쇄빙선은 어떤 원리로 얼을을 깨고 나갈수 있는 건가요?

Question

쇄빙선을 보면 바다의 두꺼운 얼음을 깨고 지나 가던데 어떻게 바다의 두꺼운 얼음을 배의

손상을 안주고 깨고 나갈수 있는 건지 궁굼 합니다

Answer 1

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.

쇄빙선은 어떻게 2~3미터 이상의 두꺼운 얼음을 깨고 앞으로 나아갈까? 그것은 손으로 벽돌을 깨는 원리와 비슷하다. 맨손으로 벽돌을 깨기 위해서는 먼저 용기가 필요하다. 하지만 단지 손의 힘만으로 벽돌을 깨는 것은 고수나 할 수 있는 일이다. 무술의 달인이 아니라면 몸의 무게를 이용해야 한다. 벽돌을 내리치는 손에 몸무게를 실어야 하는 것이다.

벽돌을 내리치는 손위에 몸무게를 싣듯이, 쇄빙선은 빙판을 올라탄다. 그리고 그 무게로 얼음을 깨뜨린다. 얼음에 올라탈 수 있도록 쇄빙선의 선수각(Stem Angle: 선수부와 빙판이 이루는 각도), 즉 뱃머리와 빙판이 이루는 각도는 일반 선박에 비해 훨씬 작은 20도 정도이다. 작은 선수각은 깨진 얼음 조각을 배의 좌우로 밀쳐 내는 데도 유리하다.

뱃머리가 얼음을 깨뜨리는 능력을 높이기 위해 무게중심이 앞 쪽에 오도록 설계하는 것은 상식. 따라서 뱃머리는 아주 두꺼운 강철판으로 대단히 무겁게 만들며 선실도 주로 앞쪽에 배치된다. 그런데 배가 빙판 위로 너무 올라서게 되면 어떻게 될까? 자칫하면 얼음판 위에 좌초하게 될 것이다. 이것을 방지하기 위해 뱃머리 아래에는 쇄빙선이 얼음판 위로 완전히 올라설 수 없도록 하는 장치가 달려있다.

쇄빙선은 다른 배들에게 길을 열어줘야 하므로 뱃머리가 넓지만 배 꼬리는 반대로 날렵하다. 이것은 깨어진 얼음 조각이 프로펠러에 끼지 않도록 하기 위해서다. 또 프로펠러는 덕트(Duct : 공기나 기타 유체가 흐르는 통로 및 구조물) 안에 집어넣어 보호되는데, 원형 덕트는 효율을 떨어뜨리지 않으면서도 추력(Thrust : 프로펠러의 회전 또는 가스분사의 반동에 의하여 생기는 추진력)을 증가시키는 역할도 한다.

쇄빙선은 옆면도 특수하게 설계된다. 얼음과 배의 몸체 사이의 마찰을 줄이기 위해 물이나 공기를 분사하는 장치가 있다. 하지만 얼음에 의한 압력을 피할 수는 없는데, 이를 위해 얼음과 부딪히게 되는 부분을 특별히 튼튼하게 만든다. 그리고 만약의 사고를 대비하여 기름 탱크와 같이 환경오염을 일으킬 수 있는 시설은 모두 2중으로 설계된다.

쇄빙선이 편편한 빙판만을 만나는 것은 아니다. 때로는 얼음이 겹쳐 쌓인 두꺼운 주1빙맥(Ice Ridge)을 만나기도 한다. 이때 빙맥이 쉽게 깨지지 않기 때문에 전진과 후진을 계속적으로 반복하여 깨뜨린다. 그리고 쇄빙선은 낮은 속도에서도 높은 출력을 가져야 하므로 강력한 엔진을 필요로 한다. 하지만 강력한 엔진도 너무 뜨거워지면 작동을 못한다. 따라서 적정한 온도로 유지되어야 하며, 이를 위해 냉각수가 쓰인다. 그런데 쇄빙선이 활약하는 곳은 기온이 영하 30도 이하로 떨어지는 곳이다. 때문에 쇄빙선에는 냉각수가 얼지 않도록 열을 가하는 장치 또한 필요하다.

남극에는 현재 한국의 세종기지를 비롯하여 모두 18개 국가의 연구기지가 있다. 각국은 쇄빙선을 활용해 보급물자를 운송할 뿐만 아니라, 극지의 지하자원과 생물자원을 연구하고 3차원 지형을 알아내는데 큰 도움을 받고 있다. 그런데 18개국 가운데 오직 우리나라만 쇄빙선이 없어서 보급과 연구에 많은 애를 먹곤 하였다.

그런데 마침내 우리나라도 쇄빙선을 건조한다고 한다. 1천억 원의 예산으로 건조되는 우리 쇄빙선은 6천 9백 ~ 1만 톤급으로서 길이가 90여 미터이며 4천 마력짜리 엔진 두 대를 갖추어 한 번에 1미터 두께의 얼음을 뚫고 갈 수 있다. 또 단순한 쇄빙선이 아니라 첨단 연구 장비를 갖추고 선원 25명과 연구원 45명이 탑승할 수 있는 종합해양과학조사선이 될 것이라고 한다.

