초전도체와 자기부상열차 (원리 및 현존하는 자기부상열차까지)

1. 초전도체와 자기부상열차의 혁신

초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 사라지고, 자기장을 밀어내는 마이스너 효과를 나타내는 물질이다. 이와 같은 특성을 활용하여 개발된 자기부상열차(Maglev, Magnetic Levitation)는 기존의 철도 시스템과 달리 궤도와의 물리적 접촉 없이 부상하여 이동하는 혁신적인 교통수단이다. 본 글에서는 초전도체 기반 자기부상열차의 원리부터 미래 전망에 대해 다룬다.

2. 자기부상열차의 작동 원리

2.1 마이스너 효과와 자기 부상

초전도체는 임계 온도 이하에서 외부 자기장을 밀어내는 마이스너 효과(Meissner Effect)를 나타낸다. 이로 인해 초전도체는 외부 자기장을 완전히 차단하는 완전 반자성(diamagnetism) 성질을 가진다. 자기부상열차는 이러한 특성을 활용하여 궤도에서 떠오른 상태로 움직이게 된다.

마이스너 효과란? 초전도체가 자기장을 밀어내는 원리

마이스너 효과란? 초전도체가 자기장을 밀어내는 원리

 

2.2 런던 방정식과 초전도체의 자기적 성질

초전도체 내에서 자기장의 거동을 설명하는 수식으로 런던 방정식(London Equation)이 있다. 이 방정식은 초전도체 내부의 전류 밀도와 자기장 간의 관계를 나타내며, 이는 자기부상 원리를 이해하는 데 필수적인 개념이다.

 

여기서 는 런던 침투 깊이(London penetration depth)로, 초전도체 내부로 자기장이 침투하는 깊이를 의미한다. 이로 인해 초전도체 표면에서는 강한 반발력이 발생하여 자기부상이 가능해진다.

2.3 자기력과 안정성 유지

자기부상열차는 단순히 부상하는 것만으로는 안정적인 주행이 어렵다. 이를 위해 자기장에 의해 추가적인 안정화 메커니즘이 필요하다. 대표적인 방식으로는 전자기적 안정화(Electromagnetic Suspension, EMS)와 전자역학적 안정화(Electrodynamic Suspension, EDS) 방식이 있다.

• EMS 방식: 궤도에 설치된 전자석이 차량에 장착된 초전도체를 끌어당기는 방식으로, 정밀한 전자기 제어가 필요하다.
• EDS 방식: 차량의 초전도체와 궤도의 영구자석 사이에 자기 유도가 발생하여 자연스럽게 부상하고 안정화되는 방식이다.

2.4 초전도 LSM 추진 기술

초전도 LSM(Linear Synchronous Motor, 선형 동기 모터) 추진 기술은 자기부상열차에서 사용되는 핵심 추진 방식 중 하나이다. 이 기술은 선로에 설치된 1차 코일과 차량에 장착된 2차 초전도체 코일 간의 상호 작용을 이용하여 차량을 움직이게 한다.

1. 선형 동기 모터(LSM)의 기본 개념
   • 일반적인 회전형 동기 모터와 달리, LSM은 전자기장을 직선 운동으로 변환하는 방식으로 작동한다.
   • 선로(궤도)에 설치된 고정된 1차 코일과 차량에 장착된 2차 코일 사이의 자기장을 조정하여 추진력을 생성한다.
2. 초전도체 적용
   • 차량의 2차 코일로 초전도체를 사용하면 저항이 0이 되므로 에너지 손실 없이 강한 자기장을 생성할 수 있다.
   • 이는 기존 전자석 기반 추진 방식보다 높은 효율과 강한 추진력을 제공한다.
3. 동기식 추진 방식
   • 전력 공급이 선로에 장착된 1차 코일을 통해 이루어지며, 2차 코일은 초전도체를 사용하여 동기화된 자기장을 생성한다.
   • 이를 통해 일정한 속도와 높은 효율성을 유지하면서도 부드러운 가속과 감속이 가능하다.

