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에너지 혁명을 일으킬 초전도 물질에 관한 국내 유일의 책

과학자뿐 아니라 경제학자, 공무원, 누구나 먼저 알아두어야 할 에너지 혁명의 현장
한국을 대표하는 세계적인 재료과학자인 김찬중 박사가 초전도 연구 35년을 통해 습득한 지식을 정리해서 집필한 책이다. 이 책의 1부는 100여 년 전에 발견된 이후현재까지의 초전도 연구역사와 다섯 차례의 노벨 물리학상 수상, 2부는 고온 초전도체의 발견 이후의 고온 초전도 현상을 밝혀내려는 연구자들의 노력과 연구 중에 발생한 에피소드가 들어 있다.
양자역학이 만들어내는 초전도 현상은 보는 이에게 다양한 상상을 이끌어낸다.“초전도 공중부양 현상은 반중력 현상입니까, 아니면 반자장 현상입니까? 초전도체가 반자장으로 지구 자기장을 막아낼 수 있다면 초전도 현상을 이용해서 미확인 비행물체(UFO, Unidentified flying object)와 같은 것을 만들 수 있지 않을까요?”저항 없이 전기가 흐르는 신기한 과학현상인 ‘초전도(Superconductivity)’는 네덜란드의 물리학자인 오네스에 의해 처음 발견되었다. 그 후 100여 년 동안 오네스(네덜란드), 조셉슨(영국), 바딘-쿠버-슈리퍼(BCS, 미국), 베드노르즈와 뮬러(독일/스위스), 그리고 아브리코소프(구소련)까지 노벨 물리학상 수상자를 다섯 번이나 배출했다. 인류가 100년이란 긴 세월을 초전도란 주제에 대해 연구했지만 아직도 초전도 현상의 정체에 대해 완전히 이해하지 못하고 있다. 1972년 초전도 현상을 이론적으로 설명한 BCS이론이 노벨 물리학상을 받음으로써 초전도의 모든 것이 설명된 것처럼 보였다. 하지만 1986년에 BCS 이론을 설명할 수 없는, 상상할 수 없는 높은 온도에서 초전도가 되는 물질이 발견됨으로써 인간이 자연계에 대해 알고 있는 지식이 얼마나 보잘것없는지가 판명되었다. 고온 초전도체의 발견은 전세계 과학계를 강타했다. 당사자인 베드노르즈와 뮬러는 논문을 발표한 지 단지 1년 후인 1987년에 노벨 물리학상을 받았다. 이후 선진 각국은 일제히 고온 초전도를 연구하기 위해 막대한 정부예산을 투입했고, 과학자들은 초전도 현상의 신비를 밝히기 위해 연구에 매진하였다. 그리고 초전도 현상의 규명과 상온 초전도체를 발견하기 위한 연구자들의 노력은 현재진행형이다.

상온초전도체가 가져오는 8 가지 놀라운 효과

1. 저항으로 사라지는 전기 수백조 원 회수: 발전소에서 만들어지는 전기의 4%가 공장이나 주택으로 이동중에 저항으로 사라진다. 이렇게 사라지는 전기량은 미국의 경우 일 년에 22조원이나 된다. GDP 규모로 계산하면 중국은 16조 원, 일본은 3.3조 원, 경제 십위권의 대한민국은 1.4조 원 정도가 된다. 전 세계 경제를 생각하면 수백조 원의 사라지는 전기를 회수할 수 있다.

2. 지구온난화 억제하는 초전도: 지금 지구촌은 석탄, 석유와 같은 화석연료를 사용해서 전기를 생산한다. 이산화탄소를 배출하는 화석연료는 대기오염과 지구온난화의 주범이다. 환경변화에 따른 태풍, 홍수, 사막화로 지구촌은 막대한 희생을 지불하고 있다. 전기생산과 관리에 초전도 기술을 적용하면 석탄, 석유의 사용을 줄일 수 있으므로 지구온난화 개선에 도움이 된다.

3. 깨끗한 에너지 관리자 초전도기술: 석탄, 석유는 이산화탄소와 미세먼지를 발생시킨다. 지구의 환경을 보존하려고 석탄발전소의 건설을 억제하고, 가솔린, 디젤 자동차를 전기자동차로 바뀌고 있다. 초전도는 전기를 저장하는 장치로도 사용된다. 초전도 도선을 도너츠(Donut)같이 만들어 그곳에 전기를 흘려주면 손실 없이 전기가 영구히 흐른다. 이 원리로 초전도 배터리를 만들 수 있다. 자동차에 사용되는 화학 배터리 대신 초전도 배터리를 사용하면 전기의 입출력이 빨라 충전이 쉽고, 사용 후에도 화학 폐기물이 발생하지 않는다.

