차세대신교통시스템, 자기부상열차의 부상

한국 대도시 교통망의 핵심은 버스와 지하철이다. 전통적으로 버스는 단거리 이동을, 지하철은 중장거리 이동을 담당했으나 근래 간선급행버스체계(BRT)가 확대되면서 버스의 중장거리 부담률이 높아지고 있다. 하지만 버스와 지하철만으로 해결하기 어려운 틈새가 있다.

한국의 대도시 환승시스템은 비교적 잘 구축된 편이지만 지하철과 간선버스가 이르지 못하는 지역을 지선버스와 마을버스만으로 커버하기에는 무리가 있다. 버스는 수송력에 한계가 있으며 지하철은 사업규모가 너무 커서 쉽사리 건설하기 곤란하기 때문이다.

이에 대비할 수 있는 교통수단으로 ‘신교통시스템’이 있다. 신교통시스템은 버스와 지하철 양쪽의 장점을 취하는 교통수단으로, 주로 전기를 이용해 친환경적이고 궤도를 이용한 버스에 비해 정시성이 높으며 굴착이나 대규모 역사 등이 필요하지 않아 지하철에 비해 가설비용이 저렴하다. 국내 신교통시스템으로는 기존 도로를 이용할 수 있는 BRT나 M버스, 경전철 등이 있다.

BRT(Bus Rapid Transit)는 주요 간선 도로에 버스 전용 차로를 설치해 급행으로 버스를 운행하는 방식이고, M버스(Metorpolitan Bus)는 수도권 주요거점을 중간정차 없이 연결하는 광역급행버스다. 경전철은 수송량과 운행 거리가 기존 지하철의 절반 수준인 경량 전철로, 지하철에 비해 건설비용이 저렴하고 공해와 소음이 적다는 장점이 있다.

여기서 한 발 더 나아간 것이 ‘차세대 신교통시스템’이다. 차세대 신교통시스템이란 말 그대로 현재 신교통시스템의 다음 세대를 말한다. 국내에서 개발 중인 차세대 신교통시스템의 대표주자로 손꼽히는 것 중 하나가 자기부상열차다.

우리나라에서도 지난 2006년 사업단이 출범해 본격적으로 자기부상열차를 개발해 왔다. 국토해양부의 국가건설교통 연구개발사업으로 추진돼 한국기계연구원에서 개발 및 실용화중인 자기부상열차는 오는 2012년 10월 인천국제공항에 시범노선이 설치돼 공항 이용객들의 중요한 교통수단이 될 예정이다.


[그림 1]인천에 선보일 도시형자기부상열차로 한국기계연구원에서 시험운행되고 있는 모습. 사진 제공 : 도시형자기부상열차실용화사업단

목표는 최고속도 110km/h, 1량 탑승인원 100명, 무인운전이 가능한 자기부상열차 개발과 인천공항 내 6.1km 시범노선을 구축하는 것으로 설정됐다. 11~12월이면 시속 110km/h 도달 여부를 확인할 수 있을 것으로 예상되며, 이후 약 1년간 시운전을 통한 안정화 기간을 거쳐 2013년 9월 공식 개통할 계획이다.

자기부상열차는 자석의 같은 극끼리 밀치고 다른 극끼리 당기는 힘을 이용해 차량을 선로 위에 띄워서 움직이는 열차를 말한다. 도시형자기부상열차에 사용되는 자석은 강력한 영구자석이다. 선로와 열차가 직접 닿지 않기 때문에 마찰력이 매우 적어 가속이 빠르며 소음이 65dB 수준으로 낮다. 바퀴와 레일의 마찰로 인한 진동과 분진도 없어 친환경 교통수단으로 꼽힌다. 또한 탈선, 전자파 등의 위험요소가 없고 건설비와 운영비도 기존 철도에 비해 저렴해 세계 각국에서 많은 관심을 갖고 있다.

이러한 장점 때문에 복잡한 도심에서도 운행할 수 있어 차세대 도심대중교통수단으로 주목받고 있다. 보통 자기부상열차라고 하면 상하이 도심과 푸동 공항을 연결하는 열차처럼 초고속열차를 생각하는 경우가 많다. 하지만 국내에서 개발하는 자기부상열차는 중저속 도시형자기부상열차다. 교외와 도심을 연결하는 것이 아니라, 도시 내에서 지하철이나 경전철을 대신하는 용도로 개발하고 있기 때문이다.

