언옵테늄 1kg에 500억이면 ㄹㅇ혜자라고? 겨우 돌멩이 하나에 인간이 목숨 거는 이유, 상온초전도체 언옵테늄의 과학!

영화 아바타에서 미렐류는 4.37 광년이나 떨어진 판도라를 침략합니다 인류가 이렇게나 먼 곳까지 간 이유는 바로 아나테니움을 지구로 가져오기 위해서 인간은 무슨 짓이라도 합니다 판도라의 생태계를 망가뜨리고 나비족과의 전쟁까지 서슴치 않습니다 그런데 도대체의 조그만한 돌덩어리가 뭐길래 인간들은 이걸 갖고 싶어서 그렇게 안달인 걸까 자 이걸 알려면 우리는 먼저 영화 아바타에서 지구의 상황부터 알아야 돼요 서기 2129년 지구 생태계는 과잉개발 산림벌채 과도한 어업 등으로 완전히 망가졌습니다 육지나 해양 대부분의 동식물들은 멸종 위기에 놓여 있죠 또 급격한 도시와 환경오염 때문에 대기질도 최악입니다 영화 초반부에 사람들을 보면은 이제 맨몸으로 다니는 사람들이 없을 정도죠 다들 마스크 보고 있거나 어떤 호흡 장치를 착용하고 있어요 건물들의 창문은 모조리 닫혀 있고요 사람들은 밖으로 나가거나 외부 사람들과의 접촉을 극도로 거립니다 밖에서 숨쉬는 것조차 위험한 안경 때문에 사람들은 자신의 욕구를 시뮬레이션으로 풀어내죠 또 미래 인류는 석유나 석탄 같은 화석연료도 다 써버렸고요 원자력 발전에 쓰이는 플루토늄 우라늄까지 다 써버렸어요 인류의 위기는 끊이질 않습니다 22세기의 인구는 거의 200억 명에 달했었지만 기아 핵전쟁 물 부족 오존층 파괴 해수면 상승 등등으로 인구는 20억 명까지 급감합니다 하지만 인류는 이때가 돼도 정신을 못 차렸습니다 마지막 남은 자원들하고 생태계까지 소모하고 있죠 지구의 심각한 에너지 위기는 전쟁을 촉발시킵니다 영화 아바타의 주인공 제이크 설리는이 에너지 위기로 인한 전쟁에 참여했다가 하반신이 마비됐다는 설정이죠 한때 아름다웠던 푸른 행성 지구는 이제 온실가스로 뒤덮인 황폐하고 썩어가는 세계입니다 지구의 모든 자원을 소모한 인류는 이제 지구 밖에서 자원을 찾습니다이시기 인류는 달과 화성의 자원도 채취 중인데 달자원 채취는 엄청 거대한 규모로 이뤄지고 있어서 지구에서 바라보는 달의 모습까지 완전히 바뀌었다고 해요 이제 인류가 달토양을 완전히 파헤치고 달의 대규모 갱도를 설치해서 달에는 마치 거대한 흉터 자국이 남은 것처럼 보인다고 하죠 하지만 달과 화성의 자원만으로는 인류의 에너지난을 극복할 수 없었습니다 인류는 이제 태양계 밖에서 외계자원을 찾아 나서는데요 외계에서 자원을 찾기 위해서 인류는 사활을 걸었다고 해요 미국과 소련의 우주경쟁 이후 역대 최대 규모로 전 세계가 우주탐사에 나섰다고 하는데요 사실 그럴 수밖에 없겠죠 지구의 모든 자원은 고갈됐고 앞으로 새로운 에너지원을 찾아내지 못한다면 인류는 어쩌면 사용할지도 모를 일이니깐요 인류는 먼저 태양계에서 가장 가까운 항성계로 탐사선들을 보냅니다 지구에서 4.22광년 떨어진 프록시마 센타우리 지구에서 4.37광년 떨어진 알파센타우리 등이죠 그리고 마침내 인간은 알파센타우리에서 목성형 행성 폴리페모스 그리고 그 주변을 돌고 있는 위성 판도라를 찾아냅니다 