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2024-11-13 (수)

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[우주의 속삭임(13)] 느린 태양풍의 미스터리, 태양 궤도 우주선 '솔라 오비터'가 밝혀

태양 궤도선 솔라 오비터(Solar Orbiter) 우주선의 첫 번째 태양 근접 여행으로 수집된 데이터에를 통해 느린 태양풍의 신비한 미스터리가 풀릴 실마리가 밝혀졌다고 전문 매체 PHYS가 전했다. 초당 수백 킬로미터의 속도로 이동하는 태양풍은 수년 동안 과학자들의 연구 대상이었다. 그런데 '네이처 천문학지(Nature Astronomy)'에 발표된 최근의 연구에서 마침내 태양풍이 어떻게 형성되는지가 밝혀졌다는 것이다. 이 연구는 영국 노섬브리아 대학교 스테판 야들리 박사팀이 수행했다. 태양풍은 전하를 띠는 플라즈마 입자가 태양에서 우주로 계속 유출되는 것을 말한다. 바람은 초속 500km을 기준으로, 그 이상일 경우 '빠름'으로, 그 미만을 '느림'으로 규정한다. 태양풍이 지구까지 날아와 대기에 부딪히면 북극광으로 알려진 오로라가 나타난다. 그러나 더 많은 양의 플라즈마가 코로나 질량 방출의 형태로 방사되면 위험할 수 있으며, 위성과 통신 시스템에 심각한 손상을 초래할 수 있다. 수십 년 동안의 관찰에도 불구하고, 태양이 태양풍 플라즈마를 태양계로 방출, 가속 및 이동시키는 원인과 메커니즘, 특히 느린 태양풍에 대해서는 제대로 규명되지 않았다. 지난 2020년 유럽우주국(ESA)은 나사(NASA)의 지원을 받아 태양 궤도선 임무를 시작했다. 이 임무의 주요 목표 중 하나는 태양의 가장 가깝고 상세한 이미지를 포착하는 것 외에도, 태양풍을 측정해 분석하는 것이었다. 이를 위해 쏘아 올려진 솔라 오비터 우주선에는 10개의 서로 다른 과학 장비가 탑재됐다. 일부는 우주선을 통과할 때 태양풍 샘플을 현장에서 수집하고 분석하며 원격 감지도 수행한다. 태양 표면 활동에 대한 고품질 이미지를 캡처하도록 설계된 장비다. 연구팀은 솔라 오비터가 촬영한 사진과 기기 데이터를 결합함으로써 처음으로 느린 태양풍이 어디서 발생하는지 더 명확하게 식별하는 데 성공했다. 연구팀은 "우주선이 현장에서 측정한 태양풍 흐름의 변동성은 우리에게 그 근원에 대한 많은 정보를 제공했다. 태양에 가까이 접근함으로써 태양풍의 복잡한 특성을 포착할 수 있었으며, 태양풍의 기원과 복잡성이 발생 지역의 변화에 따라 어떻게 변화하는지에 대한 그림을 얻을 수 있었다"고 밝혔다. 연구팀은 빠른 태양풍과 느린 태양풍의 속도 차이가 태양풍의 기원이 되는 대기의 가장 바깥층인 코로나의 영역이 다르기 때문이라고 추정했다. 개방형 코로나는 자기장 선의 한쪽 끝이 태양에 고정되고 다른 쪽 끝은 우주로 뻗어나가 플라즈마와 같은 우주 물질이 우주로 나갈 수 있는 고속도로를 만드는 영역을 말한다. 이는 빠른 태양풍의 근원지로 여겨진다. 반대로 폐쇄형 코로나는 태양의 자기장 선이 닫혀 있는 영역을 의미한다. 태양 표면의 양쪽 끝이 연결되어 닫혀 있다는 뜻이다. 이는 자기 활성 영역 위에 형성되는 크고 밝은 루프로 볼 수 있다. 때로는 닫힌 자기 루프가 끊어지는 현상이 발생하고 끊어진 루프가 다시 연결되는 사이에 짧은 시간차가 발생하고, 그 사이에 플라즈마가 탈출하게 된다. 이는 개방형 코로나와 폐쇄형 코로나가 만나는 지역에서 발생한다. 솔라 오비터의 미션 중 하나는 느린 태양풍이 폐쇄형 코로나에서 발생하고, 자기장 선이 끊어지고 다시 연결되는 과정을 통해 우주로 탈출할 수 있다는 이론을 테스트하는 것이었다. 태양풍의 구성을 측정하는 방법을 통해서다. 태양 물질에 포함된 중이온의 조합은 그것이 어디서 유래되었는지에 따라 달라진다. 연구팀은 솔라 오비터에 탑재된 장비를 사용해 태양 표면에서 일어나는 활동을 분석한 후 이를 우주선이 수집한 태양풍 흐름과 대비했다. 솔라 오비터가 포착한 태양 표면의 이미지를 사용해 연구팀은 느린 태양풍의 흐름이 열린 코로나와 닫힌 코로나가 만나는 지역에서 발생했다는 것을 정확히 찾아낼 수 있었다. 결국 끊어지고 다시 연결되는 과정을 통해 느린 태양풍이 닫힌 자기장에서 벗어날 수 있다는 이론을 증명했다. 야들리 박사는 "솔라 오비터에서 측정한 태양풍의 다양한 구성은 코로나 소스 전체의 구성 변화와 일치했다. 코로나의 폐쇄 루프와 개방 루프 사이에서 발생하는 재연결 과정에서 발생한다는 강력한 증거를 제공했다"고 설명했다. 이로써 태양풍의 기원을 구체적으로 연구할 수 있는 길을 열어줄 것이라는 기대다.
- IT/바이오
2024-06-03
강력했던 5월의 태양 폭풍, 심해까지 영향 미쳤다

태양광이 거의 미치지 못하는 어두운 깊운 바닷속까지 태양 폭풍이 영향을 미치는 것으로 나타났다. ONC(캐나다 해양 네트워크: Ocean Networks Canada) 심해관측소에 따르면 지난 5월 10일 오로라가 지구의 절반 정도를 밝게 비춘 강력한 태양 폭풍 동안 지구 자기장의 교란이 심해까지 영향을 미쳤다고 스페이스닷컴이 전했다. ONC 관측소는 북극에서 남극까지 전 영역에서 해류를 측정하는 나침반을 포함해 데이터를 기록하는 1만 2000개 이상의 센서를 운영하고 있다. 이번 달 폭발적인 태양 활동과 동시에 해양을 측정하는 이 나침반들은 지구 자기장의 극적인 이상 현상을 기록했다. 밴쿠버 아일랜드 근처 넵튠(NEPTUNE) 천문대에 있는 나침반 하나가 플러스 30도~마이너스 30도 사이에서 방향을 바꾼 것으로 밝혀진 것이다. 수중 나침판 판독값 변화를 일으켜 태양 폭풍이 심해에 영향을 미친 이상 현상은 과거에도 나타났다. 지난 3월 말, ONC의 과학 데이터 전문가 알렉스 슬로니머는 데이터 판독을 통해 규모는 작지만 동일한 자기장 변동이 일어났음을 발견했다. 슬로니머는 "이 현상이 지진으로 인한 것인지를 조사했지만, 데이터의 변화가 지진에서의 현상에 비해 매우 오랫동안 지속되고, 동시에 다른 위치에서도 같은 현상이 발생했기 때문에 지진으로 인한 것은 아님이 드러났다"면서 "이에 따라 태양 활동이 원인인지를 조사했고, 태양 폭풍 탓이었음이 밝혀졌다"고 말했다. 바다 밑 심해의 나침반에 영향을 미치는 것이 실제로 태양 활동 때문이었음이 드러난 것이다. 나침반의 일부는 해수면 아래 2.7km 깊이에 위치해 있는데 이 정도 깊이의 나침반까지 변화를 일으킨 것이다. 지난 5월 태양 폭풍과 동시에 발생한 유사한 이상 현상은 심해와 태양 폭풍의 연관성을 거의 입증하고 있다. ONC의 케이트 모란 CEO는 "해수면 아래 수km에 미치는 태양 폭퐁의 도달 범위는 태양 폭풍이 바다에 얼마나 큰 영향을 미치는지를 보여주며, 관련 데이터는 강력한 태양 폭풍의 지리적 범위와 강도를 더 깊이 이해하는 데 유용할 수 있음을 시사한다"고 말했다.
- IT/바이오
2024-05-23
[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지

스위스 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 연구팀이 최초로 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀에서 전자 소용돌이를 직접 검출하는 데 성공했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 14일(현지시간) 보도했다. 금속 와이어와 같은 일반적인 전기 도체를 배터리에 연결하면 도체 내의 전자는 배터리가 생성하는 전기장에 의해 가속된다. 전자는 이동하는 동안 전선의 불순물 원자 또는 결정 격자의 빈 공간과 자주 충돌해 운동 에너지의 일부를 격자 진동으로 변환한다. 이 과정에서 손실되는 에너지는 예를 들어 백열전구를 만질 때 느낄 수 있는 열로 변환된다. 격자 불순물과의 충돌은 자주 발생하지만 전자 간의 충돌은 훨씬 드물다. 그러나 벌집 모양 격자로 배열된 탄소 원자 단일층인 그래핀을 일반적인 철 또는 구리 와이어 대신 사용하면 상황이 달라진다. 그래핀에서 불순물 충돌은 드물고 전자 간 충돌이 주요 역할을 한다. 이 경우 전자는 점성 액체처럼 행동한다. 따라서 잘 알려진 흐름 현상인 소용돌이(와류)가 그래핀 층에서 발생해야 한다. ETH 취리히의 크리스티안 데겐(Christian Degen) 연구원은 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀의 전자 소용돌이를 처음으로 직접 감지하는 데 성공했다고 '사이언스(Science)' 저널에 보고했다. 고감도 양자 감지 현미경 데겐과 그의 동료 연구원들은 제작 과정에서 폭 1㎛(마이크로미터) 너비의 전도성 그래핀 스트립에 부착한 작은 원형 디스크에 형성된 소용돌이를 연구했다. 디스크의 직경은 1.2㎛에서 3㎛사이였다. 이론적 계산에 따르면 작은 디스크에서는 전자 소용돌이가 형성되지만 큰 디스크에서는 형성되지 않아야 한다. 소용돌이를 가시화하기 위해 연구팀은 그래핀 내부에 흐르는 전자가 생성하는 미세한 자기장을 측정했다. 이를 위해 연구팀은 다이아몬드 바늘 끝에 질소-공동 센터(Nitrogen-vacancy center, NV 센터)가 내장된 양자 자기장 센서를 사용했다. 원자 결함인 NV 센터는 외부 자기장에 따라 에너지 레벨이 변하는 양자 물체처럼 작동한다. 레이저 빔과 마이크로웨이브 펄스를 사용하면 센터의 양자 상태를 자기장에 최대 감도를 갖도록 준비할 수 있다. 연구원들은 레이저를 사용해 양자 상태를 판독함으로써 이러한 자기장의 세기를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 데겐 연구팀의 박사 과정 학생이었던 마리우스 팜은 "다이아몬드 바늘의 크기가 작고 그래핀 층과의 거리가 약 70나노미터에 불과하기 때문에 100나노미터 미만의 해상도로 전자 전류를 볼 수 있었다"고 말했다. 이 분해능은 소용돌이를 관찰하기에 충분하다. 소용돌이 흐름 방향 반전 관찰 연구팀은 측정에서 더 작은 디스크에서 예상되는 소용돌이의 특징적인 징후, 즉 흐름 방향의 반전을 관찰했다. 일반(확산) 전자 수송에서는 스트립과 디스크의 전자가 같은 방향으로 흐르지만, 소용돌이의 경우 디스크 내부의 흐름 방향이 반전된다. 계산에서 예측한 대로 더 큰 디스크에서는 소용돌이가 관찰되지 않았다. 팜은 "매우 민감한 센서와 높은 공간 분해능 덕분에 그래핀을 냉각할 필요도 없었고 상온에서 실험을 수행할 수 있었다"고 말했다. 또한, 연구팀은 전자 와류뿐만 아니라 정공 캐리어에 의해 형성된 와류도 감지했다. 그래핀 아래에서 전압을 가함으로써, 연구원들은 전류 흐름이 더 이상 전자가 아닌 정공이라고도 하는 누락된 전자에 의해 전달되도록 자유 전자의 수를 변경했다. 전자와 정공이 모두 작고 균형 잡힌 농도가 있는 전하 중립점에서만 와류가 완전히 사라졌다. 팜은 "현재 전자 소용돌이의 탐지는 기초 연구이며 아직 미해결 과제가 많이 남아 있다"고 말했다. 연구팀은 전자와 그래핀의 경계면과의 충돌이 흐름 패턴에 어떤 영향을 미치는지, 더 작은 구조에서 어떤 효과가 발생하는지 추가 연구를 진행할 계획이다. 출처: Marius L. Palm 외, '상온에서 그래핀의 전류 소용돌이 관찰', Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj2167
- IT/바이오
2024-05-16
[신소재 신기술(43)] 투명 소재로 광전지 새로운 가능성 열어