영구자석을 이용한 방식 외에 열차에서 튀어나온 전자석이 철판으로 만든 선로 아래를 감싸듯 설치한 ‘상전도 흡인식’도 있다. 상전도 흡인식은 자석이 철판으로 달라붙으려는 흡입력으로 열차를 띄우는 방식을 말한다. 이 방식은 저속은 물론 고속열차에도 적용할 수 있어 인기가 높다.

초고속 열차 전용으로 개발된 기술도 있다. 강력한 초전도 자석의 반발력을 이용해 높은 속도를 낼 수 있는 초전도 반발식이 그것이다. 자기부상열차 바닥에는 초전도체를 이용한 초전도 자석을 놓고 레일 위치에 전자석을 놓아 만든다. 초전도 현상이란 섭씨 영하 200도 이하의 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 사라지는 현상을 말한다. 초전도 현상이 일어나는 초전도체는 전기 저항이 사라지는 것 외에도 아주 큰 자기장을 만들거나 가두어 둘 수 있다.

열차 바닥의 초전도자석과 전자석의 자기장 방향을 반대로 두어 열차와 레일 사이에 서로 밀어내는 척력이 생기고, 무거운 열차가 공중에 뜰 수 있는 것이다. 때문에 마찰력이 거의 발생하지 않아 적은 동력으로도 먼 거리를 갈 수 있다.

현재 도시형 자기부상열차가 개통돼 영업 중인 노선은 세계적으로 일본 나고야가 유일하다. (중국 푸동공항과 상하이를 연결하는 노선은 시속 300km를 넘는 고속형이다.) 최근에는 중국이 자체 기술로 저속 자기부상열차를 개발해 선보였지만, 상용화가 되기까지는 시간이 더 필요할 것으로 보인다.

오는 10월 인천에서 시범운행을 시작할 자기부상열차는 세계에서 두 번째로 운행을 시작하는 도시형자기부상열차가 된다. 2013년 9월 성공적으로 상용화 돼 향후 최첨단 녹색교통시스템으로 자리 잡기를 기대해 본다.

글 : 김택원 과학칼럼니스트

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[실험] 철길 구르는 바퀴 만들기

우리 주변의 물체 대부분은 외부에서 밀거나 당기는 등 힘을 가해야만 움직이지요. 그런데 힘을 가하지 않아도 물체 스스로 밀거나 당기는 물체가 있어요. 바로 ‘자석’이예요. 자석끼리 서로 밀어내거나 끌어당기는 힘, 또는 자석이 다른 물체를 끌어당기는 힘을 ‘자기력’이라고 해요.

자기력의 크기는 자석들 사이의 거리에 따라 달라져요. 자석 사이의 거리가 가까울수록 힘이 커지지요. 두 자석을 서로 다른 극끼리 마주 보게 놓아두면 자기력 때문에 서로 달라붙겠지요? 하지만 두 자석의 거리가 멀어질수록 자기력은 약해지고, 결국에는 서로에게 아무런 영향도 끼치지 않게 된답니다.

자석은 자기력 외에도 다양한 성질을 가지고 있어요. 막대자석의 한쪽은 빨간색으로 칠해져 있고 다른 쪽은 파란색으로 칠해져 있지요. 빨간색 부분은 N극이고 파란색 부분은 S극이예요. 이렇게 하나의 자석 안에는 N극과 S극이 함께 존재한답니다. 그런데 이 막대자석을 정확하게 반으로 나누면 어떻게 될까요? 신기하게도 쪼개진 부분들이 각각 N극과 S극으로 나눠진답니다. 자석을 아무리 잘게 쪼개도, 조각들의 양 끝은 항상 N극과 S극을 띠게 돼요.

자석은 다른 물체에게 자신의 능력을 나눠주기도 해요. 철 안에는 자성을 가진 작은 입자들이 들어 있는데, 평소에는 멋대로 흐트러져 있다가 자석을 가까이 하거나 자석으로 문지르면 가지런히 배열돼요. 이런 현상을 ‘자화’라고 해요. 자화된 철은 마치 자석처럼 자기력을 갖게 돼요. 자석도 아니면서 자석처럼 행동하게 만드는 자화 현상, 실험을 통해 더 자세히 알아볼까요?


