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2024-11-22 (금)

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[신소재 신기술(125)] 양자 '슈뢰딩거의 고양이' 23분간 유지 성공…양자역학 새 지평 열어

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

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

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

미국 국립기상청 우주 기상 예측 센터에 따르면, 강력한 태양 폭풍으로 인해 오로라가 10일(현지시간) 저녁에 평소에 나타나던 지역보다 훨씬 남쪽인 앨라배마와 북부 캘리포니아 등지에서도 나타날 것으로 보인다고 CNN 등 외신이 전했다. 허리케인과 유사하게 태양 폭풍은 레벨 1~5 단계로 분류되는데, 이번 폭풍은 레벨 4로 분류돼 대단히 강력한 것으로 예측됐으며 이로 인해 통신, 전력망 및 위성 운영을 방해할 수도 있다. 태양 폭풍은 현지시간 10일 오전 지구에 도달하며, 이는 11일까지 지속될 가능성이 높다고 센터는 밝혔다. 시속 400만km 이상의 속도로 지구를 향하는 폭풍의 강도와 전체 특성은 지구에서 160만km떨어진 궤도를 도는 심우주 기후관측소(Deep Space Climate Observatory)와 'Advanced Composition Explorer' 위성 관측을 통해 밝혀진다. 우주 기상 예측 센터는 이 위성이 폭풍의 속도와 자기 강도를 측정할 것이며, 폭풍은 우주 관측소에 도착한 후 15~30분 지나 지구에 도착할 것으로 예상했다. X급 플레어로 알려진 가장 강렬한 태양 플레어(태양 표면에서 일어나는 폭발)가 이번 주 태양에서 방출되었으며, 이 플레어는 8일의 코로나 질량 방출과 일치했다. 코로나 질량 분출은 태양의 외기권인 코로나에서 방출되는 플라스마와 자기장이라고 하는 이온화된 가스의 큰 구름이다. 강력한 폭발이 지구로 향하면 지자기 폭풍 또는 지구 자기장의 교란을 일으킬 수 있다. 이번 폭발은 대단히 강력한 것으로 측정됐다. 우주 기상 예측 센터에 따르면 지자기 폭풍은 지구 근처 궤도와 통신망 등 지구 표면의 인프라에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 센터는 연방 비상관리청, 북미 전력망 및 위성 운영자들에게 교란 및 일시적 중단에 대비할 것을 통보했다. 역사적으로 레벨 4단계의 태양 폭풍은 흔하게 발생하지만, 지난 5월 10일 발생한 레벨 5단계 또는 극심한 지자기 폭풍은 매우 드물다. 센터는 이번 태양 폭풍이 5단계가 될 확률이 25%라고 말했다. ◆ 태양 활동의 증가 태양이 올해 예상되는 11년 주기의 정점인 태양 극대기에 가까워짐에 따라, 태양 활동은 더욱 활발해지고 있다. 전문가들은 불타는 태양에서 점점 더 강렬한 태양 플레어가 분출되는 것을 관찰했다. 태양 활동이 증가하면 지구의 극지방에서는 춤추는 오로라가 발생한다. 북극의 경우 이를 북극광 또는 오로라 보레알리스라고 하며, 남극은 남극광 또는 오로라 오스트랄리스라고 한다. 코로나 질량 분출로 인해 활성화된 입자가 지구 자기장에 도달하면 대기 중의 가스와 상호 작용해 하늘에 다양한 색상의 빛을 생성한다. 이 오로라는 최고의 관광 상품이기도 하다. 예측 센터 관계자는 눈에 보이는 오로라가 동부 및 중부 주와 중서부 남부에서 나타날 가능성이 높다고 판단하고 있다. 그러나 태양 폭풍이 지난 5월처럼 전 세계적인 오로라 현상을 일으킬지는 아직 알 수 없다고 밝혔다. 이번 태양 폭풍이 5단계로 올라가면 미국의 남부 주와 전 세계의 다른 지역에서도 오로라를 볼 수 있다. 미국 해양대기청(NOAA)은 센터의 오로라 대시보드를 이용해 내가 거주하는 지역에서 오로라를 볼 수 있을 것인지 확인할 것을 권했다. 대시보드는 지속적으로 업데이트되며 정보가 제공된 후 몇 분 이내에 오로라가 나타날 수 있는 위치를 보여준다. ◆ 교란 가능성 NOAA는 이번 태양 폭풍이 5월의 폭풍 수준을 능가할 것으로는 생각하지 않는다고 말했다. 지난해 이전에 지구를 강타했던 마지막 5단계 폭풍은 2003년으로, 스웨덴에서 정전이 발생했고 남아프리카에서는 변압기가 손상됐다. 지난 5월의 지자기 폭풍에서는 농기구 회사인 존 디어(John Deere)가 정밀 농업에 GPS를 사용하는 일부 고객이 교란을 겪었다고 보고했다. 그러나 대부분의 전력망과 위성은 적절한 관리로 문제를 일으키지 않았다. 전문가들은 태양 활동의 급증에 따라 신중한 모니터링을 이어가고 있다. 이번주 태양의 코로나 질량 분출 속도는 지금까지 이 태양 주기에서 측정된 가장 빠른 속도였다고 한다. 물론 이것이 '태양 활동의 최고점이 지금 발생하고 있다'는 의미는 아니다. 이전 태양 주기에서는 가장 큰 폭풍 중 일부가 최고점 이후에 발생할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 센터는 "우리는 지금 태양 극대기의 중심에 있다. 정점에 도달했는지 아직 모른다. 올해 어느 시점이 될 수도 있고 내년 초가 될 수도 있다. 심지어 2026년 초까지 태양 주기 활동이 계속될 것이다"라며 지속적인 관심과 추적이 있어야 할 것이라고 지적했다.
- 포커스온
2024-10-11
[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
[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
[우주의 속삭임(52)] NASA, 목성 생명체 탐사 위해 유로파 클리퍼 임무 우주선 10월 발사

