안녕하세요~흥미롭고 재미있는 과학 흥. 재. 과입니다!
여러분은 최근에도 개봉한 영화 아바타를 보신 적 있으신가요?
거기에 "언타니움"이라는 물질을 찾고 빼앗기 위해 인간들이 나비족을 공격하죠.
그런데 이 "언타니움"이 사실은 "초전도체"라는 사실!
아바타의 자연 배경 中 크고 작은 섬들이
하늘 위에 둥둥 떠다니고 있는 것을 볼 수 있습니다.
이것은 초전도현상 중 하나인 마이스너현상인데요
앞전 포스팅에서도 말했듯 마이스너 현상은 외부로부터 자기장이 있다면
내부 초전류 현상으로 인해 반대 방향으로 자기장이 형성되어 공중으로 뜰 수 있는 현상입니다.
이 언타니움은 판도라 행성 내의 생태계를 지키고 균형을 이루며
나비족에게는 필수적인 생활자원이죠.
그렇기에 인간에게 "언타니움"이라고 하는 초전도 물질은
지구의 에너지 문제를 해결할 수 있는 물질이기에 자원을 지키기 위해 전쟁을 하는
일종의 "자원 전쟁"영화라고 생각합니다!
오늘은 꿈의 물질 초전도체에 관한 이론과 일상생활에 어떻게 적용될 수 있는지에 대해 알아보겠습니다!
BCS이론
초저온에서 물질 내 전자들이 결합하여 초전도 현상이 일어나는 것을 설명한 이론입니다!
전자는 기본적으로 하나씩 움직이며 전류를 흘려주지만
저온에서는 전자 두 개가 하나의 쌍으로 묶여 행동하게 됩니다.
사실 전자는 같은 음의 전하(-)를 지니기 때문에 같이 묶일 수가 없습니다.
→ 하지만 양자역학적인 상태가 되기 때문에 이것이 가능합니다.
(고전 물리학으로는 이해할 수 없는 현상들이 벌어지는 곳이 양자역학의 세계입니다..ㅎㅎ
알버트 아인슈타인조차 완벽히 이해하지 못했기에 받아들이는 것이 뇌건강에 좋습니다!)
즉, 이것을 전자 쿠퍼(Cooper) 쌍이라고 하는데 이 경우 전자끼리 충돌이 사라진 것처럼 됩니다.
즉, 양자역학적으로 저항이 0이 되는 것이죠!
고온 초전도체
하지만 이 이론도 모든 초전도현상을 100%로 설명하지는 못합니다.
저온이 아닌 그보다 높은 고온에서의 초전도 현상은 이를 납득시키지 못하기 때문이죠.
실제로 재표적인 고온 초전도체 중 하나인 YBCO라는 초전도체는
기존의 저온 초전도체(20K, -253.15℃)에서 90K(-183.15℃)까지 올리는 데 성공하였습니다.
이로 인해 기존의 저온초전도체는 초전도현상을 구현하기 위해 필요한
액체헬륨과 같은 비싼 자원대신 값싼 액체질소로 바꿀 수 있는 성과를 이뤘죠.
액체헬륨이 비싸고 액체질소는 싼 이유?
먼저 헬륨자체가 지구 대기 중 매우 작은 포션을 차지하기 때문입니다.
또한 이 헬륨만을 추출하여 사용하는 데까지 많은 비용이 들기 때문이죠.
한 예로 액체 헬륨의 경우 종류에 따라 차이는 있지만 영하 270℃까지 유지한 채로 운송해야 합니다.
하지만 질소는 지구 대기의 78%를 차지하고 영하 196℃미만으로 유지하면 액체로 유지가 가능하죠.
때문에 액체헬륨이 액체질소보다 절대적으로 비싼 것입니다!
초전도체로 인한 인류 문명 혁신
1. 전기 손실 Zero화
전기 저항이 0이기에 초전도체로 만든 전선만 있다면
아무리 장거리라도 100% 원하는 전류를 흘려보낼 수 있습니다.
실제로 현재 전기를 보내는 과정에서 손실되는 것만 평균적으로 3~5%정 도로고 하는데
전 세계에서 매년 손실되는 전기만으로도 천문학적인 금액이라고 합니다!
이 같은 비용만 줄여도 엄청난 경제적 효과가 있겠죠ㅎㅎ
2. 최첨단 교통
대표적인 예로는 초고속 자기 부상 열차가 있습니다.
아까 얘기했던 마이스너의 효과로 인해
지상철도에 자기장을 형성해주기만 한다면 초전도체 열차는 공중으로 뜰 수 있습니다.
이렇게 공중으로 띄운 뒤 운용시키면 지상과의 마찰이 없어지기 때문에
지상열차 보다 더욱 빠른 속도로 이동이 가능한 것이죠.
(서울에서 부산을 30~40분 만에 이동)
나아가, 진공상태라면 공기와의 마찰도 없기 때문에 더 빠른 초고속 이동이 가능합니다.
3. 의료기기의 발전
현재 MRI(자기 공명 영상)은 초전도체로 만든 대표적인 의료기기인데요.
이것을 운용하고 유지하는데 액체헬륨을 사용하기에 엄청난 비용이 들고 있습니다.
특히, MRI는 비보험항목 이기 때문에 한번 검사하는 게 CT나 X-Ray보다 상대적으로 부담이 되는데요.
이러한 냉각시스템만 없어진다면 X-Ray촬영 가격 수준으로 떨어질 거라 예상합니다ㅎㅎ
이 밖에도 다양한 의료 영상 기기와 항암을 위한 방사선 치료에도 활용될 수 있습니다!
4. 양자컴퓨터의 보급화
초전도체는 양자컴퓨터에 사용되는 주요 물질입니다.
특히, 십진법, 이진법을 사용하는 일반컴퓨터와는 달리 양자컴퓨터는 큐비트라는 연산을 사용하는데요!
이때 초전도체가 필수적으로 사용돼야 하기에
현재 구글, IBM 등 글로벌 초대기업이 엄청난 비용을 감수하고 사용 중에 있습니다!
하지만 상온/상압 초전도체는 냉각 등의 유지비용이 없어지기에 일반 대중에게도
엄청난 고성능의 컴퓨터 보급이 가능해지는 것이죠!
5. 핵융합기술의 발전
핵융합연료 1g은 석유로 약 8.0t의 에너지 생산이 가능하기에
사실상 에너지 문제를 해결한다고 보는 기술입니다.
하지만 핵융합 시에는 수천만 도의 온도로(태양보다 더 뜨거워요) 실험을 하기에
그 온도를 견디는 물질은 지구상에 존재하지 않습니다.
그렇기에 자기장을 이용하여 플라스마를 가두는데
고온에서도 버틸 수 있는 초전도체가 있다면 강력한 자기장은 물론이고
열 손실이 없기에 엄청난 효율과 안정성을 가지고 핵융합이 가능합니다.
마음 같아선 LK-99가 상온/상압 초전도체로 밝혀지면서
한국이 세계를 주도하며 에너지와 환경 걱정 없이 사는 시대가 왔으면 좋겠네요.ㅎㅎ
이상 흥. 재. 과였습니다!
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[인류문명의 진화 : 초전도체(Feat. 카르다쇼프 척도) - 1]
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인류문명의 진화 : 초전도체(Feat. 카르다쇼프 척도) - 1
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