포커스온경제

양자컴퓨터 기술이 발전되면서 시간 여행에 대한 주제가 꾸준히 거론되고 있다. 영화에서는 '백 투더 퓨처(Back to the Future)'에서 보는 것처럼 그동안 과거와 미래를 자유자재로 시간 여행을 하는 장면이 주로 묘사돼 왔다. 과학 기술 전문매체 디브리프(The DEBRIEF)는 지난 10월 13일 과학자들이 실제로 과거를 바꿀 수 있는 역방향 시간 여행을 25%의 확률로 성공적으로 시뮬레이션했다고 보도했다. 디브리프에 따르면 양자 영역의 특이한 특성을 활용하려는 과학자들은 역방향 시간 여행 방법을 성공적으로 시뮬레이션하여 25%의 성공률인 4번 중 1번은 사후에 사건을 변경할 수 있었다고 말했다. 반면, 영화처럼 시간을 거슬러 올라가는 역방향 시간 여행(과거로의 여행)은 현재 기술로는 불가능하다는 학설도 제기됐다. 영국 매체 데일리스타에 따르면 과학자들은 시간 여행을 개발하는 데 가까워지고 있는 것처럼 보이지만 시간 여행이 미래로 가는 한 방향으로만 가능하다는 설명이 나왔다고 전했다. 먼저 역방향 시간 여행 시뮬레이션을 일부 성공한 과학자들의 이야기를 살펴보자. 케임브리지 대학 연구팀은 타임머신 자체를 직접 만든 것은 아니지만, 과거에 일어난 사건을 사후에 변경하는 것이 물리학 원칙에 위배되지 않는다는 점을 강조했다. 케임브리지 히타치 연구소의 수석 연구원 데이비드 아비드슨-슈쿠르는 "누군가에게 선물을 보내고 싶다고 가정해 보겠다. 선물을 3일째에 도착하도록 하려면 첫날에 보내야 한다. 하지만 선물을 받을 사람의 위시리스트는 둘째 날이 되어야 받을 수 있다"고 설명했다. 선물을 받는 사람의 타임라인을 존중하려면 첫째 날에 선물을 보내야 한다. 하지만 아비드손-슈쿠르가 지적했듯이, 선물을 보내야만하는 첫째날이 아닌 둘째 날이 되어야 어떤 선물을 보낼지 알 수 있기 때문에, 선물 배송이 늦어지거나 잘못된 선물을 보내게 될 수 있다. 아비드손-슈쿠르는 "이제 둘째 날에 받은 위시리스트의 정보로 첫째 날에 보낸 선물을 변경할 수 있다고 상상해 보자"라고 말했다. 연구팀은 바로 이러한 현상이 역방향 시간여행 시뮬레이션 시나리오에서 일어날 수 있다고 말했다. 연구팀은 "저희 시뮬레이션은 양자 얽힘 조작을 사용하여 이전 행동을 소급하여 원하는 최종 결과를 얻기 위해 (선물을)어떻게 변경할 수 있는지 보여준다"라고 설명했다. 시간여행에 '양자 얽힘' 활용 '양자 얽힘'은 양자 입자 간에 특정한 기본적인 속성이두 개 이상의 입자에 의해 공유되는 현상으로, 한 입자의 속성을 변경하면 다른 입자에게도 동일한 변화가 발생한다. 케임브리지 대학 연구팀은 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 저널에 발표된 시뮬레이션을 통해 두 입자의 양자 얽힘 현상을 모의 실험했다. 실험이 끝난 후 입자들은 새로운 정보를 얻었으며, 이는 입자들의 행동 변화를 유발했을 것으로 추정된다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 메릴랜드 대학의 연구원이자 이 연구의 공동 저자인 니콜 융거 할펀은 이러한 상황에서 "실험자가 두 번째 입자를 조작함으로써 첫 번째 입자의 과거 상태를 효과적으로 변경하여 실험 결과에 영향을 미친다"고 설명했다. 