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

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

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

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

미국에서 세계 최고 성능의 초전도체 와이어가 개발됐다. 미국 버팔로 대학교 화학생물공학과 아미트 고얄 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 초전도(HTS) 와이어 개발에 성공했다고 Phys. org, 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 전했다. 이번에 개발된 와이어는 섭씨 영하 268도에서 영하 196도 사이의 온도에서 작동한다. 이는 다른 초전도체의 작동 온도인 절대 영도보다는 높지만 여전히 극저온 환경이다. HTS 와이어는 전력 손실 없이 전기를 전송할 수 있어 미래 에너지 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다. 해상 풍력 발전소의 전력 출력을 두 배로 높이고, 초전도 자기에너지 저장 시스템을 구축하는 등 에너지 인프라 분야에서 다양한 활용이 기대된다. 또한, 최근에는 핵융합 원자로, 차세대 이미징 및 분광 기술에도 적용되고 있다. HTS 와이어는 비교적 높은 온도에서 작동하는 장점이 있지만, 제조 비용이 높다는 단점이 있었다. 버팔로 대학교 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 이온 빔 보조 증착(IBAD) 기술과 나노기둥 결함 기술을 결합한 새로운 방식을 개발했다. 나노기둥 결함 기술은 절연 또는 초전도 물질을 초전도체에 통합하여 더 높은 초전류 흐름을 가능하게 하는 기술이다. 연구팀은 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO) 와이어에 펄스 레이저 증착 시스템을 사용하여 HTS 필름을 제작했다. 또한 캐나다 맥마스터 대학교와 이탈리아 살레르노 대학교와의 협력을 통해 원자 해상도 현미경 및 초전도 특성 측정을 수행했다. 이번에 개발된 HTS 와이어는 5 켈빈(-268℃)에서 77 켈빈(-196℃)까지 모든 자기장 및 온도에서 최고의 임계 전류 밀도와 고정력을 달성했다. 특히, 4.2 켈빈에서 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 9000만 암페어의 전류를 전달했으며, 7 테슬라의 자기장에서는 제곱센티미터당 9000만 암페어를 전달했다. 또한, 상용 핵융합 반응 온도인 20 켈빈에서는 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 5000만 암페어, 7 테슬라 자기장에서는 제곱센티미터당 6000만 암페어 이상의 전류를 전달하는 데 성공했다. 이러한 성과는 0.2 마이크론 두께의 HTS 필름으로 달성되었다는 점에서 더욱 주목할 만하다. 일반적으로 이 정도의 전류를 전달하려면 10배 더 두꺼운 HTS 와이어가 필요하다. 이 연구의 책임 저자인 아미트 고얄 박사는 "이러한 결과는 산업이 상업용 코팅 도체의 가격 대비 성능 지표를 크게 개선하기 위해 증착 및 제조 조건을 더욱 최적화하는 데 도움이 될 것"이라면서 "가격 대비 성능 지표를 더욱 유리하게 만드는 것은 초전도체의 수많은 대규모 예상 응용 분야를 완전히 실현하는 데 필요하다"고 말했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-08-09
[우주의 속삭임(40)] 달 대기 생성의 비밀, 마침내 풀렸다

달은 우주의 진공에 노출되어 있다. 그래도 달은 실제로 가스로 덮여 있다. 층이 얇고 미약하지만, 외기권이라고 불리는 일종의 대기로 간주될 만큼은 충분하다. 달이 어떻게 가스 대기권을 유지하는지는 수수께끼였다. 지구의 자기장은 대기에 제한적이지만 어느 정도 영향을 미친다. 그러나 달에는 그러한 자기장이 없다. 따라서 달의 외기권은 이미 오래 전 태양 활동으로 인해 없어졌어야 했다. 그런 점에서 달의 외기권에서 가스가 없어지는 만큼 끊임없이 보충되고 있다는 것은 분명하다. 이에 대한 연구가 계속돼 온 가운데, 이번에 메사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀이 달 대기권에서의 가스 보충의 비밀을 풀어냈다고 사이언스얼라트가 전했다. 연구 결과에 따르면, 먼지 입자보다 더 작은 미세 유성이 끊임없이 달 표면에 부딪히고, 이를 통해 달에서 먼지를 일으켜 증발시키며, 달 주변 공간으로 원자를 방출해 대기를 유지한다는 것이다. 연구팀원인 MIT의 지구화학자 니콜 니 박사는 "미세 운석의 달 충돌과 이로 인한 증발이 달 대기를 만드는 주요 과정이라는 확실한 답을 얻었다"고 말했다. 달의 나이는 대략 45억 년으로 추정되며, 그동안 달 표면은 운석의 지속적 충돌이 이어졌는데, 결국 얇은 대기가 달 전체에 걸쳐 작은 충돌로 인해 지속적으로 보충돼 결국 안정 상태에 도달했다는 것이다. 미세 운석의 달 충돌은 태양풍으로 운반된 하전 입자에 의한 것이다. 달의 대기는 매우 분산돼 있기 때문에 연구하기 어렵다. 아폴로 임무에서 남긴 달 탐지기가 달에서 다양한 원자 성분을 감지했기 때문에 대기권을 대략 파악하고는 있었지만, 천문학자들은 지금까지 그것이 정확히 어떻게 만들어지고 유지됐는지 알아내는 데 어려움을 겪었다. 연구팀은 달 외기권의 생성과 유지의 근원과 미세 운석의 역할 등을 구체적으로 규명하기 위해 새로운 분석을 수행했다. 팀은 2013~2014년 사이 7개월 동안 운영된 궤도선인 달 대기 및 먼지 환경 탐사선(LADEE: Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer)의 데이터를 분석했다. 분석 결과 운석이 대량으로 충돌하는 동안에는 대기에 더 많은 원자가 존재했다. 즉, 미세 운석의 충격이 영향을 미쳤던 것이다. 동시에 일식과 같이 달이 태양의 영향에서 벗어날 때 대기 중 원자에도 변화가 발생했다. 이는 태양 역시 영향을 미친다는 것을 의미한다. 연구팀은 나아가 아폴로 프로그램 동안 수집한 실제 달 먼지 샘플도 조사했다. 그 결과 달에서 발견되는 것으로 알려진 칼륨과 루비듐이라는 두 가지 원소를 찾았는데, 이들 두 원소 모두 매우 쉽게 기화되어 증발하는 성질을 가지고 있다. 태양 입자나 미세 유성체가 달 표면에 부딪히면 루비듐과 칼륨은 증발한다. 다만 이들은 더 무겁기 때문에 빠르게 달 표면으로 떨어진다. 팀은 달 먼지를 미세한 가루로 분쇄하고 질량 분석기를 사용해 분석했다. 결과 두 가지 과정 모두 달 외기권을 생성하는 데 역할을 한다는 것을 발견했다. 다만 미세 유성체의 충돌 기여도가 태양풍에 비해 두 배 이상이었다. 충격 증발의 경우 대부분의 원자는 달 대기에 머무르지만, 태양풍에 의해 퍼지는 원자는 대부분 우주로 방출됐다. 연구를 통해 비로소 두 과정의 역할을 정량화할 수 있게 되었다는 평가다. 운석 충격 증발과 태양풍 이온의 달 대기권 유지에 대한 상대적 기여도는 약 70대 30 또는 그 이상이라고 말할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
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2024-08-07
[우주의 속삭임(36)] 수성 표면, 최대 16km 두께의 다이아몬드층 존재 가능성 제기

