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40배 이상 많은 전기를 수송하는 혁신적인 초전도체 섬유
이스라엘 텔아비브 대학(TAU; Tel Aviv University) 연구진은 차세대 초전도체(superconductor, 아주 낮은 온도에서 전기의 흐름을 방해하는 전기저항이 완전히 없어지는 물질)를 개발하는 데 성공했다.
높은 효율의 초전도체에 의해 동력을 공급받는 배선 시스템(wiring system)은 과학 분야의 오랜 꿈이지만, 비용 효율적이며 유연성 있는 재료를 찾는 것과 같은 실제적인 어려움에 직면해 왔다. 최근 텔아비브 대학 연구진은 오래된 아이디어를 새롭게 탈바꿈시켜 차세대 초전도체를 제조할 수 있는 방안을 찾았다.
동 대학 Raymond and Beverly Sackler School of Physics and Astronomy소속의 Guy Deutscher 교수 연구진과 협력한 Boaz Almog 박사와 Mishael Azoulay 등은 높은 동력을 공급하는 케이블에 이용하기 위하여 사파이어(sapphire) 단결정으로 만들어진 섬유를 이용한 초전도 선(superconducting wire)을 개발했다. 온도 요건을 함수화한 결과에 따르면, 각각의 작은 선은 동일한 크기의 구리 선(copper wire)보다 약 40배 이상 더 많은 전기를 수송할 수 있다. 연구진은 에너지 전달에 혁신을 불러일으킬 가능성이 있다고 Almog 박사는 밝혔다.
높은 동력의 초전도 케이블(superconductor cable)은 훨씬 더 적은 공간을 차지하고, 보다 더 효율적으로 에너지를 공급할 뿐 아니라 도시 전체에 전기를 공급하는 공급망의 구축에도 이상적이다. 초전도 케이블은 태양 에너지와 풍력 에너지 등과 같은 재생에너지 자원으로부터 에너지를 포획하기 위한 보다 더 효과적인 방안을 제공하게 될 것이다. 또 초전도 케이블은 에너지 저장을 위하여 이용될 수 있으며, 장치의 동력 공급망 안전성을 강화할 수 있다.
구리 선을 비효율적으로 만드는 요인 중 하나는 과열이라고 Almog 박사는 설명했다. 금속에서 관찰되는 전기 저항(electrical resistance)으로 인하여 케이블을 통과하는 에너지의 일부는 버려져 낭비되어 케이블을 과열시키는 원인이 된다. 그러나 초전도체는 이러한 전기 저항이 없다. 일정한 액체 질소의 흐름을 필요로 하는 자급자족되는 냉각 시스템은 초전도 상태 로 케이블을 유지시켜 준다. 1 갤런의 우유 가격보다 더 저렴한 물질인 손쉽게 이용할 수 있으며 비독성의 저렴한 액체 질소는 완벽한 냉각제를 공급한다.
액체 질소의 이득과 더불어, 연구진은 아직까지 이상적인 초전도체를 만들 수 있는 재료를 찾는 데 주력하고 있다. 크리스털 웨이퍼 위에 코팅된 초전도체는 효과적이지만 너무나 깨지기 쉽다고 Almog 박사는 밝혔다. 비록 금속 테이프 위에 초전도체가 일부 성공을 했지만, 다량으로 제조하기에는 너무 고가라고 Almog 박사는 지적했다.
초전도체를 생성하기 위하여 연구진은 Goyal 박사가 개발하고 개발된 이론을 TAU 연구팀이 빌려와 사파이어 섬유를 회전시켰다. 특정 기술을 이용하여 세라믹 혼합물로 코팅하여, 인간의 머리카락 두께보다 약간 더 얇은 단결정 섬유는 혁신적인 초전도체가 만들어졌다. Almog 박사는 현재 더 많은 양의 전류를 수송할 수 있는 보다 더 우수한 초전도체를 제조하는 연구를 수행 중이다.
초전도체가 채용될 수 있는 분야 중 하나는 재생에너지 공급원을 수집하는 데 있다. 풍력 터빈 또는 태양열 집열판 등을 통하여 얻을 수 있는 자원은 일반적으로 사막과 해안선 등과 같이 멀리 떨어진 지역에 위치하기 때문에, 전류를 공급하기 위한 효과적인 방법이 필요하다고 Almog 박사는 설명했다. 이러한 초전도체는 전기 저항으로 인한 과열로 에너지를 소실하지 않고 장거리를 통과할 수 있다.
또 초전도 케이블은 거대 도시에 다량의 동력을 공급하기 위한 효율적인 방안이 될 수 있다. 만약 당신이 뉴욕 같은 도시에 전류를 공급하기를 원한다면, 당신은 1 m * 1m 이상의 횡단면을 가진 전기 케이블이 필요할 것이다. 초전도체는 공간의 일부를 이용하여 보다 더 많은 전류 용량을 지니고 있다고 Almog 박사는 지적했다. 도시의 다른 부분에 초전도 케이블이 십자선 모양으로 설치될 수 있으며, 정전 같은 사태가 발생할 경우 동력은 손쉽게 새로운 루트로 수송될 수 있다고 그는 덧붙였다.
우수한 초전도체의 개발은 TAU 연구 과제 중 일부이다. Almog 박사는 이러한 기술을 실용화하는 데 헌신했다. TAU는 강력한 자성에 의해 고정시켜 공중에 떠 있는 액체 질소로 채워진 초전도체 웨이퍼를 제작했다. 이것은 마술처럼 보일 수 있을지 모르지만, 실제로는 양자 포획(quantum trapping)이라고 불리는 현상이다. 자기 부양(magnetic levitation)을 증명하는 도구가 이스라엘 전역의 과학박물관에 분포되어 있으며, Almog 박사는 이러한 보급이 국제적으로 이루어지기를 기대하고 있다.
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