독일 라이프치히 물리학자들이 빛이 반투명 물질에서도 전기를 생성한다는 것을 증명했다. 반투명 소재는 빛에 노출되면 빛의 흡수량이 매우 적더라도 전기를 생성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 일부 물질은 특정 주파수의 빛에 투명하다. 이러한 물질에 빛을 비추면 이전의 가정과는 달리 전류가 생성될 수 있다. 라이프치히 대학교와 싱가포르 난양공과대학교의 과학자들이 이를 증명하는 데 성공했다고 오일프라이스가 전했다. 이 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 저널에 발표됐다. 이번 발견은 광전자 및 광전지 분야에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있다. 라이프치히 대학교 이론물리연구소의 인티 소데만 빌라디에고 교수는 "이는 광 증폭기, 센서, 태양전지와 같은 광전자 및 광전소자를 구성하는 데 새로운 패러다임을 열었다"고 말했다. 그의 동료인 시 리쿤은 "물질의 빛 흡수량이 매우 작은 경우에도 빛으로 전류를 구동하는 것이 가능하다. 이것은 중요한 새로운 통찰력이다"라고 전했다. 플로케 페르미 액체 인티 소데만 빌라디에고와 그의 동료들은 '플로케 페르미 액체(Floquet Fermi liquid)' 상태를 조사했다. 페르미 액체는 많은 양자 역학적 입자의 특수한 상태로, 일반적인 고전적인 입자와는 매우 다른 특성을 가지고 있다. 즉, 페르미 액체는 금이나 은과 같은 금속 속 전자의 전기 유체와 같은 일반적인 물질부터 저온에서 헬륨-3 원자의 유체와 같은 보다 이색적인 상황에 이르기까지 다양한 상황에서 발생할 수 있다. 이러한 액체는 저온에서 전기의 초전도체가 되는 등 '놀라운 특성'을 나타낼 수 있다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 영향을 받는 특수한 유형의 금속 상태다. 페르미 액체는 낮은 온도에서 전자들이 마치 자유롭게 움직이는 액체처럼 행동하는 금속 상태이다. 전자 상호작용은 약하며, 전자들은 페르미 에너지로 알려진 특정 에너지 수준에 집중된다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 페르미 액체가 영향을 받는 상태이다. 이러한 힘은 전자의 운동에 영향을 미치고 새로운 에너지 상태를 생성할 수 있다. 외부 힘은 특정 주기로 진동하며, 이를 '시간 주기성'이라고 한다. 예를 들면 레이저 빛, 자기장, 전기장 등이 외부의 힘에 해당된다. 또한 외부 힘은 전자의 에너지 스펙트럼에 새로운 에너지 상태를 생성한다. 이러한 새로운 상태는 '플로케 밴드'라고 불린다. 플로케 페르미 액체는 외부 힘에 비선형적으로 응답한다. 다시 말하면, 외부 힘의 크기에 따라 응답의 크기가 비례하지 않다. 외부 힘의 강도에 따라 플로케 페르미 액체는 절연체 또는 초전도 상태 등 다른 물질 상태로 변화할 수 있다. 플로케 페르미 액체의 응용 분야 플로케 페르미 액체는 광전자 소자, 예를 들어 태양 전지 및 LED의 성능 향상에 사용될 수 있다. 또 양자 컴퓨터 구현에 사용될 수 있는 새로운 유형의 큐비트를 제공할 수 있다. 아울러 고온 초전도 현상을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 플로케 페르미 액체는 아직 연구 초기 단계이지만, 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 가지고 있는 흥미로운 물질 상태이다. 소데만 빌라디에고 교수는 "우리 논문에서는 이러한 유체 상태의 몇 가지 특성을 설명한다"면서 "이를 연구하기 위해서는 빛에 의해 흔들리는 전자의 복잡한 상태에 대한 상세한 이론적 모델을 개발해야 했는데, 이는 결코 쉬운 일이 아니다"고 말했다.
- 포커스온
2024-05-07
[우주의 속삭임(2)] 태양 4곳 동시 폭발하는 희귀 현상 발생

미 항공우주국(NASA)의 태양활동관측위성(SDO: Solar Dynamics Observatory)이 태양의 거대한 영역 4곳이 동시에 폭발하는 희귀한 현상을 포착했다고 과학 전문 매체 IFL사이언스가 전했다. 태양의 폭발과 화기 분출은 흔히 발생한다. 특히 태양활동이 강한 태양극대기(또는 흑점극대기) 정점에 가까울 때 더욱 그렇다. 대개 11년 주기(슈바베 주기라고 함)로 극소기와 극대기가 반복된다. 극소기에는 태양면 위에 흑점이 가장 적게 나타나고, 극대기에는 100개 이상의 흑점이 나타난다. 슈바베 주기의 태양 흑점 수에 따라 코로나 질량 방출(CME)이 강도가 변하면서 발생하며, 때로는 지구에 화려한 오로라와 전파 정전을 일으키기도 한다. 국립기상청은 "태양 흑점은 자기장이 지구보다 약 2500배 더 강한 지역으로, 태양의 다른 어느 곳보다 훨씬 강도가 높은 지역"이라면서 "강한 자기장으로 인해 자기압은 증가하고 주변 대기압은 감소하는데, 이는 집중된 자기장이 태양 내부에서 표면으로 흐르는 뜨거운 가스의 흐름을 방해하기 때문에 주변에 비해 온도를 낮추게 된다"고 설명했다. 태양 표면에서의 큰 폭발은 이로 인해 발생한다. 드물게, ‘교감적 태양 플레어(Sympathetic Solar Flare)’라고 부르는 복수의 폭발이 동시에 발생할 수 있다. 한꺼번에 여러 곳에서 복수의 폭발이 일어나는 것이다. 이는 우연의 일치라고 생각됐지만 2002년 통계 분석 결과 그렇지 않은 것으로 드러났다. 이런 폭발은 자기 루프를 통해 연결될 때 발생한다. 더 드물게는 ‘슈퍼 교감적’ 태양 플레어로 확대돼 두 개 이상의 현상이 동시에 발생할 수 있다. 이번 4개 폭발이 그 예다. 현재로서는 태양 플레어에서 분출된 잔해가 지구에 도달할 지는 확실하지 않다. 스페이스웨더닷컴에 따르면, 만약 잔해가 지구로 떨어진다면 26일이 될 것이라고 예상했다. 그러나 피해는 없을 듯하다. 대부분의 지자기 폭풍과 마찬가지로 인류는 걱정할 것이 없을 것이라는 지적이다. 태양 폭발은 종종 오로라와 함께 전력망 및 무선 통신의 장애 등 소소한 문제를 일으킬 수 있다. 물론 드물기는 하지만 캐링턴 사건 규모의 태양폭풍이 발생할 수 있으며, 이는 지구에 더 큰 문제를 야기할 수 있다. 캐링턴 사건은 1859년 지구를 강타한 대규모 지자기 폭풍으로 유럽과 북미의 경우 밤에도 대낮처럼 주변이 환해질 정도였다고 한다. 당시 관측된 태양 플레어는 종전 기록을 갈아치웠으며, 이 정도의 폭풍이 오늘날 발생했다면 전력망 등에 재앙 수준의 피해를 일으킬 것이라는 분석이다.
- IT/바이오
2024-04-26
[퓨처 Eyes(32)] 무중력 흑연 플랫폼, 자기부상 열차 기술의 미래를 열다?

일본 오키나와 과학 기술 연구소(OIST) 양자 기계 연구팀은 흑연과 자석을 활용해 공중에 떠있는 '무중력' 흑연 플랫폼을 선보였다. 과학 전문 웹사이트 피지스(Phys. org)와 뉴아틀라스, 퓨처리즘 등 다수 외신은 "OIST 연구팀은 물리적 접촉이나 기계적 지지대 없이도 안정적으로 매달릴 수 있는 공중 부양 소재 개발에 힘쓰고 있다"며 이번 연구에 대해 집중 조명했다. 공중 부양 소재는 물리적 접촉이나 기계적 지지 없이도 자유롭게 공중에 떠 있는 특성을 지닌 물질을 일컫는다. 가장 흔히 접하는 공중 부양 현상은 자기력에 의해 발생한다. 초전도체나 반자성 물질(자기장에 밀리는 성질)과 같은 물체를 자석 위에 부유시켜 첨단 과학 센서와 일상 용품을 개발할 수 있다는 것이다. 본 연구실 책임자인 제이슨 트왐리(Jason Twamley) 교수는 국제 협력 기관과 함께 흑연과 자석을 활용한 진공 부상 플랫폼을 설계했다. 특기할 만한 점은 이 '부상 플랫폼(플로팅 플랫폼)'이 외부 전원 공급 없이 작동하며, 초고감도 센서 개발을 위한 매우 정밀하고 효율적인 측정 환경을 제공한다는 것이다. 본 연구 결과는 권위있는 학술지 '응용물리학 레터(Applied Physics Letters)'에 게재되었다. '반자성' 물질에 외부 자기장을 가하면 이 물질은 반대 방향의 자기장을 생성하여 반발력을 일으켜 자기장을 밀어낸다. 따라서 반자성 재료로 만든 물체는 강한 자기장 위에 떠 있을 수 있다. 예를 들어 자기부상열차에서는 강력한 초전도 자석이 반자성 물질로 강한 자기장을 만들어 중력을 거스르는 것처럼 보이는 공중부양을 실현한다. 연필심에서 추출되는 흑연(결정질 탄소)은 강력한 자기 반발력(높은 반자성)을 지닌다. 연구팀은 미세한 흑연 구슬 분말을 전기 절연성이 있는 실리카로 화학 코팅한 후 왁스와 혼합하여 그리드(격자) 패턴으로 배열된 자석 위에 부상시키는 1㎠ 크기의 얇은 정사각형 플랫폼을 제작했다. 이 과정에서 흑연은 반자성을 유지하지만 절연은 부양에 필요한 에너지 손실을 방지한다. 테스트 결과 실리카 코팅 흑연 플랫폼은 북극과 남극이 번갈아가며 자석으로 구성된 표면 위에서 장시간 공중에 떠 있을 수 있었다. 연구팀은 이 공중 부양 플랫폼 시스템은 힘, 가속도 및 중력을 측정하는 새로운 유형의 센서로 이어질 수 있다고 밝혔다. 더 정밀한 양자 센서를 위해 또 다른 버전은 피드백 자력을 사용해 플랫폼의 수직 움직임을 지속적으로 수정하고 플랫폼의 운동 에너지를 줄이기 위해 냉각시킨다. 그러나 여기서 단점은 외부 전원이 필요하다는 것이다. 외부 전력 공급 없이 작동하는 자력 부상 플랫폼 구현에는 몇 가지 기술적인 과제가 있다. 가장 큰 어려움은 '와류 감쇠(eddy damping)'로, 이는 진동 시스템이 시간 경과에 따라 외부 힘으로 인해 에너지를 손실하는 현상을 의미한다. 흑연과 같은 전도성 물질이 강력한 자기장을 통과할 때 발생하는 전류 흐름은 에너지 손실을 초래하며, 이는 첨단 센서 개발에 자력 부상 기술을 활용하는 데 있어 주요한 걸림돌이 된다. 이에 OIST 연구원들은 에너지 손실 없이 부유하고 진동할 수 있는 플랫폼, 즉 한 번 가동되면 추가적인 에너지 투입 없이도 장시간 지속적으로 진동을 유지할 수 있는 플랫폼을 설계하기 시작했다. 앞서 지적한 것처럼 이러한 '마찰 없는' 플랫폼은 힘, 가속도, 중력 측정을 위한 새로운 유형의 센서 개발뿐 아니라 다양한 분야에 활용될 수 있는 잠재력을 지닌다. 와류 감쇠 문제를 해결한다고 해도 진동 플랫폼의 운동 에너지 최소화라는 또 다른 과제가 남아 있다. 이 에너지 수준을 낮추는 것은 다음과 같은 두 가지 이유로 중요하다. 먼저, 플랫폼을 센서로 활용할 때 더욱 민감한 측정을 가능하게 한다. 다음으로, 양자 효과가 지배적인 양자 영역으로 진입하여 운동 에너지를 냉각시키면 정밀 측정의 새로운 가능성을 열 수 있다. 따라서 진정한 마찰 없는 자립형 플로팅 플랫폼을 구현하기 위해서는 와류 감쇠와 운동 에너지 문제를 모두 해결해야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 흑연 기반의 새로운 물질 개발에 힘썼다. 화학적 변형을 통해 흑연을 전기 절연체로 변환함으로써 에너지 손실을 최소화하면서도 진공 상태에서 물질의 부상을 가능하게 했다. 과학자들은 실험 환경에서 플랫폼의 움직임을 지속적으로 추적하고 분석했다. 이러한 실시간 데이터를 활용하여 피드백 자기장을 적용하여 플랫폼의 진동을 감쇠시킴으로써 플랫폼의 운동을 냉각하고 속도를 크게 감소시켰다. 트왐리 교수는 "열은 진동을 야기하지만, 지속적인 모니터링과 시스템에 실시간 피드백을 제공함으로써 이러한 진동을 줄일 수 있다고 설명했다. 피드백은 시스템의 감쇠 속도, 즉 에너지 손실 속도를 조절하기 때문에 적극적인 감쇠 제어를 통해 시스템의 운동 에너지를 감소시켜 효과적으로 냉각할 수 있다"고 밝혔다. 트왐리 교수는 또한 "충분히 냉각된다면 이 공중 부상 플랫폼은 지금까지 개발된 가장 민감한 원자 중력계보다 더 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다"고 강조했다. 이어 "원자 중력계는 원자의 움직임을 이용하여 중력을 정밀하게 측정하는 최첨단 장치이다. 이러한 수준의 정밀도를 달성하기 위해서는 진동, 자기장, 전기 노이즈와 같은 외부 간섭으로부터 플랫폼을 격리하는 엄격한 엔지니어링이 필요하다. 현재 진행 중인 연구는 이러한 시스템을 개선하여 이 기술의 잠재력을 최대한 발휘하는 데 초점을 맞추고 있다"고 덧붙였다.
- 포커스온
2024-04-18
[퓨처 Eyes(30)] 한국형 인공태양, 1억도 플라즈마 세계 신기록 수립

