지구 온도가 1도 더 오르면 인간이 체온 조절 능력을 잃게 될 것이란 연구 결과가 나왔다. piyaset/게티이미지뱅크 제공.

현재 지구 평균 온도는 산업화 이전보다 1도 가량 높다. 여기서 1도 더 오르면 인간 스스로 체내 열을 식히기 어려운 상태에 이르러 계속 체온이 상승하는 끔찍한 상황이 벌어질 것이라는 연구 결과가 나왔다.

미국 펜실베이니아주립대와 퍼듀대 공동연구팀은 지구온난화가 가속화돼 앞으로 지구 온도가 더욱 높아졌을 때를 가정한 모델링 연구를 진행한 결과를 10일 국제학술지 ‘미국국립과학원회보’에 발표했다.

산업혁명이 시작되면서 인간은 기계를 돌리기 시작했고 화석 연료를 태웠다. 이는 전 세계 온도가 1도 상승하는 원인이 됐다. 위기를 감지한 글로벌 사회는 2015년 열린 파리협정에서 산업화 전보다 1.5도 상승하는 것을 막기 위한 공동 목표를 세웠다.

하지만 상황은 나아지지 않고 있다. 지구온난화는 계속 진행되고 있으며 연구팀은 최악의 경우 1.5~4도 더 상승할 가능성이 있을 것으로 보고 이를 가정한 모델링 연구를 시행했다. 그 결과 지구의 여러 지역에서 인간의 한계를 초과한 열과 습도 조합이 발생할 것이라는 점을 확인했다.

펜실베이니아주립대 연구팀이 지난해 발표한 연구에 의하면 젊고 건강한 사람이 견딜 수 있는 습구 온도의 한계는 31도다. 습구 온도는 온도계 수은주 끝에 물로 적신 솜을 감싸 측정한 온도로 대기 중 상대습도가 100%일 때의 온도를 의미한다.

연구팀에 의하면 인류 역사에서 이처럼 인간이 견딜 수 있는 한계를 넘는 온도와 습도 조합이 중동 및 동남아시아에서 여러 차례 발생했으며 한 번에 몇 시간 동안 이런 상태가 유지됐다는 기록이 있다.

연구팀은 지구의 온도가 산업화 이전보다 2도 상승할 경우, 앞으로 1도 더 상승하면 파키스탄과 인도의 인더스강 계곡에 사는 22억 명, 중국 동부에 사는 10억 명, 사하라 사막 이남 아프리카 지역에 사는 8억 명이 매년 인간의 한계를 넘는 더위를 경험하게 될 것이라고 보았다. 합해서 약 40억명으로 전세계 인구 기준 약 절반에 달한다.

고온고습 환경은 땀의 증발을 막는다. 중하위 소득 국가에서는 에어컨 등을 이용한 쾌적한 실내환경을 누리지 못하는 사람들이 많아 고스란히 건강 피해로 이어질 위험이 높다.

산업화 이전보다 지구 온도가 3도 더 높아지면 미국 동부 지역과 중부 지역으로 영향이 확장되고 남미와 호주 등도 극심한 더위를 경험하게 될 것이라는 게 연구팀의 추정이다.

지난 2021년 미국 오리건 주에서 폭염으로 700명 이상의 사망자가 발생했다. 연구팀은 이때의 더위는 인간의 임계점을 넘지 않은 더위 수준이었다고 설명했다. 앞으로 더욱 치명적이고 위협적인 더위를 경험하게 될 위험성이 높아지고 있다는 것이다.

인간의 몸은 더울 때 땀을 흘리고 열을 발산하며 체온을 유지한다. 하지만 특정한 온도와 습도 조합에서는 땀이 증발하지 못해 열이 식지 않고 열탈진, 열사병, 심혈관질환, 심지어 사망에 이를 수 있다. 현재의 기후 변화가 이어지면 앞으로 인간의 체온 항상성이 깨지면서 인간 스스로 체온을 조절하기 힘든 상태에 이를 것으로 보인다는 설명이다.

연구팀은 현재 전세계 기후 위기 전략이 ‘기온’에만 초점을 맞추고 있는데 습한 상태는 건조한 상태보다 훨씬 위협적이라는 점에서 온도와 습도를 모두 타깃으로 한 전략이 필요할 것이라고 강조했다. 노인들은 젊은 사람들보다 낮은 온도와 습도 수준에서도 열 스트레스로 인한 건강 위협을 받는다는 점에서 노약자 돌보기 정책 또한 필요하다고 보았다. 1995년 시카고 폭염으로 사망한 939명의 대부분이 65세 이상 연령이었다.

프시케. NASA 제공

❋ 편집자주. 프시케는 인류가 16번째로 발견한 소행성입니다. 이탈리아의 천문학자인 안니발레 데 가스프리스가 1852년 3월 17일에 발견했습니다. 그리스어 프시케를 영어로 읽으면 ‘싸이키’가 됩니다. 미국항공우주국(NASA)은 이번 발사를 싸이키 미션, 탐사선을 싸이키라 부릅니다. 기사에서는 소행성과 미션, 탐사선 모두 프시케로 표기했습니다

2023년 10월 미국항공우주국(NASA)의 궤도 탐사선 ‘프시케’가 소행성 ‘16 프시케’로 향한다. 그리스 신화에서 사랑의 신 에로스의 연인인 프시케의 이름을 딴 이 소행성은 그동안 발견된 가장 크고 무거운 금속질 소행성 중 하나다.

16 프시케로 향하는 궤도 탐사선은 머나먼 우주로 향하는 동시에 인류가 발 딛고 있는 땅 가장 깊숙이 들어간다. 과학자부터 사업가까지 모두의 주목을 받고 있는 소행성, 16 프시케 탐사 미션을 살펴본다.

프시케 임무에서 궤도 탐사 예정 순서는 A-B-D-C-B다. 관측 중 소행성 표면을 비추는 햇빛의 양 변화와 임무 시행 가능성에 따라 진행된다. NASA, 과학동아 제공

● 5억 km를 날아 도착할 금속질 소행성

“우리는 최초로 바위나 얼음이 아닌 금속으로 만들어진 세상을 탐험한다.”

지금으로부터 8년 전인 2015년 9월 미국항공우주국(NASA)은 16 프시케를 탐사하는 프시케 미션의 첫발을 뗐다. 2011년 이론 연구를 시작으로 2015년 가을부터는 대규모 연구팀을 꾸려 16 프시케 탐사 계획을 본격적으로 수립하고, 2017년 1월 4일 마침내 소행성 궤도 탐사선 ‘프시케’를 보내 소행성을 탐사한다는 프시케 미션을 최종 결정했다.

탐사선 프시케는 오는 10월 5일 미국 플로리다주에 있는 케네디우주센터에서 발사될 예정이다. 이후 6년의 비행을 거쳐 2029년 8월 16일, 소행성 16 프시케에 도달한다.

16 프시케는 찌그러진 타원형으로 ‘감자같이 생긴’(NASA의 표현이다) M형(금속질) 소행성이다. 가장 넓은 지점의 가로 길이가 280km나 되는 지금까지 발견된 가장 크고 무거운 M형 소행성 중 하나다.

탐사선은 소행성에 도착해 21개월 동안 16 프시케의 궤도를 돌며, 소행성의 지질학적 특성, 원소 구성, 질량 분포를 파악할 계획이다. 성공하면 인류 최초의 M형 소행성 탐사 미션 기록이다. M형 소행성은 워낙 적고 멀리 있어 그동안 거의 연구가 이뤄지지 않았다.

2023년 10월 발사될 예정인 미국항공우주국(NASA)의 궤도 탐사선 프시케. 프시케는 화성의 중력과 태양 전기 추진력을 사용해 5억 km이상 떨어진 소행성 16 프시케까지 날아갈 예정이다.NASA, Frank Michaux 제공

소행성은 천체가 반사하는 빛의 스펙트럼에 따라 주 성분을 파악해 크게 3가지로 분류한다. C형(탄소질) 소행성, S형(석질) 소행성 그리고 M형 소행성이다. 이중 C형 소행성은 전체 소행성의 약 75%로 가장 많다.

일본항공우주연구개발기구(JAXA)의 소행성 탐사선 ‘하야부사-2’가 2018년 표면 시료 샘플을 채취했던 ‘162173 류구’가 C형 소행성이다. S형 소행성은 전체 소행성의 약 17%를 차지한다. 우주에서 지구로 떨어지는 대부분의 운석이 S형 소행성의 파편이다.

M형 소행성은 철이나 니켈을 포함한 금속 성분과 암석이 섞여 있다. 태양계 내에 있는 소행성 중 M형 소행성은 약 8%에 불과하다. 또 지구 공전 궤도 근처에 있는 근지구소행성(NEA)도 S형 소행성과 C형 소행성 위주인지라, 직접 M형 소행성을 연구하기가 어려웠다.

