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영화 ‘가타카’를 보면 신생아가 태어나자마자 의사가 유전자 분석기에 태아의 피를 한 방울 떨어뜨려 검사하는 장면이 나온다. 컴퓨터는 즉시 태아의 DNA를 분석해 그의 인생을 예측한다. “이 아이는 키는 최대 175cm까지 자랄 것이고 30세에 당뇨병에 걸릴 확률이 70%며, 심장병의 위험이 있습니다….”

영화만큼은 아니지만 DNA 검사는 이미 질병을 조사하기 위해 쓰이고 있다. 그럼 검사에 쓰인 DNA는 어디서 왔을까. 세포의 핵 속이라고 생각하는 사람이 많겠지만 DNA는 세포의 핵 뿐 아니라 미토콘드리아라는 세포 소기관에도 존재한다. 따라서 DNA 검사를 하려면 미토콘드리아의 DNA까지 검사해야 한다. 사람의 DNA 중 1%밖에 차지하지 않는 미토콘드리아의 DNA가 우리 몸에 어떤 영향을 미칠 수 있을까?

우선 미토콘드리아에 대해 살펴보자. 기억력이 좋은 사람이라면 중학교 생물시간에 미토콘드리아에 대해서 배운 기억이 날 것이다. 세포 안에는 여러 소기관이 존재하는데 그 중 에너지 생성을 담당하는 역할을 하는 것이 바로 미토콘드리아다. 포도당과 산소를 사용해서 생체가 쓰는 에너지인 ATP를 만들어 낸다.

미토콘드리아가 없으면 세포는 포도당 1분자에서 기껏해야 2분자의 ATP밖에 못 만들지만 미토콘드리아가 있으면 포도당 1분자로 38분자의 ATP를 만들 수 있다. 에너지 효율로 따지면 약 40%나 된다. 인간이 최첨단 기술로 만든 엔진이 20%에 불과한 효율을 보인다는 점을 생각하면 미토콘드리아는 가히 ‘고효율 생체발전소’라 할 수 있다.

때문에 에너지를 많이 만들어야 하는 세포일수록 미토콘드리아가 많다. 우리 몸을 움직이게 하는 근육 세포, 생체 독소를 정화하는 기능을 하는 간 세포, 소화액을 만들어 내는 상피세포에 많이 존재한다.

또 같은 세포라도 미토콘드리아는 에너지를 많이 필요로 하는 부위에 모여 있다. 난자를 찾아 움직이는 정자에는 꼬리를 움직이는 부위에 미토콘드리아가 집중 분포한다. 세포 내에서 물질을 수송하는 부위, 예를 들어 소화액을 분비하는 세포막 가까운 곳에 주로 분포한다. 결론적으로 미토콘드리아는 에너지가 많이 필요한 곳 가까이 있으면서 끊임없이 에너지를 만들어 공급하는 역할을 담당한다.

과학향기링크 그럼 미토콘드리아 DNA는 우리 몸에 어떤 영향을 미칠까? 에너지를 만드는 기관인 만큼 미토콘드리아는 에너지대사와 관련이 깊은 질병인 당뇨, 비만과 관련이 깊다. 이와 관련해 최근 미토콘드리아의 DNA 유형에 따라 당뇨나 비만에 걸릴 가능성이 달라진다는 주장이 설득력을 얻고 있다.

우선 미토콘드리아의 DNA가 N9a형인 사람은 당뇨, 비만에 걸릴 확률이 낮다. 서울대 의대 이홍규 교수팀은 한국인 당뇨병 환자 732명과 일본인 당뇨병 환자 1289명의 혈액을 조사해서 미토콘드리아 DNA를 분석했다. 그 결과 정상인 중에 N9a형을 가진 비율은 5.3%였으나 당뇨병 환자 중에 N9a형을 가진 비율은 3%에 불과했다. 이 교수는 “N9a형 DNA를 가진 사람이 없는 사람보다 당뇨병에 걸릴 위험이 거의 절반에 불과하다”고 분석했다.

이는 N9a형 DNA를 가진 미토콘드리아가 에너지 생산을 더 활발히 하기 때문이다. 이 미토콘드리아는 세포가 바로 필요하지 않은 영양분까지 모두 태워 에너지를 만든다. 영양분이 저장되지 못하기 때문에 비만이 될 확률도 낮고, 비만으로 인한 당뇨병 위험도 줄어든다. N9a형 DNA의 미토콘드리아를 가진 사람은 추위에도 잘 견딘다고 한다.