한국 핵융합에너지연구원(핵융합연·KFE) 연구팀은 인공태양 연구에서 획기적인 성과를 달성하며 과학 역사에 찬란한 족적을 남겼다. 바로 1억도 플라즈마를 48초간 유지하는 놀라운 기록을 세운 것이다. 이는 핵융합 에너지 실현이라는 꿈에 한 발짝 더 다가선 뜻깊은 성과이다. KSTAR(한국 초전도 토카막 핵융합 연구장치)라는 인공태양 핵융합로를 활용한 이번 연구는 한국 과학자들의 탁월한 기술력을 여실히 보여준다. 1억도라는 극한의 온도를 48초간 유지하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이는 핵융합 에너지 개발 분야에서 세계 최고 수준의 기술력을 자랑하는 한국 과학의 위상을 더욱 굳건히 하는 계기가 되었다. 토카막(Tokamak)은 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적인 상태를 유지하도록 제어한다. 1억도 플라즈마 48초간 유지 KFE는 한국의 '인공태양'으로 불리는 KSTAR가 최근 실험에서 핵심 부품을 업그레이드해 태양 중심핵 온도의 7배에 해당하는 1억도의 플라즈마를 48초 동안 연속 운전하는데 성공했다고 지난 3월 27일 밝혔다. 이는 2022년 기록했던 30초를 크게 뛰어넘는 놀라운 발전이며, 핵융합 기술의 지속적인 진보를 보여주는 명확한 증거이다. 플라즈마는 높은 온도에서 전자와 양이온이 분리되어 형성되는, 전기적으로 중성인 기체 상태이다. 이는 태양과 별의 뜨거운 심장부에서 발견되는 특별한 물질 상태이며, 핵융합 반응의 필수적인 요소이다. KSTAR는 한국 초전도 토카막 첨단연구의 정식 명칭으로, 2022년에 1억도 플라즈마를 30초간 유지하는 기록을 세웠다. 텅스텐 디버터로 안정성 향상 2023년 12월 31일부터 3개월간 진행된 최근 테스트에서 KSTAR은 텅스텐 디버터를 사용해 플라즈마의 안정성을 크게 향상시키고 유지 시간을 48초까지 늘리는 데 성공했다. 이는 이전 기록 30초를 크게 뛰어넘는 성과다. 또한 저감속 모드보다 안정적인 고성능 플라즈마 운전 모드인 'H 모드(H-mode)'를 102초 동안 장시간 유지하며 기록을 경신했다. H-모드는 토카막형 핵융합 장치 운전시 특정 조건 하에서 플라즈마의 가둠 성능이 약 2배 증가하는 현상이다. 이는 핵융합 연구 분야에서 획기적인 진보를 의미하며, 미래 에너지 문제 해결에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 1억도 운전을 추진한 고성능시나리오연구팀 한현선 박사는 "1억도 초고온 이온 플라즈마(High-Ti shot) 운전을 기존 30초에서 48초간 유지 달성하며 우리의 운전 방식이 40초대에서도 유효함을 확인했다. 지난해에는 플라즈마를 충분히 가열하고 유지할 파워가 부족해 실험이 어려웠다. 이번에는 중성자빔 가열장치의 성능 향상이 48초 유지의 바탕이 됐다"며 1억도 플라즈마의 장시간 운전은 초고온 플라즈마에 대한 이해를 높일 수 있는 자료이자 향후 핵융합 발전로에 쓰일 새로운 운전 모드 연구의 기반이 된다고 말했다. 텅스텐 재질 디버터(divertor)의 도입이 이러한 획기적인 성과를 가능하게 했다. 디버터는 핵융합 반응에서 발생하는 열과 불순물을 제거해 플라즈마 오염을 최소화하고 주변 장벽을 보호하는 역할을 한다. 텅스텐은 기존 탄소 재질보다 녹는점이 훨씬 높아 열 부하에 대한 내구성이 뛰어나다. 실험 결과, 텅스텐 디버터는 동일한 열 부하 상황에서 표면 온도 상승률이 25% 감소했다. KSTAR 연구 본부 고성능시나리오팀 김현석 선임연구원은 "디버터는 플라즈마의 열속이 집중되는 부분이다. 이번 테스트를 준비하면서 KSTAR처럼 토카막 내벽을 텅스텐으로 교체한 해외 융합 장치들의 사례를 토대로 KSTAR의 새로은 텅스텐 환경이 기본 카본 환경과 크게 다르지 않을 것으로 에상했다. 하지만 초기 실험에서 무언가 달랐다"고 전했다. 김 연구원은 "초기에 토카막 내벽 온도가 잘 안 올라갔다. 디버터는 소재만 바뀐 게 아니라 아랫부분의 구조(형상)도 기존 직선형에서 고래꼬리 형태로 바뀌었다. 형상과 소재 두 가지 요인이 복합적으로 작용해서 플라즈마 성질이 바뀌었는데, 바뀐 형태에서 어떻게 해야 좋은 성능을 발휘할 수 있을지 고민했다. 샷이 발생하면 과거의 형상을 만드는 것에서 시작해서 플라즈마 성능을 잠시 유지하고 안정이 되면 바뀐 디버터 형상으로 바꾸어 유리하는 전략으로 운전하며 기존 성능을 재현할 수 있엇다"고 설명했다. 핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵을 만들면서 엄청난 양의 에너지를 방출하는 과정이다. 모든 금속 중 가장 높은 녹는점(3422°C)을 자랑하는 텅스텐은 핵융합 반응의 극한 환경에서도 흔들림 없이 자리한다. 또한 낮은 불순물 형성은 플라즈마 오염을 최소화하여 핵융합 반응의 순도를 높이는 데 기여한다. 프랑스에 건설 중인 ITER 실험로는 핵융합 에너지의 실현 가능성을 검증하는 국제 핵융합 연구의 중심 무대이다. 텅스텐 다이버터를 사용하는 ITER 실험로는 내년 첫 플라즈마 생성을 목표로 하고 있다. KSTAR의 이번 성과는 ITER 실험로의 성공적인 운영에 중요한 데이터를 제공할 것으로 기대된다. 한국핵융합연구소 소장은 이번 성과가 미래 핵융합 발전 시설 개발에 필요한 핵심 기술 확보에 중요한 발걸음이라고 강조했다. 연구팀은 앞으로 ITER 운영 및 미래 핵융합 발전 시설에 필수적인 핵심 기술 확보에 집중할 계획이다. 연구팀은 '토카막'이라 불리는 도넛 모양의 핵융합로 안에 뜨거운 플라즈마를 가두어 물을 가열하고 터빈과 발전기를 사용하여 생성된 증기를 전기로 전환함으로써 반응에서 순 양의 에너지를 획득할 수 있기를 희망한다. 토카막 융합로의 다양한 성과 한편, 전 세계 다른 토카막 핵융합로 또한 최근 몇 년 동안 중대한 성과를 거두었다. 지난해에는 중국 과학자들이 실험용 첨단 초전도 토카막 내부에 플라즈마를 403초 동안 유지하는 데 성공했다. 또한 영국은 JET(Joint European Torus) 장치를 사용해 핵융합 에너지 세계 기록을 수립했다. 뉴사이언티스트에 따르면 단 5초 동안이지만 약 1만 2000가구에 전력을 공급할 수 있는 69메가줄의 에너지를 생산했다. 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소는 재래형 토카막 설계와는 크게 다른 레이저 기반 핵융합로인 내셔널 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility)에서 투입한 에너지의 두 배를 얻었다고 주장했다. 하지만 이러한 모든 연구 결과가 핵분열 원자로를 완전히 대체할 수 있는 핵융합 에너지 혁명으로 이어질지 여부는 아직 불확실하다. 위에서 언급한 것처럼 프랑스 남부 생폴레즈듀랑스 카다라쉬에 다국적 거대 핵융합 연구 시설 'ITER(국제핵융합실험로·International Thermonuclear Experimental Reactor)'가 건설되고 있다. ITER 총 사업 기간은 2007~2042년으로 건설과 운영, 방사능감쇄, 해체 등 4단계를 포함한다. 총건설비는 약 117.7억유 한국을 비롯해 중국, 인도, 일본, 유럽연합(EU·29개국) 등 35개국이 참여하는 이 프로젝트는 핵융합 에너지 상용화의 가능성을 판단하는 중요한 단계이며, 현재까지 건설된 토카막 핵융합로 중 가장 큰 규모를 자랑한다. 2007년 설립된 ITER는 2025년 완공 예정이다. 현재 우리가 사용하는 화석 연료 대신 안전하고 지속 가능한 에너지원 개발 가능성을 가진 ITER는 완공 후 핵융합 실험을 통해 핵융합 에너지의 실현 가능성을 평가할 계획이다. 프랑스의 ITER 시설이 완공되면 인공태양으로 불리는 핵융합에너지에 대한 실용성과 타당성 등에 대한 중요한 답변을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-04-04
[신소재 신기술(21)] 홍게껍질로 반도체 및 에너지 저장 기능 갖춘 나노시트 개발

일본 과학자들이 홍게의 껍질에 포함된 키토산으로 만든 나노섬유에서 반도체와 에너지 저장 특성을 발견했다. 26일(이하 현지시간) 뉴스마이네비에 따르면 일본 도호쿠대학(東北大學) 연구팀은 홍게 껍질에 포함된 불용성 식이섬유의 일종인 '키토산'으로 만든 나노섬유(ChNF) 조직을 제어해 만든 나노미터 두께의 시트 소재에서 반도체 특성과 에너지 저장 특성을 나타내는 것을 발견했다고 25일 밝혔다. 이번 성과는 도호쿠대 미래과학기술공동연구센터 후쿠하라 미키오 학술연구원, 동 대학 하시타 토시유키 특임교수, 도쿄대 이소카이 아키라 특임교수 등의 공동연구팀에 의해 이루어졌다. 연구 결과는 미국 물리학 협회에서 발행하는 학술지 'AIP-Advances'에 게재됐다. 이번 연구는 친환경적인 반도체와 에너지 저장 소재 개발에 기여할 것으로 기대된다. 반도체는 실리콘으로 대표되는 원소 반도체와 갈륨비소(GaAs) 및 '파이(π) 공액 고분자'와 같은 화합물 반도체로 크게 두 가지로 분류된다. 두 반도체 모두 광물이나 인공 화합물에서 금속을 정제해 만드는데, 생산 과정에서 많은 양의 에너지가 필요하고 환경에 미치는 영향이 크다. 연구팀은 절연체로 인식되는 종이와 셀룰로오스의 나노 크기 미세 구조체인 케나프 식물에서 추출한 셀룰로오스 나노섬유(Cellulose Nanofibers·CNF)를 이용해 전하 분포와 전자 이동을 측정했다. 그 결과, '템포 산화 CNF(TEMPO-oxidized CNF, TEMPO 촉매를 사용해 산화 처리된 셀룰로오스 나노섬유)'는 고전압 단시간 충전 특성을, CNF는 n형 음의 저항을 나타내는 n형 반도체의 다양한 특성을 발견했다. 이 연구에서는 식물 셀룰로오스와 분자 구조가 유사하고 지구상에서 두 번째로 풍부한 바이오매스 화합물인 동물성 키토산에 초점을 맞췄다. 연구팀에 따르면, 키토산에는 케나프(CNF)에서 발현되지 못했던 고속 충전 특성이 발견됨과 동시에 액체 누출 등의 문제를 극복할 수 있는 고체형 축전지를 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 또한 키토산과 같은 자연 유래의 해양 바이오매스 소재를 반도체, 에너지 저장 분야에 활용할 수 있다면 폐기물을 줄여 자원순환형 사회 조성에 기여할 수 있다. 이번 연구에서는 홍게 껍질로 만든 키토산 나노섬유(ChNF)를 대표적인 동물성 소재로 활용하고, 섬유 길이를 300nm 이하로 제어한 ChNF 시트에 Al 전극을 부착한 소자를 제작했다. ChNF 시트 소자의 I(전류)-V(전압) 특성, AC(교류) 임피던스, 주파수 분석, 축전성을 측정한 결과, 전압 제어에 의한 전압 유도 반도체와 같은 특성이 나타나는 것을 확인했다. 또한, ChNF 시트의 -210~+80V 범위에서 동작 속도 1.24V/s의 승강 전압에 대한 I-V 특성에서 음전압 영역에서 전류의 전압 의존성이 역전되는 거동, 이른바 n형 반도체 특성을 보였다. 즉, I-V 특성은 옴의 법칙을 따르지 않고, 전압 상승에 따라 일정 전압 이상에서 전류가 감소하는 음극 저항이 발현된 것이다. 반면, R(저항)-V(전압) 특성을 분석한 결과, 승압 -1V~0V, 강압 +2V~0V 사이에서 3자리 스위칭 효과를 보이는 특성이 관찰됐다. 또한 10~500V에서 2mA의 전류로 5초간 충전한 후 1μA의 정전류로 방전했을 때 충전 전압 대비 저장 용량의 변화를 조사한 결과, 전압 증가에 따라 저장 용량이 선형적으로 증가하며 450V부터 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 다음으로 ChNF 시트의 AC 임피던스 특성을 측정한 결과, 저저항과 고저항의 두 개의 반원을 가진 나이키스트 선도(The Nyquist diagram)를 얻었다. 두 개의 반원은 원자간력 현미경 이미지 관찰을 통해 각각 120~350nm의 바늘 모양과 구형으로 이루어진 갑각류 외골격과 세포벽 조직의 기여하는 것으로 추론했다, 이 나이키스트 선도의 특성으로부터 ChNF 시트는 직류와 교류 영역에서 동일한 회로를 가질수 있음을 시사했다. 연구팀은 또한, 반도체 특성의 전자의 기원을 규명하기 위해 ESR 분석을 시도했다. 전자의 기원을 결정하는 단수 대칭의 피크를 관찰했고, 스펙트럼 강도의 선도가 횡축과 교차하는 자기장의 g값을 통해 키토산의 생성 전자는 비정질 키토산에서 발생하는 아미닐 라디칼(NH¯₂)에서 생성된 전자임을 확인했다. 연구팀은 이번 성과에 대해 "저밀도 경량 반도체 및 에너지 저장 장치 제작을 통해 천연 유래의 바이오 소재 자원을 활용함으로써 지구의 생물 순환 시스템을 활용한 바이오 일렉트로닉스가 발전할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
- 포커스온
2024-03-27
"암흑물질 존재하지 않는다"⋯우주 나이도 270억년