16 프시케는 화성과 목성 사이에 분포한 소행성 벨트에 위치한다. 지구와의 거리는 약 5억 126만 km. 9월 5일 대전에서 만난 김명진 한국천문연구원 우주위험감시센터 책임연구원은 “16 프시케를 포함해 화성과 목성 사이에 분포한 소행성들은 모두 ‘행성이 되다 만 천체’”라고 설명했다.

약 46억 년 전 태양이 만들어지고 이후 태양을 중심으로 주변부 물질이 뭉쳐져 총 8개의 행성이 형성됐다. 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성이다. 이 행성들은 현재 비교적 일정한 거리를 두고 위치해 있다. 하나의 예외, 화성과 목성 사이만 빼고 말이다.

1766년 독일의 수학자 요한 티티우스가 처음 발표하고, 1772년 베를린 천문대장이었던 요한 보데가 정리한 ‘티티우스-보데’ 법칙에 따르면 당시까지 알려져 있던 6개 행성(수금지화목토)의 태양과의 거리(궤도 긴반지름) a는 a=0.4+(0.3×2n)이란 수식으로 계산할 수 있다. 여기서 금성의 n값은 0, 지구는 1, 화성은 2, 목성은 4, 토성은 5다.

약 45억 년 전, 암석 덩어리가 뭉쳐져 지구가 되는 과정에서 무거운 금속 원소는 깊은 중심으로 가라앉아 금속성 핵을 만들었다. M형(금속질) 소행성은 철과 니켈 등 지구 내핵과 같은 금속으로 구성돼 있다. 이 때문에 과학자들은 M형 소행성을 행성이 되다만 것으로 추정한다. ASU, Edward Garnero 제공

천문학자들은 n값이 3인 지점에도 행성이 있을 것이라 믿고, 한동안 탐색을 이어 나갔다. 하지만 그곳엔 찾던 행성은 없었고 수많은 소행성만 거대한 띠를 만들고 있었다.

소행성 벨트에 분포한 110만~190만 개의 소행성이 하나의 행성으로 뭉쳐지지 못한 것은 목성 때문이었다. 김 책임연구원은 “강력한 중력을 가진 목성이 궤도를 돌며 행성 형성 과정을 방해했다”며 “쉬는 시간에 학생들이 모여서 웅성대다가 선생님이 근처를 지나가면 다 흩어지는 것과 유사하다”고 재밌는 비유로 설명했다.

● 프시케 미션은 ‘나’에게로 떠나는 여행

옛 모습을 그대로 간직한 소행성들은 초기 태양계의 비밀을 풀 ‘열쇠’로 꼽힌다. 김 책임연구원은 “소행성이 다른 행성과 다른 가장 큰 특징은 겉과 속이 같다는 점”이라고 말했다. 대표적인 예로 지구는 핵과 맨틀 그리고 지각으로 구분된다.

이런 지질학적인 구조는 지구 안쪽으로 들어갈수록 온도와 압력, 밀도가 커 만들어졌다. 강한 중력과 압력은 형태적인 변형도 유발했다. 지구는 더이상 태양이 막 만들어졌을 당시의 모습이 아니다.

반면 소행성은 원시 태양계 당시 만들어졌던 울퉁불퉁한 모습을 그대로 유지하고 있다. 특히 M형 소행성 16 프시케는 ‘행성이 되다 만’ 특징을 강하게 보인다. 지구의 내핵은 철과 니켈 같은 금속으로 이뤄져있는데 지금까지 연구된 바에 의하면 16 프시케 역시 암석과 금속의 혼합물로 이뤄져있으며 전체 부피에서 30~60%가 금속이다.

과학자들은 이런 사실들을 토대로 M형 소행성이 변형되지 않은 초기 태양계 행성의 내핵이라 추론하고 있다. 수십 억 년 전 행성으로 성장하는 도중에 혹은 행성으로 성장한 이후에, 근처를 지나는 목성 때문에 파괴돼 행성의 핵이 조각나 소행성으로 떠돌고 있다는 것이다.

때문에 프시케 미션은 단순히 소행성을 탐사하는 것이 아니라, 단 한 번도 들여다보지 못했고 아마 앞으로도 직접 들여다볼 수 없을, 지구 내핵에 대한 귀중한 정보를 캐내는 의미가 있다.

● 지구 밖 보물섬, 우주 채굴 시대 다가와

민간 소행성 채굴 스타트업 플래니터리 리소시스가 발표했던 소행성 자원 채굴 상상도. 근지구소행성(NEA)을 지구 근처로 끌고 오는 방법이다. Planetary Resources 제공

NASA는 약 2년 동안 4개의 궤도로 16 프시케를 돌며 M형 소행성에 관한 직접적인 정보를 캐올 계획이다. 과학 연구 목적이지만 M형 소행성에 희귀 금속이 존재한다는 것이 증명된다면 소행성 자원 채굴도 탄력을 받을 수 있다.

소행성에서 자원을 채굴하려는 아이디어는 이미 오래 전에 나왔다. 지금으로부터 약 50년 전인 1977년 미국의 우주비행사이자 과학자였던 브라이언 올리어리가 처음 제안한 이후 소행성의 광물을 채굴하려는 시도는 천천히 그렇지만 꾸준히 진행되고 있다. (doi:10.1126/science.197.4301.363)

민간 소행성 채굴 기업들은 도전과 실패를 반복하고 있다. 1세대 민간 소행성 채굴 스타트업이자 가장 유명했던 ‘플래니터리 리소시스’와 ‘딥 스페이스 인더스트리’는 현재 없는 회사다.

2009년 설립됐던 플래니터리 리소시스는 구글의 공동창업자이자 최고경영자(CEO)였던 래리 페이지와 마찬가지로 구글 CEO를 역임했던 에릭 슈밋이 설립해 많은 관심을 받았다. 플래니터리 리소시스는 2016년, 소행성 탐사 및 채굴을 위한 장치와 시스템 등을 개발해 미국 특허에 등록하는 소기의 성과를 이뤘다.

하지만 2018년 금융위기 당시 재정문제로 블록체인 기업에 합병됐다가 2020년에는 모든 지적재산권을 포기하고 하드웨어 자산 역시 경매에 부치며 소행성 채굴이라는 커다란 목표 앞에 무릎을 꿇었다.

2013년 설립된 딥 스페이스 인더스트리 역시 소행성 탐사 및 채광용 우주선 개발을 목표로 수년간 많은 투자를 받았지만 2019년 경영 악화로 브래드포드 스페이스란 위성 제어 시스템 개발 업체에 인수됐다.

그런데도 소행성 채굴을 목표로 하는 기업은 계속 설립되고 있다. 스페이스X와 NASA에서 근무했던 과학자들이 2022년 1월에 설립한 미국 아스트로포지가 현재 가장 유명한 M형 소행성 채굴 스타트업이다.

아스트로포지는 백금, 팔라듐, 이리듐 같은 희귀 금속이 고농도로 분포해 있는 소행성에서 자원을 채굴할 계획이다. 아스트로포지를 공동 창업한 매튜 지알리치 CEO는 과학동아와의 e메일 인터뷰에서 “10년 안에 백금을 지구로 가져오는 것이 목표”라고 말했다.

아스트로포지는 레이저로 소행성 표면의 물질을 증발시킨 뒤 증기 속에 필요한 물질을 모으는 기술을 확보한 것으로 알려졌다. 지알리치 대표는 “물질을 기화 및 이온화한 뒤 질량 분석기로 원소를 분류하는 실험까지 성공했다”고 설명했다.

소행성 채굴 기업이 이렇듯 일곱 번 넘어져도 여덟 번 일어나는 ‘칠전팔기’로 도전하는 까닭은 지구 밖 소행성에 매장된 희귀 금속의 양이 방대할 것으로 추정하기 때문이다. 16 프시케에는 철과 니켈뿐만 아니라 금과 백금도 매장돼 있을 것으로 추정되는데 그 추산 가치는 무려 1000경 달러에 이른다. 한국 돈으로 조대를 넘어 133해 1500경 원 규모다.

지구는 겉과 속이 달라 금속 자원을 채굴하려면 지하 깊숙이 땅을 파야 하고, 추가로 다양한 정제 단계를 거쳐야 한다. 또한 스마트폰이나 영구 자석 등을 만드는 데 사용되는 희토류는 채굴 과정에서 독성 화학 물질, 중금속, 방사성 물질이 섞인 폐수가 발생해 주변 지하수를 오염시킨다. 소행성 채굴은 이 같은 비용, 환경 문제가 적다. 소행성에서 희토류를 채굴한다면 땅을 적게 파고도 충분한 양을 얻을 수 있다.

1967년 체결된 국제 우주조약도 민간 기업 중심의 소행성 자원 채굴을 뒷받침한다. 우주조약은 “달과 기타 천체를 포함한 외기권에서 국가가 소유권을 주장할 수 없다”고 명시했지만 민간 기업의 소유권을 제한하고 있지는 않고 있기 때문이다.

