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2024-11-22 (금)

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극한의 고온에서만 녹는 초이온성 얼음

매우 뜨거운 온도에서만 녹는 '초이온성 얼음'이 발견됐다. 과학 전문 매체 '사이언스 얼럿'은 지난 15일(현지 시간) 초이온성 얼음이라고 알려진, 극한의 고온에서만 녹는 특별한 얼음이 발견됐다고 보도했다. 초이온성 얼음은 5년 전 과학자들에 의해 처음으로 실험실에서 재현되어 세상에 소개됐다. 이듬해인 4년 전에는 그 존재와 결정 구조가 확인됐다. 이후 미국 여러 대학과 캘리포니아의 스탠포드 선형 가속기 센터(SLAC) 연구소의 과학자들은 지난해 이 초이온성 얼음의 새로운 단계를 발견했다. 과학자들은 이번 발견은 천왕성과 해왕성이 보유하고 있는 특이한 다극자 자기장의 형성 원인에 대한 이해를 높여줄 것으로 기대하고 있다. 지구의 주변 환경에서 물은 일반적으로 하나의 산소 원자에 두 개의 수소 원자가 연결된 단순한 분자 구조를 가지고 있다고 여겨진다. 그러나 초이온성 얼음은 천왕성과 해왕성뿐만 아니라 유사한 다른 외계 행성의 내부에서도 발견될 수 있으며, 우주에서 가장 일반적으로 발견되는 물의 형태 중 하나로 추정된다. 이들 행성은 지구 대기보다 200만 배 더 높은 엄청난 압력과 내부 온도가 태양 표면만큼이나 뜨겁다. 이런 극한의 환경 속에서 물은 우리가 흔히 알고 있는 방식과는 다른 특이한 형태로 존재하게 된다. 1988년 물리학자들이 예측한 초이온성 얼음의 구조는 산소 원자들이 단단한 입방 격자 구조에 갇혀 있으며 이온화된 수소 원자들은 전자가 금속을 통과하듯 격자 속을 자유롭게 움직이는 구조로 이루어져 있었다. 이 구조는 2019년 과학자들이 확인했다. 초온성 얼음은 이러한 구조 덕분에 전기 전도율이 비교적 높은 전도성을 가지며, 녹는점도 상당히 높아져 극한의 고온에서도 얼음이 견고하게 유지된다. 스탠포드 대학의 물리학자 아리아나 글리슨과 그녀의 연구팀은 초이온성 얼음을 연구하기 위해 두 층의 다이아몬드 사이에 끼인 얇은 물 조각에 매우 강력한 레이저를 발사했다. 이렇게 생성된 연속적인 충격파는 압력을 200GPa(2백만 기압)까지, 온도를 약 5000K(8500°F, 4704℃)까지 상승시켰다. 이는 2019년 실험의 조건에 비해 온도는 높지만 압력은 낮게 유지됐다. 글리슨의 팀은 2022년 1월에 발간한 논문에서 "최근에 발견된 물이 풍부한 해왕성과 유사한 외계 행성들 때문에, 행성 내부의 압력-온도 조건에서 물의 상태에 대해 더욱 심도 있게 이해할 필요가 있다"고 밝혔다. 당시 연구에서 X-선 회절은 압력과 온도 조건이 몇 분의 1초 동안만 유지되었음에도 불구하고 뜨겁고 밀도가 높은 얼음의 결정 구조를 밝혀냈다. 그 결과, 회절 패턴을 통해 확인된 얼음의 결정 구조는 2019년에 관찰된 초이온성 얼음과는 다른 새로운 형태였다. 이 새롭게 발견된 초이온성 얼음인 '아이스 XIX'는 중심이 입방체 구조를 가지고 있으며, 2019년에 발견된 '아이스 XVIII'보다 전도도가 향상됐다. 전도도의 중요성은 하전 입자의 움직임이 자기장을 생성하기 때문이다. 이 원리는 다이너모 이론의 기초로, 지구의 맨틀이나 다른 천체의 내부에서 전도성 유체가 어떻게 자기장을 생성하는지를 설명한다. '다이너모 이론(dynamo theory)'은 물리학 용어로 1920년 조지프 라모어가 태양 자기장을 설명하기 위해 처음 제창한 가설을 기초로 지구 자기장을 설명한 이론이다. 만약 해왕성과 같은 얼음 거인 행성의 내부가 소용돌이치는 액체보다는 부드러운 고체로 더 많이 구성되어 있다면, 생성되는 자기장의 특성이 변할 것이다. 글리슨과 그녀의 팀은, 만약 행성의 중심부에 전도도가 서로 다른 두 종류의 초이온 층이 존재한다면, 외부 액체 층에서 생성된 자기장이 각 층과 복잡하게 상호작용하면서 더 복잡한 현상을 초래할 것이라고 제안했다. 글리슨의 연구팀은 아이스 XIX와 같은 향상된 전도도를 가진 초이온성 얼음 층이, 해왕성과 천왕성에서 관측된 불안정한 다극자 자기장을 생성하는데 기여했을 것이라고 분석했다.
- 산업
2023-10-17
세계 최고 슈퍼컴 '오로라', 원자로 시뮬레이션 투입