우주에는 암흑물질이 존재하지 않으며 우주 나이도 270억년이라는 새로운 연구 결과가 나왔다. 과학 전문 매체 퓨처리즘은 18일(현지시간) 캐나다 오타와 대학교 물리학 교수 라젠드라 굽타(Rajendra Gupta)는 우주의 나이가 기존 가설보다 두 배 더 많을 수 있으며, 암흑물질의 존재가 반드시 필요하지 않다고 주장해 학계에 논란을 불러일으키고 있다고 전했다. 이번 연구 논문은 '천체물리학 저널(Astrophysical Journal)'에 게재됐다. 굽타 교수는 지난해 우주의 나이가 일반적으로 알려진 나이보다 두 배나 더 많은 267억년이라고 주장해 화제를 모았다. 최근 논문에서 굽타 교수는 자신의 이론을 바탕으로 암흑물질의 필요성에 대해 이의를 제기했다. 암흑물질은 전자기장과 상호 작용하지 않지만 중력을 미칠 수 있는 물질로, 우주 전체 질량의 26%를 차지하는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 암흑물질은 직접 관측이 불가능하다는 점이 수 십년 동안 천체물리학자들을 괴롭혀 온 수수께끼였다. 굽타는 성명에서 "이번 연구 결과는 우주의 나이가 267억 년이라는 이전 연구를 통해 우주의 존재에 암흑 물질이 필요하지 않다는 것을 발견할 수 있었다는 것을 확인시켜 주었다"고 말했다. 그러나 굽타 교수의 이론은 전문가들의 기존 합의와 정면으로 충돌하는 논란의 여지가 많은 추정이다. '우주 팽창 가속 현상'은 양의 우주 상수(cosmological constant)와 연관되어 설명되고 있으며, 이 상수는 우주 에너지의 존재를 뒷받침하는 데 사용되어 왔다. 암흑 에너지는 우주 전체 에너지의 약 68%를 차지하는 우주 구성 요소다. 암흑물질은 은하계의 대부분 질량을 구성하며 은하 구조 형성에 영향을 미치는 반면, 암흑 에너지는 우주 팽창 가속을 주도하는 역할을 한다. 어스닷컴은 지난 17일 "현재 우리가 이해하는 우주의 구조는 '정상 물질', '암흑 에너지', '암흑 물질'이라는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 하지만 이번 새로운 연구는 이 기존 모델을 뒤집고 있다"고 전했다. 우주론에서 사용되는 용어인 암흑물질은 빛이나 전자기장과 상호 작용하지 않고 중력 효과를 통해서만 식별할 수 있는 파악하기 어려운 물질을 말한다. 암흑물질은 신비로운 성질에도 불구하고 은하, 별, 행성의 움직임을 설명하는 데 있어 기본적인 요소로 작용해 왔다. 많은 과학자들은 암흑물질이 가시 물질, 방사선, 우주의 대규모 구조에 미치는 중력 효과를 통해 암흑물질의 존재를 추론하고 있다. 암흑물질 이론의 기초 암흑물질 이론은 관측된 천체의 질량과 중력 효과를 기반으로 계산된 질량 사이의 차이에서 출발했다. 1930년대, 스위스 천문학자 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)가 코마 은하단에서 관측되지 않는 '누락된 질량'을 눈에 보이지 않는 물질로 설명할 수 있다고 처음으로 제안했다. 과학자들은 암흑물질을 간접적으로 탐지하는 몇 가지 혁신적인 방법을 개발했다. 지하 입자 탐지기나 우주 망원경으로 수행되는 실험은 암흑물질의 상호작용이나 소멸의 부산물을 관찰하는 것을 목표로 한다. 유럽원자핵공동연구소(CERN)의 대형 강입자충돌기(LHC)도 고에너지 입자 충돌에서 암흑물질 입자의 흔적을 찾고 있다. 이러한 노력에도 불구하고 암흑물질은 아직 직접 검출되지 않았으며, 현대 물리학에서 가장 중요한 난제 중 하나다. 이처럼 암흑물질을 이해하려는 탐구는 천체 물리학 및 입자 물리학의 발전을 계속 견인하고 있다. 향후 관측과 실험을 통해 암흑 물질의 본질이 밝혀져 우주의 미스터리를 밝혀낼 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. '변동 겹합 상수'와 '빛의 피로' 가설 통합 하지만 굽타 교수는 이와 다른 관점을 제시했다. 굽타 교수의 혁신적인 접근 방식은 두 가지 이론적 모델, 즉 변동 결합 상수(CCC)와 '빛의 피로(tired light·TL)'가설을 결합해 CCC+TL 모델로 일컫는 이론을 통합했다. 이 모델은 우주의 시간에 따라 자연의 힘이 감소하고 빛은 먼 거리에서 에너지를 잃는다는 개념을 탐구한다. 이 이론은 엄격한 테스트를 거쳐 은하 분포와 초기 우주의 빛의 진화 등 다양한 천문학적 관측 결과와 일치하는 것으로 밝혀졌다. 굽타 교수는 자신의 수정된 모델을 뒷받침하기 위해 1920년대 후반 물리학자 프리츠 즈비키가 제안한 '빛의 피로(tired light·TL)' 가설을 차용했다. 빛의 피로 가설은 먼 천체에서 오는 빛이 에너지 손실로 인해 적색광이 되는 현상을 설명한다. 굽타 교수는 이 가설과 기존의 우주 상수와는 달리 시간에 따라 자연 상수가 감소한다고 주장하는 새로운 "변화 공액 상수(covarying coupling constant)" 개념을 결합해 암흑 물질을 모델에서 제외시킬 수 있다고 말했다. 우주 팽창 가속 현상은 양의 우주 상수(cosmological constant)와 연관되어 설명되고 있으며, 이 상수는 우주 에너지의 존재를 뒷받침하는 데 사용되어 왔다. 암흑 에너지는 우주 전체 에너지의 약 68%를 차지하는 우주 구성 요소다. 그는 "표준 우주론에서 암흑 에너지는 우주 팽창 가속을 야기하지만 저의 이론에서는 이는 암흑 에너지가 아니라 팽창하면서 약해지는 자연 상수 때문이다"라고 설명했다. 굽타 교수는 "암흑 물질의 존재를 의심하는 논문은 몇몇 있지만, 제 연구는 제가 아는 한 처음으로 암흑 물질의 우주론적 존재를 부정하면서도 오랜 기간 검증되어온 중요한 우주 관측 결과와 일치하는 것이다"라고 덧붙였다. 이번 발견은 암흑 물질이 우주의 약 27%를 차지하고 일반 물질은 5% 미만, 나머지는 암흑 에너지라는 기존의 이해에 도전하면서 동시에 우주의 나이와 팽창에 대한 기존 관점을 재정의하고 있다.
- 포커스온
2024-03-19
[신소재 신기술(14)] 자연에서 처음 발견된 광물 초전도체 '미아사이트'

미국 과학자들이 자연에서 광물 형태로 발견된 세계 최초의 '비전통적인' 초전도체 미아사이트(Miassite)가 발견됐다고 밝혔다. 영국 과학 웹사이트 사이키(phys.org)는 지난 13일(현지시간) 미국 에너지부 국립연구소인 에임스 국립연구소(Ames National Laboratory)의 과학자들이 실험실이 아닌 자연에서도 화학 성분을 가진 최초의 비전통적 초전도체 '미아사이트'를 발견했다고 보도했다. 미아사이트는 자연에서 발견되는 광물 중 하나로, 실험실에서 성장시키면 초전도체 역할을 한다. 연구팀은 미아사이트를 관측한 결과 고온 초전도체와 유사한 특성을 가진 비전통적 초전도체라는 사실을 밝혀냈다. 이 연구 결과는 '커뮤니케이션즈 머티리얼즈(Communications Meterials)' 저널에 게재됐다. 이번 연구는 미래의 지속 가능하고 경제적인 초전도체 기반 기술 개발에 기초 과학적 이해를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 초전도체란? 초전도는 물질이 전기를 에너지 손실 없이 전도할 수 있는 상태를 말한다. 이러한 초전도체는 의료용 MRI 기계, 전력 케이블, 양자 컴퓨터 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 기존의 초전도체는 잘 알려져 있지만 임계 온도가 낮다. 여기서 임계 온도는 물질이 초전도체 상태를 유지할 수 있는 최고 온도를 말한다. 1980년대에 과학자들은 기존 것들보다 임계 온도가 훨씬 높은 비전통적인 초전도체들을 발견했다. 에임스 연구소의 과학자 루슬란 프로조로프에 따르면, 이러한 비전통적인 초전도체는 모두 실험실에서 만들어진다. 이로 인해, 비전통적 초전도는 자연에서 발생하지 않는다는 일반적인 인식이 형성됐다. 자연에서 발견된 희귀한 광물 프로조로프는 대다수의 초전도 원소와 화합물이 금속 성질을 가지고 산소와 같은 다른 원소와 반응하는 경향이 있어, 자연에서 초전도체를 찾는 것이 어렵다고 설명했다. 그는 특히 미아사이트(Rh17S15)가 복잡한 화학 구조를 가지고 있다는 점에서 흥미롭다고 말했다. 프로조로프는 미아사이트를 처음에는 자연에서 발견될 수 없는, 인공적으로 만들어졌을 것으로 추정했으나, "실제로 자연에서 존재한다는 것이 밝혀졌다"고 말했다. 아이오와 주립대학교의 물리학 및 천문학 석좌교수이자 에임스 연구소의 과학자인 폴 캔필드는 새로운 결정체 물질의 설계와 발견, 성장 방법, 그리고 그 특성을 분석하는 데 깊은 전문 지식을 가지고 있다. 그는 이 프로젝트를 위해 고품질의 미아사이트 결정을 합성하는 작업을 수행했다. 캔필드는 "미아사이트가 러시아 첼랴빈스크주 미아스 강 근처에서 발견된, 일반적으로 잘 형성된 결정으로 자라지 않는 희귀한 광물"이라고 설명했다. 미아사이트 결정의 성장은 매우 높은 용융점을 가진 원소(Rh)와 휘발성이 높은 원소(S)의 결합으로 이루어진 화합물을 탐색하는 더 광범위한 연구 노력의 일부였다. 캔필드 박사는 "순수 원소들의 특성과는 달리, 우리는 이들 원소의 혼합을 통해 최소한의 증기압으로 결정이 저온에서 성장할 수 있도록 하는 기술을 개발했다"고 말했다. 캔필드 박사는 이번 미아사이트의 발견을 "숨겨진 낚시터에서 큰 물고기를 발견한 것과 같다"고 비유했다. 그는 "Rh-S 시스템에서, 우리는 세 가지 새로운 초전도체를 발견했다. 루슬란의 세밀한 측정 덕분에, 미아사이트가 비전통적 초전도체임을 확인할 수 있었다"고 설명했다. '자기장 침투 깊이' 실험 프로조로프의 연구 그룹은 저온에서 초전도체를 연구하기 위한 첨단 기술을 전문으로 한다. 그는 이 물질이 초전도 상태를 유지하기 위해 영하 50밀리켈빈(약 -460°F)까지 냉각되어야 한다고 말했다. 프로조로프 연구팀은 미아사이트의 초전도 특성을 분석하기 위해 세 가지 주요 실험을 실시했다. 가장 중요한 실험은 '자기장 침투 깊이(혹은 런던 침투 깊이, London penetration depth)'다. 이 실험은 약한 자기장이 초전도체 표면을 얼마나 깊게 관통하는지 측정해 초전도체 내부로의 자기장 침투 거리를 결정한다. 전통적인 초전도체의 경우, 자기장 침투 깊이는 저온에서 대체로 일정하게 유지된다. 반면, 비전통적 초전도체에서는 이 침투 깊이가 온도 변화에 따라 선형적으로 변화하는 경향을 보인다. 이러한 실험 결과는 미아사이트가 비전통적 초전도체의 성질을 갖는다는 것을 확인했다. 또 다른 실험은 재료 내에 결함을 주기 위해 고에너지 전자를 사용해 물질에 충격을 주는 방식이다. 프로조로프는 이 방법을 지난 10년 간 그의 연구팀이 주로 사용해온 대표적인 기술이라고 설명했다. 이 실험을 통해 재료의 초전도 특성에 미치는 결함의 영향을 관찰할 수 있다. 이 방법은 이온을 그들의 원래 위치에서 밀어내어 결정 구조 내에 결함을 생성하는 것이다. 이러한 결함은 재료의 임계 온도에 변화를 일으킬 수 있는 장애를 만든다. 전통적인 초전도체는 비자기적 장애에 대해 대체로 둔감하기 때문에, 이러한 테스트에서 임계 온도의 변화가 거의 또는 전혀 보이지 않는다. 반면, 비전통적 초전도체는 무질서에 더 민감해, 결함이 일어나면 임계 온도가 변화하거나 억제될 수 있다. 이러한 변화는 재료의 임계 자기장에도 영향을 미친다. 연구팀은 미아사이트에서 임계 온도와 임계 자기장이 비전통적 초전도체에서 예측한 대로 변화한다는 것을 확인했다. 비전통적 초전도체에 대한 이러한 연구는 초전도 현상의 작동 원리에 대한 과학자들의 이해를 심화시킬 수 있다. 프로조로프는 "비전통적 초전도의 메커니즘을 이해하는 것은 초전도 현상을 경제적으로 응용하는 데 있어 핵심적인 역할을 한다"고 강조했다. 이는 초전도 기술의 상용화 가능성을 높이는 데 중요한 기여를 할 수 있다.
- 포커스온
2024-03-15
호주 국립대, 태양보다 5백조 배 더 밝은 퀘이사 발견