4.친환경 초전도기술: 태양광 발전은 사용 후에 수많은 태양광 폐기물이, 전기를 저장하는 2차전지도 화학폐기물이 발생한다. 이들 폐기물을 처리하는데 부가적 비용이 요구된다. 초전도 기술은 화학원료나 화석연료를 사용하지 않는 물리적인 기술이다. 전기를 초전도 발전기로 생산하고, 초전도선을 통해 보내고, 초전도모터로 공장을 가동하고, 초전도컴퓨터로 업무를 처리한다. 이 과정 중에 화학폐기물이 발생하지 않는다. 그런 이유로 초전도 기술을 친환경기술이라 부른다.

5. 소리 없이 움직이는 초전도 선박: 선박은 모터에 부착된 스크류(Screw)가 회전하는 힘으로 움직인다. 스크류(Screw) 때문에 선박운행 중 바다 생태계가 손상된다. 초전도선을 감아서 자석을 만들어 그것을 잠수함이나 선박의 모터로 사용할 수 있다. 초전도 모터에는 스크류가 없다. 초전도 자석에서 나오는 자기장과 이 때 발생하는 힘으로 물을 밀어서 선박이 이동한다. 또한 소음이 작다. 바다에서 돌고래가 움직이는 정도의 소리를 내며 선박이 운행한다.

6. 작으면서도 강한 초전도 모터 : 초전도선에는 지금 일상에서 사용하는 구리선보다 30-50배의 전기를 흘릴 수 있다. 초전도선을 감아서 만드는 모터는 지금 사용되는 모터보다 크기가 작으면서도 강한 힘을 발휘한다. 공장의 기계는 모터로 움직인다. 공장의 동력뿐만 아니라 자동차, 선박에 사용하는 모터를 초전도기술로 만들 수 있다.

7. 능력이 커진 초전도 컴퓨터: 컴퓨터를 오래 사용하다 컴퓨터의 온도가 올라간다. 온도가 오르면 성능에 문제가 생기고 심할 경우 부팅이 되지 않을 수도 있다. 온도가 올라가는 이유는 저항 때문이다. 초전도는 저항이 없다. 초전도를 반도체처럼 소자로 만들어 사용하면 열이 거의 발생하지 않는다. 또한 소자에 집적할 수 있는 메모리 용량을 확대할 수 있다. 거대 서버를 운영하려면 열을 식힐 강력한 냉각시설이 필요하다. 초전도 소자로 만든 서버라면 냉각장치의 고민이 없어진다..

8. 상온 초전도: 초전도 기술은 저항제로의 기술이다. 이 기술이 실현되지 않고 있는 이유 중의 하나는 현재까지 발견된 초전도물질의 초전도임계온도(초전도 현상이 나타나는 온도)가 낮기 때문이다. 영하 200도 이하로 초전도체를 냉각해 주려면 특별한 냉각장치가 필요하고 이는 장치의 운영에 부담이 된다. 물론 특별한 경우, 병원에서 사용하는 핵자기공명장치(MRI) 같은 장치는 영하 250도를 유지해 주는 냉각장치를 부착해서 사용한다. 대신 사용료가 비싸다. 이런 냉각문제 때문이 초전도 기술이 일상에 적용되는데 한계가 있다. 하지만 상온초전도라면 냉각장치가 필요하지 않으므로 활용범위가 전기, 전자, 의료, 통신, 교통 등 일상의 모든 분야로 확대될 것이다.

Part 1초전도의 역사와 노벨 물리학상초전도의 시작-카멜링 오네스 | 014

완전반자성-마이스너(Meissner) 효과 | 022
실망스러운 제1종 초전도체 | 031
제2종 초전도체, 자기장과 타협하다 | 036
BCS 이론, 초전도 현상을 설명하다 | 050
조셉슨, 양자소자를 제안하다 | 061

Part 2고온 초전도의 발견과 그 이후

고온(高溫) 초전도체의 발견 | 072
과학계, 흥분과 혼란 속으로 | 081
녹색가루(Green powder) 사건의 전말 | 100
초전도, 파티는 끝났는가? | 108
녹색물질도 쓸모가 있네 | 120
씨앗을 심자 | 128
경계에 잡힌 자기장 | 138
마에다 선생의 막자사발 | 146
보관함에 있던 그 물질이… | 157
사라진 잠수함-레드 옥토버(Red October) | 166
자석이 된 초전도체 | 174
공중에서 회전하는 휠-에너지를 저장하다 | 186
초전도, 어디에 사용되나 | 196