민간 기업의 소행성 채굴을 미리 대비하고 있는 국가도 있다. 미국은 2015년 11월 ‘상업적 우주 발사 경쟁력 법’을 제정해 상업적 우주활동에 대한 법적 근거를 마련했다. 룩셈부르크도 2017년 기업이 채굴한 우주자원에 대해 소유권을 인정하는 ‘우주자원 법’을 제정했다.

뉴 스페이스 시대가 되며 발사체 이용 비용이 수십 배 더 저렴해지고, 이용할 수 있는 공공 데이터가 많이 늘어난 것도 우주 채굴에 힘을 싣는다. 실패로 끝난 첫 번째 소행성 채굴 물결도 유산이 됐다. 지알리치 대표는 “1세대 소행성 채굴 스타트업이 만들어 둔 길과 이들의 조언이 있어 아스트로포지가 소행성 채굴 산업을 선도할 수 있다”고 말했다.

하지만 우주 채굴의 시대가 곧바로 열리진 않을 것이다. 2020년, 알레나 프롭스트 당시 독일 뮌헨연방군대 연구원팀은 소행성 채굴 임무에 드는 비용을 추정한 연구 결과를 발표했다. 추산 비용은 무려 132조 원. 즉 132조 원이 넘는 가치의 금속 자원을 채굴하지 못한다면 현재로서는 소행성 채굴 사업에는 경제성이 없는 것이다. (doi: 10.1016/j.actaastro.2019.07.032)

● 한국 소행성 연구의 현주소는

소행성에서 자원을 채굴하는 것이 언제쯤 가능하냐는 기자의 질문에 김 책임연구원은 “그 시기를 특정하기는 어렵지만 우주 채굴 시대는 언젠가 온다”고 답했다. “전 세계에서 수십 년 동안 이뤄진 수많은 개념 연구가 인류의 미래가 소행성에 있다는 결과를 한목소리로 내고 있다”고 말이다.

물론 한국은 아직까지 소행성 자원 채굴을 목표로 하는 민간 기업이 없고, 국가 주도의 소행성 연구도 더딘 상황이다. 특히 2023년 2월에 수립된 제4차 우주개발진흥계획에 소행성 연구는 아예 포함조차 되지 못했다. 국내 소행성 연구자도 한 손에 꼽을 정도로 적다.

2023년 3월 NASA는 소행성 ‘베누’에서 채취한 소행성 샘플이 9월 24일 지구로 도착한다는 반가운 소식을 전했다. NASA는 “베누에서 얻은 샘플이 45억 년 전 태양계가 형성된 과정을 밝히고 생명체의 시작을 규명하는 데 도움이 될 것”이라고 기대감을 드러냈다.

한국도 언젠가는 소행성에서 귀중한 과학적 지식과, 상업적인 자원을 캐낼 수 있는 날이 오지 않을까. 모두가 함께 다양한 방법을 모색해보면 좋겠다.

거대마젤란망원경(GMT) 완성 모습(예상도) 지름 8.4m의 거대한 반사경 7장이 특징이다. 한국천문연구원 제공

한국천문연구원은 천문연을 포함한 13개 글로벌 파트너 기관이 참여하는 거대마젤란망원경기구(GMTO)가 세계 최대 광학망원경인 거대마젤란망원경(GMT)의 마지막 반사경 제작을 시작했다고 5일 밝혔다.

GMT는 구경 25.4m의 차세대 초거대망원경으로 2020년대 말 완공을 목표로 하고 있다. 이 망원경은 지름 8.4m, 17t의 원형 반사경 7장을 벌집모양으로 배치해 25.4m의 단일 반사경과 동일한 성능을 갖는다.

GMT는 제임스웹우주망원경보다 4배 더 선명한 해상도와 200배 높은 감도를 지녔다. 망원경의 성능을 결정하는 중요한 요소인 집광면적은 368㎡이다. 160km 떨어진 곳에서 동전의 그림을 구분할 수 있는 수준이다.

GMT의 반사경은 미국 애리조나대가 보유한 리처드 캐리스 반사경 연구소에서 제작하고 있다. 반사경 하나당 형상 제작부터 표면 정밀 연마까지 약 4년이 소요된다. 첫 번째 반사경은 2012년에 완성됐으며 이어 여섯 번째 반사경까지 순차적으로 제작공정이 진행되고 있다.

GMT의 반사경 제작은 크게 세 단계로 나뉜다. 1단계는 반사경의 기본 형상을 만드는 주조, 2단계는 반사경의 형상을 다듬는 성형, 3단계는 반사경 표면을 다듬는 연마 작업이다. 반사경을 만드는 소재인 유리는 온도 변화에 따른 비틀림, 휨, 표면 왜곡 등을 최소화하기 위해 팽창계수가 낮은 특수 유리를 사용한다.

이 특수 유리블록 약 20t을 주형에 넣어 섭씨 1165도로 가열해 녹인 후 고체화되기 전에 주형을 회전시켜 원심력에 의해 상부 표면이 포물면이 되도록 한다. 약 3개월 동안 냉각시킨 유리는 연마의 과정을 거치는데 완성된 반사경 표면의 높낮이 차이는 사람 머리카락 두께의 1000분의 1보다도 작다.

거대마젤란망원경(GMT) 완성 모습(개념도). 천문연 제공

완성된 반사경들은 칠레 아타카마 사막의 라스 캄파나스 천문대에 있는 GMT 부지로 옮겨 설치된다. GMT가 건설되는 라스 캄파나스 천문대는 청명하고 어두운 하늘과 안정적인 대기조건을 갖추고 있어 남반구에서 천문관측 최적지로 꼽힌다.

GMT가 가동되면 기존의 대형 천체관측 망원경의 성능을 넘을 것으로 기대된다. 지금까지 관측한 것보다 먼 우주를 관측해 우주 탄생의 수수께끼를 밝히는 기여할 수 있다. 외계행성의 대기 성분에 대한 정밀한 분석을 통해 생명체가 존재할 수 있는 환경의 가능성을 살피는 데 활용될 수 있다.

가장 최근 완성된 반사경은 내년 초에 실제 크기로 제작된 시험용 반사경 지지시스템에 조립해서 광학 성능 시험을 실시할 예정이다. 이 성능 시험을 표준 삼아 전체 7개의 반사경에 대한 광학 성능 시험을 하게 된다.

GMTO 이사회의 한국 대표를 맡고 있는 박병곤 천문연 대형망원경사업단장은 “2020년대 말 완공을 목표로 하는 GMT는 주반사경뿐만 아니라 망원경의 뼈대에 해당하는 마운트와 적응광학이 적용된 부반사경 등의 제작이 순조롭게 진행되고 있다”며 “천문연이 참여하는 세계 최대의 망원경은 한국의 천문학 수준을 비약적으로 발전시키고 최첨단의 광학 및 광기계 기술을 확보하는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.

대형망원경사업단의 교육홍보책임자인 김상철 천문연 책임연구원은 “GMT 주경 7장 중 마지막 거울의 공정이 시작된다는 것은 21세기 초거대 망원경 시대를 가장 먼저 여는 첫걸음이라는 의미가 있다”며 “GMT가 완성되면 ‘우리는 어디에서 왔는가, 우주에는 우리뿐인가’와 같은 질문에 대한 답을 찾아가며 우리나라가 추격자 역할이 아닌 선도자 역할을 하는 데 토대가 되어줄 것”이라고 말했다.

모운지 바웬디, 루이스 브루스, 알렉세이 아키모프(왼쪽부터). 노벨재단 제공

2023년 노벨 화학상은 물체의 색깔을 실제와 가장 가깝게 구현해 ‘디스플레이의 신세계’를 연 자발광 ‘양자점(퀀텀닷, quantum dot)’ 연구자 3인에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 모운지 바웬디 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수(62), 루이스 브루스(80) 미국 컬럼비아대 명예교수, 알렉세이 아키모프(78) 전 나노크리스탈테크놀로지(NCT) 선임연구원 등 화학자 3명을 올해 노벨 화학상 수상자로 선정했다고 4일(현지시간) 발표했다.

노벨위원회는 “크기가 매우 작아 스스로 특성을 결정하는 나노 입자인 양자점 발견과 발전을 이끌었다”고 수상자의 공로를 설명했다. 이어 “TV, LED 조명, 외과에서의 종양 조직 제거 수술 등에 활용할 수 있으며 크기에 따라 다른 색을 가지며 흥미롭고 특이한 특성을 많이 가지고 있어 다양한 실용화 가능성을 열 수 있을 것”이라고 선정 이유를 밝혔다.

성봉준 서강대 화학과 교수는 “바웬디, 브루스, 아키모프 교수는 처음으로 ‘양자점’이라는 이름을 만들고 양자점의 특성을 밝혔다”고 설명한다. 입자 크기에 따라 서로 다른 색을 흡수하거나 방출해 다양한 색을 내는 양자점 기술은 중세 교회에서 흔히 볼 수 있는 스테인드글라스와도 비슷하다. 다만 다양한 크기의 유리조각으로 다양한 색깔을 낼 수 있는 이유를 이론적으로 설명할 순 없었다.