호주 과학자들이 지금까지 발견된 블랙홀 중 가장 빠르게 성장하는 퀘이사를 발견했다. 20일(현지시간) 영국 매체 가디언에 따르면 호주 국립대학교(ANU) 연구원들이 발견한 'J0529-4351' 퀘이사는 태양보다 500조 배 더 밝고 질량은 태양계 태양의 약 170억 배에 달한다. 이 퀘이사는 하루에 태양 1개에 해당하는 양을 먹어치운다. 이는 퀘이사가 엄청난 양의 물질을 흡수하고 있으며, 얼마나 빠르게 성장하고 있는지를 보여 준다. '퀘이사'는 일반적으로 '중성자 별에서의 금속 원자 빛발산 현상'을 가리키는 용어다. 중성자 별은 대량의 중성자를 가진 매우 밀도가 높은 별로, 핵심 부분에 남은 것이고, 별의 질량은 태양의 수십배에서 수백배에 이은다. 퀘이사는 중성자 별의 자기장이 매우 강력해주변 공간에 있는 원자들의 전자를 빠져나가게 되고, 이러한 과정에서 원자의 핵심인 금속 원자가 감속되면서 빛을 방출하는 현상을 말한다. 이 빛발산은 주로 X선이나 감마선과 같은 고에너지 전자기파로 나타난다. 즉, 퀘이사는 우주에서 가장 강력한 에너지원 중 하나로, 고에너지 천체물리학 및 천문학에서 중요한 연구 대상이다. 특히 중성자 별의 내부 구조와 속성을 연구하는 데에 있어서 퀘이사는 중요한 정보를 제공한다. ANU 연구팀이 이번에 발견한 퀘이사는 120억 광년 떨어진 곳에 위치하며 강착원반의 크기는 무려 7광년에 달한다. '강착원반'은 블랙홀 주변에서 회전하는 가스와 먼지로 이루어진 원반이다. 연구팀에 따르면 이 퀘이사의 강착원반은 온도가 섭씨 1만도에 달하고 곳곳에 번개가 치고 바람이 매우 빨리 불어 지구를 1초 만에 돌릴 정도로 거대한 자기 폭풍 세포처럼 보인고 한다. 이 퀘이사는 너무 밝아서 처음에는 지구에서 그리 멀지 않은 별로 분류됐다. 하지만 연구팀이 유럽 남부 천문대(ESO)의 초 거대 망원경을 사용하여 관찰한 결과, 이 퀘이사는 실제로는 엄청나게 먼 곳에 위치하고 있음이 밝혀졌다. 연구원들은 이 퀘이사를 '폭풍의 눈에 블랙홀이 있는 거대한 허리케인' 또는 '주 어디에서나 발견한 지옥으로 가는 가장 큰 문'에 비유했다. 이 퀘이사는 대부분의 큰 은하계 중심에 있는 거대한 블랙홀을 연구하는 데 중요하며, 퀘이사 팽창에 대한 이해를 더욱 높일 수 있다. 이번 연구를 주도한 호주 국립대학교의 크리스찬 울프(Christian Wolf) 교수는 "이 지옥같은 장소를 상상하는 것은 충격과 경외의 순간이다. 자연은 우리가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 극단적인 것을 만들어낸다"고 말했다. 이 퀘이사의 이름은 'J0529-4351'이며, 지난 수십 년 동안 '눈에 잘 띄지 않는 곳에 숨어 있다'가 발견됐다. 연구팀은 이 퀘이사를 발견했을 때 놀랍고 경외심을 느꼈으며, 극한 환경에서 물질이 어떻게 행동하는지 연구하는 데 중요하다고 말했다. 또한 우주의 초기 역사를 연구하는 데 도움이 될 수 있다고 한다. 이번 퀘이사의 발견은 우주에는 아직 모르는 것이 너무나 많다는 사실을 보여준다. 앞으로 과학자들이 더 많은 연구를 통해 퀘이사와 블랙홀에 대한 이해를 더욱 높일 수 있을 것으로 보인다.
- 산업
2024-02-21
NASA 망원경, 빠른 라디오 버스트의 놀라운 비밀 포착!

우주에서 전파 폭발이 일어나고 있는 가운데 과학자들은 이 놀라운 현상의 원인을 찾고 있다. 지난 15일(현지시간) 미국 과학전문 매체 싸이테크 데일리에 따르면 최근 미 항공우주국(NASA·나사)의 두 개의 X선 망원경이 빠른 우주 전파 폭발이 발생하기 몇 분 전과 후의 관찰에 성공했다. 이번 관찰은 과학자들이 이러한 전파 폭발을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 빠른 라디오 버스트(FRB)는 1초 미만의 짧은 순간에 태양 1년치 에너지를 방출하는 우주 현상이다. 눈 깜짝할 사이에 거대한 불꽃놀이가 펼쳐지는 것과 비슷하다. 레이저처럼 좁은 방향으로 에너지를 방출하는 빠른 라디오 버스트는 2007년 처음 발견되었지만, 아직 그 원인은 밝혀지지 않았다. 과학자들은 짧은 폭발 시간과 뚜렷한 방향성 때문에 빠른 라디오 버스트의 위치를 정확히 파악하기 어려워 연구에 어려움을 겪고 있다. 2020년 이전에는 먼 은하에서만 관측되었던 빠른 라디오 버스트가 최근 우리 은하계 안에서도 발견됐다. 마그네타라는 강력한 자기장을 가진 별에서 빠른 라디오 버스트가 발생하는 것으로 밝혀졌다. 빠른 라디오 버스트가 마그네타에서 발생하는 이유는 아직 밝혀지지 않았지만 과학자들은 마그네타 표면에서 발생하는 강력한 자기장 재결합, 마그네타 내부의 초유체 붕괴, 마그네타 주변의 플라즈마 와동 등의 가능성을 예상하고 있다. 마그네타는 초신성 폭발 후 남은 죽은 별의 잔해로 이들은 엄청나게 강력한 자기장을 가지고 있다. 이는 태양보다 약 10억 배 이상 강력하다. 마치 거대한 자석과 같은 이 자기장은 주변 환경에 영향을 미치고 심지어 빠른 라디오 버스트를 발생시킬 수도 있다고 과학자들은 지적했다. 2022년 10월, 과학자들은 SGR 1935+2154라는 마그네타에서 또 다른 빠른 라디오 버스트를 관찰했다. 이번 관찰은 국제 우주 정거장(ISS)에 있는 NASA의 니서(Neutron Interior Composition Explorer) 망원경과 낮은 지구 궤도에 있는 뉴스타(Nuclear Spectroscopic Telescope Array/NuSTAR) 망원경의 협력을 통해 자세히 관찰됐다. 이들 망원경은 몇 시간 동안 마그네타를 관찰하해 빠른 라디오 버스트 전후에 소스 물체의 표면과 바로 주변에서 무슨 일이 일어나는지 볼 수 있었다. 연구 결과, 폭발은 마그네타가 갑자기 더 빠르게 회전하기 시작했을 때 두 개의 '글리치(마그네타가 갑작스럽게 회전 속도를 변화시키는 현상)' 사이에서 발생했다는 것을 알게 되었다. SGR 1935+2154는 지름이 약 20km에 불과하며, 초당 3.2회라는 놀라운 속도로 회전하는 마그네타로 이는 표면이 약 11,000km/h의 속도로 움직이고 있는 것과 같다. 이는 서울에서 부산까지 1시간 만에 이동하는 것과 비슷한 속도라고 볼 수 있다. 하지만 2022년 10월 폭발 이후 SGR 1935+2154는 단 9시간 만에 이전 속도보다 느려졌고, 이는 마그네타가 이전보다 약 10배 더 빠르게 속도를 감소시키는 것과 같다. 마치 자동차가 110km/h로 달리다가 9시간 만에 1km/h까지 속도를 줄이는 것과 비슷하다. 연구원들은 이러한 현상이 빠른 라디오 버스트의 생성과 관련이 있을 수 있다고 예상했다. 빠른 라디오 버스트를 생성하는 방법은 아직 밝혀지지 않았지만 과학자들은 여러 가지 가능성을 고려하고 있다. 첫번째로 마그네타가 갑자기 회전 속도를 변화시키는 현상으로, 이 과정에서 에너지가 방출되어 빠른 라디오 버스트를 발생시킬 수 있다. 두번째로 초기 결함으로 인해 마그네타 표면에 균열이 발생하여 화산 폭발처럼 별 내부의 물질이 우주로 방출되었을 수도 있다. 질량을 잃으면 회전하는 물체의 속도가 느려지기 때문에 연구자들은 이것이 마그네타의 급격한 감속을 설명할 수 있다고 생각한다. 세번째로 마그네타의 강력한 자기장 또한 빠른 라디오 버스트의 생성에 영향을 미칠 수 있다. 자기장은 주변 환경에 영향을 미치고, 심지어 입자를 가속하여 에너지 빔을 형성할 수도 있다. 이러한 빔이 다른 물체와 충돌하면 빠른 라디오 버스트를 생성할 수 있다. 그러나 이러한 사건 중 하나만 실시간으로 관찰한 후에도 팀은 이러한 요인(또는 마그네타의 강력한 자기장과 같은 다른 요인) 중 어떤 요인이 빠른 라디오 버스트를 일으킬 수 있는지 확실히 말할 수 없다. 일부는 버스트에 전혀 연결되지 않을 수도 있다. 고다드 우주 비행 센터(Goddard Space Flight Center)의 연구원이자 마그네타 전문 중성자 내부 구성 탐사기(Neutron Interior Composition Explorer) 과학팀의 일원인 조지 유네스(George Younes)는 "빠른 라디오 버스트를 이해하는 데 중요한 것을 의심할 여지 없이 관찰했다"라고 말했다. 그러면서 그는 "하지만 미스터리를 완성하려면 아직 더 많은 데이터가 필요하다고 생각한다"라고 덧붙였다. NASA 망원경은 신비한 심우주 신호 뒤에 숨은 비밀을 밝히는 데 한 걸음 더 다가갔다. 하지만 여전히 많은 미스터리가 남아 있다. 앞으로 더 많은 연구를 통해 빠른 라디오 버스트의 정확한 원인과 메커니즘을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대된다.
- 산업
2024-02-17
오로라, 미국서도 관측 가능⋯태양 활동 증가 영향

최근 태양 활동 증가로 태양 복사 현상, 플레어 발생, 코로나 질량 방출(CME) 현상이 잇따라 발생하며 이번 주 미국 일부 지역에서 북극광(오로라)을 볼 수 있을 가능성이 높아졌다고 미국 매체 더 힐이 12일(현지시간) 보도했다. 전문 용어처럼 들릴 수 있지만, 이는 태양이 11년 주기로 자기극이 반전하는 태양주기 25호의 일환으로 정상적인 현상이다. 더 힐에 따르면 태양은 플레어와 CME과 같은 우주 날씨 현상을 유발하며, CME는 플라즈마와 자기 물질 폭발로 최소 15~18시간 만에 지구에 도달할 수 있다. 미국 해양대기청(NOAA) 우주 날씨 예측센터(SWPC)는 지난 달 현재 태양주기가 최고조에 접근하고 있다고 보고했다. 폭스 뉴스에 의하면, 코로나 질량 방출(CME)이 지구 대기에 도달하기까지는 1일에서 3일이 소요된다. 최근 일주일 동안 나사의 태양 역학 관측소에서는 태양에서 발생한 19개의 CME가 스트리밍되는 모습을 관측했다고 한다. 폭스 뉴스는 지자기 폭풍으로 뉴욕에서 아이다호까지 생생한 오로라 관찰이 가능하다고 전했다. 이와 관련, 지난 주 SWPC는 태양에서 여러 플레어를 감지했지만 이는 주로 고주파 라디오 신호 사용자에게 영향을 미칠 뿐 일반 대중에게는 큰 영향을 미치지 않는다고 밝혔다. 지난 9일 SWPC는 저강도 태양 복사 폭풍 발생을 보고했다. 이는 고주파 라디오 사용자에게만 미미한 영향을 미치고 '우주 발사에 약간의 위험'만 있는 정도이다. 같은 날 SWPC는 극지 흡수(PCA) 현상이 진행 중이라고 보고했다. 이 역시 극지 지역에서 고주파 통신 사용자에게만 영향을 미칠 가능성이 있다. 그러나 지난 11일 SWPC는 여러 CME가 지구에 도달해 지자기 활동이 증가할 가능성이 있다면서 14일까지 지자기 폭풍 주시령을 발표했다. 미 항공우주국(NASA·나사)에 따르면 CME는 지구 자기장에 전류를 생성해 입자들을 북극과 남극으로 보낼 수 있다. 이러한 입자가 산소 및 질소와 상호 작용할 때 북극광을 만들 수 있다. SWPC 프로그램 코디네이터 겸 우주 날씨 예보 기상 학자 빌 머태그는 이전에 넥스트스타(Nextstar)에 "기본적으로 태양이 자석을 우주 공간으로 발사하는 것과 같다"고 말했다. 머태그는 "이 자석은 지구 자기장에 영향을 미치고 우리에게 큰 상호 작용을 가져온다"고 설명했다. 이로한 상호 작용을 지자기 폭풍이라고 한다. 폭풍의 강도는 북극광이 얼마나 남쪽으로 관측될 수 있는지를 결정한다. SWPC는 지자기 폭풍의 강도를 나타내기 위해 G1~G5까지 5점 척도를 사용한다. 가장 낮은 것은 G1이며, 이는 메인 주와 미시간 주 상부 반도에서 오로라가 보이는 경미한 폭풍으로 설명된다. G5 폭풍은 극심한 것으로 북극광을 남미 지역까지 보낼 수 있다. SWPC는 14일까지 CME는 G1~G2 수준의 지자기 폭풍 조건을 일으킬 가능성이 있다고 밝혔다. 이는 드문 일이 아니며, 지난 달 태양 물질 분출이 감지된 후 G2 중간 지자기 폭풍이 지구에 영향을 미쳤다. 이러한 폭풍과 관련하여 일반 대중에게는 특별한 우려 사항이 없지만 미국 북부 지역에 사는 사람들은 북극광을 볼 수 있는 기회가 있다. 현재 SWPC의 예보를 바탕으로 북극광을 볼 수 있는 최적의 시기는 12일 밤이었다. 위의 왼쪽 지도는 12일 예보를 보여준다. 빨간색 영역은 오로라를 볼 가능성이 가장 높은 지역이고 녹색 영역은 가능성이 가장 낮은 지역이다. 지도상 빨간색 선까지 남쪽 지역에 거주하는 사람들은 북쪽 지평선을 향해 볼 경우 여전히 북극광을 볼 가능성이 있다. 알래스카와 캐나다의 여려 지역은 북극과 가깝기 때문에 12일과 13일 오로라를 볼 가능성이 가장 높다. 워싱턴, 아이다호, 몬태나, 와이오밍, 노스다코타, 사우스다코타, 미네소타, 북부 아이오와, 위스콘신, 미시간, 뉴욕, 버몬트, 뉴햄프셔, 메인 주 등 14개 지역이 오로라 관측 가능 지역에 포함된다. 그러나 그 이후 나온 아래의 13일 SWPC의 예보에는 빨간색 영역이 사라져 오로라를 볼 가능성이 거의 없어졌음을 나타냈다. 폭스뉴스는 구름의 영향으로 13일 오로라 관측 가능성이 낮아졌다고 전했다.
- 생활경제
2024-02-13
[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대