이 교수 연구팀은 체질량지수(BMI)가 높은 사람일수록 미토콘드리아의 에너지 생성 효율이 떨어진다는 연구결과도 내놨다. 우선 혈액의 미토콘드리아를 제거한 세포에 실험 대상자의 세포(혈소판)를 융합한 ‘사이브리드’라는 세포를 만들었다. 조사 결과 체질량지수가 높은 사람의 사이브리드의 에너지 소모능력이 체질량지수가 낮은 사람의 사이브리드보다 떨어지는 것으로 나타났다. 즉 미토콘드리아 기능이 저하될수록 비만의 원인이 된다는 뜻이다.

재미있는 건 미토콘드리아의 DNA는 오직 어머니로부터 유전된다는 사실이다. 정자와 난자가 만나 수정이 이뤄질 때 정자는 핵만 난자와 결합한다. 결국 수정란에 존재하는 미토콘드리아는 오직 난자에 있던 것 뿐이다. 자식은 아버지와 어머니를 반씩 닮지만 미토콘드리아의 DNA만큼 어머니를 더 닮는다고 할 수 있다. 미토콘드리아와 비만의 관계가 더 밝혀지면 비만과 당뇨의 탓을 어머니에게 돌리는 사람이 늘어날지도 모르겠다.
(글 : 목정민 과학칼럼니스트)

<출처 : 한국과학기술정보연구원> ndsl링크

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최근 국내 인터넷 전자상거래 매출 상위 업체인 옥션에서 해킹 사건으로 1000만 명 이상의 이름과 주민등록번호 등 개인정보가 유출된 것으로 밝혀졌다. 인터넷 사이트는 정보보호를 위해 다양한 보안장치와 암호 기술을 적용하고 있다. 그런데도 정보 유출은 끊이지 않고 있다. 이런 대규모 정보 유출 말고도 개인적인 암호 노출, 도청 등의 사건도 계속 발생하고 있다. 도청과 해킹이 난무하는 상황에서 정보를 안전하게 지킬 수 있는 확실한 방법은 없을까.

사실 사용에 여러 가지 제약이 있긴 하지만 절대 안전한 암호방식은 이미 20세기 초에 만들어졌다. 바로 일회용 난수표다. 보내고자 하는 메시지를 수열로 바꾼 후, 여기에 아무런 규칙이 없는 난수로 된 수열을 더하면 그 결과도 아무런 규칙이 없는 수열이 된다. 이렇게 만든 암호문은 똑같은 난수열을 가진 사람만이 해독할 수 있다. 난수표를 두 번 이상 사용하면 이것 자체가 새 규칙이 돼, 이 규칙으로 암호를 풀 수 있어 한 번만 사용하는 것을 원칙으로 한다. 그러다 보니 계속 통신하려면 일회용 난수표를 끊임없이 새로 만들어 통신당사자끼리 나눠야 하는데, 이 과정에서 유출될 위험이 매우 커 한계가 있다.

1970년대 이런 번거로움을 덜 수 있는 공개키 암호방식을 수학자들이 개발했다. 비밀메시지를 받기 원하는 사람은 자신의 공개키를 누구나 볼 수 있게 공개하고 나서, 메시지를 암호로 전환한다. 이 암호는 비밀키를 가진 사람만이 풀 수 있다. 자물쇠와 열쇠의 관계에 있는 공개키와 비밀키의 필수조건은 공개키로부터 비밀키를 알아내기가 매우 어려워야 한다는 것이다. 이 필수조건을 이상적으로 만족하는 소인수분해 문제를 이용해 만든 RSA라는 공개키 암호 방식은 현재 인터넷을 비롯해 가장 널리 쓰인다. 1과 그 자신 이외에는 다른 약수가 없는 소수 두 개를 곱하기는 매우 쉽지만, 그 곱을 원래의 소수로 분해하는 것은 매우 어렵기 때문이다. 예를 들어 251 곱하기 479는 금방 계산할 수 있지만 120,229가 어떤 수의 곱인지는 알려면 시간이 꽤 걸린다. 소수의 자릿수를 100자리 이상으로 늘리면 현재의 슈퍼컴퓨터로도 수백 년 이상이 걸려야 어떤 수의 곱인지 알 수 있다. 그러나 이 방법은 새로운 알고리듬이나 컴퓨터가 등장하면 통하지 않을 수 있는 한계가 있다. 그런데 이런 우려가 현실로 나타났다. 1990년대 중반 양자컴퓨터로 소인수분해 문제를 순식간에 풀릴 수 있다는 것이 알려진 것이다.