태양계에서 가장 작은 행성인 수성에 다량의 다이아몬드가 존재한다는 주장이 제기됐다고 스페이스닷컴이 전했다. 벨기에의 뢰번 가톨릭 대학교(KU Leuven) 연구팀은 나사(NASA)의 수성 미션인 메신저(MESSENGER) 우주선의 데이터를 분석, 태양에서 가장 가까운 행성인 수성의 지각 아래에 16km 두께의 다이아몬드 층이 존재할 수 있다는 가능성을 제기했다. 수성은 다른 태양계 행성에서는 보기 어려운 다양한 특성을 갖고 있어 천문학자들의 탐구의 대상이었다. 매우 어두운 표면, 눈에 띄게 밀도가 높은 핵, 조기에 끝난 화산 시대 등이 대표적인 특징이었다. 또한 수성은 표면에 탄소의 일종인 흑연 조각도 포함하고 있다. 천문학자들은 이에 근거해 수성의 형성 초기에 탄소가 풍부한 마그마 바다가 있었다는 이론을 제기했다. 마그마 바다가 표면으로 부상해 흑연 조각과 함께 수성 표면의 어두운 색조를 만들었을 것이라는 추정이었다. 동일한 과정으로 인해 수성 표면 아래에 탄소가 풍부한 층이 형성됐다는 것이 뢰번 연구팀의 주장이다. 팀은 이 탄소 층이 과거에 제기됐던 그래핀이 아니라 다이아몬드로 구성되어 있다고 추정하고 있다. 그래핀은 탄소의 동소체 중 하나로 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조다. 다이아몬드 결정과는 근본적으로 다르다. 연구팀의 올리버 나머 교수는 "우리 팀은 수성이 탄소가 풍부한 행성이라는 것과 수성의 맨틀-핵 경계의 압력에 대한 새로운 추정치를 감안, 맨틀과 핵 사이의 경계면에서 형성되는 탄소 함유 광물이 흑연이 아니라 다이아몬드라고 추정한다"라고 말했다. 메신저 우주선의 영자 표기 MESSENGER는 'Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging'의 머리글에서 따 온 것으로 '수성 표면, 우주 환경, 지구화학 및 거리 측정'을 의미한다. 메신저 우주선은 지난 2004년 8월 발사돼 수성 궤도를 돌며 탐사하는 최초의 우주선이었다. 2015년에 임무를 종료했으며, 수성 극지방의 음영 속에 풍부한 얼음을 발견하고 수성의 지질학과 자기장에 대한 중요한 데이터를 수집하면서 수성 전체 지도를 작성하는 성과를 거두었다.
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2024-07-26
[우주의 속삭임(34)] 주노 탐사선, 목성의 구름 신비 담은 초고화질 이미지 전송

나사(NASA)의 목성 탐사 우주선 주노(Juno)가 목성을 61번째 근접 비행하는 과정에서 북반구의 구름과 폭풍의 신비를 담은 고화질 이미지를 포착해 지구로 전송했다. 이들 이미지는 '접힌 필라멘트'로 알려진 지역에서 구름과 사이클론 폭풍에 대한 자세한 모습을 제공하고 있다고 사이테크데일리가 전했다. 원본 사진을 찍을 당시 주노 우주선은 목성의 적도 북쪽 약 68도 위도의 2만 9000km 상공에 위치해 있었다. 주노캠으로 찍혀 지구로 전송된 목성 구름 이미지는 공개된 주노 미션 공식 사이트에 게됐으며, 과학자 개리 이어슨이 디지털 기기와 프로그램으로 색상과 선명도를 높여 편집한 초고화질 이미지를 생성했다. 주노는 태양계에서 가장 큰 행성인 목성을 연구하기 위해 쏘아 올려진 나사의 우주 탐사선이다. 지난 2011년 8월 발사된 주노의 임무는 목성의 구성, 중력장, 자기장, 그리고 극지방의 자기권을 탐구하는 것이었다. 또 목성이 어떻게 형성되었는지에 대한 단서를 찾는 것도 숙제였다. 탐사를 통해 태양계의 초기에 대한 더 깊은 이해와 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대됐다. 주노 미션은 태양계 탐사를 책임지는 나사의 '뉴 프론티어(New Frontiers)’ 프로그램의 일부다. 주노는 태양 전지판을 이용한 태양광 발전으로 전력을 공급받았는데, 이는 발사 당시로서는 태양으로부터 가장 멀리 떨어져 작동하는 우주선이었기 때문에 주목받기도 했다. 주노는 2016년 7월 4일 목성 궤도에 진입했고, 그 이후 데이터를 수집하면서 목성 궤도를 돌고 있다. 우주선은 목성 조사를 위해 다양한 장비를 사용하는데, 특히 짙은 구름 아래를 볼 수 있는 마이크로파 방사계와 함께 목성 자기장과 중력장을 매핑할 수 있는 카메라 및 센서가 장착돼 있다. 이번에 보여준 주노의 구름과 폭풍 이미지는 목성의 대기에 대한 전례 없는 새로운 데이터를 제공하고 있다. 목성의 폭풍, 구름의 띠나 오로라 구성에서의 복잡한 구조를 드러냈다. 원래 2018년 완료될 예정이었던 주노의 임무는 여러 차례 연장돼 목성 주변의 지속적인 탐사와 발견을 이어가고 있다.
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2024-07-24
[우주의 속삭임(28)] 태양, X급 플레어 방출해 호주·일본 등 전파장애 발생

