초고속열차 하이퍼루프의 운영원리가 궁금합니다.
안녕하세요? 예전 KTX 처음 도입되었을때 엄청 빠른 속도에 깜짝 놀랐는데 이거보다 훨씬 빠른 초고속열차 하이퍼루프가 있다고 들었습니다.
음속에 버금가는 초고속열차라고 들었는데 하이퍼루프의 운영원리가 무엇인지 궁금합니다.
안녕하세요. 김종훈 과학전문가입니다.
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활동분야피부과, 사람과 그룹, 로맨스, 멜로 영화
<하이퍼루프의 개념은 어디서 시작되었나>
지상이든 지하든 터널을 만들고 튜브 속으로 기차와 같은 교통수단을 순식간에 이동시키는 아이디어는 소설이나 영화에서 다양하게 그려졌습니다. 이 상상의 산물을 현실로 그려낸 것은 일론 머스크입니다. 테슬라와 스페이스 X 창업자인 일론 머스크는 2013년 테슬라 모터스 블로그를 통해 지하 튜브가 시속 1200km를 이동하는 캡슐형 초고속 열차 시스템 하이퍼루프(Hyperloop) 개념을 공개한 바 있습니다. 그가 제시한 하이퍼루프는 28인승으로 지금 3.5m 긴 원통의 모양을 하고 있으며 이론상 서울-부산을 20분 이내로 주파할 수 있습니다. 하이퍼루프의 속도 원리는 열차가 공기 저항과 마찰을 최소화하면서 진공 튜브 속을 달리기 때문에 가능합니다.
<속도의 비밀은 바로 공기저항>
기차는 빨라, 빠르면 비행기, 비행기는 높아라는 노래가 있습니다. 비행기가 기차보다 빠른 이유가 이 노래에 답이 있습니다. 물론 비행기가 제트엔진을 탑재하고 있는 이유도 있겠지만 기차는 지상에서, 비행기는 높은 하늘에서 이동한다는 교통 환경의 차이도 무시할 수 없습니다. 보통 비행기는 상공 10km에서 순항하는데, 이때 기압은 지표면의 3040%에 불과합니다. 기압이 낮아지고 공기의 밀도가 줄어들면, 기체에 닿은 공기저항이 줄어들기 때문에, 적은 에너지로도 빠르게, 더 효율적으로 이동할 수 있습니다. 보잉 787기가 지표면 대비 30~40% 공기압에서 900km/h가 넘는 속도를 낼 수 있다면, 공기압이 1,000분의 1기압, 즉 0.1%의 진공 상태인 하이퍼루프 안에서는 이론적으로 음속에 가까운 속도를 낼 수 있는 것입니다.
<진공 튜브 속을 달리는 자기부상 모빌리티>
하이퍼루프의 구조를 쉽게 이해하려면 '자기부상열차'를 떠올리면 쉽습니다. 열차 바닥과 레일에 자석이 달려있어, 서로 같은 극은 밀고, 다른 극은 당기며 앞으로 나가는 자기부상열차가 진공상태의 터널로 마치 미사일처럼 발사되어 빠르게 이동하는 것이 하이퍼루프의 구동 원리입니다. 인천공항과 중국 상하이의 자기부상열차는 차량을 트랙으로 당기는 방식, 일본의 SCMaglev 자기부상열차는 차량을 트랙으로부터 밀어내는 방식을 차용하고 있습니다. 어떤 방식이든 트랙과의 마찰 없이 부상하여 이동하기 때문에, 유지 보수가 최소화된다는 장점이 있으며, 이는 하이퍼루프도 마찬가지입니다. 빠르다는 것 외에, 하이퍼루프가 승객의 입장에서 일반 열차와 다른 점이 있다면, 하이퍼루프는 공기 저항과 무게를 최소화하기 위해 캡슐 형태를 하고 있고, 창문이 없다는 정도입니다. 하이퍼루프의 각 부분별 명칭은 다소 생소할 수 있는데, 레일은 '트랙'(Track), 터널은 '튜브'(Tube), 차량은 '포드'(Pod)라고 불립니다.