미국 과학자들이 온-오프 스위치가 있는 획기적인 초전도체 발견해 에너지 소비 감소의 길을 열었다. 최근 사이테크데일리 보도에 따르면, 워싱턴 대학교와 미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립연구소의 물리학자들이 온-오프 스위치 기능을 갖춘 새로운 초전도체를 발견했다. 초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질이다. 이 특징은 실제로는 매우 낮은 온도, 즉 절대 온도에 가까운 온도에서 유지되는데, 이를 초전도 상태라고 한다. 초전도체는 일반적으로 금속, 합금, 반도체 등 다양한 물질로 만들어질 수 있으며, 소수의 원자 또는 분자 구조에서 유래하는 특정한 전자-전자 상호작용이 초전도 상태를 유발한다. 따라서 초전도는 물질이 전류를 제로 저항으로 전달할 수 있는 양자역학적 상태로, 완벽한 전기 전송 효율을 가능하게 한다. 초전도체는 자기공명영상(MRI), 입자 가속기, 핵융합 반응로, 자기부상열차(마그레브 열차)와 같은 다양한 첨단 기술에서 강력한 전자석으로 활용된다. 또한, 초전도체는 양자 컴퓨팅 분야에서도 중요한 역할을 한다. 이 연구팀은 외부 자극에 반응하여 조절 가능한 독특한 특성을 지닌 초전도 물질을 개발, 에너지 효율적인 컴퓨팅과 양자 기술 발전에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다. 이러한 발견은 첨단 연구 기법을 활용하여 이루어졌으며, 초전도 특성을 미증유의 방식으로 제어할 수 있는 능력을 통해 다양한 산업 응용 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 해당 물질은 향후 산업용 전자제품에서 초전도 회로로의 응용 가능성을 지니고 있다. 연구팀은 고급 광자 소스를 사용해 이 물질의 희귀한 특성을 검증함으로써 효율적인 대규모 컴퓨팅을 위한 새로운 길을 열었다. 산업용 컴퓨팅에 대한 수요가 증가함에 따라, 이에 대응하는 하드웨어의 크기와 에너지 소비의 증가는 주요 과제로 남아 있다. 이러한 문제에 대한 해결책 중 하나로, 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 초전도 소재의 개발이 주목받고 있다. 거대한 데이터 센터를 운영하는 서버의 온도를 대폭 낮춤으로써, 에너지 효율성을 극대화하여 대규모 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있는 가능성을 제시했다. 초전도체란 무엇인가? 초전도체는 저항이 완전히 사라지는 특별한 물질을 말한다. 일반적인 전도체에서는 전기가 흐를 때 내부의 불순물이나 결정 구조 때문에 전자가 충돌하며 에너지를 손실하게 되는데, 이를 전기 저항이라고 한다. 이 저항으로 인해 전기 에너지가 열로 변환되어 손실된다. 그러나 초전도체는 특정 온도(임계 온도) 이하에서 전기 저항이 사라져 전기가 전혀 손실 없이 흐를 수 있게 한다. 초전도 현상은 1911년 헤이케 캄링 온네스에 의해 처음 발견되었으며, 이후 다양한 물질에서 초전도 현상이 관찰됐다. 초전도체는 그 특성으로 인해 많은 고급 기술과 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 초전도체를 이용하면 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있으며, 매우 강력한 자기장을 생성할 수 있어 자기공명영상(MRI) 장비나 입자 가속기, 초전도 자석 등에 활용된다. 초전도체를 만드는 데 필요한 임계 온도는 물질에 따라 다르며, 초기에 발견된 초전도체는 극저온에서만 초전도 현상을 보였다. 그러나 1986년에 발견된 고온 초전도체는 비교적 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타내 연구와 응용의 범위를 크게 확장시켰다. 고온 초전도체의 발견 이후, 상온에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 오늘날의 전자제품은 반도체 트랜지스터를 사용하여 전류를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 정보 처리에 사용되는 2진법과 0진법을 생성한다. 이러한 전류는 전기 저항이 유한한 물질을 통과해야 하므로 에너지의 일부가 열로 낭비된다. 이것이 바로 시간이 지남에 따라 컴퓨터가 뜨거워지는 이유다. 초전도에 필요한 낮은 온도(보통 화씨 영하 200도 이상)로 인해 이러한 소재는 휴대용 장치에 사용하기에는 실용적이지 않다. 하지만 산업적 규모에서는 유용할 수 있다. 워싱턴 대학교의 슈아 산체스가 이끄는 연구팀은 뛰어난 조정 능력을 가진 특이한 초전도 물질을 조사했다. 이 결정은 철, 코발트, 비소 원자로 이루어진 초전도 층 사이에 강자성 유로피움 원자가 평평한 시트를 끼워 만든 결정이다. 산체스에 따르면 자연에서 강자성과 초전도를 함께 발견하는 것은 극히 드문 일이며, 일반적으로 한 단계가 다른 단계를 압도하기 때문이다. 산체스는 "초전도 층이 주변 유로피움 원자의 자기장에 의해 뚫리기 때문에 실제로는 매우 불편한 상황"이라며 "이것은 초전도를 약화시키고 전기 저항을 유한하게 만든다"고 말했다. 초전도 기술의 도전과 혁신 산체스는 아르곤에 있는 DOE 과학부 사용자 시설인 미국 최고의 X-선 광원 중 하나인 APS(Advanced Photon Source)에서 1년간 레지던트로 근무했다. 그곳에서 그는 DOE의 과학 대학원생 연구 프로그램의 지원을 받았다. 산체스는 APS 빔라인 4-ID 및 6-ID의 물리학자들과 협력하여 복잡한 물질의 미세한 세부 사항을 조사할 수 있는 포괄적인 특성화 플랫폼을 개발했다. 산체스와 공동 연구자들은 X-선 기술을 조합해 결정에 자기장을 가하면 '유로피움 자기장 선(europium magnetic field line)'이 초전도 층과 평행하도록 방향을 바꿀 수 있다는 것을 보여줄 수 있었다. 이렇게 하면 길항 효과가 제거되고 저항이 0인 상태가 나타난다. 과학자들은 전기적 측정과 X-선 산란 기술을 사용하여 물질의 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 논문의 공동 저자인 아르곤의 필립 라이언은 "초전도를 제어하는 독립적인 파라미터의 특성은 이 효과를 제어하는 완전한 방법을 계획할 수 있다는 점에서 매우 매력적"라고 말했다. 라이언은 "이 잠재력은 양자 장치의 전계 감도를 조절할 수 있는 능력을 포함하여 몇 가지 흥미로운 아이디어를 제시한다"고 설명했다. 그런 다음 연구팀은 결정에 응력을 가하여 흥미로운 결과를 얻었다. 연구팀은 자기장의 방향을 바꾸지 않고도 자성을 극복할 수 있을 정도로 초전도가 증가하거나 자기장의 방향을 바꾸어도 더 이상 제로 저항 상태를 만들 수 없을 정도로 약화될 수 있음을 발견했다. 이 추가 매개변수를 통해 자성에 대한 소재의 민감도를 제어하고 맞춤 설정할 수 있다. 산체스는 "이 물질은 여러 위상 간의 경쟁이 치열하고, 작은 응력이나 자기장을 가하면 한 위상을 다른 위상보다 높여서 초전도를 켜고 끌 수 있기 때문에 흥미롭다"고 말했다. 그는 "대부분의 초전도체는 쉽게 전환할 수 없다"고 강조했다. '전기의 고속도로' 초전도체 전기가 물을 통과하는 것처럼, 초전도체는 전기가 저항 없이 흐르도록 하는 '전기의 고속도로'라고 비유할 수 있다. 마찰 없이 움직이는 완벽한 롤러 스케이트처럼, 초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 전달한다. 초전도체의 주요 특징은 다음과 같다. 초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 전류가 손실 없이 흐를 수 있다. 또한 초전도체는 외부 자기장을 완전히 배척하는 마이스너 효과를 나타내며, 외부 자기장에 반대되는 방향의 자기장을 형성하는 반자성을 띠고 있다. 앞으로 활용 분야가 다양한 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전기를 손실 없이 먼 거리까지 효율적으로 송전하는 데 사용될 수 있다. 초전도체를 활용한 MRI 기계는 강력한 자기장을 생성하여 인체 내부를 상세히 이미징할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 또한, 초전도체를 사용한 마그레브 열차는 마찰이 없어 고속으로 운행될 수 있는 가능성을 제시한다. 마그레브 열차는 자기 부상 기술을 사용하여 레일과 접촉 없이 운행하는 열차다. '마그레브(Maglev)'는 '자기부상(Magnetic Levitation)'의 줄임말로, 강력한 자석을 사용하여 열차를 공중에 띄워 마찰을 거의 없애고 이동한다. 이 기술 덕분에 마그레브 열차는 기존의 바퀴를 사용하는 철도 시스템보다 훨씬 더 높은 속도로 운행할 수 있으며, 소음과 진동이 현저히 줄어들어 매우 부드럽고 조용한 탑승 경험을 제공한다. 마그레브 열차는 전기를 사용하여 강력한 전자기장을 생성하고, 이 전자기장이 열차를 들어 올리고, 추진하며, 안내하는 데 사용된다. 세계 여러 나라에서 이 기술을 연구하고 개발해 왔으며, 중국의 상하이 마그레브 열차와 일본의 초고속 마그레브 열차 시스템 등이 실제 운영되고 있는 대표적인 예다. 상하이 마그레브는 공항과 도심을 연결하는 노선으로 사용되며, 시속 430km에 달하는 속도로 운행된다. 양자 컴퓨팅 분야에서는 초전도체가 초전도 비트(큐비트·qubit)의 생성에 필수적인 역할을 한다. 큐비트 또는 퀀텀 비트는 양자 정보시스템에서 사용되는 최소 정보 단위로 0이나 1 뿐만 아니라 0과 1 어느 쪽도 확정 지을수 없는 상태까지 표현가능하다. 비록 초전도체 기술이 개발 초기 단계에 있지만, 이 기술은 미래 사회에 중대한 변화를 가져올 수 있는 높은 잠재력을 지니고 있다. 참조: '스트레인 전환 가능한 전계 유도 초전도' 작성자: Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabbris, 최용성, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor I. Mazin, 김종우, 주준호 및 Philip J. Ryan, 2023년 11월 24일, 사이언스 어드밴시스. DOI: 10.1126/sciadv.adj5200
- 포커스온
2024-02-01
지구와 닮은 행성, 73광년 거리서 발견⋯가장 젊은 행성

지구와 닮은 행성이 73광년 거리에서 발견돼 천문학자들을 흥분시키고 있다. 이번에 새롭게 발견된 행성은 미국 항공우주국(NASA·나사)의 천체 탐사 위성 TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)에 의해 감지됐다. TESS 위성은 태양계를 넘어서는 광대한 우주 공간에서 다수의 거대 행성들을 탐지해 왔다. 그 중에는 이번 발견을 포함해 같은 행성계 내에 위치한 두 개의 다른 행성들도 포함되어 있다. 영국 매체 인디펜던트(independent)는 나사의 TESS 위성이 발견한 HD 63433d로 명명된 이 신비한 행성이 지금까지 발견된 지구 크기 행성들 중에서 가장 젊고 가장 인접한 위치에 있다고 전했다. 이번 지구형 행성 발견의 의미는 매우 크다. 연구진은 이 행성의 근접성이 지구과학에 중대한 발견을 이끌어낼 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 연구의 공동 책임자 중 한 명인 위스콘신 매디슨 대학의 멜린다 소아레스-푸르타도(Melinda Soares-Furtado) 연구원은 "우리는 지구의 초기 모습을 닮은 이 신세계를 면밀히 관찰할 기회를 가질 것"이라며, "이 행성이 초기 지구의 특성을 갖고 있을 가능성이 있어, 그 가치가 매우 크다"고 말했다. 연구진은 이 행성에 대한 면밀한 관찰을 통해 내부적인 가스 배출 여부와 자기장 작동 메커니즘 등을 파악할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 소아레스-푸르타도 박사는 이 발견의 중요성을 강조하며, "이것은 우리 태양계와 가까운 공간에서 일어나는 매우 흥미로운 현상"이라고 말했다. 그러면서 "이렇게 가까이 있는 복잡한 천체 시스템이 우리에게 어떤 정보를 제공할 수 있을지, 또한 이 젊은 별 그룹에 속한 다른 유사한 별들 중에서 행성을 찾는 연구가 어떻게 우리의 지식을 확장하는데 도움이 될 수 있을지에 대해 깊이 고민하고 있다"고 전했다. 그러나 이 행성과 지구 간의 유사점은 한계가 있다. 이 행성은 별에 대해 조석 고정 상태로 존재하여, 항상 같은 면만을 향하고 있는 것으로 추정된다. 이로 인해 한쪽 면의 온도는 1260℃(화씨 2300도)에 이를 수 있으며, 이는 지표면이 용암으로 뒤덮여 있을 수 있음을 의미한다. 이 신비로운 행성은 HD 63433이라는 별 주변에서 발견된 세 번째 행성으로, 이에 따라 명명되었다. 이 행성은 우리의 태양과 크기와 종류가 유사하나, 연령 면에서 훨씬 젊은 특징을 지니고 있다. 게다가 불과 73광년 거리에 위치한 HD 63433d행성은 쌍안경을 통해서도 관찰이 가능하다는 점이 놀라움을 자아낸다. 이 행성은 지구의 크기와 유사하며, 지름은 지구의 1.1배 정도이다. 이 행성이 공전하는 별은 태양의 크기의 91%, 질량의 99%에 달해 태양과 상당히 유사한 특성을 보인다. 이번 행성 발견은 천문학 저널에 'TESS 젊은 외계 행성 탐사(THYME)'라는 제목의 논문으로 소개됐다. 이 연구는 천문학계에 새로운 지평을 열며, 우주에 대한 인류의 지식 확장에 중요한 기여를 하고 있다.
- 생활경제
2024-01-22
우주에서 쏟아지는 다이아몬드 비⋯자기장 형성 열쇠?