1980년대 초 러시아 바빌로프 국립광학연구소에서 근무 중이던 알렉세이 에키모프 연구원은 스테인드글라스처럼 색깔 있는 유리를 제작하는 방법으로 입자의 크기가 유리 색깔을 좌우한다는 사실을 처음으로 증명했다.

양자점은 나노미터(nm, 10억분의 1m) 크기의 반도체 결정이다. 크기에 따라 서로 다른 색을 흡수하거나 방출하며, 빛이나 전류를 받을 경우 크기에 따라 다양한 색을 낸다. 예컨대 약 5-6nm 크기의 양자점이 빨간색을 방출할 수 있다면 이보다 조금 더 작은 크기의 양자점은 초록색, 그보다 더 작은 양자점은 파란색 빛을 방출하는 식이다.

이후 루이스 브루스는 미국 벨 연구소에서 유체(물)을 이용해 자유롭게 떠다니는 입자에서의 양자 효과를 입증했다. 브루스 교수의 제자로 브루스 교수와 같은 연구실에서 양자점을 연구한 바웬디 교수는 끓는 기름에서 양자점을 만드는 방법을 고안해 결함없는 양자점을 만드는 데 성공했다.

노벨위원회는 아웬디 교수의 연구 성과를 두고 “양자점의 화학적 생성에 일으킨 혁명”이라고 평가했다. 이전 단계까지는 균등한 크기의 양자점을 만드는 게 불가능했다면 바웬디 교수의 기술 개발로 원하는 크기의 입자를 만들 수 있게 됐다. 이는 색 순도와 광 안정성이 높은 QLED 디스플레이를 개발하는 바탕이 됐다.

양자점 기술은 디스플레이 분야 뿐만 아니라 의료 영역에서도 활발하게 사용된다. 바웬디 교수의 제자였던 김성지 포스텍 화학과 교수는 “진단 및 의료 영상에 쓰일 것으로 기대된다”며 “색깔의 변화로 증상을 감지하는 임신 테스터기, 코로나19 테스트기를 양자점으로 대체한다면 더 예민하게 감지하는 센서로 활용 가능할 것”이라고 말했다.

한국에서도 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 단장이 이끄는 연구단이 의료 분야에서 양자점을 활용하는 연구를 진행 중이다. 현택환 교수는 글로벌 학술정보분석 서비스 기업 클래리베이트가 2020년 선정한 유력한 노벨상 후보로 이번에 노벨 화학상을 받은 모운지 바웬디함께 꼽히기도 했다.

한편 이번 2023년 노벨화학상에선 수상자 발표 4시간 전 이메일로 수상자 명단이 유출되는 사고가 발생했다. 이에 대해 스웨덴 왕립과학원은 “수상자는 결정되지 않았다”고 즉각 반박했으나 실제 수상 결과는 사전에 유출된 정보와 일치했다. 수상자 발표 이후 노벨위원회는 유출 사고에 대해 따로 언급하지는 않았다.

피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 앤 륄리에 교수 (왼쪽부터). 위키미디어 제공.

2023년 노벨 물리학상은 극한 과학에서 한계까지 짧은 시간을 포착하는 ‘아토초 과학’ 시대를 열어낸 물리학자 3명에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 피에르 아고스티니(82) 미국 오하이오주립대 교수, 페렌츠 크라우스(61) 독일 뮌헨공대 양자물리학과 교수, 앤 륄리에(65) 스웨덴 룬드대 교수 3명의 과학자를 올해 노벨 물리학상 수상자로 선정했다고 3일(현지 시간) 발표했다.

노벨위원회는 “올해 물리학상 수상자들은 전자동역학 연구에서 활용될 수 있는 아토초(100경분의 1초) 단위의 빛의 파동을 발생시키는 방법을 고안했다”며 “원자와 분자 내부에서 벌어지는 전자의 세계를 탐험할 수 있는 새로운 도구를 인류에게 제공했다“고 설명했다.

이들이 구현한 ‘극한으로 짧은 빛의 파동’은 전자가 움직이거나 에너지를 변화시키는 한순간을 포착하는 방법을 제시한 것으로 평가된다.

전자의 세계에서 사건은 수십, 수백 분의 1초에 불과한 매우 짧은 시간에 일어난다. 너무 빠른 속도이기 때문에 인간은 인지하기 어렵다. 초당 80회의 날갯짓을 하는 벌새의 움직임도 따라가지 못하는 인간의 인지 능력으로는 전자의 세계를 탐험하는 것이 불가능해 보였다.

수상자들은 너무나도 빠른 전자의 세계를 포착하기 위해 아주 짧은 순간 존재하는 빛의 파동을 고안해냈다. 벌새의 날갯짓을 촬영하는 고성능 사진기에서 아주 짧은 시간 빛의 노출이 이뤄지는 것처럼, 전자의 움직임을 포착하기 위해 전자의 속도를 뛰어넘는 빛의 파동을 만든 것이다. 이렇게 만들어진 빛의 파동은 원자와 분자 내부에서 일어나는 전자의 활동을 ‘순간포착’할 수 있게 했다.

앤 륄리에 교수는 1987년 적외선 레이저 빛을 불활성 기체에 투과시킬 때 다양한 빛의 광파(overtones)가 발생한다는 것을 발견했다. 이 광파는 레이저 빔이 기체 안의 원자들과 부딪칠 때 일정한 주기를 갖고 발생했는데, 기존 레이저를 사용했을 때보다 더욱 짧으면서도 강한 반응을 보였다. 펨토초 빛의 파동을 구현할 수 있는 재료를 제공한 것이다.

아고스티니 교수는 빛의 파동을 지속할 수 있는 실험에 성공했다. 2001년 실시한 실험에서 250 아토초 동안 빛의 파동을 유지하는 성과를 거뒀다. 헝가리 출신의 과학자인 크라우스 교수는 이보다 한걸음 더 나아가 650아토초 동안 지속되는 빛의 파동을 구현했다. 이를 통해 실제 전자의 움직임을 추적해냈다.

전문가들은 이들의 연구를 통해 ‘아토초 과학’ 시대가 열렸다고 평가했다. 조동현 고려대 물리학과 교수는 ”초고성능 현미경이 개발되면서 인류는 아주 작은 물체를 볼 수 있게 된 공간분해능을 얻게 됐다면, 아토초 빛의 파동은 아주 짧은 시간을 포착할 수 있게 된 ‘시간분해능’을 얻은 것으로 빗댈 수 있다“고 설명했다.

아토초 단위로 존재하는 빛의 파동은 다양한 과학 영역에서 활용될 수 있다. 의료 분야가 대표적이다. 아토초 파동을 활용하면 X-RAY에 DNA가 손상되는 아주 짧은 순간까지 관찰할 수 있다. 반도체 발전에도 기여할 것으로 기대된다. 임현식 동국대 물리반도체과학부 교수는 ”펨토초 수준의 빛의 파동은 반도체에서 발생하는 아주 기민한 메커니즘을 이해하는 데 큰 도움이 될 것“이라고 말했다.

아토초 기술은 물리학적으로도 큰 진전을 이룬 성과로 여겨진다. 남창희 기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학연구단장은 ”아토초 빛의 파동을 활용하면 지금까진 볼 수 없었던 핵의 운동까지 들여다볼 수 있을 것“이라고 말했다.

올해 노벨상 수상자에겐 2022년보다 약 100만 크로나 증액된 1100만 스웨덴 크로나(한화 약 13억 5894만원)이 수여된다. 이번 물리학상 수상자 3명은 상금을 3분의1씩 나눠갖는다. 올해 노벨 과학상 수상자 발표는 2일 생리의학상, 3일 물리학상, 4일 화학상 순으로 진행된다.

947년 미국 프린스턴 고등연구소에서 오후 차담을 나누는 로버트 오펜하이머(왼쪽)와 폴 디랙(가운데), 에이브라함 페이스(오른쪽). 1928년 디랙은 디랙방정식을 고안해 반물질로 가는 길을 가리켰고 1930년 오펜하이머는 디랙방정식을 해석한 논문에서 반물질의 완전한 비전을 제시했다. 위키피디아 제공

지난달 오랜만에 극장에 가서 영화를 봤다. 미국의 물리학자 로버트 오펜하이머의 전기 ‘아메리칸 프로메테우스’를 원작으로 한 ‘오펜하이머’다.

외모만 보면 전형적인 이론물리학자로 보이는 오펜하이머가 어떻게 원자폭탄 개발을 목표로 한 맨해튼 프로젝트를 이끌어 단기간에 성공시킬 수 있었을까 늘 궁금했는데 영화를 보니 조직력과 추진력이 대단한 인물이었다. 특히 박학다식함을 무기로 각 분야 전문가들 사이의 이견을 조율하고 다독이며 연구를 끌고 나가는 모습이 인상적이었다.