태양 흑점이 최근 또 폭발해 호주와 동남아시아에서 일시적인 전파 방해가 발생한 것으로 확인됐다. 올해 5월 대폭발 이후 태양 활동이 비교적 잠잠했던 가운데, 지난 7월 14일(한국 시간) 강력한 X등급 태양 플레어가 발생했다고 스페이스닷컴이 전했다. 이는 태양 플레어 중 가장 강력한 등급이다. 미국 항공우주국(나사·NASA)는 지난 7월 13일(현지시간) 분출된 X1.2 태양 플레어의 이미지를 공유했다. 이번 태양 플레어는 흑점 AR3838에서 발생했으며, NASA의 태양활동관측위성(SDO)이 우주에서 이 역동적인 장면을 포착했다. 플레어 발생 직후 호주, 동남아시아, 일본 등 일부 지역에서 단파 무선 통신 장애가 발생했다. 이는 강력한 태양 플레어 발생 시 방출되는 강력한 X선 및 극자외선으로 인해 흔히 발생하는 현상이다. 다만, 이번 플레어는 코로나 질량 방출(CME)을 동반하지 않아 지구 자기장에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다. 태양 플레어는 태양 표면에서 발생하는 폭발 현상으로 강력한 전자기 방사선을 방출한다. 태양 대기 중 축적된 자기 에너지가 방출될 때 발생하며, 그 강도에 따라 A, B, C, M, X 등급으로 분류된다. X등급은 가장 강력한 것이며, M등급은 X등급보다 10배 약하다. 이번 태양 플레어는 X1.27등급으로 관측됐다. 태양 플레어의 방사선은 빛의 속도로 지구로 이동해 도착 즉시 대기를 이온화(전기적으로 충전)한다. 이러한 이온화는 고주파 단파 무선 신호가 통과할 수 있는 밀도가 높은 환경을 조성해 정거리 통신을 용이하게 한다. 전파가 이온화된 층에서 전자와 상호 작용할 때 충돌이 증가해 에너지를 잃게 되고, 이로 인해 전파 신호가 저하되거나 완전히 흡수될 수 있다. 미국 국립해양대기청(NOAA)은 15일 "눈에 보이는 태양 원반에는 흑점군이 많이 존재하며, 7월 15일부터 18일까지 사소하거나 중간 정도의 플레어가 발생할 가능성이 높다"고 보고했다. 태양에서 분출하는 12개의 흑점 영역 중 3838영역은 이번 X1.2 등급으로 분류된 플레어의 원인이다. NOAA는 흑점 영역이 "자기적으로 복잡하다"고 밝혔다. NASA에 따르면. 이 태양 주기는 솔라 사이클 25(Solar Cycle 25)로 알려져 있으며, 2019년 12월 시작되어 현재 최대치에 접근하고 있다. 11년 주기로 측정한 결과, 태양은 올해 피크 활동 주기를 거치는 동안 많은 강력한 태양 플레어를 방출했다. NOAA에 따르면, 태양 플레어 폭발은 태양의 플라스마가 지구를 둘러싼 자기장에 파고들 때 발생하는 태양 코로나 질량 방출과 관련이 있다. 태양 물질이 지구에 도착하면 지자기 폭풍이 발생한다. 예를 들어 올해 5월 11일 NOAA가 강력한 G4 지자기 폭풍 경보를 발령했을 때와 같이 북극광(오로라)과 같은 천체 현상이 발생할 수 있다. 당시 북극광은 미국 남쪽까지 진출해 텍사스 주에서도 관측됐다. 지난주 지자기 활동으로 5월에 나타났던 북극광은 예측되지 않았다. 그러나 NOAA는 태양 활동으로 인해 통신이 중단될 가능성이 있다고 보고했다. 한편, 15일(현지시간) 뷰몬트 언테프라이즈에 따르면 12개 이상의 활성 흑점이 계속해서 태양 플레어를 분출하고 있어서 과학자들은 이번 주 후반에 '가능한' 지자기 활동이 예측되어 위성 통신이 중단될 가능성이 있다고 밝혔다.
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2024-07-16
[우주의 속삭임(23)] 달의 신비한 소용돌이는 '지하 마그마' 때문?