다이아몬드는 지구에서 가장 귀중한 보석 중 하나이지만, 천왕성과 해왕성과 같은 거대 얼음 행성에서는 대기 중에서 비처럼 쏟아져 내릴 것으로 예상된다는 가설이 제기됐다. 과학기술 전문 매체 ifl사이언스와 엔디티비(NDTV)에 따르면 전통적으로 다이아몬드 형성에는 매우 높은 온도와 압력이 필요하다고 여겨져 왔지만, 최근의 연구는 다이아몬드가 지구보다 낮은 온도와 압력 조건에서도 형성될 수 있음을 시사한다. 최근 미국 SLAC 국립가속기연구소와 독일의 DESY 연구소, 헬름홀츠 센터 드레스덴-로젠도르프와 같은 국제 연구팀이 천왕성과 해왕성의 대기권과 유사한 조건을 실험실에서 재현하여 다이아몬드 생성 실험을 진행했다. 연구팀은 폴리스티렌 필름에 다이아몬드 모루를 사용하여 2200℃(화씨 3992도) 이상의 온도와 지구의 해수면 대기압의 약 100만 배에 해당하는 압력을 가했다. 이 실험 조건은 천왕성과 해왕성의 대기권 깊은 곳에서 발견될 수 있는 조건과 유사한 것으로, 과학자들은 이를 통해 다이아몬드가 형성되는 과정을 연구했다. 이후, 고에너지 X선을 사용하여 폴리스티렌 필름을 가열했다. 이 X선은 필름 내의 탄소 원자를 활성화시켜 다이아몬드로 변환하는 데 중요한 역할을 했다. 이 과정을 통해 연구팀은 폴리스티렌 필름에서 다이아몬드를 형성하는 데 성공했다. 이 다이아몬드는 천왕성과 해왕성의 대기권에서 형성되는 다이아몬드와 같은 구조와 특성을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다. 이 연구 결과는 전통적인 다이아몬드 형성에 대한 이해를 바꾸는 중요한 발견이다. 기존에는 다이아몬드 형성에는 매우 높은 온도와 압력이 필요하다고 여겨졌었다. 그러나 이번 연구는 다이아몬드가 더 낮은 온도와 압력에서도 형성될 수 있음을 보여줬다. 이는 천왕성이나 해왕성과 같은 거대한 얼음 행성의 대기권에서 다이아몬드가 어떻게 형성되는지에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 천문학과 우주 과학 분야에 중요한 영향을 미칠 것으로 기대된다. 다이아몬드 비가 형성되는 이유 천왕성과 해왕성의 대기권은 지구의 대기권보다 훨씬 깊고 뜨겁다. 이러한 조건에서는 수소, 헬륨, 메탄, 아르곤 등의 기체가 높은 압력과 온도에 의해 액체 상태로 변환된다. 이 액체 상태의 기체들은 천왕성과 해왕성의 내부에서 바깥쪽으로 이동하면서 점차 식게 된다. 이 과정에서 액체 상태의 기체들은 다시 고체 상태로 변하게 되는데, 이때 탄소 원자들이 모여 다이아몬드 결정을 형성한다. 이렇게 형성된 다이아몬드는 대기 중에서 무거운 물체처럼 가라앉게 되며, 이를 '다이아몬드 비'라고 부른다. 다이아몬드 비는 지구에서는 발생하지 않는다. 지구의 대기권은 천왕성이나 해왕성 대기권보다 훨씬 얇고 차가워 이러한 과정이 일어나지 않기 때문이다. 다이아몬드 비와 자기장 형성 연구팀의 수석 저자인 멍고 프로스트 박사는 "다이아몬드 비는 천왕성과 해왕성의 복잡한 자기장의 형성에 영향을 미쳤을 가능성이 있다"고 말했다. 프로스트 박사의 연구에 따르면, 천왕성과 해왕성의 대기권에는 다이아몬드가 풍부하게 존재할 것으로 추정된다. 다이아몬드는 전기를 잘 전달하는 성질을 가지고 있기 때문에, 이 물질이 대기권을 통해 이동하며 자기장 생성에 기여했을 가능성이 제기됐다. 프로스트 박사는 "이번 연구는 거대 얼음 행성에 대한 우리의 이해를 크게 확장시킬 것"이라고 말했다. 더 나아가, 다이아몬드 비와 자기장 형성에 대한 추가 연구는 이러한 거대 얼음 행성들의 신비를 더욱 깊게 탐구하는 데 도움이 될 것이다. 다이아몬드 비는 우주의 또 다른 매혹적인 현상으로, 향후 추가 연구를 통해 이 현상에 대한 더 많은 정보를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 산업
2024-01-18
해왕성과 천왕성, 옅은 청록색의 진실

우리 태양계의 바깥쪽 가장자리에 있는 얼음 거성인 해왕성과 천왕성의 색깔이 이전에 생각했던 것보다 더 유사할 수 있다는 새로운 연구 결과가 나왔다. 미국 CNN에 따르면, 옥스퍼드 대학의 행성 물리학 교수 패트릭 어윈과 그의 팀은 허블 우주 망원경과 초대형 망원경의 데이터를 사용하여 보이저 2호가 찍은 해왕성과 천왕성의 이미지를 재구성한 결과, 두 행성 모두 옅은 청록색을 띠고 있음을 발견했다. 두 행성 모두 대기 안개가 있지만, 해왕성은 연무층이 더 얇기 때문에 약간 더 파랗게 보인다. 연구팀은 "우리의 모델을 원본 데이터에 적용하여, 우리는 해왕성과 천왕성의 색깔에 대한 가장 정확한 표현을 재구성할 수 있었다"고 말했다. 이 연구 결과는 왕립천문학회 월간지(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)에 발표되었다. 천왕성 색깔 변화, 연무층 두께 변화 때문 천왕성의 색깔은 태양 주위를 공전하는 동안 변화한다. 1950년대에는 옅은 청록색을 띠었지만, 2010년대에는 더 짙은 청색으로 변했다. 이 변화의 원인은 천왕성의 극지방에 있는 연무층의 두께 변화 때문으로 밝혀졌다. 천왕성의 1년은 지구의 84년과 같다. 지구는 하지와 동지에는 더 푸르게 보이지만 춘분에는 더 푸른 색조를 띤다. 천왕성은 옆으로 회전하기 때문에 동지 동안 행성의 극 중 하나가 지구와 태양을 가리킨다. 미국 애리조나주에 있는 로웰 천문대는 1950년부터 2016년까지 천왕성의 이미지를 촬영하고 밝기를 측정했다. 연구팀은 이 데이터를 사용하여 천왕성의 색깔 변화를 분석했다. 연구팀은 천왕성의 극지방과 적도 지역의 빛 데이터를 비교하는 모델을 개발했다. 이 모델은 극지방이 녹색과 적색 파장의 빛에서 더 잘 반사되는 것을 보여주었다. 또한, 연구팀은 천왕성의 동지 동안 극지방에 메탄 얼음으로 만들어진 연무층이 두꺼워지는 것을 관찰했다. 연구팀은 이러한 결과를 바탕으로 천왕성이 동지에 더 푸르게 보이는 이유에 대해 설했다. 얼음 거인, 미스터리 속으로 태양계의 바깥쪽 가장자리에 있는 두 얼음 거성, 해왕성과 천왕성은 아직 많은 미스터리를 품고 있다. 최근 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)은 천왕성의 새로운 초상화를 공개했다. 이 초상화는 천왕성의 종종 보이지 않는 고리와 대기의 숨겨진 특징을 보여준다. 초상화에서 가장 눈에 띄는 특징은 천왕성의 고리이다. 천왕성의 고리는 토성의 고리보다 훨씬 희미하고 얇다. 초상화는 천왕성의 고리가 총 13개임을 보여주며, 그 중 11개를 구분할 수 있다. 초상화는 또한 천왕성 대기의 다양한 색상을 보여준다. 천왕성의 대기는 주로 수소와 헬륨으로 이루어져 있지만, 메탄과 아산화질소도 함유하고 있다. 메탄은 천왕성의 대기에 푸른 색을 띠게 한다. 연구자들은 천왕성에서 오는 X선을 감지하기도 했다. X선은 천왕성의 대기 상층부에서 발생하는 것으로 보인다. 보이저 2호 데이터를 분석한 결과, 천왕성의 자기장이 거대한 플라스모이드를 형성하고 있다는 사실도 밝혀졌다. 이 플라스모이드는 행성 대기의 일부를 잘라내어 우주로 날려 보낼 수도 있다. 연구팀은 앞으로 수십 년 동안 천왕성 시스템을 탐사하는 것이 우주 기관의 최우선 과제라고 말했다. 지구 기반 연구는 이러한 미래 임무의 발견을 더 넓은 맥락에서 이해하는 데 도움이 될 것이다.
- 산업
2024-01-13
나사 주노 탐사선, 목성 위성 '이오' 초근접 비행…화산 활동 원인·패턴 규명 기대

미국 항공우주국(NASA·나사)의 주노 우주선이 목성의 위성 이오(Io)에 대한 대담한 초근접 비행을 통해 화산 활동의 원인과 패턴을 탐구할 수 있는 새로운 기회의 문을 열었다고 과학 기술 전문 매체 퓨처리즘이 지난 7일(현지시간) 보도했다. 나사에 따르면 주노 우주선은 지난주 태양계에서 가장 활발한 화산 활동을 보이는 이오에 20년 만에 가장 근접한 비행을 실시했다. 이 과정에서 주노는 이오의 변화무쌍한 표면과 화산 활동의 새로운 이미지를 포착했다. 주노 우주선은 지구 저궤도를 벗어나 이오의 표면에서 약 930마일(약 1497미터) 이내까지 접근했을 가능성이 높은 것으로 알려졌다. 나사는 이번의 드문 초근접 비행을 통해 주노 우주선의 장비가 아주 풍부한 데이터를 축적했을 것으로 기대하고 있다. 주노, 이오 위성 20년 만에 초근접 촬영 이미 주노가 포착한 사진들은 이오의 화산 활동의 실체를 드러내는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다. 이 사진들에는 유황으로 덮인 평원과 드문드문 솟아 있는 이오의 산들이 선명하게 포착됐다. 이는 갈릴레이 위성의 노란색과 갈색 색조에 대한 이해를 높이는 데 기여할 것이다. 또한, 목성에서 반사된 햇빛 덕분에 달의 어두운 면도 관찰될 수 있었다. 이번 근접 비행은 태양계 탐사에서 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다. 사우스웨스트 연구소의 물리학자이자 주노 탐사선의 수석 연구원인 스콧 볼튼은 최근 뉴욕 타임스와의 인터뷰에서 이오 표면의 다양한 지형을 페퍼로니 피자에 비유하며 "경외감을 느꼈다"고 말했다. 이오, 뜨거운 용암 분출 위성 태양계에서 화산 활동이 가장 활발한 목성의 위성중 하나인 이오는 뜨거운 온도로 유명하다. 천문학자들은 이오의 지각 아래에 마그마의 바다가 존재한다고 믿고 있으며, 주노의 데이터를 통해 이를 확인할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이오의 열은 거대한 조석력에 의해 더욱 증폭되는 것으로 알려져 있다. 이오가 목성과 다른 위성들 사이의 중력적 힘겨루기의 중심에 위치해 마그마를 뒤흔들고, '조석 가열'이라는 현상을 통해 엄청난 마찰열을 생성한다고 한다. 이오는 갈릴레이 위성들과 달리 물이 존재하지 않지만, 그 대신 전혀 다른 형태의 액체인 용암이 흘러내린다. 이 용암의 흐름은 이오의 중요한 특징 중 하나이고, 때때로 수백 개의 화산이 장관을 이루며 분출하는 광경을 연출한다. 이 용암은 이오의 내부(마그마로 추정되는 바다)에서 끊임없이 표면으로 흘러나와 정기적으로 이전에 없던 완전히 새로운 표면을 만들고, 용암 호수로 메운다. 과학자들은 주노를 통해 이러한 화산 현상의 원인과 어떤 패턴이 있는 지를 탐구하고 있다. 볼튼은 비행 완료에 앞서 성명을 통해 "이번 비행에서 얻은 데이터와 이전 관측 자료를 결합하여 주도 과학팀은 이오의 화산이 어떻게 변화하는지 연구하고 있다"고 설명했다. 그는 "우리는 화산이 얼마나 자주 분출하는지, 얼마나 밝고 뜨거운지, 용암 흐름의 모양이 어떻게 변하는 지, 그리고 이오의 활동이 목성 자기권의 하전 입자의 흐름과 어떻게 연결되어 있는지 찾고 있다"고 말했다. 주노 우주선은 오는 2월 3일 목성을 다시 한번 '초근접' 촬영할 예정이다. 이는 7년 넘게 궤도를 돌면서 57번째로 목성을 근접 비행하는 임무가 될 것이다. 한편, 목성은 태양계의 다섯번째 행성이자 가장 큰 행성으로 종종 행성의 왕으로 불린다. 목성은 4개의 갈릴레이 위성을 포함해 최소 500개의 위성이 있는 것으로 알려져 있다. 일부 과학자들은 목성이 최대 600개의 위성을 가지고 있다고 추산하기도 한다. '갈릴레이 위성' 또는 '갈릴레오 위성'은 1610년 과학자 갈릴레이 갈릴레오가 목성 주변에서 발견한 4개의 위성을 말한다. 이들 위성은 이오, 에우로페, 가니메데, 칼리스토 등 제우스(목성의 이름)의 연인의 이름을 따서 지었다. 주노(Juno) 우주선은 나사의 목성 탐사선으로 2011년 8월 5일 뉴 프런티어의 일환으로 케이프커내버럴 공군 기지에서 발사됐다. 극 궤도에 존재하는 성분과 중력장, 자기장 등을 조사하는 임무를 맡았다. 그밖에 목성의 대기에 존재하는 물의 양과 바위 응어리 존재 여부, 행성의 질량 분포, 시속 600km에 도달할 수 있는 목성의 대기 조사 등의 임무를 수행하고 있다. 오는 2024년 2월 3일 58번째로 이오 위성을 근접 통과할 예정이며 2025년 9월 2차 탐사 확장 계획이 종료된다.
- IT/바이오
2024-01-09
미국 민간 우주 기업, 2024년 나사 대신 달 탐사 주도