● 반물질의 완전한 비전 제시

1904년 미국 뉴욕에서 태어난 오펜하이머는 하버드대 화학과를 졸업한 뒤 유럽으로 유학을 떠나 당시 막 정립되던 양자역학을 공부하고 1929년 미국 버클리 캘리포니아대에 부임해 미국에 양자역학을 소개한 인물이다.

그러다 1942년 맨해튼 프로젝트를 이끌게 되면서 일찌감치 본인의 연구 활동은 접었다. 프로젝트가 끝난 뒤에도 1947년부터 프린스턴 고등연구소 소장에 부임해 과학행정가의 삶을 이어갔다.

오펜하이머는 베르너 하이젠베르크나 폴 디랙 등 양자역학을 만든 비슷한 나이대의 이론물리학자들과 맞먹는 천재성을 지녔음에도 이들에 버금가는 업적을 내놓지는 못했다. 아이디어는 뛰어남에도 끝까지 파고 들어가는 끈기가 부족했기 때문이다. 그러다 보니 버클리대 교수 시절에도 여기저기 건드리는 분야는 많았지만 대부분 일회성에 그쳤다.

그의 천재성과 기존 지식에 얽매이지 않는 기발함이 돋보이는 예가 바로 디랙방정식을 보고 떠올린 양전자 아이디어다. 1928년 영국의 이론물리학자 폴 디랙은 뛰어난 수학 감각으로 양자역학과 특수상대성이론을 결합한 디랙방정식을 만들어냈는데 그 결론이 뜻밖이었다. 원자 주위를 돌고 있는 전자의 에너지가 양의 값은 물론 음의 값도 나올 수 있었기 때문이다.

디랙방정식 해의 물리적 의미를 고민하던 디랙은 진공을 재해석해 돌파구를 마련했다. 진공은 텅 빈 공간이 아니라 음의 에너지인 전자로 꽉 채워진 상태라고 가정했다. 이때 외부에서 감마선 같은 에너지를 공급하면 양의 에너지가 된 전자가 튀어나오면서 구멍이 생긴다. 구멍은 음의 에너지를 지닌 전자의 부재로서 이는 양의 에너지를 지닌 양전하 입자라는 형태로 나타난다. 결국 감마선 에너지가 둘 다 양의 에너지인 전자와 양전하 입자 쌍으로 바뀐 셈이다.

디랙방정식 자체는 이론물리학자 사이에 엄청난 찬사를 받았음에도 음의 에너지에 대한 해석은 조롱의 대상이었고 결국 디랙은 이듬해 출판한 논문에서 이 양전하 입자가 양성자일지 모른다고 한발 물러섰다. 실제 그렇게 생각해서가 아니라 논쟁을 피하고 싶어서였다.

버클리에서 이 논문을 읽은 오펜하이머는 즉각 문제점을 파악하고 1930년 ‘전자와 양성자 이론에 대하여’라는 논문을 발표했다. 여기서 그는 전자의 쌍이 되는 양전하 입자가 양성자라면 수소 원소는 순간적으로만 존재할 수 있다며(감마선 쌍으로 소멸할 것이므로) 전자와 질량이 같은 미지의 입자가 존재해야 한다고 주장했다.

디랙은 즉시 오펜하이머가 비판하는 바의 중요성을 알아차리고 이듬해 발표한 논문에서 “실험물리학에서 아직 밝혀내지 못한 새로운 종류의 입자로 전자와 동일한 질량과 전하량(절대값)을 지녀 반전자(anti-electron)라고 부를 수 있다”고 썼다. 이어서 “이 대칭성이 정말 자연의 근본 법칙이라면 어떤 종류의 입자라도 전하가 반대인 짝이 있어야 한다”고 덧붙였다.

이렇게 반물질(antimatter) 이론이 정립되고 1년 뒤 미국의 실험물리학자 칼 앤더슨은 우주선(cosmic ray)의 안개상자 궤적을 분석해 반전자를 발견했고 이를 보고한 논문의 학술지 편집자가 반전자 대신 양전자(positron)란 용어를 만들어 썼다.

● 일반상대성이론에 따르면 차이 없어

그렇다면 반물질에 미치는 중력의 영향은 어떨까. 중력은 질량과 관련한 힘이고 반물질은 대응하는 물질과 같은 질량이므로 영향도 같을 것이다.

아인슈타인의 일반상대성 이론에서도 질량이 같은 모든 물체는 내부 구조와 관계없이 무게가 같아야 한다. 반양성자와 양전자로 이뤄진 반원자라도 원자와 정확히 같은 중력가속도가 작용해야만 한다.

그러나 ‘추한 진실이 아름다운 이론을 무너뜨릴 수 있다’고 몇몇 물리학자들은 반물질이 중력을 다르게 느낄 가능성을 제기했다. 우주론의 표준모형에 따르면 오늘날 우리가 알고 있는 물질과 에너지는 우주의 물질/에너지의 5%에 불과하고 나머지는 실체를 모르는 암흑물질(27%)과 암흑에너지(68%)다.

따라서 반물질과 물질이 척력으로서의 중력인 반중력을 띤다면 암흑에너지의 일부를 설명할 수도 있다. 한편 같은 인력이라도 중력가속도가 다르게 작용한다면 빅뱅 직후 엄청난 에너지가 같은 양의 물질과 반물질로 바뀌었음에도 오늘날 물질로 이뤄진 세계가 된 비대칭성을 설명하는 실마리가 될 수도 있다.

스위스 제네바 유럽입자물리연구소(CERN)에 있는장비인 알파 실험 설비로 반수소 생성 및 물리 특성을 실험한다. CERN 제공

● 아래로 떨어지는 반수소

양전자는 물론 반양성자도 어렵지 않게 만들 수 있지만 전하를 띤 반입자는 전자기력에 너무 민감해 물리적 특성을 연구할 수 없다. 따라서 이들이 상호작용해 전기적 중성이 된 반수소 원자를 만들어야 한다.

스위스 제네바에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)는 1990년대 반수소 프로젝트를 시작해 2002년 최초로 반수소를 만드는 데 성공했고(아테나 실험) 2010년 반수소가 1000초 동안 소멸되지 않고 유지하는 방법을 개발했다(알파 실험). 영하 266도의 극저온과 진공 환경에서 전기장과 자기장을 교묘히 배치한 용기 안에 반수소를 공중부양시켰다(물질인 벽에 닿으면 소멸하므로).

그 뒤 반수소의 물리적 특성을 측정하는 실험을 진행했고 2016년 반수소의 빛 흡수 스펙트럼 패턴이 수소와 같다는 실험 결과를 얻었다. 이 역시 예상한 결과였지만 실험으로 증명해 불확실성을 없앴다는 게 중요하다.

2018년 연구자들은 미미한 힘인 중력의 영향을 측정하기 위한 정교한 장치를 만드는 실험을 진행했다. 몸무게가 수십㎏인 우리에게는 중력이 엄청난 힘을 발휘하지만, 물체의 질량이 작아질수록 영향도 줄어든다. 하물며 질량이 10의 –27승㎏ 단위인 반수소 원자에게는 더욱 그렇다.

반수소에 미치는 중력의 영향을 측정하는 장치인 알파-g의 모식도로 통로 가운데 포획된 반수소(antihydrogen)가 위와 아래로 빠져나오는 개수를 검출한다. 실험 결과 중력만 있을 때 반수소의 약 72%가 아래로 떨어져 수소와 마찬가지로 중력이 인력으로 작용하는 것으로 밝혀졌다. 네이처 제공

연구자들은 통로가 수직인 용기 안에 양전자와 반양성자로 반수소를 만든 뒤 운동에너지를 최소화하기 위해 절대영도보다 불과 0.5도 높은 영하 272.6도까지 온도를 낮췄다. 그리고 전자기장을 서서히 줄여 반수소에게 자유를 줬다.

만일 중력이 작용하지 않는다면 운동량의 방향에 따라 통로 위나 아래로 빠져나가는 반수소 개수가 비슷할 것이다. 참고로 통로를 벗어난 반수소는 물질로 된 벽에 닿아 소멸하면서 검출돼 존재가 확인된다.

만일 물질(지구)의 질량이 척력인 반중력으로 작용한다면 반수소의 운동량 방향이 위쪽으로 치우치며 통로 위쪽으로 빠져나가는 반수소가 더 많을 것이다. 반대로 인력인 중력으로 작용한다면 운동량의 방향이 아래쪽으로 치우치며 통로 아래쪽으로 빠져나가는 반수소가 더 많을 것이다.

실제 실험 결과 용기 내 반수소의 72%가 통로 아래쪽으로 빠져나갔고 28%가 위쪽으로 빠져나갔다. 반수소 역시 수소처럼 중력이 인력으로 작용했다는 말이다. 한편 반수소가 중력을 인력으로 느낀다고 할 때 시뮬레이션 결과는 약 80% 정도가 아래쪽으로 빠져나가는 걸로 나와 약간 차이를 보였다.

