하이퍼루프

하이퍼루프

지금은 2020년. 2021년이 한달 남았다. 많은것이 예전과 바뀌었고, 빠른 속도로 바뀌고 있는중이다. 공상과학 영화에서만 나온다고 생각했던 날라다니는 자동차, 민간인이 로켓을 타고 화성으로 여행, 드론이 택배를 배송 등, 기술은 정말 빠른 속도로 발전하고 바뀌고 있는 중이다. 인류는 걷는것 부터 시작해서 뛰고, 말을 타고, 마차를 타고, 배를 탔으며, 기차를 개발하여 빠른 속도로 대륙을 횡단하고, 비행기로 하늘을 여행을 한다. 비행기에 만족하지 못하고 보다 빠르고 효율적인 교통수단을 개발하기 위하여 이제는 하이퍼루프 (Hyperloop)를 연구 개발중이며, 그 어느때보다도 효율적이고 빠른 속도로 먼 거리를 여행하기 위해 준비중이다. 아마 하이퍼루프 다음의 교통수단은 게임이나 공상과학 소설에 나오는 음속비행 여행, 웜홀 이동과 같은 것들이 아닐까? (웃음)

하이퍼루프

하이퍼루프는 공기가 매우 적은 진공상태 (약 0.1%)의 튜브 안에서 승객을 ~30명 정도 태우고 음속 (시속 >1200km)으로 달리고자 하는 미래형 교통수단 프로잭트다. 이 프로잭트는 테슬라와 스페이스X로 엄청나게 주목을 받고 있는 일론 머스크가 제안한 아이디어로 현재의 교통수단에서 한단계 업그래이드 하여 더 빠르고 효율적인 교통수단을 개발하기 위해함이다. 당시 일론 머스크는 테슬라 모터스 (Tesla Motors) 블로그를 통하여 세상에 하이퍼루프에 관한 아이디어를 공개하였으며, 미국의 서부도시를 연결하는 수단으로 발표하였고, 전 세계의 많은 사업가와 과학자들은 이러한 아이디어를 실현시키기 위해 하이퍼루프 개발에 도전하게 되었다.

하이퍼루프 터널(관)

하이퍼루프의 원리에 있어 가장 중요한건 자기부상과 공기저항이다. 우리가 사용하고 있는 자동차, 비행기, 그리고 기차는 빠른 속도로 달리나, 공기의 저항으로 인해 생각보다 그 속도의 감속양이 적지 않다. 또한 바퀴가 지면과 맞닿고 있기 때문에 발생하는 마찰또한 감속에 큰 요인이다. 따라서 공기저항과 마찰을 최소화 한다면 감속을 크게 줄여 효율 높은 속도를 낼 수 있게 된다. 하이퍼루프는 이러한 요인을 해결하여 감속을 최대한 줄이고 높은 효율로 빠르게 이동할 수 있는 원리를 사용하고 있다고 이해하면 된다. 

일반 모터 원리

리니어 모터 원리

하이퍼루프는 리니어 모터를 이용하여 이동 초기에 열차를 전진시킬 수 있다. 여기서 리니어 모터란, 회전운동을 직선운동으로 바꿔주는 모터인데, 자기장 내 전류가 흐르는 도선이 받는 힘 (영구자석과의 흡인·반발력)에 의해 추진력이 발생한다. 일반 모터는 자석을 회전시키고, 자석의 양끝인 N극과 S극이 서로 당겨지는 힘이나 밀어내는 힘에 의해 회전축을 지닌 자석이 회전하는 것과 다르게, 리니어 모터는 회전 운동이 아닌 직선 운동이다. ※리니어 모터는 여러가지 장점을 지니는데, 가령 기구 구조가 간단하여 소형, 특수한 형상으로 제조가 가능하고, 기계적인 마찰 및 미끌어짐에 따른 손실과 소음이 없으며, 고가감속 운전 및 빠른 settling 모션이 가능하고, 설계를 통한 여러 형태로 응용이 가능하다.