판도라를 조사하던 과학자들은 놀라움을 금치 못했습니다이 판도라는 인간이 발견한 천체중의 최초로 외계 생명체가 존재했거든요 바다와 숲에는 수많은 동식물들 그리고 고도의 지능을 가진 외계인 나비족도 있었죠 또 인류는 판도라의 지형을 조사하다가 엄청난 광물을 찾아냅니다 상온초전도체 언업 테늄이죠이 언어테늄만 있다면 인류는 지구의 에너지 위기를 단숨에 극복할지도 모릅니다 이에 초거대 기업 알디에이는 판도라의 자원을 최고라고 판매할 수 있는 권리를 독점하고 나서 판 개척을 시작합니다 rda가 원하는 건 역시 어노테늄이죠 자 이렇게 영화 아바타에서 미래일유는 에너지 위기를 극복하기 위해서 판도라에 있는 상온초전도체 언업 테늄을 노린다는 설정입니다 자 그렇다면이 언어 테늄이 도대체 뭐길래 인간들은 4.37광년이나 떨어진 이렇게나 먼 곳까지 와서 천문학적인 비용까지 들여가면서이 돌멩이 하나 가져가겠다고 날린 걸까 먼저 언업테늄은 상훈초전도체라는 설정인데요 초 전도체가 과연 뭘까요 지금부터 설명드릴 전기 관련 내용들은이 언업 테늄을 이해하려면 꼭 알아야 돼요 하지만 정말 쉽게 설명할 테니까요 걱정하지 마시고 천천히 한번 들어보세요 자가령 우리가 차를 타고 달린다고 해봐요 이때 자동차가 가려고 하는 반대 방향으로 바람의 저항이 생기죠 또 우리가 물속에서 앞으로 나아가려고 해도 물에 저항 때문에 앞으로 나아가기가 힘들어요 저희처럼 물체가 이동할 때 그 반대 방향으로 그 이동을 방해하는 힘이 생기는데 이것을 바로 저항이라고 합니다 이것은 전기의 이동도 마찬가지예요 전기가 a에서 b까지 이동할 때는 저항이 생기고 그 저항만큼 열이 생겨나게 되죠 우리가 사용하는 컴퓨터나 냉장고 TV 등등의 가전제품에서 이제 열이 나가지고 뜨거운 이유가 바로이 전기 흐름의 저항 때문이에요이 저항은 전력 효율을 떨어뜨리는 요소 중에 하나에요 자 가령 a에서 b까지 100만큼의 전기를 보냈는데 뒤에 도착한 전기의 양은 70이 되는 거야 도착하지 못한 30만큼은 a에서 b까지 가는 동안 저항을 받아서 열의 형태로 날라가는 거지 자 그렇다면이 전기저항은 도대체 왜 생겨날까요 자 만약에 우리가 구리선을 이용해서 a에서 b까지 전기를 보낸다고 칩시다이 구리선 속의 전자는 a에서 b까지 가는 동안 구리 원자하고 충돌하게 되는데 그만큼이 전부다 전기저항인 거예요 저항이 얼마나 크냐 즉 원자하고 전자가 얼마나 많이 충돌하냐는 어떤 물질이냐에 따라 다릅니다 여기 표를 보시면은 어떤 금속이냐에 따라서 또 온도가 어떤지에 따라서 저항값이 달라지는게 보이죠 은은 구리에 비해서 6% 전기가 더 잘 흐르고 금은 구리에 비해서 71% 전기가 흘러요 또 철은 구리에 비해서 겨우 17.6% 영향을 미치는 또 한 가지 요인은 온도에요 대부분의 금속 도체는 온도가 올라갈수록 저항값이 커지는데 온도가 오르면 도체 내부의 분자 운동이 활발해지고이 분자들이 전기 흐름을 방해하기 때문이죠 반도체는 금속도 체하고 반대예요 반도체는 온도가 오를수록 저항이 낮아지고 전기가 더 많이 흐르거든요 만약에 반도체 온도가 너무 