그러나 이보다 앞선 1984년 IBM의 베넷과 몬트리올대의 브라사드가 양자물리학을 이용해 해킹과 도청으로부터 안전한 양자암호체계를 발명했다. 아직 실용화까지는 멀었지만, 국내에서도 고등과학원과 한국전자통신연구원이 공동연구로 2005년 양자암호시스템을 시연했다.

양자암호는 앞서 소개한 절대 보안의 일회용 난수표 방식이 가진 단점을 양자물리학으로 완벽하게 보완한 것이다. 일회용 난수표는 아무런 규칙이 없는 수열이므로 양자컴퓨터뿐만 아니라 어떤 방식으로도 풀 수 없지만, 통신당사자들이 나눠 가지는 과정이 문제였다. 일회용 난수표를 ‘양자물리학의 원리로’ 안전하게 나눠 가질 수 있도록 한 것이 양자암호다.

디지털 정보가 0과 1의 비트로 된 수열로 표현되는 데에 비해, 양자정보는 0과 1뿐만 아니라 0과 1이 중첩된 양자비트 또는 큐비트로 나타낸다. 빛은 진행방향에 수직한 평면에서 전기장이 진동하는데 이를 편광이라고 한다. 편광은 평면 내의 두 방향으로 진동할 수 있어 이를 이용해 0과 1을 나타낼 수 있다. ‘ㄱ’자의 첫획처럼 수평방향을 0, 둘째 획처럼 수직방향을 1이라 할 수도 있고, ‘ㅅ’자의 첫획처럼 45도 방향을 0, 둘째 획처럼 135도 방향을 1이라 할 수도 있다.

철수가 기역방식으로 1을 보내려면 수직편광을 보내면 되는데, 영희가 받을 때에 같은 기역방식으로 받으면 100% 1로 읽히지만, 다른 방식인 시옷방식으로 받으면 수직편광이 45도 또는 135도로 읽혀 0인지 1인지 애매해진다. 즉 보낸 편광방식과 받는 방식이 같으면 보내고 받은 비트정보가 일치하지만, 편광방식이 다르면 비트정보가 일치하지 않을 수 있다. 통신당사자인 철수와 영희가 보내고 받는 편광방식을 기역 또는 시옷 두 가지 방식으로 바꿔가면서 0과 1을 보내고 받고서, 0인지 1인지는 서로 밝히지 않고 보내고 받은 편광방식만 비교한다. 같은 방식이면 당연히 같은 비트를 보내고 받은 셈이니 이것들만 모아서 난수표를 만들면 철수는 영희만 알 수 있는 암호를 계속 보낼 수 있다.

그럼 양자암호는 어떻게 해서 도청이 되지 않을까. 보통 광통신에서는 한 비트를 보내려면 광자(빛 알갱이)를 적어도 20개 이상에서 최대 수천수만 개씩 보낸다. 그러나 이렇게 많은 광자를 보내면 도청자가 그중에서 몇 개를 가져가 읽음으로써 도청이 가능해진다. 따라서 양자암호에서는 도청 여부가 발각될 수 있도록 광자의 개수를 조절한다. 예를 들어 광자 하나에 양자비트를 실어 보내면 도청자가 이 광자 하나를 가져가 버리면 수신자에게 전달될 광자가 아예 없어지므로 도청이 쓸모없어지거나 도청 여부를 들키게 된다.

또 다른 방법으로 도청자가 통신채널로 지나가는 양자비트를 복사하는 도청이 가능할까. 디지털정보와는 달리 임의의 양자정보를 복사하는 것은 불가능함이 증명됐다. 간단하게 말하면 양자정보를 복사할 수 있다면 빛보다 빠른 통신이 가능하게 돼 아인슈타인의 상대성이론과 모순되고, 양자상태를 정확히 알 수 있어 양자물리학 자체에도 큰 모순이 생기기 때문이다.