달의 표면은 회색의 여러 반점 모양으로 유명하다. 망원경을 들여다 보면 달의 표면에서는 또한 밝게 보이는 반점도 발견된다. 달 소용돌이로 알려진 이러한 특징적인 반점들이 지난 1600년대에 처음 발견된 이후, 천문학계는 그 기원이 무엇인지를 계속 탐구해 왔다. 학계에 잘 알려진 ‘라이너 감마’ 소용돌이와 같은 밝은색의 반점 영역은 오늘날까지도 수수께끼로 남아 있다. 라이너 감마는 달 표면 밝게 보이는 반점 형상의 평평한 지대다. 그런 가운데 스탠포드 대학교와 세인트루이스 워싱턴 대학교(WUSL) 과학자팀이 반점에 대한 새로운 연구 결과를 내놓아 주목된다고 사이언스얼라트가 전했다. 새로운 이론을 제시한 것이다. 이 연구는 '지구물리학 연구저널: 행성(Journal of Geophysical Research: Planets)'에 게재됐다. 지구와 달리 달은 태양의 하전 입자로부터 자신을 보호하기 위해 자기장을 발생시키지 않는다. 이는 태양풍이 달 표면과 충돌할 때 화학 반응을 일으켜 시간이 지남에 따라 암석이 더 어둡게 만든다. 즉, 달의 일부 반점처럼 보이는 주머니는 작은 자기장에 의해 보호되는 것으로 보인다. 지금까지 학자들이 발견한 모든 밝은 음영의 달 소용돌이는 이 지역의 자기장들 중 하나와 일치한다. 그러나 그 안에 있는 모든 암석이 반사되는 것은 아니며, 달의 모든 자기장이 소용돌이를 포함하는 것도 아니다. 그렇다면 여기에서는 무슨 일이 벌어지고 있는 것일까. 최근 일부 연구에서는 달과 미세 운석의 충돌이 하전된 먼지 입자를 일으킬 수 있으며, 이 입자가 표면에 도달하는 곳마다 국지적인 자기장이 생성되고 이로 인해 태양풍이 반사된다는 주장이 나왔다. 그러나 스탠포드와 WUSL의 연구팀은 그 가설에 대해 이의를 제기했다. 무언가 다른 힘이 달의 소용돌이를 자화시켜 태양풍 입자를 편향시켰다는 것이다. WUSL의 행성 과학자 미하일 크로친스키는 "충돌로 인해 이러한 유형의 자기 이상 현상이 발생할 수 있지만, 충격에 의한 것이라고 확신할 수 없는 모양과 크기의 소용돌이가 있다"고 지적했다. 크로친스키는 이에 대해 "지각 아래로부터의 힘도 작용할 수 있다"고 제안했다. "지하에 용암이 있다는 것이고, 자기장에서 천천히 냉각되면서 자기 이상 현상을 일으켰다"는 것이다. 연구팀은 그 근거로 달 표면 아래에서 한때 암석이 녹아 흐르고 있었던 레이더 영상 증거를 제시했다. 냉각된 마그마의 지하 흐름은 수십억 년 전의 화산 활동 시기를 나타낸다. 연구팀은 이 마그마 냉각 속도 모델을 사용, 달에 풍부하게 존재하고 화산암에서 흔히 발견되는 일메나이트라는 티타늄-산화철 광물이 어떻게 자화 효과를 낼 수 있는지 조사했다. 그들의 실험은 적절한 조건에서 일메나이트의 느린 냉각이 달의 지각과 상부 맨틀 내의 금속 철 및 철-니켈 합금 입자를 자극해 강력한 자기장을 생성할 수 있음을 보여준다. 팀은 "이 효과가 달 소용돌이와 관련된 강한 자기 영역을 설명할 수 있다"고 결론지었다. 이 결론이 입증되기 위해서는 지하 마그마에 티타늄 함량이 충분해야 한다. 그러나 지금까지 달의 국지적 자기장에 대해 알려진 대부분은 공중을 도는 우주선의 레이더를 사용해 얻은 데이터 측정에서 얻어진 것이다. 실제로 정확히 이해하려면 달 표면을 직접 시추해야 한다. 나사(NASA)는 이를 구체적으로 규명하기 위해 2025년 루나 버텍스(Lunar Vertex) 임무의 일환으로 라이너 감마 소용돌이에 탐사선을 직접 보낸다. 향후 수 년 안에 이 수수께끼를 해결할 증거가 수집될 것으로 기대된다.
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2024-07-05
[우주의 속삭임(22)] 태양 입자 폭발, 지구 오존층 파괴…방사선 노출 위험 고조