높아 버리면 전자기기의 전류가 너무 과하게 흐르는 과전류가 발생하게 되고 이곳은 반도체 성능을 떨어뜨리는 요인이 됩니다 자 그래서 반도체 산업의 경우에는 저항만큼 열이 생겨나고 그만큼 반도체 성능이 떨어지기 때문에 비싸고 성능 좋은 반도체 제품일수록 발열에 특히 신경 써서 설계요 고성능 cpu에다가 수냉쿨러 달고 고성능 램이나 그래픽카드에는 방열판이 아주 좋은게 달려 있죠 자 이게 전부 다 저항에 따른 발열을 잡기 위해서 그런 거예요 그런데 반대로 오히려 저항을 제품도 있어요 헤어드라이기 토스터기 히터 같은 물건들이죠 또 저항값은 도선의 길이 굵기에 따라서도 영향을 줍니다 도선의 길이가 2배가 되면 저항은 2배가 되고 도선의 굵기가 2배 굵어지면 저항은 2배 줄어들죠 이건 마치 고속도로하고 똑같아요 중간중간 원자들이 있는 고속도로가 있다고 하면은 전자들이 이동하면서이 원자들하고 충돌하겠죠 그런데 도로 길이가 2배가 되면 원자를 만나서 충돌할 확률도 2배 넣는 거예요 즉 전기저항이 2배 늘어나는 거죠 또 전자가 지나다니는 2차선의 도로가 있는데 이거를 2배로 4차선으로 확장시킨다면 도선의 물기를 2배로 늘린다면 도로는 훨씬 쾌적해지고 전기 흐름도 원활해지겠죠 자 여기까지 영상을 본 우리 부엉이들은 초전도체가 뭔지 바로 이해할 수 있을 거예요 초전도체라는 건 전기저항이 없고 발열로 인한 에너지 손실이 없는 물질입니다 자 여기 초전도체 언어 테늄으로 만든 도선이 있다고 해봐요 100만큼의 전기가 a에서 출발했다고 하면 b까지 고스란히 100만큼 전부 다 가는 거예요 에너지 손실이 거의 제로에 가까우니까 그야말로 에너지 혁명이죠 슈퍼컴퓨터의 개발이나 통신 분야에 사용하면 좋은 신소재가 되는 거죠 또 초전도체는 주위의 자석이 있을 경우에는 자석에서 나오는 자기장을 100% 밀쳐내는 완전 반자성을 갖습니다 자력을 완전히 반대해서 자석 위에서는 둥둥 떠다니는 거죠이 현상을 독일의 마이스너가 발견했다고 해서 마이스너 효과라고 합니다 이런 성질이 활용되는 대표적인 케이스가 자기부상열차죠 영화 아바타에 등장하는 초거대 기억 rda의 주력 사업이 운송사업이고 특히 자기 부상 열차 사업에서는 독보적인 1등 기업이라는 설정입니다 rda는 초전도체의 마이스너 효과를 이용해서 자기부상열차를 만들었겠죠 영화 아바타에서도 초반부를 보면은이 자기 부상 열차가 지나가는 모습이 잠깐 나옵니다 영화 아바타의 배경 판도라를 보시면 입이 떡 벌어지는 장소가 하나 나오죠 바로 할렐루야산입니다이 거대한 바위들은 판도라의 하늘 위에 둥둥 떠 있는 모습인데요 도대체 이게 어떻게 가능한 걸까요 제가 아바타를 처음 없을 때는요 아 제임스 카메론 감독이 판도라의 독특한 지형을 보여주려고 일종의 판타지스러운 배경 설정을 넣었나 보다 하고 생각했는데이 할렐루야 산은 어노테늄으로 이루어졌다는 설정이기 때문에 산이 둥둥 떠다니는 것도 가능합니다 자 아까 전에 초전도체는 모든 종류의 자기장을 밀쳐내는 마이스너 효과가 생긴다고 했죠 그 힘으로 공중에 떠 있을 수 있는 거고요 초전도체 위에다가 