연구팀은 이 시뮬레이션에서 나머지 입자를 변경함으로써 과거에 일어난 일을 바꾼 것으로 보인다. 연구자들은 이러한 효과를 "놀라운 것"으로 평가했다. 그러나 이 실험은 새로운 정보를 통해 과거를 변경하는 성공률이 약 25%에 그치는 한계를 지니고 있다. 아비드손-슈쿠르는 이에 대해 "시뮬레이션이 실패할 확률이 75%라는 의미"라고 말했다. 그는 "선물의 비유를 계속 사용한다면 네 번 중 한 번은 원하는 선물(예: 바지 한 벌)을 받을 수 있지만, 나머지 세 번은 사이즈가 잘못된 바지이거나, 색상이 잘못되었거나, 원하지 않는 다른 선물(예: 재킷)이 될 수도 있다"고 설명했다. 다행히도, 시뮬레이션을 통해 실패 시점을 파악할 수 있기 때문에 연구자들은 시스템을 재조정하여 효율적으로 시간 여행을 실행하고 원하는 결과를 얻을 수 있다. 이 어려운 목표를 달성하기 위해, 연구팀은 이론적 실험자가 다양한 해결책을 제시한 후, 원하지 않는 75%의 결과를 쉽게 걸러낼 수 있는 필터를 사용하는 방안을 제안했다. 케임브리지 대학 캐번디시 연구소에서 석사 학위를 취득하는 과정에서 이 연구에 참여한 공동 저자 에이단 맥코넬 박사는 "첫째날에 많은 선물(예를 들어 4개)을 보낼 수 있으며 비용이 저렴하다고 가정해보자. 둘째 날에는 어떤 선물을 보내야 할지 정확하게 알 수 있다. 셋째 날 도착하는 소포 중 4개 중 1개가 원하는 선물일 것이다. 우리는 선물을 받는 사람에게 4개의 택배 중에서 원하는 선물이 든 택배 하나만 선택하고 필요 없는 택배 3개를 알려주어 반품을 유도할 수 있다"고 설명했다. 타임머신 아닌 역방향 시간 여행 시스템? 연구팀은 이번 연구가 양자 얽힘 현상에 근거한 성공적인 시뮬레이션은 맞지만, 여전히 시뮬레이션에 불과하다는 점을 강조했다. 그들은 과거의 실험 결과를 바꿀 수 있는 방법을 효과적으로 입증했을지라도, 이것이 최소 25%의 확률로 역방향 시간 여행을 가능하게 하는 것은 아니며, 이를 영화 '백 튜더 퓨처'에서 에밋 브라운(크리스토퍼 로이드 분) 박사가 만든 특정 플럭스 커패시터를 장착한 타임머신 '드로리안'과 비교해서는 안 된다고 언급했다. 아비드슨-슈쿠르는 "우리 연구의 목적은 시간 여행 기계를 제안하는 것이 아니라 양자역학의 근본을 더 깊게 이해하자는 것"이라고 말했다. 그는 "이 시뮬레이션을 통해 과거로 돌아가 과거를 바꾸는 것은 불가능하지만, 오늘의 문제를 해결하여 더 나은 내일을 만드는 데 기여할 수 있다"고 강조했다. 한편, 최근 데일리스타에 보도된 새로운 연구에 따르면 1985년 개봉한 영화 '백 투 더 퓨처'에서 주인공 마티 맥플라이(마이클 J. 폭스 분)처럼 시간을 거슬러 올라가는 것은 불가능하다고 밝혀졌다. 이는 단순히 영화 속 타임머신 차량인 드로리안을 구하기 어렵기 때문만이 아니라, 시간의 구조가 과거로 꺾이지 않기 때문이라는 것이 연구의 결론이다. "미래 시간 여행만 가능" 과학자들은 이 새로운 연구를 통해 실제로 시간을 거슬러 올라가는 개념을 배제하는 가능성을 확인했다. 이 연구에 따르면 과거로 돌아갈 수 없는 주된 이유는 빛과 물체 간의 관계 때문이라고 한다. 만약 이 연구 결과가 사실이라면, 역사를 바꾸기 위한 시간 여행은 가능하지 않을 것으로 보인다. 그러나 미래로의 여행은 여전히 가능하다고 알려져 있다. 핀란드 동부 대학의 마티아스 코이부로바 조교수는 물체 주위에서 빛을 전달하는 새로운 방법에 대한 연구 결과를 발표했다. 