핀란드와 영국, 미국 등 국제 연구팀이 태양에서 발생하는 강력한 입자 폭발 현상이 지구의 오존층을 심각하게 파괴해 장기간 지구 표면에 방사선 노출량을 증가시킬 수 있음을 밝혔다고 PHYS.org가 2일(현지시간) 보도했다. 올해 5월초 발생한 강력한 오로라는 태양 폭풍이 방출하는 방사선 에너지를 보여주는 사례였다. 태양은 때때로 더 파괴적인 현상을 일으키기도 한다. '태양 입자 방출(solar particle events)'이라고 알려진 이 현상은 태양 표면에서 직접 방출되는 양성자 폭발로, 마치 탐조등처럼 우주 공간으로 뻗어 나갈 수 있다. 연구에 따르면, 지구는 약 1000년마다 극심한 태양 입자 방출 현상에 노출되며, 이는 오존층에 심각한 손상을 입히고 지표면의 자외선(UV) 복사량을 증가시킬 수 있다. 지난 7월 1일 미국 국립과학원 아카데미 회보에 게재된 논문에서 연구팀은 이러한 극한 상황이 발생했을 때 나타나는 현상을 분석했다. 또한 지구 자기장이 약화되었을 때 이러한 현상이 지구 생명체에 미치는 영향이 매우 클 수 있음을 보여줬다. 이 논문의 주저자는 판란드 오울루대학교(University of Oulu)의 프레이드리그 아르세노비치(Predrag Arsenovic)이며, 공동 저자는 영국 레딩대학교(University of Reading)의 매튜 오웬스(Mathew Owens), 미국 콜로라도대학교 볼더(University of Colorado Boulder)의 마이크 록우드(Mike Lockwood), 오울루대학교의 일리야 우소스킨(Ilya Usoskin), 레딩대학교의 루크 바나드(Luke Barnard) 등이다. 극지방 자기장, 오로라 형성 지구 자기장은 태양에서 방출되는 전하를 띤 방사선을 막아주는 중요한 보호막 역할을 한다. 일반적인 상태에서 지구 자기장은 거대한 막대 자석처럼 기능하며, 한쪽 극에서 나온 자기장 선이 다른 극으로 돌아가는 형태를 띠고 있다. 극지방에서는 자기장 선이 수직으로 배열되어 일부 이온화된 우주 방사선이 상층 대기까지 침투해 공기 분자와 상호작용하며 오로라를 생성한다. 그러나 지구 자기장은 시간이 지남에 따라 크게 변화한다. 지난 세기 동안 북극 자기는 연간 약 40km 속도로 캐나다 북부를 가로질러 이동했으며, 자기장 강도는 6% 이상 약화됐다. 지질학적 기록에 따르면, 지구 자기장이 매우 약하거나 완전히 사라진 시기가 수백년 또는 수천 년 지속된 경우도 있었다. 고대에 자기장을 잃고 그 결과 대기의 대부분을 잃은 화성을 살펴보면 지구 자기장이 없다면 어떤 일이 일어날지 알 수 있다. 지난 5월 지구에 오로라 발생 직후 강력한 태양 입자 방출 현상이 화성을 강타했다. 이로 인해 화성 탐사선 오디세이의 작동이 중단됐고, 화성 표면의 방사선 수치가 흉부 X선 촬영시 받는 방사션보다 약 30배나 높은 수준을 기록했다. 태양의 외기는 '태영풍'이라고 알려진 전자와 양성자의 끊임없이 변동하는 흐름을 방출한다. 그러나 태양 표면은 태양 입자 방출 현상에서 에너지, 주로 양성자인 에너지 폭발을 산발적으로 방출한다. 이는 종종 태양 플레어와 관련 있다. 오존 감소, 방사선 증가 양성자는 전자보다 훨씬 무겁고 더 많은 에너지를 가지고 있기 때문에 지구 대기의 더 낮은 고도애 도달해 공기 중의 기체 분자를 들뜨게 자극한다. 그러나 이러한 들뜬 분자는 육안으로 볼 수 없는 X선만 방출한다. 매 태양 주기(약 11년)미디 수 백건의 약한 태양 입자 방출 현상이 발생하지만, 과학자들은 지구 역사 전체에 걸쳐 훨씬 더 강력한 사건의 흔적을 발견했다. 가장 극단적인 것 중 일부는 현대 장비로 기록된 것보다 수전 배 더 강했다. 이러한 극단적인 태양 압자 방출 현상은 대략 수천 년마다 발생한다. 가장 최근의 사건은 993년 경에 발생했다. 즉각적인 영향 외에도 태양 입자 방출 현상은 상층 대기에서 오존을 고갈시킬 수 있는 일련의 화학 반응을 일으킬 수도 있다. 오존은 유해한 태양 자외선을 흡수해 시력과 DNA를 손상시킬 수 있으며, 피부암 위험을 증가시키고 기후에도 영향을 미친다. 새로운 연구에서 연구팀은 극심한 태양 입자 방출 현상의 영향을 조사하기 위해 대규모 컴퓨터 모델을 사용했다. 연구팀은 이러한 사건이 1년 정도 오존층을 고갈시켜 지표면의 자외선 수치를 높이고 DNA 손상을 증가시킬 수 있음을 발견했다. 그러나 지구 자기장이 매우 약한 시기에 태양 양성자 사건이 발생하면 오존 손상이 6년 동안 지속되어 자외선 수치가 25% 증가하고 태양에 의한 DNA 손상률이 최대 50%까지 증가할 수 있다. 진화와 자가장과의 상관관계 그렇다면 약한 자기장과 극심한 태양 양성자 사건의 이러한 치명적인 조합은 얼마나 자주 일어날까. 이 두 현상은 상대적으로 자주 함께 발생할 가능성이 크다. 실제로 이러한 사건의 조합은 과거 지구의 여러 가지 미스터리한 사건을 설명할 수 있다. 가장 최근의 약한 자기장 기간(북극과 남극의 일시적인 전환 포함)은 4만2000년 전에 시작되어 약 1000년 동안 지속됐다. 유럽에서 마지막 네안데르탈인의 멸종과 호주에서 거대 웜뱃과 캥거루를 포함한 유대류 거대 동물군의 멸종과 같은 몇가지 주요 진화 사건이 이 시기에 발생했다. 훨씬 더 큰 진화적 사건 또한 지구의 자기장과 관련이 있다. 남호주 플린더스 산맥의 화석에 기록된 에디아카라기 말(약 5억6500만년) 다세포 동물의 기원은 2600만 년 동안 자기장이 약하거나 없는 시기 이후에 발생했다. 마찬가지로 캄브리아기 대폭발(약 5억3900만년 전)에서 다양한 동물 그룹의 급속한 진화는 지자기 및 높은 자외선 수준과 관련이 있다. 관련 없는 여러 그룹에서 눈과 단단한 몸 껍질의 동시 진화는 '빛으로부터의 도피'에서 유해한 자외선 유입을 감지하고 피하는 가장 좋은 수단으로 설명됐다. 이제 막 첫발을 뗀 진화와 자기장과의 연구는 지구 생명체의 역사와 미래에 대한 이해를 넓히는 데 중요한 영향을 미칠 수 있다. 아울러 지구 온난화로 인한 자기장 변화가 생태계에 미칠 영향을 예측하고 대비하는 데 도움을 줄 수 있다.
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2024-07-03
그린란드 암석에서 37억 년 전 지구 자기장 명백한 증거 발견