자석을 올리면 자석이 공중에 붕붕 뜨는 현상 자석 위에다가 초전도체를 올려서 자기부상열차를 만드는 원리 그리고 할렐루야산이 공중에 떠 있는 것까지 다 같은 원리인 거예요 조금 더 자세히 알아볼까요 자 여기 판도라가 있어요 판도라 내부의 핵에는 고온고압의 철을 비롯한 자성체 금속이 녹아서 액체 상태로 있는데 이것들이 자기장을 만들어냅니다 우리가 살고 있는 지구 역시도 자기장을 만들어내고 있죠 자 그런데 할 그 자체로 거대한 언어 테늄이에요 언업테늄은 상온조전도체이기 때문에 자기장을 밀쳐내는 마이스노 효과를 가지는 거고요 덕분에 할렐루야 산은 판도라의 거대한 자기장을 밀쳐내고 공중에 붕붕 떠 있을 수 있는 거죠 저 어때요 그냥 영화 속에 판타지인 줄 알았던이 할렐루야 사내도 과학적인 원리가 있다니 진짜 흥미롭죠 제임스 카메론 감독이 과학 공부를 좀 했나 봐요 자 그런데이 초전도 현상이 실제로 가능한 걸까요네 실제로 가능합니다 1911년 네덜란드의 물리학자 헤이커 카메를링 오너스는 수은의 온도를 절대 용도에 가까운 극저온으로 내리던 실험 도중 이상한 발견을 합니다 아니 이럴 수가 순을 4.2 캘빈 영화 268.95도까지 낮췄더니 전기저항이 사라진다고 헤이커 카메라링 언어스는 그렇게 인류 최초로 초전도 현상을 발견합니다 오너스 이후에도 여러 과학자 나비나 나이오비움 등을 절대 용도에 가깝게 온도를 낮춰서 초전도 현상이 일어난다는 걸 발견했습니다 하지만이 초전도 현상을 이용해서 실생활에 도움이 되는 뭔가를 만들기에는 너무 어려워요 초전도 현상이 일어나려면 절대 0도에 가까운 대략 영화 270도까지 온도를 낮춰야 되는데이 조건을 만족시키려면 액체 헬륨을 이용해서 온도를 낮춰야 돼요 하지만 액체 헬륨은 지구에 있는 별로 없는 휘게 물질이어가지고 너무 비싸구요 그 밖에도 냉각을 위한 장치들은 너무 크고 복잡하고 또 비싸기도 해요 상용하는 물론이고 실험을 위한 장치를 만드는 것조차 상당히 어렵다는 거죠 [음악] 그런데 1986년 스위스 취리히 IBM 연구소에 베드노르츠 그리고 밀러는 구리 패로브스카이트계 세라믹 물질에서 임기 온도가 90 캘빈을 넘는 고온초전도체를 발견합니다 이곳은 대단한 발견이었어요 1911년 1986년까지 과학자들은 이렇게 믿어 왔거든요 그런데 90kb는 그것보다 더 높은 온도죠 불가능해 보였던 현상이 가능한 거예요 베드노르츠와 밀러는이 고온초전도체 현상을 발견한 공로로 1987년 노벨 물리학상을 받습니다 그리고이 두 사람이 고원초전도 현상을 발견한 직후 고온 초전도 현상에 대한 과학자들이 연구가 아주 활발해졌죠 과학자들의 끊임없는 연구로 초전도 현상이 일어나는 온도는 계속 올라갑니다 대만의 물리학자 우마우쿤 연구팀은 이투린 발용 구리산화물로 임계원도 92kb네 고온 조준도체를 만들었습니다 이건 역시도 아주 중요한 발견이요 왜냐 예전에 발견한 초전도체들을 낮은 온도로 유지시키려면 액체 림을 써야 됐거든요 근데 액체 헬륨은 너무 비싸고 또 냉각을 이런 장치들도 크고 무겁고 수송도 어려웠거든요 그런데 임기 온도가 92kb이면 액체 