포집하고 있으며, 이제 우리는 이것이 튤립나무의 새로운 목재 구조와 관련이 있을 수 있다고 생각한다"고 덧붙였다. 케임브리지 대학교 식물원에서 얻은 진화적 통찰 이 발견은 케임브리지 대학교 식물원의 살아있는 컬렉션에서 33종의 나무를 조사하여 침엽수(소나무, 침엽수 등 겉씨식물)와 활엽수(참나무, 물푸레나무, 자작나무, 유칼립투스 등 속씨식물)에서 목재 초미세구조가 어떻게 진화했는지 탐구하는 과정에서 이루어졌다. 우이차코프스키는 "목재 구조가 어떻게 진화하고 외부 환경에 적응하는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없다"며 "이번 조사에서 우리는 이전에 관찰된 적이 없는 완전히 새로운 목재 초미세구조외 전형적인 겉씨식물 침엽수 대신 속씨식물과 유사한 활엽수를 가진 겉씨식물 계통을 발견하는 등 몇 가지 중요한 새로운 발견을 했다"고 말했다. 그는 이어 "목재의 주요 구성 요소는 2차 세포벽이, 건축에 의존하는 목재의 밀도와 강도를 부여하는 것은 바로 이 세포벽의 구조다. 2차 세포벽은 또한 샐물권에서 가장 큰 탄소 저장소이므로, 기후 변화 완화를 돕는 탄소 포집 프로그램을 발전시키기 위해서는 2차 세포벽의 다양성을 이해하는 것이 중요하다"고 덧붙였다. 목재 초미세 구조 목재 초미세구조는 목재의 미세한 구조, 즉 재료 구성 요소의 배열과 조직을 의미한다. 저온 주사 현미경을 사용한 이번 목재 조사는 2차 세포벽, 마크로피브릴 등에 초점을 맞췄다. 2차 세포벽은 주로 셀룰로오스와 기타 복합 당으로 구성되며, 리그닌이 함침되어 전체 구조를 단단하게 만든다. 이러한 구성 요소들은 마크로피브릴을 형성하며. 2차 세포벽 내에 뚜렷한 층으로 배열된 긴 정렬 섬유를 만든다. 마크로피브릴은 현재 저온 주사 현미경으로 측정할 수 있는 가장 작은 구조이며, 두께는 약 10~40나노미터이다. 셀룰로오스 마크로피브릴(3~4나노미터)과 기타 구성 요소로 이루어져 있다. 목재 초미세 구조 연구는 목재 가공, 재료 과학, 나무의 생태 및 진화적 측면 이해 등 다양한 분야에 중요하다. 나무 성장과 목재 침착 뒤에 숨은 생물학적 메커니즘을 이해하는 것은 탄소 포집량 계산에도 유용한 정보를 제공한다. 목재 샘플은 케임브리지 대학교 식물원 컬렉션 코디네이터 마르고 애플(Margeaux Apple)과 협력하여 식물원 내 나무에서 채취했다. 겉씨식물과 속씨식물 개체군이 분기하고 진화함에 따라 그 진화 역사를 반영하기 위해 선별된 나무에서 지난 봄 성장기에 침착된 신선한 목재 샘플을 수집했다. 저온 전자 현미경 사용한 역대 최대 목본 식물 조사 케임브리지 대학교 세인즈버리 연구소 현미경 핵심 시설 관리자인 레이먼드 와이트먼(Raymond Wightman) 박사는 "우리는 자이언트 세쿼이아, 울레미 소나무, 그리고 모든 꽃 피는 식물과 분리되어 진화한 가장 오래된 현존 식물군의 유일한 생존 종인 암보렐라 트리코포다(Amborella trichopoda)와 같은 '살아있는 화석'을 비롯하여 세계에서 가장 상징적인 나무들을 분석했다"고 말했다. 와이트만 박사는 "우리의 조사 데이터는 목재 나노 구조와 세포벽 구성 사이의 진화적 관계에 대한 새로운 통찰력을 제공했으며, 이는 속씨식물과 겉씨식물 계통에 따라 다르다. 속씨식물 세포벽은 겉씨식물에 비해 마크로피브릴이라고 불리는 더 좁은 기본 단위를 가지고 있으며, 이 작은 마크로피브릴은 암보렐라 트리코포다 조상에서 분기된 후 등장했다"고 덧붙였다. 우이차코프스키와 와이트먼은 또한 마황류(Gnetophytes) 계통의 두 겉씨식물인 그네툼속(Gnetum gnemon, 그네툼 그네몬)과 그네툼 에둘레(Gnetum edule)의 세포벽 마크로피브릴을 분석하여 둘 다 속씨식물의 활엽수 세포벽 구조와 동일한 2차 세포벽 초미세 구조를 가지고 있음을 확인했다. 이는 마황류가 일반적으로 속씨식물에서만 볼 수 있는 활엽수 유형 구조를 독립적으로 진화시킨 수렴 진화의 한 예이다. 이 조사는 2022년 영국에서 네 번째로 더운 여름으로 기록된 기간 동안 진행됐다. 와이트먼은 "저온 전자 현미경을 사용한 목본 식물 조사 중 역대 최대 규모일 것"이라며, "세인즈버리 연구소가 케임브리지 대학교 식물원 부지 내에 위치하고 있기 때문에 이처럼 많은 신선한 수화된 목재에 대해 대규모 조사를 할 수 있었다. 우리는 2022년에 모든 샘플을 수집했다. 이른 아침에 샘플을 수집하고, 샘플을 초저온 슬러시 질소에 동결시킨 다음 자정까지 샘플을 이미징했다"고 설명했다. 그는 "이 연구는 식물원이 현대 연구에 기여하는 데 지속적인 가치와 영향을 보여준다. 이 연구는 케임브리지 대학교 식물원 컬렉션에서 같은 장소에서 함께 자라는 진화적 시간을 통해 표현된 다양한 식물이 없었다면 불가능했을 것이다"라고 말했다. 참고문헌: Jan J. Lyczakowski와 Raymond Wightman의 「수렴 및 적응 진화가 종자 식물의 현존 계통에서 2차 세포벽 미세 구조의 변화를 주도했다」, New Phytologist .DOI: 10.1111/nph.19983
- IT/바이오
2024-09-12
[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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 다음 마지막