인도와 중국을 비롯해 글로벌 달 탐사 경쟁이 치열해지는 가운데 미국 민간 우주기업들이 올해 미국 항공우주국(NASA·나사) 대신 탐사를 주도한다. 미국 우주 기업들은 올해 5차례 나사와 다른 고객들을 위해 달 착륙을 시도할 예정이라고 월스트리트저널(WSJ)과 CNN 등 다수 외신이 7일(이하 현지시간) 보도했다. WSJ에 따르면 올해는 미국 민간 우주기업들이 제작한 우주선 5대가 나사 장비를 탑재하고 달 착륙에 나설 예정이다. 가장 먼저 8일 오전 중 우주기업 아스트로보틱(Astrobotic)의 무인 우주선이, 2월에는 또 다른 기업 인튜이티브 머신(Intuitive Machines)의 우주선이 각각 발사될 예정이다. 이들 팀사선 중 어느 것 하나라도 성공한다면 미국으로서는 1972년 이후 50년 만에 처음으로 달 표면에 재착륙하게 된다. CNN은 "나사는 2023년부터 가열되기 시작한 새로운 국제 우주 경쟁에서 미국이 달에 존재감을 드러낼 수 있도록 이러한 민간 개발 달 착륙선의 소량 개발을 후원하고 있다"고 전했다. 아스트로보틱의 로봇 달 팀시 우주선 ‘페레그린((Peregrine))’은 8일 오전 2시 18분(동부 표준시)에 플로리다의 케이프 커내버럴 우주 기지에서 ULA 벌컨 센타우로켓에 실려 발사될 예정이다. 아스트로보틱의 CEO 존 손튼을 비롯한 우주 산업 전문가들은 우주선을 달에 성공적으로 착륙시킬 수 있는 확률이 반반이라며 동전 던지기에 비유했다. 손튼은 지난 1월 2일 CNN과의 전화 인터뷰에서 "이것은 50 대 50의 확률로 목표에 도달하는 것과 같은 접근 방식이며, 특정 임무가 아니라 업계 전체의 성공이 더 중요하다"라고 말했다. 그러면서 손튼은 "우리는 이 임무에 우리가 할 수 있는 모든 것을 쏟아 부었다"고 덧붙였다. 페레그린은 세계에서 가장 빨리 나는 새인 매의 이름을 딴 것으로, 2월 23일에 착륙을 시도하기 전에 달 궤도에서 일정 시간을 보내게 된다. 현재 우주탐사선의 달 착륙은 전 세계적인 경쟁을 부르고 있다. 인도는 지난해 8월, 달 탐사선 '찬드라얀-3호'를 달 남극에 성공적으로 착륙시켜 전 세계의 주목을 받았다. 이로써 인도는 중국, 구소련, 미국에 이어 달에 우주선을 착륙시킨 네 번째 국가가 됐다. 일본은 지난해 9월 우주 공간으로 발사한 자국 최초의 달 탐사선 '슬림'(SLIM)을 이달 하순에 착륙시킬 예정이다. 러시아는 지난해 달 탐사선을 쏘아 올렸으나 착륙에 실패했다. 러시아는 1976년 달 탐사선인 루나 24(Luna-24) 이후 47년 동안 어떤 러시아 우주선도 달 궤도에 재진입하지 못했다. 미국과 중국은 우주인들을 달 표면에 보내 궁극적으로는 영구 정착지를 개발하기 위해 노력하고 있다. 21세기 들어 지금까지 인도와 중국 만이 달에 연착륙했다. 특히 나사는 올해의 경우 민간업계가 미국 착륙선의 설계와 운영을 주도하도록 하고 있다. 이는 전통적으로 나사가 달 탐사 업무를 관리해오던 방식에서 벗어난 것이라는 게 WSJ의 설명이다. 나사는 1969년을 시작으로 우주비행사를 여러 차례 달에 보냈던 아폴로 프로그램 기간 수십만 명의 직원과 막대한 예산에 의존해 전체 과정을 주도했다. 하지만 이제 나사는 공급자보다는 고객으로서, 더 적은 자금을 투입하기를 희망하고 있다. 나사는 상업적으로 개발된 로봇 착륙선을 사용하여 빠르게 따라잡을 수 있기를 기대하고 있다는 것. 나사는 페레그린 외에도 텍사스에 본사를 둔 파이어플라이 에어로스페이스 및 인튜이티브 머신즈와 계약을 맺고 있다. 인튜이티브는 빠르면 2월 중순에 달 착륙선을 발사할 수 있다. 이러한 계약은 모두 NASA의 상업용 달 탑재체 서비스 프로그램의 일환으로, 특히 아폴로 시대의 착륙선을 만드는 데 수십억 달러가 소요된 것과 비교하여 달 착륙선 제작 비용을 대폭 낮추는 것을 목표로 한다고 CNN은 전했다. 페레그린과 다른 CLPS 착륙선은 훨씬 더 저렴하게 설계됐으며, 나사는 파트너 회사에 단 한 번의 고정 가격 계약만 체결하기로 합의했다. 예를 들어, 이 임무에 대한 아스트로보틱(Astrobotic)의 계약은 총 1억 8000만 달러로, 이는 나사가 처음에 약속한 것보다 더 많은 금액이다. 기관 관계자는 팬데믹으로 인해 계약이 재협상되었다고 말했다. 손튼은 CNN에 "이것은 새로운 가격대에 도달하기 위해, 패러다임을 깨기 위해 달 표면으로 보내질 많은 비교적 저렴한 임무 중 하나다"라고 말했다. 우주인들이 국제우주정거장(ISS)을 오가도록 하는 데 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)가 이끄는 스페이스X를 활용하는 등 나사는 일부 작업을 민간 기업들로 옮기고 있다. 나사로서는 민간기업 의존을 늘려나가면서 비용을 줄일 계획이지만, 이 같은 외부 의존이 이전의 '과학'에 따른 자체 접근법보다는 리스크는 더 있을 것으로 보고 있다. 또한 달 탐사 작업은 거리나 달 지형을 포함해 많은 어려움이 있다. 대표적인 예로는 지난해 일본 기업 아이스페이스(ispace)와 러시아의 달 착륙 시도가 모두 실패했다. 미국도 달 탐사선 발사 지연과 함께 기술적 문제에 직면해 있다. 8일 발사 예정인 페레그린은 록히드 마틴과 보잉의 합작사인 유나이티드 론치 얼라이언스(ULA)가 개발한 차세대 로켓 '벌컨'에 탑재돼 달을 향한 여정을 시작한다. 페레그린은 '끈적끈적한 만(Bay of Stickiness)'이라고도 불리는 달의 부비동(Sinus Viscositatis) 지역으로 향하고 있다. 페레그린호에는 독일, 멕시코, 영국 등 다른 국가의 과학 실험과 상업용 화물도 실릴 예정이다. 특히, 페레그린은 미국 최대 아메리카 원주민 집단인 나바호족의 반발을 불러일으킨 두 개의 상업용 우주 매장 업체인 엘리시움 스페이스와 셀레스티스를 대신해 인간의 유해를 운반할 예정이다. 이 단체는 유골이 달 표면에 착륙하는 것을 허용하는 것은 달을 신성하게 여기는 많은 원주민 문화에 대한 모독이라고 주장한다. 셀레스티스는 웹사이트를 통해 약 1만 3000달러부터 시작하는 가격으로 유골을 달로 운반하겠다고 제안했다. 이 우주선은 미래 우주 비행사를 위한 방사선 위험 측정 장치를 포함해 여러 나사 장비를 탑재하고 다음 달 23일 달 착륙을 시도할 예정이다. 아스트로보틱 측은 올해 말에 착륙선 그리핀(Griffin)을 추가로 발사할 예정이다. 여기에는 달의 얼음 퇴적물을 연구하는 나사의 로버(rover)가 실리게 된다. 이 탐사선은 달의 남극에서 21세기 우주 경쟁의 핵심인 '물 얼음(Water ice·수빙)'을 찾기 위해 탐사할 계획이다. 물 얼음은 미래 우주비행사의 식민지를 유지하는 데 사용되거나 더 깊은 우주로 향하는 임무를 위한 로켓 연료로 전환될 수 있다고 CNN은 설명했다. 이어 2월에는 휴스턴에 본사를 둔 인튜이티브 머신의 노바-C 우주선이 스페이스X의 팰컨9 로켓에 탑재돼 발사될 계획이다. 이 우주선에는 달 착륙 중에 솟아오르는 잔해 기둥을 연구하는 장치와 같은 나사 장비들이 실려있다. 인튜이티브 머신 측은 올해 말에 두 번째 노바-C 우주선을 보낼 예정이다. 이들 외에 텍사스주 오스틴 부근에 본사를 둔 파이어플라이 에어로스페이스(Firefly Aerospace)가 스페이스X 로켓을 이용해 블루 고스트(Blue Ghost) 우주선을 발사해 올해 달에 착륙하도록 할 계획이다. CNN은 나사의 달 탐사 노력의 초석은 아르테미스 프로그램을 통해 인간이 달 표면으로 돌아갈 수 있는 길을 닦는 것이라면서 나사는 빠르면 2024년 말부터 우주비행사를 달에 보내 달을 비행하는 임무를 수행한 후 10년 후 인간을 지표면으로 귀환시키는 것을 목표로 하고 있다고 덧붙였다. 한편, 일본의 첫 달 탐사선 '슬림'(SLIM)이 오는 20일 첫 달 착륙을 시도한다. 슬림은 지난 9월 발사돼 지난 달 25일 달 궤도에 진입했으며, 일본 현지시각으로 오는 20일 오전 0시 20분께 달 착륙을 시도한다. 만약 이때를 놓치면, 다음 달 16일 다시 착륙을 시도할 계획이라고 한다. 현재 나사 관계자들은 중국의 적극적인 달 탐사에 긴장하고 있다. 중국은 우주 탐사가 모든 국가와 인류에 이익이 돼야 한다고 주장하면서 최근 수년간 달 표면에 연구 장비들을 보내고 있다. 중국의 경우, 자국의 달 탐사 프로젝트의 일환인 '창어 6호'를 통한 달 착륙을 계획하고 있다. 창어 6호는 오는 5월, 달 뒷면으로 가서 암석과 먼지 샘플 등을 수집해 지구로 가져올 것으로 예상된다. 달 표면 채취는 세계적으로 모두 10차례 이뤄졌지만, 모두 달 앞면에서 진행됐다. 나사는 특히 중국이 달 남극 근처에 있는 수백만톤의 얼음과 수자원, 광물 등을 선점해 지속적으로 주둔할 수 있는 기반을 마련할 가능성에 대해 우려하고 있다. 렌슬리어 폴리테크닉 대학(RPI)의 샌딥 싱 조교수는 나사가 달 착륙 임무를 민간이 기업에 맡기면 민간 기업의 기술 개발을 촉진할 수 있을 것이라며 "더 일찍 했더라면 더 이른 시기에 달에 되돌아갈 수 있었을 것"이라고 WSJ에 말했다. 아스트로보틱의 CEO인 손튼은 CNN과의 인터뷰에서 이번 착륙 시도는 회사 직원들이 16년간의 노력의 정점을 찍는 초현실적인 순간이 될 것이라고 말했다.
- 산업
2024-01-08
한화시스템, AI·빅데이터로 기뢰 탐지·제거 효율↑

한화시스템이 인공지능(AI)과 빅데이터 기술을 활용하여 기뢰 탐지체계 개발에 착수한다. 한화시스템은 15일 국방신속획득기술연구원과 약 280억원 규모의 '빅데이터를 이용한 AI 기반 자동 기뢰 탐지체계 신속 시범사업 협약'을 체결했다고 발표했다. 이번 협약에 따라 한화시스템은 2년간의 연구개발(R&D)과 2년간의 연구개발(R&D)과 약 6개월의 군 시범 운용을 거쳐 '함상 인식용 자동 기뢰 탐지체계'와 '육상 학습용 자동 기뢰 탐지체계'를 개발하여 해군에 공급할 예정이다. 바다 속에서 발견되는 기뢰는 복잡하고 다양한 해양 환경 때문에 육상 지뢰보다 탐지하기 어렵다. 이로 인해 함정과 상선에 큰 위협이 되고 있다. 한화시스템은 다양한 해저 환경과 기뢰에 관한 빅데이터를 최신 AI 딥러닝 기술을 통해 분석하여 신속하고 정확한 지뢰 탐지 및 대응 전략 체계를 개발할 예정이다. 이 체계는 해군에 제공되어 사용될 계획이다 장희선 국방신속획득기술연구원 신속시범사업부장은 "이번 사업을 통해 민간의 첨단기술이 해군에 빠르게 도입돼 무인수상정, 해양 드론, 수중 로봇 등 미래 해군의 핵심 전력 구축을 촉진할 수 있기를 기대한다"고 말했다. 박도현 한화시스템 지휘통제사업대표는 "해양 유·무인 복합 체계와 관련된 핵심 기술을 고도화하고, 가격 경쟁력을 갖추어 수출 시장 개척에도 주력하겠다"고 말했다. 한편, 기뢰(Mine)는 바닷속의 지뢰라고 할 수 있는 해상에서 사용되는 일종의 폭발물이다. 주로 해군 전쟁에서 사용되며, 선박이나 잠수함을 파괴하거나 적의 해상 활동을 제한하기 위해 설계됐다. 기뢰는 크게 두 가지로 나뉜다. 접촉 기뢰(Contact Mines)와 영향 기뢰(Influence Mines)다. 접촉 기뢰는 물속에 떠다니며, 선박이나 잠수함이 직접 접촉하면 폭발한다. 접촉 기뢰는 일반적으로 해안 근처나 적국의 항구 입구에 배치되어 적 선박의 접근을 방해하는 데 사용된다. 영향 기뢰는 접촉이 아닌, 선박이나 잠수함이 발생시키는 영향(예: 자기장, 음파, 수압 변화)을 감지하여 폭발한다. 영향 기뢰는 더 정교하며, 특정 종류의 선박이나 잠수함에 대응하여 폭발하도록 프로그래밍될 수 있다. 기뢰는 전쟁 중뿐만 아니라 전쟁 후에도 큰 위험을 가지고 있다. 전쟁이 끝난 후에도 해저에 남아 있는 기뢰는 해상 교통과 어업 활동에 심각한 위험을 초래할 수 있으며, 때로는 인명 피해를 유발하기도 한다. 따라서 전쟁이 끝난 후에는 해군과 전문 기관이 기뢰 제거 작업을 수행하여 해양 안전을 확보해야 한다.
- 산업
2023-12-15