헬륨 대신에 액체 질소를 쓸 수 있어요 액체질소는 어디서든 만들 수 있고 값도 싸고 관리도 비교적 쉽습니다 즉 경제성 측면으로 봐도 상용화가 가능하단 얘기죠 산업계는 이번 발견으로 초전도 산업혁명이 일어났다고 기사를 보도했습니다 언젠가는 우리가 생활하는 상온에서도 초전도 기술실현이 가능하다는 기대죠 그리고 과학자들은 그 기대의 부흥했습니다 초전도 현상을 일으키는 물질들을 많이 발견했고요 온도도 계속 노파만 같죠 지금도 여러 과학자들은 상온초전도체를 실현시키기 위해서 연구에 힘쓰고 있습니다 만약에 상원초전도체가 실현된다면 엄청난 혁신이 생길 거예요 그 혜택은 전 인류의 돌아갈 거고요 가장 파급 효과가 클 걸로 예상되는 분야는 에너지 분야입니다 먼저 정기저항이 없는만큼 전기를 옮길 때 효율이 100%가 되거든요 에너지 효율이 극대화되는 거죠 기존에 사용하는 구리선은 발전소에서 가정이나 회사 등등으로 전기를 옮기는 동안 4% 정도의 전기가 열로 전환돼서 사라지게 됩니다 미국에서만 1년에 22조원 만큼의 전력이 송전 과정에서 손실된다고 하죠 그런데 만약에 구리 대신에 초전도체를 이용하게 되면이 손실을 담아볼 수 있는 거예요 또 만약에 한국이 전기를 엄청 생산한 다음에 해외로 수출한다고 해봐요 이때 만약에 초전도체를 이용한다면 손실되는 전기 없이 다 팔 수 있는 거예요 또 초전도체 케이블의 굵기는 구리에 비해서 3분의 1 정도 될 거라고 해요 그만큼 더 가볍고 땅속 공간을 더 많이 활용할 수 있는 거예요 또 발전 송전 전기저항 동력기기 등등 전기 에너지의 모든 분야에서 응용이 가능합니다 초전도 발전기와 대형전동기는 도선 전류를 크게 할 수 있기 발전기의 크기를 30% 이상 줄일 수 있고요 그만큼 기기의 규모와 중량을 줄일 수 있는 거죠 각종 전자기기와 반도체 기술도 큰 도약을 이룰 거예요 값비싸고 부피가 큰 냉각 장치가 이제는 필요 없으니까요 그만큼 무게도 가벼워지고 전력 효율도 100%에 발열도 없으니까 컴퓨터 성능은 비약적으로 상승할 겁니다 양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터의 발전도 상원초전도체가 앞당길 거고요 클라우드와 서버 기술 같은 it 업계도 도약합니다 교통도 발전하여 자기부상열차는 초전도체의 마이스너 효과를 이용한 운송수단인데요 금속코일 위에다가 초전도체를 탑재한 열차를 올리면 열차가 공중에 뜨는 식인 거죠 자기부상열차는 바퀴가 없는만큼 마찰력이 사라지기 때문에 적은 에너지로 아주 빠른 속도를 낼 수 있고 에너지 효율도 상당히 좋다고 합니다 그 속도는 거의 비행기 수준으로 시속 500km를 넘게 달릴 수도 합니다 서울에서 부산까지는 겨우 40분이면 간다고 하죠 현재 초전도체 자기부상 열차는 일본 신칸센 구역 일부 미국 플로리다주에서 시범적으로 운영 중입니다 현재 자기부상열차의 상용화를 맡고 있는 것은 상온초전도체가 없다는 겁니다 그래서 지금의 자기부상열차는 온도를 엄청 낮춰야 되고 액체질소가 필요하고 크고 무겁고 비싸고 설계도 복잡하다고 해요 만약에 상온초전도체 