[교과과정]
초 3-1 자석의 성질
초 6-1 자기장

[학습주제]
자석의 성질과 자기력 이해하기
자화현상 관찰하기


<실험 방법 및 원리>







실험에서 바퀴가 철길을 구르는 것을 관찰해 보면, 바퀴의 폭보다 더 넓어지는 철길 끝에서도 떨어지지 않고 꼭 붙어 다시 뒤돌아 굴러오는 것을 볼 수 있어요. 이렇듯 바퀴와 철사가 붙어 있을 수 있는 이유는 자화 현상 때문입니다. 바퀴에 연결된 나사 두 개가 네오디뮴 자석으로부터 자기력을 받게 된 거지요. 때문에 철길에 단단하게 달라붙어 철사길을 뒤집거나 흔들어도 바퀴가 떨어지지 않고 철길에 붙어 계속 굴러갈 수 있는 거랍니다.

실험에서는 자석이 물체를 당기는 힘을 이용해 이동하는 물체를 만들었어요. 반대로 자석이 서로를 밀어내는 힘을 이용하는 탈것도 있답니다. 바로 자기부상열차가 그 주인공이죠. 자기부상열차는 바닥에 초전도체를 이용한 초전도 자석을 놓고 레일 위치에 전자석을 놓아 만들어요. 초전도 현상이란 섭씨 영하 200도 이하의 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 사라지는 현상을 말해요. 초전도 현상이 일어나는 초전도체는 전기 저항이 사라지는 것 외에도 아주 큰 자기장을 만들거나 가두어 둘 수 있어요.

열차 바닥의 초전도자석과 전자석의 자기장 방향은 반대지요. 때문에 열차와 레일 사이에 서로 밀어내는 척력이 생기고 무거운 열차가 공중에 뜰 수 있는 거랍니다. 자기부상열차는 마찰력이 거의 발생하지 않아 적은 동력으로도 먼 거리를 갈 수 있어요. 이렇듯 자석은 우리 일상생활에서 다양하게 쓰이고 있답니다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트
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“총! 총! 총! 총! 총!”

강인은 무척 화가 나 있다. 동네에서 같이 놀던 형들이 자신만 놔둔 채 비비탄을 쏘는 장난감 총을 갖고 놀고 있기 때문이다. 그래서 지금 아빠를 조르는 중이다.

“총! 총! 총! 총! 총!”

아빠는 무척 당혹스럽다. 어린 강인이 총을 사달라고 조르고 있지만 아직 총을 갖고 놀기는 위험하다는 생각이 들기 때문이다. 그래서 지금 고민 중이다.

“강인아 총은 너무 위험해. 잘못 쏘면 사람이 다칠 수도 있는 걸?”

“저 잘 쏴요. 명사수에요. 형들 총 빌려서 깡통 맞출 때도 백발백중이었어요.”

“그래도 아빠가 직접 확인한 것은 아니잖니.”

“아! 그럼 총을 사주시면 제가 그걸로 표적을 맞춰서 보여드릴게요! 만약 백발백중 못 맞추면 총은 안 갖고 놀게요.”

“아빠 없을 때 갖고 놀 거잖아.”

“…….”

“좋아! 그럼 이렇게 하자. 아빠가 총을 만들어 줄 테니 그걸로 표적을 맞춰보는 거야.”

“총을 만들어 주신다구요?”

“그럼. 쇠구슬과 강한 자석만 있으면 되거든. 아빠 공구함에 있으니 조금만 기다리렴.”

강인은 무척 기대가 됐지만 아빠가 가져온 것은 쇠구슬 4개와 자력이 강한 ‘네오디뮴’ 자석 2개. 이걸로 무슨 총을 만든다는 것일까.

“에이. 아빠 이게 뭐에요….”

“어? 강인이 자석 총을 무시하네? 이래 뵈도 빈 깡통 정도는 쉽게 쓰러뜨릴 수 있다구.”

“그럼 보여주세요.”

“좋아. 먼저 총알이 원하는 방향으로 나갈 수 있도록 종이를 V자로 접어 총구를 만들자. 그리고 네오디뮴 자석 두 개를 붙여서 자력을 강하게 만든 뒤 종이 위에 올려두고, 한쪽에 쇠구슬 3개를 붙이는 거야. 자, 이제 완성이다.”

“애걔? 이게 끝이에요?”

“응. 그럼 어디 아빠가 먼저 총알을 쏴볼까?”

아빠는 쇠구슬이 붙어 있지 않은 자석 5~6cm 뒤 종이 위에 쇠구슬을 올려놓더니 손가락으로 톡 튕겼다. 쇠구슬은 자석 쪽으로 굴러가더니 ‘딱’ 소리를 내며 자석에 붙었다. 그 순간 반대쪽에 있던 쇠구슬 하나가 빠른 속도로 튕겨져 나갔다.

“에이. 빗나갔네. 아빠가 다시 한 번 쏴볼게.”