코이부로바는 "기본적으로 저는 1+1 차원에서 파동 방정식을 유도하는 매우 깔끔한 방법을 발견했다. 이 방법에서 중요한 가정은 파동의 속도가 일정하다는 것이다. 하지만 만약 속도가 항상 일정하지 않다면 어떨지 궁금했다. 이는 매우 흥미로운 질문이었다"라고 말했다. 인디100이 보도한 바에 따르면, 동료 연구자 보핀 마르코 오르니고티는 "이 연구가 '매우 유명한' 논쟁을 불러일으켜 '논란'을 야기했다"고 한다. 연구를 이끈 오르니고티 교수는 "물리학에는 '아브라함-민코프스키 논쟁(상대성 이론 우선권 논쟁)'이라고 불리는 매우 유명한 논쟁이 있다. 이 논쟁은 빛이 매질에 들어갈 때 그 운동량은 어떻게 되는가 하는 것이다. 민코프스키는 운동량이 증가한다고 주장한 반면, 아브라함은 운동량이 감소한다고 주장했다"고 설명했다. 영화나 소설 등 상상 속에서만 가능했던 시간 여행의 가능성을 열기 위해 과학자들은 이처럼 다양한 실험을 이어가고 있다. 현재 기술로 25%의 성공 확률로 역방향 시간 여행 성공을 바탕으로, 양자 컴퓨팅의 발전에 힘입어 향후 미래와 과거 쌍방향 시간 여행이 가능한 날이 올 것을 기대해 본다.

리튬이온 배터리는 에너지 저장장치의 최정점에 서 있지만, 고비용과 화재 위험이 단점으로 지적된다. 특히 원자재 가격의 상승이 이어지면서, 보다 경제적이고 효율적인 리튬이온배터리의 연구개발이 가속화되고 있다. 과학기술·의학전문 매체 '사이언스엑스(Science X)'는 최근 화학 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie)'에 게재된 고체 전해질 역할을 대신할 수 있는 경제적인 저온 합성법 리튬 세라믹 개발 소식을 전했다. 이 연구는 전기자동차의 배터리 개발에 있어서 큰 전환점이 될 것으로 보이며, 기존의 문제점들을 해결하는 데 일조할 것으로 보인다. 전기 자동차용 배터리 개발을 좌우하는 두 가지 요소는 차량 범위를 결정하는 '전력'과 '비용'으로, 이는 내연기관과의 경쟁에서 매우 중요하다. 미국 에너지부는 2030년까지 전기자동차의 배터리 생산 비용을 절감하고, 에너지 밀도를 높이는 것을 목표로 하고 있다. 이를 통해 내연기관 차량에서 전기 차량으로의 전환이 가속화될 것으로 전망되고 있다. 그러나 기존의 리튬이온 배터리만으로는 이 목표를 달성하기 어려울 것으로 보인다. 훨씬 더 작고, 더 가볍고, 강력하며 안전한 배터리를 제작하기 위한 새로운 접근 방식은 흑연 대신 금속 리튬을 사용한 양극 고체 셀을 사용하는 것이다. LLZO합성법 혁신 LLZO를 사용한 리튬이온 배터리 제조 과정에서는 일반적으로 이 물질을 1050°C 이상에서 음극과 함께 소결하여 급속한 리튬 전도성 입방 결정상을 형성하고, 전극에 강력하게 결합시켜야 한다. 그러나 600°C 이상의 고온 조건은 지속 가능한 저코발트 또는 무코발트 양극재의 안정성을 해치며, 생산비용과 에너지 소비 또한 상승시킨다. 이런 문제점을 해결하고자, 보다 경제적이며 지속 가능한 새로운 리튬이온 배터리 생산 방법의 필요성이 대두됐다. 이러한 배경 속에서 미국 케임브리지 MIT와 독일 뮌헨 TU의 연구팀이 새로운 합성 공정을 선보였다. 제니퍼 엘엠 루프(Jennifer LM Rupp) 박사가 이끄는 이 팀은 세라믹 전구체 화합물을 기반으로 하지 않는 새로운 방법을 개발했다. 