미국 아르곤 국립연구소에서 설치하고 있는 '오로라'는 현존하는 슈퍼 컴퓨터보다 50배 강력한 시스템이다. 현존하는 슈퍼컴퓨터 보다 성능이 50배 이상 더 강력한 슈퍼컴퓨터가 등장한다. 기술 전문매체 인터레스팅엔지니어링(InterestingEngineering)은 미국 아르곤 국립연구소(ANL) 과학자들이 세계에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터인 '오로라(Aurora)'를 설치 중이라고 보도했다. 오로라는 미국이 이미 'TOP500'기준으로 세계에서 가장 빠른 수퍼컴퓨터를 보유하고 있는 상황에서, 이전 원자로보다 더 효율적이고 안전한 새로운 원자로의 시뮬레이션을 돕기 위해 설치되고 있다. TOP500은 세계에서 알려진 가장 강력한 500대(비분산형)의 컴퓨터 시스템의 500대 순위를 나열하고 자세히 설명하는 프로젝트다. 이들 슈퍼컴퓨터는 다양한 계산 작업에 사용된다. 앞서 이 매체는 2023년 9월 슈퍼컴퓨터로 미군의 핵 비축량을 확인할 계획인 로스 앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory, LANL)에 대해 보도했다. LANL은 지난 1943년 설립된 세계적으로 가장 큰 규모의 기술과학 연구소로, 인류 최초로 핵폭탄을 제조한 맨해튼 프로젝트를 진행했다. 다만, 오로라는 LANL 슈퍼컴퓨터와는 매우 다른 역할을 수행하기 위해서 계획됐다. 오로라는 현재 미국 전기 공급량의 5분의 1을 공급하는 원자로 내 핵분열 과정을 개선하는 것이 목표로 한다. 더 중요한 것은 원자력 공급이 탄소 배출을 절반 이상 감소시킬 수 있다는 점이다. ANL은 시뮬레이션을 위해 초당 44천조 개의 계산을 수행할 수 있는 44 페타플롭(초당 1000조번의 수학 연산처리를 뜻하는 말) 머신인 폴라리스(Polaris) 슈퍼컴퓨터를 사용하고 있다. 반면, 오로라는 2 엑사플롭(초당 100경번을 연산하는 말) 이상의 계산 용량을 제공하도록 설계돼 현존하는 시스템보다 50배 더 강력한 초당 200경 계산을 수행할 수 있다. 이 시스템은 제조상의 문제로 인해 완성이 지연되었으나, 오로라가 작동 준비를 마치면 미국 오크릿지 국립연구소의 프론티어를 대체해 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 될 것으로 예상된다. ANL의 원자력 엔지니어인 딜론 세이버 박사는 "오로라의 차별화된 특징은 우리가 수행할 수 있는 시뮬레이션의 규모와 다양성"이라고 말했다. 세이버와 그의 팀은 오로라의 뛰어난 계산 능력을 이용하여, 시뮬레이션에서 수십억 개의 변수를 처리할 계획이다. 이 팀은 원자로 코어 내의 복잡한 과정을 상세하게 캡처해, 비용이 많이 드는 실험 없이도 새로운 원자로 설계를 개발하는 데 도움을 줄 것으로 보인다. 이러한 능력은 원자로 건설 업체들이 설계의 타당성을 확인하고 승인을 받는 데 있어 매우 유용하게 사용될 것으로 예상된다. 이 시뮬레이션에서 연구자들은 연료 핀 주변의 열 소용돌이와 난류, 그리고 열 전달 특성을 모델링할 예정이다. 난류의 증가는 열 전달을 촉진할 수 있지만, 이 과정은 추가적인 에너지를 필요로 한다. 소듐 냉각 원자로에서는 난류가 열의 미세한 소용돌이, 즉 열 소용돌이를 형성할 가능성이 있으며, 이는 연료 핀이 진동하는 원인이 될 수 있다. 연구팀은 원자로와 연료의 성능에 영향을 미치는 구조 역학뿐만 아니라 열 교환 특성도 시뮬레이션에서 고려하여 모델링할 계획이다. 연구팀은 다양한 연구자들이 모델링과 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 다중물리 객체 지향 시뮬레이션 환경(MOOSE)을 사용할 계획이다. MOOSE를 활용하면 시뮬레이션을 빠르게 완료할 수 있으며, 오로라의 계산 능력과 결합하여 NekRS라는 전산 유체 역학 솔버를 사용하면 더욱 세밀한 시뮬레이션도 가능하다. 세이버는 "이런 미세한 역학적 요소들은 원자로의 열 전달에 대한 거시적인 행동을 파악하는 데 결합되어 매우 중요한 역할을 한다"고 설명했다. 한편, 2023년 5월에 발표된 T500 순위에 따르면, 한국은 삼성종합기술원의 SSC-21, SSC-21 Scalable Module, 기상청의 구루와 마루, SKT의 타이탄, 광주과학기술원의 드림-AI, 그리고 KT의 KT DGX SuperPOD 등 총 8대의 슈퍼컴퓨터를 보유하고 있다. 성능 기준으로는 8위, 보유 대수 기준으로는 9위에 올랐다.
- 산업
2023-10-13