다만 실험 조건이 아주 정밀하지 않아 정말 차이가 있는 것인지 단순히 실험 오차인지는 아직 언급할 단계가 아니다. 아무튼 이번 실험으로 반물질과 물질 사이에 반중력이 작용해 서로 밀쳐낸다는 가설은 폐기됐다.

1925년 21세의 오펜하이머는 하버드대를 졸업하고 대서양을 건너 영국 케임브리지 캐번디시연구소의 패트릭 블래킷 교수를 지도교수로 대학원 과정을 시작했다. 그러나 실험에 서툴렀고 향수병에 시달리며 정신이 이상해져 사과에 독을 묻혀 블래킷의 책상에 올려두는 충동 범죄를 저질렀다.

다행히 블랫킷은 사과를 먹지 않았지만, 살인 미수 사건은 대학 당국에 알려졌다. 그러나 마침 그곳에 머물렀던 부유한 아버지의 로비 덕분에 형사 처벌과 퇴학을 면했다. 영화 ‘오펜하이머’도 이 장면을 각색해 그리고 있다.

이듬해 양자역학 논문을 읽고 흥미를 느낀 오펜하이머는 여름에 케임브리지에서 학위를 받게 될 두 살 연상의 디랙을 만났다. 그는 디랙의 작업에 대해 “이해하기 쉽지 않았다”면서도 “나는 그가 훌륭하다고 생각했다”라고 말했다. 오펜하이머는 실험과 결별하기로 하고 양자역학의 산실인 독일 괴팅겐의 막스 보른 교수팀으로 옮겨 이듬해 박사학위를 받았다.

이처럼 실험에 서툴렀던 오펜하이머가 수많은 실험물리학자와 공학자들을 지휘하며 맨해튼 프로젝트를 성공으로 이끌었다니 놀라운 일이다. 반수소를 만들고 물리 특성을 연구하는 알파 실험에는 현재 7개국 14개 기관이 참여하고 있다. 만일 오펜하이머가 반수소 프로젝트를 맡았더라도 거뜬히 해내지 않았을까.

※ 필자소개
강석기 과학칼럼니스트 (kangsukki@gmail.com). LG생활건강연구소에서 연구원으로 근무했고 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 활동하고 있다. 직접 쓴 책으로 《강석기의 과학카페》(1~7권),《생명과학의 기원을 찾아서》가 있다. 번역서로는 《반물질》, 《가슴이야기》, 《프루프: 술의 과학》을 썼다.

K2-18b 행성의 모습. 사진출처 위키미디어.

천문학자들은 향후 몇 년 내에 지구 먼 곳에서 생명 징후를 발견할 수 있을 것으로 보고 있다. 생명 존재 가능성을 감지할 수 있는 기술적 발전을 이뤘다는 설명이다.

무수히 많은 별과 행성이 존재하는 우주에서 인간이 유일한 지적 생명체일 가능성은 낮다고 과학자들은 판단하고 있다. 과학자들이 현재 관심을 두고 있는 것은 우주 생명체의 존재 여부가 아니라, 우주 생명체를 언제 발견할 수 있을까다.

미국 항공우주국(NASA)의 제임스웹 우주망원경이 태양계 바깥 행성에서 생명체 존재 가능성을 암시하는 신호를 이미 감지했다. 망원경은 지구에서 멀리 떨어진 별의 주위를 도는 행성들의 대기를 분석할 수 있다. 이는 지구에서 살아있는 유기체만 생성하는 화학물질을 찾는 수단이 된다.

지난달 초 실질적으로 120광년 떨어진 K2-18b 행성의 대기에서 지구에서 해양 생물에 의해서만 생성되는 가스 신호가 감지됐다. 디메틸황화물 분자가 있을 잠재적 가능성이 확인된 것이다. 향후 1년 내에 이에 대한 명확한 결론이 날 예정이다.

이 행성은 천문학자들이 ‘골디락스’라고 부르는 영역에 위치해 있는데 골디락스는 ‘표면이 뜨겁지도 차갑지도 않은 상태’를 의미한다. 생명체 탄생과 유지를 위해 중요한 물이 액체 상태로 존재하기 위한 조건이 형성된 곳이다.

만약 이 행성에서 디메틸황화물 분자가 존재한다는 점이 증명된다면 이는 우주에 생명체가 흔하게 존재할 가능성을 크게 높이게 된다. 니쿠 마두수단 케임브리지대 천문학과 교수는 1일 BBC를 통해 “5년 안에 우주 생명체에 대한 우리의 이해에 ‘큰 변화’가 생길 것”이라고 예측했다.

K2-18b에서 생명 흔적을 발견하지 못했을 때는 골디락스에 있는 행성 10개가 연구 목록에 추가될 예정이다.

먼 우주뿐 아니라, 태양계 내 연구도 지속될 예정이다. 생명체 존재 가능성이 높은 목성의 위성 중 하나인 유로파 연구를 위해 나사의 우주탐사선인 클리퍼와 유럽우주국의 탐사선이 2030년대에 이곳에 도착할 예정이다. 과학자들은 목성의 얼음 위성 중 한 곳에 생명체가 없다면 오히려 놀라운 일일 것으로 평가하고 있다.

다만 현재 연구가 가진 한계도 존재한다. K2-18b는 지구의 8배 크기로, 지구처럼 작은 행성이 먼 거리에 있을 땐 그 대기를 감지할 수 없다. 태양의 밝은 빛도 관측을 방해하는 요인이 되고 있다. 이에 나사는 2030년대 발사 예정인 차세대 우주망원경 HWO에 햇빛 가리개를 더해 행성의 대기 발견 가능성을 높일 계획이다.

수학자 이승재 인천대 수학과 교수(왼쪽), 인문학자 이은수 서울대 철학과 교수(오른쪽). 수학동아 제공

현대 문명의 근간이라고 불리는 미적분은 무선통신 기기 설계, 로켓 발사, 인공지능, 감염병 예측 등 다양한 곳에서 활용된다.

그중 미분은 변화하는 양을 이해하고 표현하기 위해 만들어졌다. 세상의 모든 것이 시간이 흐르면서 변화하므로 이를 연구하기 위해서는 미분이 꼭 필요하다.

Q(인문학자). 미분의 정의부터 알아보면 좋을 것 같아요. 미분이 뭔가요.

A(수학자). “미분은 쉽게 말해 ‘미세한 부분’을 뜻해요. 영어로는 차이라는 의미의 ‘differential’이지요. 미세한 변화를 연구하는 분야가 미분이에요. 이렇게 이야기하는 동안에도 시간은 계속 흐르고 지구가 태양 주위를 공전하며 사람은 어디론가 이동해요.

그게 아니어도 나이나 몸무게 등 우리의 모든 것이 변화해요. 이렇게 변화하는 세상을 이해하려면 특정 값 자체보다는 특정 시간 동안 어떻게 변했는지에 더 관심을 가져야 해요. 이를 위해 만들어진 학문이 미분학이에요.”

Q(인문학자). 변화는 아무래도 수학보다 물리학에서 더 많이 이야기할 것 같은데요.

A(수학자). “미분은 태생적으로 물리와 함께 발전해왔어요. 물리학은 세상을 이해하고 연구하는 학문이에요. 세상에 많은 것이 변화하므로 이 움직임을 이해하고 설명하기 위한 도구를 발전시키면서 미분이라는 개념이 탄생했지요.

쉬운 예를 들어볼게요. 속력은 (거리시간)으로 계산하는데요. 기준 시간 동안 어떤 물체의 위치가 변화하는 거리가 속력입니다. 시속 5km라는 것은 다시 말해 1시간 동안 5km를 이동한다는 거지요.

하지만 사람은 일정한 속력으로 이동할 수 없으니 속력이 미세하게 계속 바뀌어요. 따라서 평균 속도가 아니라 특정 시점에서의 순간 속력을 알기 위해서는 1시간이 아니라 1분, 1초보다 더 작은 시간 동안 이동한 거리를 측정해야 해요.”

수학동아 제공

Q(인문학자). 물리학의 기본적인 개념인 속력을 이해하는 데도 미분이 필요하군요. 흔히 미적분학을 배우기 전에 물리학을 공부하면 어렵다고 하는데 이 말이 이해되네요. 이런 미분에 대한 일반적인 개념이 수학에서는 어떻게 발전했나요.

A(수학자). “미분은 태생적으로 물리와 함께 발전해왔어요. 물리학은 세상을 이해하고 연구하는 학문이에요. 세상에 많은 것이 변화하므로 이 움직임을 이해하고 설명하기 위한 도구를 발전시키면서 미분이라는 개념이 탄생했지요.

쉬운 예를 들어볼게요. 속력은 (거리÷시간)으로 계산하는데요. 기준 시간 동안 어떤 물체의 위치가 변화하는 거리가 속력입니다. 시속 5km라는 것은 다시 말해 1시간 동안 5km를 이동한다는 거지요. 하지만 사람은 일정한 속력으로 이동할 수 없으니 속력이 미세하게 계속 바뀌어요.