하이퍼루프 원리

이와 같은 리니어 모터를 이용하여 하이퍼루프는 열차를 초기에 구동시키며, 시속 32km/h를 달성하면, 열차 하단에 위치한 인덕트랙과 궤도 튜브 사이에 유도 전류가 발생하여 자가 부상을 발생시킨다. 이렇게 부상한 열차는 지면과 마찰이 없기 때문에 적은 에너지로 매우 빠른 속도로 달릴 수 있게 되며, 이론적으로 1200km/h 이상의 속도를 낼 수 있다고 한다. 시속 1200km/h 이상의 속도를 내는 열차의 감속은 가속에 사용한 리니어 모터를 역방향으로 작동하여 브레이크로 사용하고, 이 때 감속에서 발생하는 전기 에너지를 배터리 충전에 사용하는 희생 브레이크 시스템을 이용한다. 니로 하이브리드 차와 같은 원리로 이해하면 된다. 이렇게 감속하여 속도가 점차적으로 떨어지면, 열차는 부상력을 잃어 지면과 맞닿게 되며 마찰에 의해 속도는 더 큰 폭으로 감소하게 된다. 

DP월드와 버진그룹이 추진하는 하이퍼루프

현재 국내에는 하이퍼루프는 아니지만 자가부상 방법을 이용한 열차가 이미 운행중이다. 우리가 많이 사용하는 KTX와 SRT. 국내에서 가장 빠른 열차는 2013년도에 421.4km/h 의 속도를 기록한 HEMU-430X로 알려져 있다. 상용화 되어 현재 운행중인 TGV-K (KTX) 또는 KTX산천으로 불리는 열차는 350km/h의 속도를 기록하였다. 현재 한국철도기술연구원 에서는 VHST-600X열차를 개발중에 있는데, 시속 600km를 달릴 수 있는 초고속 열차이며, 앞에서 설명한 리니어 모터를 이용하여 자가부상 방식으로 달릴 수 있다고 한다. 이 열차는 전차선이 없어 각종 저항을 받지 많아 매우 빠른 속도로 달릴 수 있다고 한다. 

VHST-600X

이러한 하이퍼루프는 언제 상용화 될 수 있을까? 현재 전세계에서 최초로 하이퍼루프 사용화를 앞두고 도입 결정을 내린 기관은 두바이에 본사를 둔 UAE 국영 항만 터미널 운영사인 DP월드라고 한다. DP월드는 중동 항만운영 기업이며, 자회사 DP카르고스피드를 통해서 현재 하이퍼루프를 건설 중이다. DP월드는 버진 하이퍼루프와 협력하여 아부다비 및 두바이에 노선을 건설할 예정이라고 한다. 아부다비에서 두바이까지 자동차로 이동할 경우 2시간 정도 걸리는데 (170km), 하이퍼루프를 이용할 경우 약 12분만에 주파할 수 있다고 하며, 이는 1분 동안 14.2km를 달리는 셈이다 (평균 속도는 200m/s). 이 외에도 영국의 항공사 버진그룹의 자회사인 버진하이퍼루프와 공동으로 하이퍼루프를 개발하고 있으며, 2021년까지 실용화 하는것이 목표라고 한다. 

포스코와 하이퍼루프

국내에는 포스코와 한국철도기술연구원에서 하이퍼루프 개발에 박차를 가하고 있는데, 포스코 같은 경우 티타스틸 유럽 (TSE)와 함께 협업하여 하이퍼루프 소재 개발에 힘쓰고 있다고 한다. 하이퍼루프는 진공터널 (관)이 필요로 한데, 이를 내구성과 신뢰성이 뛰어난 스틸 및 강재로 개발할 경우 4m 직경의 튜브를 1km 길이로 제작하는 데 약 2500톤(t)의 강재가 필요할 것으로 보이며 이는 철강 업계에 많은 수요를 발생시킬 것으로 예상된다 (포스코 주식이 오를려나? ^^).  앞에서 설명한 하이퍼루프의 가장 중요한 기술중 하나인 진공 상태를 만들고 유지하는것도 매우 중요한데 (저항을 줄이기 위하여), 관련 기술로는 국내 엘오티베큠 (LOTVacuum)이 있으며, 엘오티베큠은 국내 유일한 진공펑픔 업체로서 하이퍼루프의 핵심 기술중 하나인 진공상태 형성 및 유지에 많은 기여를 할것으로 기대가 된다. 또한 초전도 복합선재를 생산하고 개발하는 고려제강도 관련 기술업체 중 하나로 볼 수 있겠다.