그럼 지나가는 양자정보를 꺼내 읽어보고 다시 통신채널로 보내면 되지 않을까. 양자상태는 한번 읽으면 그 상태가 변할 수 있다. 수평편광을 기역방식으로 읽으면 0으로 읽히고 여전히 수평편광으로 남아있지만, 시옷방식으로 읽으면 0으로 읽히고 45도 편광으로 변하든지 1로 읽히고 135도 편광으로 변한다. 이처럼 정상적인 통신당사자는 통신채널에서 편광방식이 바뀌는지를 살펴봄으로써 도청 여부를 알 수 있다.

20세기의 디지털정보가 하드웨어로는 양자물리학, 소프트웨어나 운영체제로는 고전적인 정보이론을 사용한 반면, 21세기의 양자정보는 하드웨어, 소프트웨어, 운영체제 모두 양자물리학을 바탕으로 할 것이다.
(글 : 김재완 고등과학원 계산과학부 교수)

<출처 : 한국과학기술정보연구원>ndsl링크

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'이제 업그레이드는 끝났다. 당신의 눈을 업그레이드 시켜라!’라고 외치는 영화 아이언맨이 적잖은 흥행을 올리면서 아이언맨의 갑옷 또한 세간의 화제가 되었다. 수퍼맨이나 스파이더맨 같은 기존의 수퍼 영웅들은 옷을 단순히 걸치는 용도로 사용했다. 그러나 아이언맨은 힘을 얻기 위해서 옷을 입고 옷에 전적으로 의지한다. 아이언맨의 갑옷은 방탄 효과는 물론, 미사일 등 각종 무기 발사가 가능하며 하늘도 날 수 있게 해주기 때문이다. 타고난 신체적 능력이 아닌 장비의 도움으로 초인적인 능력을 발휘하는 것이다.

아이언맨의 갑옷인 Powered Exoskeleton은 말 그대로 강화된 외골격이라는 뜻이다. 즉, 로봇은 스스로 움직이지만 강화복은 인간의 몸에 둘러져서 능력을 향상시키고 보호하는 장비이다. 군사 무기상이었던 주인공이 천재적인 두뇌를 사용해 만든 강화복을 부러움에 가득 찬 눈빛으로 바라보면서 생각했다. 과학적으로 가능한 걸까?

강화복은 현대 기계공학의 정수라고 불릴 만큼 기계공학 기술이 집결된 결과물로, 크게 민간용과 군사용으로 나눌 수 있다. 아이언맨의 갑옷이 그러했듯이 군사용 강화복 위주로 과학적 필요조건을 생각해보자. 우선, 총탄이나 폭발에 안에 들어있는 사람이 다치지 않아야 하고, 작동 불능 상태에 빠지지 말아야 한다. 또한 화생방전에서의 보호 능력도 갖춰야 한다. 이런 보호 기능이 없다면 보통 인간 병사를 쓰는 것보다 나은 점이 없다.

이러한 기본 요건을 만족시켰다면, 그 다음은 보통 성인 남성의 근력을 훨씬 상회하는 힘을 갖추어야 한다. 특히 아직까지 초기 단계에 머물고 있는 강화복의 형태로 볼 때 더욱 그렇다. 임무 수행 중에도 무거운 물건을 드는 등의 일에 힘이 필요하지만 강화복의 무게 자체가 사용자의 에너지를 소비하기 때문이다. 이상적인 강화복이란 사용자가 근력을 거의 쓰지 않고도 임무를 수행하게 해줘야한다. 사실 강화복 연구의 대부분은 이 부분에 집중되고 있다.

힘을 내기 위해서는 두 가지 요소, 동력과 제어가 필요하다. 강화복의 경우는 동력을 자체 내장해야한다. 현재의 강화복들은 자체 동력기관, 전기 배터리, 연료 전지 등을 동력원으로 고려하고 있다. 제어부분은 다른부분보다 더욱 정밀한 기술이 필요하다. 강화복은 엄밀한 의미로 조종하는 것이 아니라 인간의 행동에 자연스럽게 따라 움직여야 하는 것이기 때문이다. 그러기 위해서 컴퓨터로 관절부의 움직임, 근육의 변화, 신경에서 근육으로 흐르는 전류 등을 감지하고 이를 실시간으로 작동부에 전달한다. 현재는 모터, 유압장치 등을 사용하여 힘을 내는데, 전기활성 고분자 (EAPs : Electroactive Polymers)를 이용하는 연구도 진행 중이다. 전기활성 고분자란 전기 자극으로 형태가 변하거나 최초의 상태로 돌아갈 수 있는 물질을 말한다. 즉 컴퓨터 제어부에서 전기 자극을 보내면 그에 맞춰 움직이는 일종의 인공근육을 제작할 수 있는 것이다.





