요즘들어 갑자기 SNS 나 신문기사, 증권시장등에서 갑자기 급부상하는 초전도체 구현이 무엇이길래 대중들의 관심을 끌고 있는지 전문성은 떨어지지만 알아보도록 하겠습니다.
초전도체의 정의
매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 이르러 초전도현상이 나타나는 도체를 일컷는 말로써 자기장의 특성에 따라 자기장이 들어가지 못하는 제1종 초전도체와 자기장이 침투하지만 초전도성을 유지하는 제2종 초전도체로 구분된다. 제1종 초전도체는 나이오븀, 바나듐등 금속 원소이며, 2종 초전도체는 합금, 화합물 등이 해당된다.
초전도체의 연원 및 변천
1911년 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스(Heike Kamerlingh-Onnes)가 수은의 전기저항을 측정하는 실험을 하다가 절대온도 4.2K(영하 268.8℃)에서 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견하고, 이를 초전도현상(superconductivity)이라고 하였다.
이후 초전도현상을 규명하려는 노력과 함께 새로운 초전도체를 찾기 위한 연구가 시작되어 합금계 저온 초전도체들이 하나씩 발견되었고, NbTi를 사용한 초전도 선재도 만들어졌다. 또 전자석 등을 만들어 초전도를 이용하려고 하는 시도도 계속되었다.
1987년에는 스위스의 베드노르츠(Johannes Bednorz)와 뮐러(Karl Müller)에 의해 고온 초전도체가 발견되었다. 이후 초전도는 세계적인 관심을 일으킨 연구 주제가 되었고, 더 높은 온도에서 초전도가 되는 물질을 찾기 위한 경쟁이 시작되었다.
현재도 점점 더 높은 온도의 초전도체가 발견되고 있지만, 세라믹 계열 고온 초전도체는 선재로 만들기가 어려워 아직 실용화되고 있지는 않다. 지금까지 초전도 현상 연구에 대해 1913년, 1972년, 1973년, 1987년, 2003년 등 5회에 걸쳐 노벨상이 수여되었다.
상압 상온 초전도체란?
상온 상압 초전도체 개발은 결코 단순한 개발이 아닌 노벨상은 깔고 들어가는 대발견이라고 할 수 있습니다. BTS의 빌보드 점령, 손흥민 선수의 EPL 득점왕, 등 '국뽕'을 일으켰던 모든 사건들 중에서도 단연코 최대 사건, 대한민국 역사 상 최고 업적이라고 해도 과언이 아닙니다.
영화 <아바타>에서 인간들이 판도라 행성을 침략하는 이유는 '언옵티늄'이라고 불리는 상온 초전도체를 채취하기 위해서입니다. 외계 행성에 가서라도 가져오고 싶었던 물건이란 말입니다. 심지어 이 언옵티늄이라는 이름은 un+obtain+ium, 구할 수 없는 물질이라는 뜻입니다.
우선 거칠지만 간단하고 쉽게 설명을 해 본다면, 전기가 통하는 물체를 도체라고 합니다. 우리가 일상에서 만나는 도체에는 어느 정도 저항이 존재합니다.
아무리 좋은 안경을 맞춰도 빛이 안경을 100% 투과하지는 못하고 일부는 반사 되듯, 아무리 질 좋은 전선이라도 전기를 100% 전달하지 못합니다. 전기 에너지의 일정 부분은 열의 형태로 손실됩니다. 여러분이 전자 기기를 쓰다 보면 뜨거워지는 것을 느낄 수 있는 것은 대개 이 이유 때문입니다.
전기 저항은 원자의 무작위 진동이 전자의 흐름을 방해해 나타나는 현상입니다. 원자의 무작위 진동을 약하게 만들 수 있는 방법은 온도를 낮추는 것입니다. 이 때문에 과학자들은 온도를 극단적으로 낮추면 저항이 없는 도체를 만들 수 있을지 모른다 생각했습니다.
네덜란드의 과학자 헤이커 오너스는 액체 헬륨을 이용하여 섭씨 영하 269도의 환경을 만들어 이를 실험했고, 온도가 어느 선을 넘는 순간 전기 저항이 0으로 뚝 떨어지는 현상을 확인합니다.
비유하자면 빛을 100% 투과하는 안경이자, 마찰력이 없어 한 번 굴리면 영원히 굴러 가는 바퀴를 찾은 셈입니다. 이 '초전도 현상'의 발견으로 그는 1913년 노벨상을 수상합니다.
하지만 급강의 저온에서 만들어지는 저온 초전도체는 이후 과학자들이 100년이 넘는 시간 매달린 끝에 초전도체를 구현해낼 수 있는 온도를 많이 끌어올리긴 했습니다. 2019년 발표된 논문에 의하면 섭씨 영하 23도에서도 초전도체를 구현해 내는 데까지는 성공했습니다만, 이 경우 높은 압력이 필요합니다.
만약 우리가 일상적으로 접하는 온도, 일상적으로 접하는 압력 조건 하에서 초전도체를 구현해 낸다면 우리의 삶은 어떻게 될까요?
상온 상압 초전도체는 정말로 삶을 바꿔 놓을 힘이 있습니다. 인류는 전기를 낭비 없이 활용할 수 있게 되며, 발열의 문제로부터도 자유로워집니다. 또 초전도체에는 한 가지 더 신기한 특성이 있어 무거운 물체도 쉽게 들어올릴 수 있게 됩니다.
결국 실생활 환경에서 초전도체, 즉 저항이 0인 도체를 만든다면....
미치오 가쿠의 "불가능은 없다" 를 인용하며 글 마칩니다.
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저항을 없앨 수만 있다면 전기배달료는 거의 공짜나 다름없다.
사실 원형 코일에 전류를 흘려보내면 에너지 손실 없이 수백만 년 동안 흐르게 할 수 있다. 뿐만 아니라, 이 전류를 이용하면 엄청난 세기의 자력을 생성하여 무거운 물체를 허공으로 들어올릴 수 있다. (...)
미래의 어느 날, 고체 물리학의 성배라 할 수 있는 '상온 초전도체'가 발견된다면 사정은 크게 달라진다. 이런 날이 온다면 전 세계는 두 번째 산업혁명을 겪게 될 것이다. (...)
'날아다니는 자동차'는 현실로 다가올 것이다.초전도 자석으로 만든 허리띠를 착용하면 (원리적으로) 공중에 뜬 채 이동할 수 있다. (...)
상온에서 작동하는 초전도체가 발견되기만 하면, 그 여파는 전 세계를 뒤흔들고도 남는다. 일상적인 생활용품이 지구의 자기장(약 0.5가우스)보다 수백만 배나 강한 자기장을 발휘하는 등, 이전과는 완전히 다른 삶이 우리 앞에 펼쳐질 것이다.