<하이퍼루프 사용화, '튜브'의 안정성과 소재 기술이 핵심>
그러나 하이퍼루프가 사용화되기 위해서는 아직 몇 가지 해결해야 할 과제가 남아 있습니다. 상상을 한번 해볼까요? 내부가 진공상태인 수십, 수백 킬로미터의 튜브, 그 속을 1,200km/h의 속도로 달리는 열차. 첫 번째 과제는 기밀성과 안정성 확보입니다. 어떻게 하면 긴 튜브를 진공에 가까운 상태로 계슉 유지하는 기밀성을 확보하면서, 고속으로 달리는 열차의 안정성도 확보하느냐가 관건인 셈입니다. 앞서 시속 167km/h로 500m를 가는 유인 열차 실험이 성공하기는 했지만 1,200km/h로 수십, 수백 킬로미터를 이동하기 위해서는 아직 갈 길이 멉니다. 하이퍼루프의 트랙을 구성하는 튜브는 튜브 자체의 하중은 물론, 포드의 하중과 고속 주행에 따른 충격 및 열팽창을 견뎌야 하고, 심지어 대기압도 이겨내야합니다. 두 번째 과제는 '칸트로비츠 한계'를 극복하는 것입니다. 앞서 튜브 안이 진공상태라고 했지만, 사실 튜브 안에는 미세한 공기가 남아 있습니다. 열차와 튜브 사이의 공간이 좁아지고 열차의 속도가 음속에 가까워지면 튜브 내 공기의 흐름이 어느 순간 막히는 현상이 일어나는데 이를 '공기 질식', 전문 용어로 '칸트로비츠 한계'라고 부릅니다. 이를 극복하려면 최적의 직경을 찾기 위한 튜브의 대형화가 필요합니다. 세 번째 과제는 경제성을 갖추는 것입니다. 튜브 소재로서 콘크리트는 비용이 저렴하나 소재의 기밀성이 부족하고, 탄소섬유는 고비용에 가공성이 부족한 단점이 있습니다. 이에, 비용이 합리적이고 기밀서오가 가공성이 우수한 스틸이 튜브의 소재로 각광받고 있습니다.
<이동수단 격변의 시기 중심에 있는 하이퍼루프>
문명의 발달과 함께 끊임없이 진화해온 인류의 이동수단은 격변의 시기를 맞고 있습니다. 미국뿐만 아니라 캐나다, 중국, 인도, 아랍에미리트(UAE), 네덜란드, 프랑스, 러시아, 동유럽, 사우디아라비아, 폴란드, 스페인 등 세계 각국이 하이퍼루프를 개발 중이며 한국도 그중 기술 면에서 앞서가고 있습니다. 한국 철도기술연구원 신교통혁신연구소에 따르면 현재 한국은 0.001기압의 아진공 튜브 기술, 아음속 LSM 추진 기술, 고온 초전도 전자석 기반 EDS 부상 기술, 아음속 주행 안정화 기술 등에서 선진국과 동일한 수준 또는 일부 앞서가는 기술을 보유하고 있습니다. 신기술 분석업체인 럭스 리서치(Lux Research)의 '하이퍼루프 실현을 위한 기술장벽 분석' 보고서에 따르면 하이퍼루프 기술 성패는 유인 주행을 위한 테스트 트랙 구축 여부와 정부의 기능 및 지원에 있습니다. 미래 교통 분야에서 세계 기술을 선도해 시장을 선점하기 위해서는 정부 주도 하에 과감한 연구개발 투자는 물론, 미국 등 관련 기업들과 협력을 통해 기술 세계화를 시도해야 할 때입니다.
만족스러운 답변이었나요?간단한 별점을 통해 의견을 알려주세요.안녕하세요. 이상현 과학전문가입니다.
일단 기차라기보다는 거의 캡슐에가깝습니다.
캡슐에 승객을 모시고 쏘아준다고보시면됩니다.
하이퍼루프 안, 그리고 캡슐바깥은 진공으로 유지되고
공기베어링을 형성해주게되면 최대시속 1200키로미터까지도 예상하고있습니다.
진공상태를 유지하기때문에 공기저항도 없어서 가능한 내용입니다.
감사합니다.
만족스러운 답변이었나요?간단한 별점을 통해 의견을 알려주세요.안녕하세요.
하이퍼루프는 진공 튜브를 달리는 자기부상열차 입니다.
이름에서 알 수 있듯이, 열차 아래에 자석이 있고, 서로 같은 극은 밀고, 다른 극은 당겨서
앞으로 나가는 형태의 열차 입니다.
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