마지막으로, 각종 전자장비와 조화를 이뤄야 한다. 통신 장비, 관측 장비, GPS 등을 모두 강화복에 내장하는 것이다. 광대역전력증폭기, 야시경, 적외선 탐지기, 망원경을 모두 겸한 디스플레이는 물론 거기에 GPS를 결합하면 임무지의 상황을 한눈에 파악할 수 있어 작전에 더 효율적으로 임할 수 있다. 더 나아가서는 이 시스템과 무기를 결합하여 더 효과적인 화력 운용이 가능하다. 또한 강화복의 표면에 주변의 환경에 따라 바꿀 수 있는 전자 위장 장비를 부착한다면 작전 수행 능력도 월등해진다. 전자 장비는 외부의 환경 인식 뿐 아니라 사용자의 신체 조건을 감지하고 내부의 온도, 습도 등을 조절하는 데에도 필수이다. 또한 사용자의 심장 박동, 혈압, 체온 등을 항상 기록하여 군인의 경우 상부가 상시 대처할 수 있다.

강화복 기술은 군사용뿐만 아니라 민간용으로도 널리 사용될 수 있다. 점점 고령화 사회가 되고 질병과 사고로 인해 장애를 갖는 사람이 증가하는 상황에서 인공근육 기술은 더욱 중요해지고 있다. 예를 들어 장애인의 의수를 만들 때 손가락이나 손목을 구성하기 위해서나 근육이 퇴화한 노인을 위해서도 인공근육이 유용하게 쓰일 것이다. 이 외에도 각종 전자장비를 갖춘 강화복은 건강 상태를 수시로 확인해 주기 때문에 장거리 등반이나 탐험을 하는 일반인들에게 큰 도움이 된다.

SF소설 혹은 만화에서나 볼 수 있었던 강화복은 이제 현실로 성큼 다가왔다. 2000년대 초반부터 미국을 포함한 여러 나라의 각종 연구 재단 등이 강화복 연구를 본격적으로 시작했다. 캘리포니아-버클리 대학에서 개발 중인 강화복 블릭스(BLEEX)는 팔이나 다리에 부착하는 강화장비를 이용해 약 4.5kg의 등짐을 져나를 수 있는 체력으로 약 90kg의 중량을 나를 수 있다. 일본은 군사용보다는 노약자 도움용으로 강화복 연구를 하고 있다. 일본의 초고성능 CPU개발로 유명한 회사 사이버다인은 할(HAL)이라는 이름의 강화복을 개발 중이다. 할은 피부의 표면에서 내부의 생체신호를 감지해 기계부를 제어하고, 모터로 손발의 움직임을 도와 고령자의 보행을 가능하게 한다.

미국 국방성은 기존의 랜드워리어(Landwarrior) 계획을 미래 병사 계획으로 개명하고 더욱 본격적으로 군사용 강화복 개발에 나섰다. 이 미래 병사 계획은 앞에서 언급한 거의 모든 요소를 전반적으로 포함한다. 즉, 머리 부분에 적용되는 디스플레이 및 통신 시스템, 무기와의 연동, 자체 동력, 근력 강화 기능 등이 개발 계획의 세부에 모조리 포함되어 있다. 이 계획은 앞서 얘기한 BLEEX 연구팀이나 메사추세츠 공과 대학의 군용 나노기술등도 연계되어 있다. 또한 미 국방성의 하위 기관인 미국방고등연구기획청(DARPA : Defense Advanced Research Projects Agency)는 사르코스(Sarcos) 연구 재단과의 협력 하에 동력 및 제어부를 거의 완벽하게 구현한 강화복의 시범 모델을 선보이기도 했다.

더 효율적인 군사 무기의 개발이 바람직한 일은 아니겠지만, 현대 과학의 상당 부분이 무기 개발 과정에서 발전했다는 것은 부인할 수 없는 사실이다. 강화복 관련 기술은 의수, 의족 개발기술과 결합하면 장애인이나 노약자들의 삶을 획기적으로 개선할 수도 있다. 그렇게 된다면 공상의 산물이 현실로 등장해 사람들에게 행복을 느끼게 해주는 좋은 예가 될 것이다.