지자기(지구의 자기장)가 없으면 지구상에 생명체는 존재할 수 없다. 지자기는 유해한 우주(방사)선이나, 태양에서 방사되는 태양풍으로부터 인류를 포함한 생물을 보호하고 있기 때문이다. 그러나 현재까지 지구에서 자기장이 처음 형성된 시기에 대한 신뢰성 높은 연대값은 밝혀지지 않았다. 영국 옥스퍼드대와 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구팀이 그린란드에서 지구 자기장의 역사를 한층 끌어올리는 명백한 증거를 발견했다고 포브스지가 보도했다. 연구팀은 그린란드 남서부 이스아 지역에 있는 태고의 바위 층을 조사했다. 이스아 바위 층에는 최초의 대륙군 경계를 따라 퇴적된 철을 많이 포함한 퇴적물과 마그마성 암석이 포함되어 있다. 철 입자는 매우 약한 자석으로 기능하며, 결정화 과정에 의해 고정화될 때 자기장의 강도와 방향을 모두 기록할 수 있다. 연구팀 분석 결과 이 암석에 37억 년 전 최소 15µT(마이크로테슬라) 이상의 자기장 강도가 기록돼 있는 것을 발견했다. 이는 현대의 자기장 강도인 30µT와 맞먹는다. 테슬라는 자기장의 세기를 나타내는 단위다. µT는 100만분의 1테슬라로 매우 미약한 자기장인데, 지구 자기장은 사람이 감지하지 못하는 매우 미약한 수준이다. 지구 자기장은 정확히 31.869µT이며 냉장고 모터 자석의 경우 5000µT에 달한다. 연구팀의 이번 분석 결과는 철을 포함한 암석 샘플 전체에서 얻은 가장 오래된 지자기 강도 추정치를 제공하고 있다. 이는 호주에서 채취된 34억~42억 년 전 암석에서 발견된 지르콘 결정만을 토대로 한 과거 연구에 비해 정확하고 신뢰성 있는 분석이라는 평가다. 팀을 이끌었던 옥스퍼드대 지구과학부 클레어 니콜스 교수는 “이렇게 오래된 암석에서 신뢰할 수 있는 기록을 추출하는 것은 매우 어려운 작업이었다. 오랜 시간 샘플을 분석해 자기장 신호가 나타난 것을 확인했다”면서 “이는 지구상에서 태고적 생명체가 처음 탄생할 무렵의 자기장 역할을 해명할 수 있는 중요한 진전”이라고 설명했다. 지자기는 내핵의 완만한 굳어짐에 따른 밀도 변화로 인해 유체의 외핵 속에서 녹은 철이 섞여 발전 작용이 생기면서 발생한다. 지구 형성 초기에는 고체 내핵이 아직 형성되지 않았기 때문에 초기 자기장이 어떻게 유지되었는지에 대해서는 여전히 밝혀지지 않았다. 그런데 이번 연구는 지구 초기의 발전을 구동하던 메커니즘이 현재의 지자기를 발생시키고 있는 고체화 과정과 같았음을 시사하고 있다. 또 이번 연구는 현재 알려진 형태의 지구 대기의 발달에서 지자기의 역할, 특히 가스의 대기 유출에 관한 새로운 정보를 제공할 가능성도 있다. 강한 자기장이 방패가 되어 대기가 태양풍에 의해 훼손되는 것을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 전하 입자나 원자를 가속해 우주 공간에 방사하는 것도 가능해진다는 것이다. 연구팀은 앞으로 캐나다, 호주, 남아프리카에 있는 다른 태고의 바위 층을 추가 조사함으로써 지구 대기 중 산소가 급증하기 약 25억 년 이전 시대의 지자기에 대해 분석을 진행할 계획이다. 태고의 지자기 강도와 변동성에 관한 이해는 지구 자기장이 지표면에서 생명체가 살아가는 데 필수적인지의 여부와 대기의 진화에서의 역할을 규명하는 핵심이 된다. 지자기의 강도는 비교적 일정하게 유지된 반면, 태양이 젊어 더 활동적이었던 과거에는 태양풍이 지금보다 매우 강력했던 것으로 알려져 있다. 결국 시간이 지나면서 태양풍으로부터 지표를 보호하는 작용이 강화됐으며, 그 결과 생물이 해양에서 벗어나 대륙으로 이동해 오늘날의 생명 생태계가 만들어졌음을 시사한다. 연구 결과는 '지구물리연구저널(Journal of Geophysical Research)'에 발표됐다.
- IT/바이오
2024-06-24
[신소재 신기술(57)] 영국 스타트업, AI로 희토류 없는 영구자석 개발

영국의 한 스타트업이 인공지능(AI)을 활용해 희토류를 사용하지 않고도 영구 자석을 제작했다. 런던에 본사를 둔 스타트업 머티리얼스 넥서스(Materials Nexus)는 영국 헨리 로이스 연구소 및 셰필드 대학교와 협력해 AI 기반 소재 발굴 플랫폼을 활용해 희토류 원소를 사용하지 않고 새로운 영구 자석인 '마그넥스(MagNex)'를 개발했다고 인터레스팅엔지니어링(IE)이 11일(현지시간) 보도했다. 영구 자석은 외부 에너지 공급 없이도 자기장을 유지할 수 있는 자석이다. 전자레인지 문이나 스피커, 하드디스크 드라이브뿐만 아니라 풍력 터빈 로터, 첨단 로봇, 전기자동차(EV)에 이르기까지 다양한 분야에서 사용된다. 현재 사용되는 영구 자석은 네오디뮴과 디스프로슘 등과 같은 희토류 광물을 사용해서 만들어진다. 이들은 매우 희귀하며 공급망 문제에 매우 취약한 광물이다. 머티리얼스 넥서스는 강력한 인공지능 모델을 활용해 기존 재료를 대체하거나 프로세스를 줄이는 새로운 재료를 설계해 산업생산 과정의 여러 문제를 해결하고자 했다. 새로 개발된 영구 자석 제작은 기존 프로세스보다 200배나 빨랐고, 탄소 배출량은 70%나 절감됐다. 조나단 빈(Jonathan Bean) 머티리얼스 넥서스 공동 설립자 겸 CEO는 "이 AI 기반 플랫폼은 원하는 물성을 지닌 원소 조합을 빠르고 체계적으로 주기율표에서 검색한다. 모든 데이터는 자체 양자역학 계산을 통해 생성되기 때문에 실험 데이터 세트보다 정확성과 범위가 넓다. 이 데이터는 기계 학습 알고리즘을 통해 입력되고 최적의 공식을 생성한다"고 설명했다. 1억개 이상 후보 물질 조성 연구팀은 이 기술을 희토류를 사용하지 않는 영구 자석 개발에 적용하여 1억 개 이상의 후보 물질 조성을 분석해 새로운 유형의 영구 자석을 제작했다. 보도자료에 따르면 연구팀은 3개월간의 설계 및 테스트를 거쳐 기존 방식 대비 20% 저렴한 소재 비용으로 마그넥스를 개발하는데 성공했다. 개발 속도는 기존 방식의 200배나 빨랐다. 셰필드 대학의 야금 및 재료 가공교수인 이안 토드(Iain Todd)는 "머티리얼스 넥서스와의 첫번째 협력이 이처럼 긍정적인 결과를 낳게 되어 매우 기쁘다"고 말했다. 토드 교수는 "재료 발견을 위해 AI를 사용하는 머티리얼스 넥서스의 접근 방식과 셰필드의 헨리 로이스 연구소에서 고급 합금을 제조하기 위해 보유하고 있는 세계적인 시설이 결합되어 새로운 자성 재료를 놀라운 속도로 개발할 수 있었다. 이 접근 방식의 추가적인 이점은 현재 사용 가능한 희토류 재료에 비해 탄소 배출량이 70% 감소한다는 것이다"라고 강조했다. 탄소 배출량 70% 감소 빈 CEO는 "AI 기반 재료 설계는 자기 뿐만 아니라 재료 과학 전체 분야에도 영향을 미칠 것"이라면서 "이제 우리는 모든 종류의 산업 요구에 맞는 새로운 재료를 설계할 수 있는 확장 가능한 방법을 확인했다"고 말했다. 그는 "마그넥스에 대한 소재 발굴 재료 검색에 3개월이 걸렸다. 데이터 세트와 기능을 확장함에 따라 검색 속도도 더욱 빨라질 것"이라고 IE와의 인터뷰에서 밝혔다. 빈은 또한 "이미 반도체, 촉매제, 코팅 등 다양한 제품 분야에 대한 광범위한 관심을 불러일으켰다. 점점 더 시급해지는 공급망과 환경 문제 해결을 위한 새로운 소재 개발에 시장 수요를 충족시키는데 우리 플랫폼이 어떤 역할을 할지 기대된다"고 덧붙였다. 마그넥스의 개발은 희토류 없는 영구 자석 제조 기술의 발전을 가속화하고 미래 청정 에너지 개발에 기여할 것으로 잔망된다.
- 포커스온
2024-06-12
[신소재 신기술(54)] 무산소 공정으로 고품질 그래핀 대량 생산 가능