아빠는 다시 한쪽에 쇠구슬 3개를 놓고 자석에 붙은 쇠구슬을 낑낑대며 떼더니 다시 반복했다. ‘캉~!’ 명중.

“어때? 이만하면 강인이의 사격실력을 측정할 수 있겠지?”

“우와~. 분명 살짝 민 것 같은데 어떻게 쇠구슬이 ‘피융~’하고 나가죠?”

“궁금하지? 그럼 간단한 실험을 해보자. 먼저 자석을 빼고 이렇게 쇠구슬 3개만 나란히 붙여두고 다른 쇠구슬 하나를 손가락으로 쳐서 3개를 맞춰보렴.”

‘딱~!’

“어? 3개 중에 1개의 쇠구슬만 튀어나갔어요.”

“그래. 쇠구슬 1개가 가진 힘(운동량)이 쇠구슬 3개 중 가장 끝에 있는 쇠구슬에 전달돼 1개만 튀어나간 거야. 만약 3개를 붙여놓고 2개를 굴리면 끝에 있는 2개가 튀어나간단다.”

“오~. 그럼 3개를 붙이고 4개를 튕기면요? 붙어있는 게 3개뿐인데 어떻게 돼요?”

“직접 한 번 해볼까? 아빠가 쇠구슬을 넉넉하게 가져왔으니 강인이가 실제로 해보렴.”

‘딱~!’

“우와! 붙어있는 것은 3개뿐이었는데 4개가 튀어나갔어요.”

“신기하지? 쇠구슬이 갖고 있는 힘으로 반대쪽 쇠구슬을 튕겨낸다는 게. 그런데 여기에 강한 자석을 붙여두면 어떻게 될까?”

“음음… 자석이 쇠구슬을 끌어당기니깐… 속도가 빨라지나요?”

“어랏? 정답! 강인이가 이해가 빠르구나? 굴러온 쇠구슬이 자석과 쇠구슬 3개를 치려는 순간 자석이 쇠구슬을 강하게 끌어당겨서 속도가 갑자기 빨라지지. 결국 끝에 있는 쇠구슬은 처음 쇠구슬을 굴린 속도보다 빠르게 튀어 나가는 거야. 멀리 있는 깡통을 맞출 정도로 말야.”

“그럼 자석을 많이 붙일수록 총알을 더 빨리 쏠 수 있겠네요?”

“하지만 자석이 많아지는 만큼 길이도 길어지고 무거워지거든. 마찰력 때문인지 쇠구슬과 자석이 붙는 속도가 빠르지 않더라고. 강인이가 한번 쇠구슬이나 자석의 개수를 바꿔가며 가장 맘에 드는 총을 직접 만들어보렴.”

“네! 제가 멋진 자석총으로 ‘명사수 강인’을 아빠께 보여드릴게요. 형들이 갖고 노는 비비탄 총만큼 재밌는데요?”

“그렇지? 집에서 사격 연습하기로는 자석총의 세기가 가장 나을 거야. 괜히 강한 총으로 창문이나 컵이라도 깼다가는 엄마한테 혼날 테니까….”

“네. 그리고 제가 자석총으로 10발 쏴서 다 맞으면 비비탄 총 사주시는 거에요?”

“…100발.”

“100발이요?”

“‘백발백중’ 다 맞추면 사주기로 했잖니. 한발도 빗나가면 안 된다.”

“아빠~~”

[실험방법]
준비물 : A4 용지, 쇠구슬 4~6개, 강한 자석(네오디뮴) 2개.
(네오디뮴 자석은 대형문구점이나 인터넷 쇼핑몰에서 구할 수 있다.)

[실험순서]
1. A4크기 종이와 네오디뮴 자석 3개, 쇠구슬 4~6개를 준비한다.
2. A4크기 종이를 접어 굴림대를 만든다.
3. 네오디뮴 자석 3개를 붙인다.
4. 자석 한쪽에 쇠구슬 3개를 붙인다.
5. 쇠구슬이 없는 쪽에 쇠구슬 1개를 놓고 손가락으로 자석에 튕긴다.
6. 자석과 쇠구슬이 붙으면 반대쪽 쇠구슬 3개 중 1개가 빠른 속도로 튀어나간다.

[실험 Tip]
- 자석을 여러 개 붙이면 자력이 강해져 쇠구슬 총알이 더 멀리 날아간다.
- 네오디뮴 자석은 자력이 강해 자석 사이에 살이 집히면 아플 수 있으니 주의할 것.

글 : 전동혁 과학칼럼니스트




 
ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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