글 : 김창규 과학칼럼니스트

<출처 : 한국과학기술정보연구원>ndsl링크

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  1. 스타크래프트  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    요보요 요본겐 잘리!!

    2008.06.15 23:07

지구의 모든 생명체가 살아 숨 쉴 수 있도록 만드는 가장 중요한 요소 중 하나는 끊임없이 엄청난 빛과 열을 내고 있는 태양에너지이다. 그러면 태양이 그렇게 엄청난 에너지를 지속적으로 만들어내는 원리는 무엇일까? 바로 태양의 중심에서 일어나는 핵융합반응이다. 초고온의 플라즈마 상태인 수소 원자핵들이 서로 밀어내려는 핵력을 이겨내고 융합하여 헬륨 등 무거운 원자핵으로 바뀌는 핵융합반응과정에서 원소들의 질량이 줄어든다. 이는 아인슈타인의 유명한 공식인 E=mc²에 의해 엄청난 양의 에너지로 변환된다.

과학자들은 인류의 에너지원으로 태양에너지와 같은 원리인 핵융합에너지 개발에 관심을 두기 시작했고, 태양에서와 같이 지구에서도 핵융합반응을 만들 수 있는 방법을 연구해 왔다. 하지만 처음 생각했던 것보다 훨씬 더 어려운 도전이었다. 문제는 핵융합반응을 일으키기 위해 1억도 이상의 초고온 플라즈마가 필요한 데 이러한 초고온의 플라즈마를 어떻게 가둘 것인가이다. 현재 지구상에는 1억도 이상의 고온을 견딜 수 있는 재료는 존재하지 않는다. 따라서 핵융합반응을 위해 초고온의 플라즈마를 어떤 물질에 직접 접촉시키지 않고 공간에 가두는 방법이 절대적으로 필요하다.

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과학자들은 플라즈마가 전기적 특성을 가진 점에 착안하여 강력한 자기장을 이용하면 마음대로 움직이는 것을 제어할 수 있음을 알게 되었고, 자석을 이용해 만든 핵융합 장치 ‘토카막(Tokamak)’을 발명하게 되었다. 원래 토카막은 도넛츠 모양의 자장이 있는 상자란 의미를 갖는 러시아어의 줄인 말이다. 1970년대 초반부터 선진국들은 인공태양이라 불리는 토카막을 건설하여 본격적인 핵융합 연구를 시작하였으며, 1990년대부터 초전도기술이 접목된 초전도 토카막을 통해 핵융합에너지를 인류의 미래에너지원으로 활용할 수 있다는 가능성을 확인하였다.

우리나라는 선진국보다는 늦게 출발했지만 차세대 초전도 핵융합 연구장치, 바로 한국의 태양이라 불리는 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)를 자체 기술로 개발했다. 1995년 12월말에 시작하여 2007년 9월까지, 11년 8개월 만에 완공된 KSTAR가 얼마 전 영하 268도의 극저온 냉각 시운전에 성공했다는 소식을 전한 바 있다. 1억도 이상의 초고온의 플라즈마를 가둔다는 핵융합장치를 영하 268도로 냉각하다니, 왠지 생소하게 들릴 수도 있는 이야기이다.

KSTAR처럼 최근 건설되는 핵융합장치에 적용된 초전도 자석을 이용하면 문제는 해결된다. 초전도란 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0 K:-273℃) 가까이 냉각하였을 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상이다. 기존의 일반 구리로 만든 전자석을 활용한 토카막장치는 강력한 자기장을 만들기 위해 높은 전류를 흘리면 전자석의 전기 저항 때문에 엄청난 열이 발생하기 때문에 장치를 오랫동안 가동할 수 없었다. 이 결점을 보안하기 위해 등장한 것이 전기 저항이 0인 초전도 자석을 적용한 초전도토카막 장치이다. 그래서 KSTAR 장치를 쉽게 “세상에서 가장 뜨거운 물질을 담는 세상에서 가장 차가운 그릇”으로 표현하기도 한다.