따라서 평균 속도가 아니라 특정 시점에서의 순간 속력을 알기 위해서는 1시간이 아니라 1분, 1초보다 더 작은 시간 동안 이동한 거리를 측정해야 해요.

이때 시간의 변화량을 무한히 줄이면 우리가 원하는 순간 속력에 가까워집니다. 이 미세한 변화를 찾아내기 위해서 미분이 등장했지요.”

수학동아 제공

인문학자 이은수 서울대 철학과 교수 (왼쪽), 수학자 이승재 인천대 수학과 교수(오른쪽). 수학동아 제공

Q(수학자). 미분에 관한 관심은 어떻게 시작됐나요.

A(인문학자). “이승재 교수님께서 설명해주셨듯이 미분은 함수의 특정 위치에서의 접선의 기울기를 의미합니다. 그런데 이것을 어떻게 구할지 관심을 가진 건 16, 17세기예요. 대표적인 인물로 프랑스 수학자 피에르 드 페르마(1607~1665)가 있지요.

페르마는 처음에 ‘극점’을 어떻게 찾을까에 관심을 가졌습니다. 극점에는 함수가 증가하다가 감소하는 ‘극대점’과 감소하다가 증가하는 ‘극소점’이 있어요. 이런 극점에서 접선을 찾으면 그 접선이 x축과 평행한 직선이 돼요.

극대점과 극소점의 탐구. 페르마의 전집 3권

페르마는 극점 근처에서는 함수의 변화 속도가 점점 더 느려진다는 것에 주목했어요. 그래서 ‘만약 x가 갖는 함숫값 f(x)와 x와 조금 떨어진 x + h의 함숫값 f(x + h)가 거의 같아진다면 그것이 바로 극점이지 않을까’라고 기대했지요.

이를 통해 {f(x + h) – f(xh가 0이 되는 극점을 찾았어요. 다시 말해 f'(x) = 0이 되는 x값을 찾으려 한 것이 오늘날 미분계수와 접선의 기울기 연구에 관한 시초라고 볼 수 있습니다.

페르마의 접근은 미분계수에 대한 아이디어를 담고 있으면서도 대수적인 계산을 동원했다는 특징이 있어요. 프랑스 수학자 르네 데카르트(1596~1650)는 이 대수적인 계산 요소를 더 많이 활용하면서 극점이 아니라 일반적인 지점에서 함수 그래프의 접선을 찾는 방법을 연구했습니다.

데카르트는 함수 그래프의 한 점에서 접선을 긋고 이와 수직한 법선을 긋습니다. 그런 뒤 이 법선이 x축과 만나는 x절편을 원의 중심으로 놓고 x절편과 접점까지의 거리를 반지름(r)으로 하는 원을 그려요. 원과 함수는 오직 한 점에서만 만나게 되지요.

따라서 원의 방정식과 함수식을 연립하면 이 방정식은 중근을 가져야 합니다. 데카르트는 이 작업을 통해서 접점을 찾고 법선의 기울기를 구한 뒤 법선과 수직인 접선의 기울기를 얻었지요.”

수학동아 제공

미적분학의 창시자로 불리는 아이작 뉴턴과 고트프리트 라이프니츠. 위키미디어 제공

Q(수학자). 수학사를 이야기할 때마다 아르키메데스, 페르마, 데카르트가 자주 등장하는데 미분에서도 등장하는 걸 보면 이분들이 정립하고 만든 수학이 정말 대단합니다.

그렇지만 미적분을 이야기하면서 영국의 물리학자이자 수학자인 아이작 뉴턴(1643~1727)과 독일 수학자 고트프리트 라이프니츠(1646~1716)를 빼놓을 수 없을 텐데요. 페르마와 데카르트 이후에 뉴턴과 라이프니츠가 어떻게 미적분을 확립하고 발전시켰나요.

A(인문학자). “둘은 그전까지 발견된 수학을 종합해서 발전시켜 미적분학을 꽃피우게 했습니다. 그런데도 뉴턴과 라이프니츠가 미적분학의 창시자라고 불리는 이유는 미적분학을 이용해서 물체의 운동을 기술했기 때문이에요.

당시에는 물리학의 적용 분야라고도 할 수 있는 천문학에서 천체의 운동을 기술하기 위한 계산 도구가 필요했어요. 뉴턴은 수학적 도구를 총동원해서 지금까지 흩어졌던 아이디어들을 한데 모아서 미적분학을 집대성했어요.

그 결과가 1687년에 간행된 총 3권으로 이뤄진 ‘자연철학의 수학적 원리(프린키피아)’이지요. 라이프니츠는 뉴턴과 별개로 여러 서신에 미분학적 연구를 진행했는데 수학자들과 주고받은 초고들이 남아있습니다.”

세차운동하는 블랙홀을 설명하기 위한 상상도. 천문연 제공

국내 연구진이 포함된 국제 공동연구팀이 지금까지 가설로만 추측되던 블랙홀의 회전을 블랙홀에서 방출되는 제트의 회전을 통해 증명하는 데 성공했다.

한국천문연구원(천문연)은 손봉원 전파천문본부 책임연구원, 노현욱 전파천문본부 박사후연구원 등이 참여한 국제 공동연구팀이 초대질량블랙홀 M87에서 나오는 제트의 방출 방향이 주기를 가지고 회전하고 있음을 발견, 국제 학술지 ‘네이처’에 27일(현지시간) 발표했다고 밝혔다. 이번 국제 공동연구팀에는 한국을 비롯해 전 세계 45개 기관의 79명 연구원이 참여했다.

제트는 블랙홀이 주변의 강력한 자기장, 부착원반과 상호 작용하며 방출되는 것으로 추측되는 기체·액체의 빠른 흐름을 말한다. 물질이 노즐 같은 구조를 통과해 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 방출되며 생성된다.

M87과 같은 초대질량블랙홀의 제트 방출 매커니즘은 현대 천체물리학의 주요 난제 중 하나다. 현재 주류이론은 블랙홀이 빠르게 회전할 때 에너지가 발생하며 그 에너지의 일부분이 제트로 방출된다는 주장이다. 그러나 이 이론을 뒷받침하는 데 중요한 ‘블랙홀의 회전’은 지금까지 직접 관측된 적 없었다.

연구팀은 2000년부터 2022년까지 23년 간 동아시아우주전파관측망(EAVN), 초장기선 어레이(VLBA), 한일공동 우주전파관측망(KaVA), 동아시아-이탈리아 우주전파관측망(EATING) 등에서 얻은 M87 블랙홀의 초장기선 전파간섭계(VLBI) 데이터를 분석했다. 관측 과정엔 세종시에 위치한 22m 전파망원경도 일부 동참했다.

한국천문연의 한일공동상관센터는 연구에 사용된 총 170회 관측 데이터 중 123개 데이터를 상관처리했다. 각 나라의 전파망원경에서 관측한 전파 자료를 한곳으로 모아 하나의 자료로 합성하는 과정으로, 이 단계를 거쳐야 연구에 사용할 최종 영상 데이터를 얻을 수 있다.

연구팀이 슈퍼컴퓨터를 활용해 분석 결과를 시뮬레이션했더니 블랙홀의 회전축이 부착원반의 회전축과 나란하지 않아 제트의 세차운동이 발생하고 있음을 밝혀냈다. 세차운동이란 회전하는 천체의 회전축이 원을 그리며 움직이는 현상이다. 이는 M87 블랙홀이 이론에서 추측한대로 회전하고 있음을 증명한다. 연구팀은 이어 세차운동이 11년을 주기로 발생한다는 사실을 알아냈다.

이번 공동 연구의 한국 측 책임자인 노 박사후연구원은 “우리가 주도적으로 운영하는 전파관측망과 상관처리센터에 힘입어 한 천체에 대해 오랜시간 지속적으로 관측할 수 있었으며, 이것이 우리 연구의 가장 큰 장점”이라며 “앞으로 EAVN 주도로 계속될 M87 모니터링에서 기존에 발견하지 못했던 블랙홀의 새로운 현상들이 발견되기를 기대한다”고 밝혔다.

관측에 참여한 동아시아우주전파관측망의 전파망원경. 천문연 제공

2030년 초 첫 핵융합에너지 생산을 목표로 하고 있는 마블퓨전의 레이저 실험 현장. 마블퓨전 제공

“10년 내 전세계는 핵융합에너지 발전소에서 첫 전력을 생산하는 장면을 볼 수 있을 겁니다.”
독일 바이에른주 뮌헨에 위치한 핵융합에너지 스타트업 ‘프록시마퓨전’의 프란체스코 시오르티노 최고경영자(CEO)와 또다른 스타트업 ‘마블퓨전’의 하이케 프로인트 최고운영책임자(COO)의 말이다. 핵융합에너지 산업에 뛰어든 30대 젊은 스타트업 창업자인 두 사람을 독일 뮌헨 현지에서 만났다. 이들은 모두 핵융합에너지 상용에 대한 확신을 갖고 있었다.