북미 과학자들이 무산소 공정을 활용해 '꿈의 소재'로 불리는 그래핀의 대량 생산 길을 열었다. 미국 콜럼비아 대학교 대학원 엔지니어링의 혼(Hone) 연구소가 국립표준기술연구소(NIST), 캐나다 몬트리올 대학교 연구원들과 함께 '무산소 화학 지상 증착(OF-CVD)' 기술을 개발해 고품질 그래핀의 대량 생산을 가능하게 했다고 아조나노와 인디펜던스 등 다수 외신이 보도했다. 이 기술은 고품질 그래핀 샘플을 대규모로 생산할 수 있으며, 산소와 그래핀 품질 간의 직접적인 상관관계를 밝히고 미량 산소가 그래핀의 성장 속도에 어떤 영향을 미치는지 보여준다고 그래핀은 탄소 원자 단일층으로 이루어진 물질로 2004년 처음 발견됐다. '21세기 경이로운 소재'로 꼽히는 그래핀은 전기 전도성과 강도가 매우 뛰어나 에너지 저장부터 의료 기기, 전자 제품에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 혁신을 가져올 수 있는 물질로 알려져 있다. 하지만 현재까지 그래핀은 제조 과정에서 불순물이 발생하고 대량생산이 어려워 산업 활용에 한계가 있었다. 특히 산소 존재는 그래핀 성장 속도에 영향을 미치고 불순물을 발생시켜 산업적 활용을 저해하는 주요 원인이었다. 연구팀은 산소를 거의 완전히 제가한 상태에서 그래핀을 화학 기상 증착(CVD)방식으로 합성하는 새로운 방법을 개발했다. 연구팀은 "산소 제거를 통한 고품질 그래핀 합성 재현 기능성 확보는 대량 생산으로 나아가는 중요한 이정표"라고 말했다. 기존 그래핀 제조 방법은 두 가지였다. 첫번째는 박리 그래핀 방식이다. 연필 심과 동일한 재료인 흑연 샘플에서 가정용 테이프를 사용해 흑연 막을 벗겨내는 '스카치 테이프(박리 그래핀)' 방법은 매우 순수한 그래핀을 얻을 수 있지만 대량 생산에는 적합하지 않다. 두 번째는 CVD 성장 방식으로 알려져 있다. 15년 전 개발된 CVD 방식은 대량 생산이 가능하지만 산소 존재로 인해 품질이 균일하지 않았고, 성장 속도 저하 문제 등이 있었다. CVD 방식은 메탄과 같은 탄소 함유 가스가 구리 표면위로 통과한다. 가스의 온도가 메탄 조직과 탄소 원자가 재구성되어 벌집 모양의 단일 그래핀 층을 형성하는 지점까지 올라가면 그래핀이 합성된다. CVD 성장을 확장하면 cm(센티미터) 혹은 m(미터) 크기의 그래핀 샘플을 생산하는 것이 가능하다. 그러나 문제는 산소였다. 연구팀은 산소로 인해 공정이 훼손되는 문제를 해결하기 위해 산소 제어를 통한 그래핀 합성 프로세스를 개선했다. 공동 저자인 몬트리올의 리차드 마텔(Richard Martel)과 피에르 레베스크(Pierre Levesque)는 이전에 미세한 농도의 산소가 성장을 방해하고 심지어 그래핀을 제거할 수 있다는 사실을 입증했다. 약 6년 전, GSAS'19의 크리스토퍼 디마르코는 증착 과정에서 첨가되는 산소의 양을 정밀하게 제어할 수 있는 CVD 성장 시스템을 설계하고 구축했다. 디마르코의 연구는 현재 박사 과정 중인 싱저우 얀(Xingzhou Yan)과 제이콥 아몬트리(Jacob Amontree)가 수행해 성장 시스템을 개선했다. 이들은 미량의 산소가 제거되었을 때 CVD 성장이 일관되게 더 빨라진다는 사실을 발견했다. 또한 산소가 없는 CVD 그래핀 성장의 동역학을 조사하고 간단한 모델을 사용하여 온도와 가스 압력 등 다양한 매개변수에 따라 성장 속도를 예측할 수 있음을 발견했다. OF-CVD로 성장한 샘플의 품질은 박리 그래핀의 품질과 거의 동일한 것으로 나타났다. 컬럼비아 대학교 물리학과 교수들과 협력으로 생산된 그래핀은 자기장이 존재할 때 분수 양자 홀 효과에 대한 강력한 증거를 제공했다. 개선된 공정을 통해 빠르고 안정적으로 성장하는 고품질 그래핀을 얻을 수 있었으며, 이는 향후 그래핀 대량 활용 가능성을 열어준다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 '산소 없는 화학 기상 증착을 통한 재현 가능한 그래핀 합성'이라는 제목으로 게재됐다.
- 포커스온
2024-06-05