실제로 KSTAR에는 30개의 자석 모두가 초전도 자석으로 구성되어 있으며, 전체 중량이 약300톤에 가깝다. 특히, Nb₃Sn(니오븀주석)이라는 최고 성능의 초전도체를 사용하고 있다. 이러한 거대 규모의 초전도 자석을 극저온 운전온도인 영하 268도까지 내리는 것은 생각처럼 쉬운 일이 아니다. 우선 완전한 초전도 상태를 구현하기 위해서는 외부로부터 열 침입이 없도록 장치 전체가 완벽한 진공상태를 유지해야 한다. 이 과정에서 초전도체가 수축되도록 모든 자석에 초임계 헬륨을 주입하여 서서히 온도를 낮춘다. 균열이 발생하거나, 틈새가 생겨 진공누설이 생기게 되면 냉각이 어려워지기 때문이다.

지금까지 초전도 토카막을 완성한 나라들이 냉각 시운전을 한 번에 성공하지 못하고 중간에 보수 작업을 통해 문제점을 해결했던 것은 그만큼 극저온 냉각과정이 기술적으로 까다롭다는 것을 반증하는 것이다. 온도를 내릴 때 핵심적인 기술은 어느 정도의 냉각 속도로 어떤 온도 분포를 유지하면서 온도를 내릴 것인가이다. KSTAR에서는 냉동능력과 자석구조물의 수축 응력을 고려하여 운전온도인 4.5K(-268℃)까지 내리는데 약 한달 가량이 걸렸다.





KSTAR의 이번 냉각 시운전 성공은 “세계 최대 규모의 초전도 토카막의 극저온 냉각 달성” 이라는 신기록을 세웠으며, 특히 시운전 과정에서 초전도 자석의 냉각을 저해하는 심각한 누설이나 장치의 결함 없이 시운전이 중단되지 않고 단번에 완료한 세계 최초의 사례가 되었다. 마침내 KSTAR의 설계·제작·조립 기술이 세계 최고 수준임을 입증한 것이고, 핵융합 연구 분야에서 전 세계가 주목할 만한 성과로 인정받게 됨을 의미한다.

KSTAR의 성공적인 냉각 시운전 소식은 우리를 핵융합에너지 시대에 한걸음 더 가까워지게 했지만, 아직 핵융합 상용화 발전단계까지 남아있는 숙제는 여전히 많다. 먼저 KSTAR가 중점적으로 풀어야 하는 숙제로 초고온의 플라즈마를 오랫동안 안정적으로 유지할 수 있는 플라즈마 운전기술이 연구되어야 한다. 그리고 핵융합 반응율을 높이기 위해 플라즈마를 가열하는 연구도 더욱 활발하게 진행되어야 할 것이다.

국제핵융합실험로 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)를 통해서는 연속적인 핵융합반응을 일으키는 연소 플라즈마 운전기술에 대한 연구가 중점적으로 이루어 질 것이다. 핵융합반응에서 나오는 중성자의 에너지를 실제 전기 생산이 가능한 열에너지로 바꾸는 동력변환기술도 함께 연구되어야 할 과제다. 또한 핵융합발전의 단가를 낮출 수 있는 재료 물질이나 건설방식도 개발되어야 한다. 핵융합연구자들은 지속적인 연구와 개발을 진행하면 2040년대쯤에 핵융합발전이 가능하리라 예상하고 있다.

핵융합연구자는 납을 금으로 바꾸려 했던 중세시대의 연금술사가 아니라, 다음 세대를 지배하는 문명과 미래 문화패턴을 미리 대비하는 미래 과학기술자들이다. 경제성만을 쫓아 모두 현실적인 길만을 선택해서 나아가기 보다는 미래를 위한 준비로 핵융합연구를 하고 있는 것이다. 꿈의 에너지의 시대를 열기 위해 핵융합연구자들은 오늘도 박차를 가하고 있다.

글 : 박주식 KSTAR연구센터장

KSTAR 바로가기 :
http://www.nfrc.re.kr/

ITER 바로가기 :
http://www.iterkorea.org/

<출처 : 한국과학기술정보연구원>ndsl링크

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  1. 야비대마왕  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    이것도 땅박이가 팔겠군

    2008.06.10 14:28
  2. rhlfhqsp  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    그래서 벌써 기관장들 다 바꿨죠

    2008.07.04 11:34

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생활에 밎줄 긋는 과학이야기♡ -KISTI의 과학향기-
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