● 프록시마퓨전, 핵심 난제 해결…”2031년 첫 핵융합에너지 생산”

프록시마퓨전이 위치한 뮌헨의 한 스타트업 허브. 벽면에 적힌 문구는 ‘다양성’. 뮌헨=박건희 기자

지난 9월 19일 오후 독일 뮌헨 동역 근처에 위치한 자유로운 분위기의 스타트업 허브에서 만난 프란체스코 시오르티노 CEO는 “회의가 많아 점심을 못 먹었다”며 바쁜 걸음으로 다가왔다.

그가 뜻 맞는 동료들과 힘을 모아 창업한 스타트업 프록시마퓨전은 막스플랑크 플라즈마물리연구소(MPIPP)의 스핀오프(spin-off) 기업이다. 2023년 5월에 문을 열었으니 아직 4개월도 안 된 신생 스타트업이다.

MPIPP에서 핵융합로 방식 중 하나인 토카막과 토카막의 단점을 극복하기 위해 제시되고 있는 방식인 스텔라레이터의 최적화 방안을 위한 연구에 참여하는 연구원이었던 시오르티노 CEO가 핵융합 에너지의 상업화를 위해 뛰어들기로 결심한 건 2020년 초다. 그는 “MPIPP의 두 번째 지부인 그라이프스발트에서 온 연구원들을 만나면서 마음을 바꿨다”고 말했다. 스텔라레이터가 갖고 있는 복잡한 설계 문제, 그럼에도 불구하고 높은 실현 가능성에 대해 얘기하고 배우면서 상용화를 향한 아이디어를 하나 둘 씩 세우기 시작했다는 것이다.

프록시마퓨전 본사에서 만난 시오르티노 CEO. 뮌헨=박건희 기자

그는 “2022년 12월 MPIPP에서 QI(quasi-isodynamic·준 등역학적) 스텔라레이터에 대한 아이디어가 고안되면서 확신이 생겼다”고 설명했다. QI 스텔라레이터는 플라즈마 내부에서 흐르는 전류를 최대로 높여 에너지를 생산하는 토카막과는 완전히 반대의 개념이다. QI 스텔라레이터의 플라즈마에는 전류가 흐르지 않으며 고온초전도체자석(HTS)으로 만든 자기 코일이 자기장을 만들어낸다. 토카막의 난제 중 하나인 플라즈마 흐름에서의 난류 문제가 QI 스텔라레이터에는 발생하지 않는다.

다만 스텔라레이터에는 배배 꼬인 모양의 자기코일을 설계하고 제작하는 데 고난도의 기술을 요구한다는 치명적인 단점이 있었다. 프록시마퓨전팀은 이 문제를 해결했다. 시오르티노 CEO는 “설계가 어렵다는 것이 스텔라레이터의 유일한 단점인데, 자기 코일의 설계는 이미 완성했다”며 “코일 모양을 더 단순하게 만들기 위한 작업이 진행 중인 단계다”라고 덧붙였다.

핵융합 에너지 발전소 컨셉트의 완성 목표 시기는 약 4년 뒤인 2027년이다. 그는 “2031년엔 독일에서 첫 핵융합으로 생산한 에너지를 만들어낼 수 있을 것으로 본다”며 “프록시마퓨전이 가장 빠르게 시장에 내놓을 수 있을 것”이라고 자신있게 말했다.

● 마블퓨전, 노벨물리학상이 증명한 레이저물리의 가능성… 상용화 가능성 가장 높아

마블퓨전이 위치한 뮌헨 시내의 한 건물 내부. 뮌헨=박건희 기자

독일 뮌헨에 자리잡은 또 다른 핵융합에너지 스타트업 ‘마블퓨전’의 분위기는 프록시마퓨전과는 조금 다르다. 독일 최대의 축제 ‘옥토버페스트’가 열리는 시내 중심가의 한 신식 빌딩에 입주해 있다.

이곳에서 만난 하이케 프로인트 COO는 “레이저를 사용한 핵융합로의 힘을 믿는다”는 말로 이야기를 시작했다. 마블퓨전은 전세계 핵융합에너지 회사 중에서도 극소수에 속하는 레이저 핵융합로를 설계한다. 프로인트 COO의 설명에 따르면 전세계 약 40여개 정도 되는 핵융합에너지 기업 중 레이저 방식을 내세운 기업은 단 5개 뿐이다.

마블퓨전의 레이저 핵융합로 설계 계획을 설명하는 하이케 프로인트 COO. 뮌헨=박건희 기자

“토카막, 스텔러레이터, 레이저 중 가장 상용화 가능성이 높은 건 레이저라고 본다”고 프로인트 COO는 말했다. 레이저 방식의 핵융합로는 초고에너지를 가진 레이저를 펠릿(중수소와 삼중수소로 이뤄진 연료)에 직접 쏴 밀도와 온도를 순식간에 높여 핵융합반응이 일어나도록 하는 것이다.

그는 레이저 핵융합로의 상용화 가능성이 타 핵융합로에 비해 높은 이유로 ‘이미 이론적으로 확립되고 산업적으로도 상용화된 레이저 기술’을 꼽는다. 고온초전도자석(HTS) 등의 개발과 생산이 한정되어 있는 것에 비해 레이저는 전 세계 여러 산업체에서 공급받을 수 있을 정도로 이미 상용화되어 있어 원자재 확보에서부터 속도 차이가 난다는 것이다.

또 그는 “레이저물리 기술은 이미 노벨상으로도 그 가능성이 입증됐다”고 말했다. 레이저 핵융합로는 초강력 레이저를 지속적으로 펠릿에 쏴 줘야 하는데, 그에 적합한 기술이 이미 개발됐다. 극초단 펄스 레이저를 고출력으로 증폭시킬 수 있는 증폭기술(CPA)을 개발한 제라드 무루 프랑스 에콜폴리테크니크 교수는 2018년 노벨물리학상을 받았다. 무루 교수는 현재 마블퓨전의 연구위원 중 한 명이기도 하다.

프로인트 COO는 “2022년 12월과 2023년 8월 연이어 자기점화에 성공한 미국 국립 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)의 사례를 통해 핵융합 산업계가 레이저 핵융합의 높은 가능성을 알게 됐을 것”이라고 덧붙였다.

마블퓨전의 핵융합에너지 발전소 설립 계획도 프록시마퓨전과 마찬가지로 2030년 초다. 늦어도 2031년에서 2033년 사이 레이저 핵융합로의 프로토타입을 내놓고, 2035년엔 상업용 핵융합 발전소를 건축한다는 계획이다. 실제 발전이 이뤄질 경우 킬로와트(KW) 당 5~10센트 정도의 가격으로 전력을 공급할 수 있을 것으로 예상한다.

● 핵융합 에너지 도입, 지구 시각에선 ‘한참 늦었다’

두 핵융합 에너지 스타트업 창업자는 기후위기에 대응하기 위해 서둘러 핵융합 발전을 도입해야한다고 강조했다. 게티이미지뱅크 제공

선택한 방식은 다르지만 프록시마퓨전과 마블퓨전의 목표는 같다. 되도록 빠른 시일 내에 핵융합에너지 공급에 성공해 기후위기에 대응해야 한다는 것이다. 핵융합에너지는 방사능과 같은 위험 물질의 배출 위험이 원자력 발전에 비해 매우 적은 데다 발전 과정에서 이산화탄소를 발생시키지 않아 친환경적인 미래 에너지원으로 꼽힌다.

‘2030년대면 이제 10년 안팎 남은 셈인데 이처럼 빠른 개발이 실제 가능하겠나’라는 질문에 시오르티노 CEO는 “충분한 펀딩 등의 개발비 문제, 대중적 인식, 정부의 지원 문제 등이 모두 얽혀 있어 복합적으로 해결해야할 일이 많다”고 대답했다. 그러나 “지구의 시각에서 2030년대 핵융합에너지 도입은 이미 늦은 것”이라고 강조했다.

프로인트 COO는 핵융합산업협회(FIA)의 설문조사 결과를 보여주며 “핵융합산업에 종사하는 기업 30여 개를 대상으로 언제 첫 핵융합에너지 시설을 구축할 수 있을 것으로 보냐고 묻자 3분의 1이 넘는 기업이 모두 2030년 초라고 응답했다”고 말했다. 그중에서는 2030년 이전에 상용화에 성공할 수 있을 것이라고 대답한 기업도 있었다. 프로인트 COO는 “2030년 초에 첫 핵융합 에너지를 생산한다는 건 전혀 비현실적인 구상이 아니다”라고 말했다.

시오르티노 CEO는 “물론 어려운 일”이라며 “하지만 내게 핵융합 에너지 발전이 실현되겠냐고 묻는다면 내 대답은 언제나 ‘가능하다’이다”라고 확신에 찬 어조로 말했다.