상온 초전도체 꿈의 물체 개발이 가까웠다

상온 초전도체는 전기의 저항이 일정 온도 이하에서 급격하게 0이 되는 초전도 현상이 상온에서도 가능한 물질을 말합니다. 이것이 가능하다면 가정이나 기업에 전기를 전달하는 방식이 혁신적으로 변화하게 될 것입니다. 

먼저, 초전도체란 무엇일까요?

우리가 사용하는 전기를 가정으로 운반하려면 전기가 이동할 때 발생하는 저항을 감당할 수 있는 전압의 전선이 필요합니다. 저항이 높으면 높을 수록 높은 열이 발생하기 때문인데요. 이것을 줄일 수 있는 방법은 전압을 높여주는 것입니다. 우리가 사용하는 전선들도 운반할 수 있는 전기의 저항만큼 전압을 가지고 있기 때문에 안전하게 사용 가능한 것인데요. 

만약 전기를 운반할 때, 저항이 없다면 어떨까요?

더 많은 전기를 더 효율적으로, 안전하게 운반할 수 있게될 것입니다. 공장이나 시설에 전기 증설이 필요 없어지며 전기 저항으로 인한 화재 사고도 줄어들 수 있습니다. 

초전도 현상은 일정 온도 이하에서 전기저항이 급격하게 0이 되는 현상을 말합니다. 전기저항이 0이 된다는 것은 전류가 흐를때 저항이 없이 흐른다는 것이며, 전기에너지가 이동 중에 손실이 되지 않는다는 의미입니다. 또한 전기회로에서 전력 손실이 일어나지 않고 저항에 의한 열이 발생하지 않아 에너지가 낭비되지 않는다는 것이지요. 

1911년경 네덜란트 물리학자인 카메를링 오네스는  극저온 상태에서 수은의 전기저항이 0이 되는 현상을 발견했습니다. 전기저항이 없어지는 온도를 '임계온도'라고 하고, 저항이 완전히 사라진 물체를 초전도체라고 부릅니다. 

초전도체는 자기장을 밀어내는 성질을 가지게 되기 때문에 자석 위에 놓게 되면 초전도체가 공중에 떠오르게 되는 신기한 현상이 일어납니다. 이렇게 떠있는 상태에서 힘을 가하면 마찰력이 없어 아주 적은 에너지로도 엄청난 속도로 이동할 수 있습니다. 이를 활용한 것이 바로 자기부상열차입니다. 

초전도체 어디에 활용될까?

우리에게 가장 친숙한 것은 의료기기인 MRI와 자기부상열차입니다. 자기부상열차는 앞서 말씀드린 것과 같이 초전도체와 전자석을 이용하여 열차를 움직이는 원리이며, MRI는 초전도체를 이용해 강한 자기장을 형성하여 인체 내부에 자기장 성질을 측정해 문제를 측정할 수 있는 영상 진단 장비입니다. 

상온 초전도체는?

초전도체는 극저온에서만 이루어질 수 있기 때문에 이를 실생활에 활용하는데에는 어려움이 많습니다. 액체 헬륨이나 액체 질소 등으로 냉각을 하게 되는데 이것들의 비용이 비싸기 때문에 부담이 큰 것입니다. 이러한 이유로 완전히 상용화 되는 것에 걸림돌이 있는데요. 

상온에서 초전도 현상이 일어나는 물질이 발견된다면 해당 문제를 해결하면서 산업에 큰 변화를 가지고 올 수 있을 것이라 생각해 많은 물리학자가 100년이 넘도록 이것을 연구해왔습니다. 

그런데 미국 로체스터대학 연구진이 일상에 실용화할 수 있을만큼 상온과 낮은 압력에서 초전도 현상을 보이는 새로운 물질을 개발하였다고 발표했습니다. 디아스 박사가 이끄는 연구팀에서는 20.5℃와 10 kb(킬로바·1kb= 14,500 psi)에서 초전도 현상이 나타나는 '질소 주입 루테튬 수소화물'(NDLH)에 대한 논문을 과학저널 '네이처'(Nature)에 발표한 것인데요. 여전히 높은 압력을 사용해야만 하는 것으로 보이지만 이전까지 연구되었던 초전도 현상에 비하면 그리 높은 것은 아니라는 의견입니다. 이는 희토류 원소 중 하나인 루테튬(Lu)에 수소를 결합한 후, 소량의 질소를 혼합해 2~3일 간 200℃의 고온처리를 진행한 것입니다. 

만약 이러한 연구가 더욱 진행되어 실생활에 적용 가능한 시대가 온다면 초전도체 전력망으로 전기저항 없이 최대 2억 메가와트시(MWh)에 달하는 전력 손실을 막을 수 있고, 핵융합, 초전도 전력 케이블, 자기부상열차 등 혁신적인 변화가 일어날 것으로 보입니다. 

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