기술이 개발된다면 자기부상열차는 바로 상용화 되는 거겠죠 초전도 현상을 응용한 의료 장비도 있는데요 바로 mri입니다 상온초전도체가 상용화된다면 이런 의료 장비의 비용도 크게 낮아진다고 합니다 자 이제 다시 영화 아바타입니다 영화 아바타에서 인류는 상온초전도체 언업테뉴 확보를 위해서 판도라를 침략합니다 미래의 류는 언어 테늄을 도대체 어디다 쓸까요 영화 설정에서 언업테늄은 지구 경제 근간이라고 합니다 정도는 아주 다양한데요 먼저 언어테늄은 rda의 성가 우주선 isv 벤처스타의 엔진에 쓰입니다 isv 벤처스타는 반물질 엔진 핵융합 엔진 솔라셀까지 합쳐진 하이브리드 방식의 성간 우주선인데요이 우주선에 들어가는 반물질 엔진에 상온초전도체 언업테늄이 꼭 필요하다고 하죠 rda는 총 12대에 성간 우주선을 운영하고 있는데요 그중에 8대는 구형이에요 구형 엔진 역시도 반물질 엔진으로 동력을 만들었는데요 rda의 구형 우주선은 극저음 초전도체를 이용했다고 하죠 즉 초전도체의 온도를 낮게 유지시키기 위해서 냉각기가 따로 있었다는 거예요이 냉각기는 부피도 크고 아주 무거웠기 때문에 구형 우주선은 그 길이만 4km를 넘었다고 하죠 이렇게 우주선이 무겁고 부피도 큰만큼 화물 적재량은 적어지고 우주선의 효율도 떨어지는 거죠 자 그런데 판도라에서 상온초전도체 언어 퇴임을 발견했고이 광물을 정죄해서 상훈초전도체를 제작 최신 선관 우주선 isv 벤처스타를 만든 거죠 자 이렇게 만들어진 신형 우주선은 크기는 1/4로 줄었고요 화물은 몇 배나 더 실을 수 있게 됐다고 해요 그만큼 우주선의 효율도 좋아지고 rda의 이익은 극대화 되는 거죠 엔진의 성능도 좋아졌다고 해요 언업데님 덕분에 isv 벤처스타는 지구에서 판도라까지 가는데 걸리는 시간을 6년으로 단축했다고 하죠 이렇게 rda는 지구와 판도라를 오가면서 진짜 로켓배송 우주 물류회사로 거듭날 수 있었습니다 영화 아바타에 나오는 성가 우주선 isv 벤처스타 여기에 달린 반물질 엔진에 대해서는 제가 예전에 아주 자세히 다룬 적이 있으니까 지금 우측 상단에 나오는 카드를 눌러서 시청하시기 바랍니다 쓰임새는 더 있습니다 rda는 지구에서 독보적인 자기부상 열차 회사입니다 rda는 판도라에서 가져온 어노테늄을 이용해서 자기부상열차의 성능을 극대화하고 자기부상 철도망을 전 지구적으로 구축했습니다 이걸로 rda는 지구에서의 자기부상 철도망 사업을 완전히 잠식한 거죠 자 다음 어노테늄은 성관통신에도 이용된다고 해요 rda는 이성간 통신으로 지구와 판도라 사이에 양자통신망을 구축했죠 또 어노테늄은 초고성능 반도체 칩의 생산과 설계에도 사용되고요 그 밖에도 지구의 아주 다양한 산업에이 연업 테뉴믹스인다고 합니다 자 이렇게 상원초전도체 언어 테늄에 대해서 알아보니까 어때요이 돌멩이 1kg이 2천만 달러 정지한 언어 테늄 1kg이 4천만 달러나 한다는게 어느 정도 납득이 가죠 rda가 왜 그렇게 사광염보다 먼 여러가지 가서 판도라 생태계를 망가뜨리고 나비족과의 전쟁까지 마다하지 않고이 어노트 님을 노리는지 약간은 이해가 되어 [음악]