우리나라의 첫 쇄빙선은 2008년 8월에 시험 운항한 뒤 10월에 남극으로 처녀항해를 떠날 계획이라고 하는데, 그 배의 이름이 어떻게 지어질지 꽤 궁금하다. 배의 이름이 무엇이든 첫 항해가 이루어지는 그날, 우리는 우리 쇄빙선을 뒤따르는 범고래 떼를 보며 가장 차가운 남극 바다에서 가장 따뜻했던 사람 세종기지 대원 고 전재규 라는 이름을 다시 떠올리게 될 것이다. (글 : 이정모-과학 칼럼니스트)

주 1 빙맥(Ice Ridge) : 빙판은 바람과 조류에 의해 균열이 생겨 깨어지며, 파괴된 얼음조각들은 서로 겹쳐져서 두꺼운 빙맥(Ice Ridge)을 만든다. 빙맥의 수면 위 부분을 ‘sail’이라 부르고 수면아래 부분을 ‘keel’이라 부르는데 sail 높이와 keel 깊이의 비는 대략 1 : 4 정도로 알려져 있고 빙맥의 두께는 40여m에 이르는 것도 관측된다. 빙맥의 존재는 육안판별이 쉽지않아 해양구조물의 활동이나 선박의 안전항해에 가장 큰 위험요소다.

Answer 2

안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.쇄빙선은 얼음을 깨고 나갈 수 있는 기능을 갖고 있습니다. 이를 가능하게 하는 원리는 물리학적인 기본 법칙 중 하나인 지랫대 원리(Leverage Strength)입니다. 이 원리는 지지점과 힘의 위치에 따라 각도와 힘의 크기가 달라지는 원리로, 쇄빙선의 구조에서는 수면 아래 부분이 강철로 만들어져 있고, 이 부분에는 여러 개의 날이 달려있습니다. 이러한 날이 있는 부분은 이 원리에 의해 얼음 위로 들어오면서 그 부위의 앞쪽에 위치한 얼음을 밀어내고, 얼음을 깨고 나가는 것을 도와줍니다. 이와 같은 방식으로 쇄빙선은 물 위에 얼음을 깨고 나갈 수 있습니다.

Answer 3

안녕하세요. 이상현 과학전문가입니다.

쇄빙선의 바닥면, 그리고 선두쪽에는 매우강한 철판이 대어져있고, 쇄빙선의 강한 엔진힘을 이용해 앞쪽의 얼음들을 깨고 나아갑니다.

Answer 4

쇄빙선은 선박 전면에 얼음을 깨는 장치를 갖추고 있습니다. 이러한 장치는 얼음을 파쇄하거나 압축하여 선박의 앞으로 밀어내는 역할을 합니다. 이는 선박이 얼음에 저항하는 데 도움을 줍니다.

Answer 5

안녕하세요. 김경렬 과학전문가입니다.

쇄빙선 바닥에는 서로 연결돼 있는 물탱크가 여러 개 있읍니다.여기서 물을 뒤의 탱크 쪽으로 보내면 선체 앞쪽이 가벼워져 얼음 위로 올라타게 됩니다.그 후 다시 물을 앞쪽 탱크에 보면 앞이 무거워져 얼음이 그 무게를 견디지 못하고 깨집니다.

Answer 6

안녕하세요. 김태헌 과학전문가입니다.

그것은 손으로 벽돌을 깨는 원리와 비슷하다. 맨손으로 벽돌을 깨기 위해서는 먼저 용기가 필요하다. 하지만 단지 손의 힘만으로 벽돌을 깨는 것은 고수나 할 수 있는 일이다.

무술의 달인이 아니라면 몸의 무게를 이용해야 한다. 벽돌을 내리치는 손에 몸무게를 실어야 하는 것이다.

벽돌을 내리치는 손위에 몸무게를 싣듯이, 쇄빙선은 빙판을 올라탄다. 그리고 그 무게로 얼음을 깨뜨린다

Answer 7

안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.

쇄빙선은 보통 얼음을 선박의 큰 하중을 이용하여 깨면서 지나가나는 원리입니다. 그렇기 위하여 외판의 강도를 단단하게하여

얼음을 부수면서 항해해도 문제없게 하는것이지요

Answer 8

안녕하세요. 김태경 과학전문가입니다.

쇄빙선은 빙판 위에 올라가 선체 중량을 이용하여 빙판을 깨뜨리는 원리임으로, 아라온호가 쇄빙 중 선체가 완전히 해빙 위에 올라가 내려오지 못해 해빙에 갇힐 우려가 있으므로 선체가 빙판 위로 완전히 올라설 수 없도록 아이스 나이프가 설치되어 있다.

그래서 쇄빙선은 얼을믈 깨며 앞으로 나아갈 수 있습니다