이 공정은 LLZO를 형성하기 위해 순차적 분해 합성을 통해 직접 치밀화하는 액체 공정을 사용한다. 이를 통해 기존 방법보다 낮은 온도에서도 효율적으로 LLZO를 합성할 수 있게 되어, 생산 과정에서의 에너지 소비와 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 루프 박사와 그의 연구팀은 LLZO의 무정형 형태에서 결정질 형태(cLLZO)로의 다단계 상변환을 분석하기 위해 다양한 방법(라만 분광법, 동적 시차 주사 열량계 등)을 활용했다. 이를 통해 시간-온도-변환 다이어그램을 제작하며, 합성 경로의 조건을 최적화하는데 성공했다. 500도 이하에서 합성 성공 연구팀은 이러한 분석을 바탕으로 500°C라는 상대적으로 낮은 온도에서 10시간 동안 어닐링 과정을 거친 후, cLLZO를 조밀하고 견고한 필름 형태로 만드는 새로운 기술을 선보였다. 이 최적화된 합성 방법을 통해 미래의 배터리 설계에서는 코발트와 같은 사회 경제적으로 중요한 자원을 사용하지 않아도 되며, 지속 가능한 음극과 고체 LLZO 전해질을 통합할 수 있게 됐다. 연구팀은 최근의 연구 성과를 바탕으로 "전고체 배터리의 상용화가 한 걸음 더 가까워졌다"며 "앞으로의 연구를 통해 리튬 세라믹의 성능을 더욱 향상시키고, 다양한 종류의 전고체 배터리에 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 한편, 한국원자력연구원 창업기업 내일테크놀로지는 나노 신소재를 이용하여 리튬이온전지의 성능과 안정성을 향상시키는 새로운 기술을 선보였다. 질화붕소 나노튜브(BNNT)를 활용한 이 기술은, 900도 이상의 고온에서도 안정성을 유지하며, 화학적 반응성이 낮은 것이 특징이다. 내일테크놀로지의 이러한 기술은 배터리 제작 공정에 무리 없이 적용될 수 있으며, 배터리의 출력과 용량, 충전과 방전, 그리고 안전성 등 전반적인 성능 향상에 기여할 것으로 예상된다. 이로써, 배터리 관련 기술 분야에서의 혁신과 더불어 에너지 저장장치의 성능 향상이 기대된다.

미국 항공우주국(NASA)이 제임스웹 우주망원경을 통해 생명체가 존재할 가능성이 큰 행성을 찾아냈다. 소위 우주 강국으로 불리는 미국, 유럽, 인도, 중국, 러시아 그리고 한국과 일본 등은 최근 지구에서는 보이지 않는 달 뒷면을 탐사하기 위해 심혈을 기울이고 있다. 달 자원 탐사뿐만 아니라 자국의 과학기술을 뽐내기 위한 하나의 방편이기도 하다. 여기에 우주망원경도 첨단 기술이 대거 탑재되면서 우주에서 지구와 같은 생명체가 존재할 수 있는 행성을 찾고 있다. 마치 영화 '아바타'에서 행성을 찾는 것을 연상시킨다. 미국 미디어 바이트(The Byte)와 영국 매체 가디언에 따르면, 나사는 제임스웹 우주망원경을 통해 K2-18b에서 메탄과 이산화탄소 등을 발견해 생명체가 존재할 가능성이 있다고 밝혔다. 나사는 최근 제임스웹 우주망원경(JWST)으로 지구에서 120광년 떨어진 사자자리의 행성인 K2-18b의 대기 구성을 관찰한 결과 물로 이뤄진 바다와 해양 세계가 존재할 가능성을 발견했다고 밝혔다. K2-18b는 2015년 나사가 K2 임무에서 케플러 우주망원경을 통해 처음 확인했으며 앞서 지난 2019년 대기에 수증기가 있다는 관측 결과가 발표된 바 있다. 이 행성은 질량이 지구의 약 9배에 달하며, 지구보다는 크고 해왕성보다는 작은 질량을 지칭하는 이른바 '슈퍼지구'에 해당한다. 하이시언 행성 가능성 제임스웹 망원경은 K2-18b에서 지구상에 살아있는 유기체만이 생산할 수 있는 황함유화합물의 일종인 디메틸설파이트(DMS dimethyl sulfide)라 불리는 분자를 발견했다. 연구자들은 이 행성의 대기에서 메탄과 이산화탄소 존재를 확인했다. 이 행성은 바다로 덮여 있고, 수소가 풍부한 대기를 가진 '하이시언 행성'(Hycean planet, 대기에는 수소가 있고 표면에는 물이 있어서 생명체가 존재할 가능성이 있는 행성)일 가능성이 있다. K2-18b는 시스템상 거주 가능 지역에서 약 120광년 떨어진 사자자리의 차가운 왜성인 모항성을 공전한다. 이는 기술적으로 액체 물이 표면에 존재할 수 있을 만큼 별로부터 충분한 복사선을 받는다는 것을 의미한다. 이번 웹 망원경의 관측 결과 K2-18b의 대기에 메탄과 이산화탄소가 풍부하고 암모니아는 부족한 것으로 파악됐다. 나사는 "이는 이 행성의 수소 대기 아래에 물로 이뤄진 바다가 있을 수 있다는 가설을 뒷받침한다"고 설명했다. '미니 해왕성' 추정 외계 행성의 일종 K2-18b는 지구와 해왕성 크기의 중간 규모로, '미니 해왕성(sub-Neptunes)'이라고 불리는 외계 행성의 일종이다. 이 행성들은 우리 태양계의 어떤 행성과도 매우 달라서 행성의 성질에 대해서는 오직 근거에 기인한 추측만 할 수 있다. 영국 카디프 대학교 슈바지트 사카르(Subhajit Sarkar) 교수는 "비록 이런 종류의 행성은 우리 태양계에는 존재하지 않지만, 미니 해왕성은 지금까지 은하계에서 알려진 가장 일반적인 유형의 행성"이라고 말했다. 그는 이어 "현재까지 거주 가능 구역 미니 해왕성의 가장 상세한 스펙트럼을 얻었으며 이를 통해 대기에 존재하는 분자를 밝히는 데 성공했다"고 설명했다. 그러나 K2-18b가 생명체로 가득 차 있다고 결론을 내리기에는 너무 이르다는 지적이다. 연구자들은 더 많은 데이터가 시급한 실정이라고 언급했다. 연구팀 책임자인 영국 케임브리지 대학 니쿠 마두수단(Nikku Madhusudhan) 교수는 BBC를 통해 "만약 (생명체가) 확인된다면 이는 엄청난 일이 될 것이며 올바른 판단을 해야 한다는 책임감을 느낀다"고 말했다. 마두수단 교수는 "가장 궁극적인 목표는 거주 가능한 외계 행성에서 생명체를 식별하는 것이다. 이번 발견은 이 연구에서 하이시언 세계를 더 깊이 이해하기 위한 첫 걸음"이라고 덧붙였다. 다행스럽게도 제임스웹 우주망원경의 MIRI(중적외선 장비) 분광기를 통해 더 많은 데이터가 수집되고 있다. K2-18b 행성에 실제 바다가 존재한다면 수소 대기 아래 외계 생명체 존재도 가능할 것으로 보인다. 한편, K2-18b는 지구 지름의 약 2.6배, 질량의 8.6배의 크기로, 수소가 풍부한 대기 밑에 바다 또는 얼음이 존재할 것으로 예상되는 행성이다. 중력이 지구보다 1.18배며, 0도에서 40도의 온도로 인간이 살기에 적합한 것으로 추정된다. 2019년 9월 BC는 영국 유니버시티 칼라지 런던(UCL)의 연구팀이 이 행성의 대기에서 수증기를 찾아냈다고 보도됐다. 물이 있다는 것은 생명체가 살고 있거나 살 수 있다는 강력한 신호로 풀이된다.