3. 초전도체 기반 자기부상열차의 장점

3.1 마찰 없는 고속 이동

자기부상열차는 궤도와 물리적 접촉이 없기 때문에 기존 철도 시스템보다 높은 속도를 낼 수 있다. 현재 개발된 자기부상열차는 시속 600km 이상을 달성하며, 이는 기존 고속철도보다 훨씬 빠른 수준이다.

3.2 에너지 효율성 증가

초전도체의 저항이 0이기 때문에 전력 손실이 거의 발생하지 않는다. 이는 에너지 효율을 극대화하는 데 기여하며, 지속 가능한 교통 시스템으로 발전할 가능성을 높인다.

3.3 소음 및 진동 감소

기존 철도는 선로와 바퀴 간의 마찰로 인해 소음과 진동이 발생하지만, 자기부상열차는 공중에 떠서 이동하므로 소음이 거의 없고 승차감이 우수하다.

4. 현존하는 자기부상열차

4.1 상하이 자기부상열차 (Shanghai Maglev Train)

중국 상하이에서는 독일의 트란스라피드(Transrapid) 기술을 기반으로 한 상하이 자기부상열차가 2004년부터 상업 운행을 시작했다. 이 열차는 상하이 푸둥 국제공항과 시내를 연결하며, 최고 속도는 약 431km/h에 달한다. 이는 세계에서 상업 운행 중인 가장 빠른 자기부상열차로 알려져 있다.

4.2 일본의 자기부상열차 (JR-Maglev)

일본은 초전도 자기부상 기술을 활용한 자기부상열차를 개발 중이며, 2015년 시험 주행에서 603km/h의 세계 최고 속도를 기록했다. 현재 도쿄와 나고야를 연결하는 주오 신칸센(Chuo Shinkansen) 노선을 건설 중이며, 2027년 개통을 목표로 하고 있다.

4.3 대한민국의 인천국제공항 자기부상열차

대한민국은 독자적인 기술로 도시형 자기부상열차를 개발하여, 2016년 인천국제공항과 용유도를 연결하는 노선을 개통했다. 이 노선은 약 6.1km 길이로, 최고 속도는 110km/h이며, 세계에서 두 번째로 상용화된 도시형 자기부상열차로 평가받고 있다. 그러나 2023년 11월 1일부터 도시철도 시설로서의 운영이 종료되었으며, 향후 궤도 시설로 전환하여 운영을 재개할 예정이다.

4.4 독일의 트란스라피드 (Transrapid)

독일은 트란스라피드라는 자기부상열차 기술을 개발하여, Emsland 시험선에서 여러 차례 시험 운행을 진행했다. 상하이 자기부상열차가 이 기술을 채택하여 상용화되었지만, 현재 독일 내에서는 상업 운행 중인 노선은 없다.

4.5 중국의 차세대 자기부상열차 개발

중국은 상하이 자기부상열차 외에도 자체 기술로 고속 자기부상열차를 개발 중이다. 2021년에는 최고 속도 600km/h를 목표로 한 새로운 자기부상열차 프로토타입을 공개하였으며, 향후 상용화를 추진하고 있다.

 

4.6 EMS 방식, EDS 방식의 자기부상열차.

참고로 EMS 방식(Electromagnetic Suspension)이 적용된 대표적인 자기부상열차는 다음과 같다.

• 상하이 자기부상열차(Shanghai Maglev Train) – 독일 트란스라피드(Transrapid) 기술을 기반으로 한 EMS 방식의 자기부상열차로, 2004년부터 상업 운행을 시작했다.
• 독일 트란스라피드(Transrapid) – 독일에서 개발한 EMS 방식 자기부상열차로, 여러 번 시험 운행되었으며 상하이 자기부상열차에 적용되었다.

일본은 EDS(Electrodynamic Suspension) 방식을 적용한 초전도 자기부상열차인 JR-Maglev를 개발하고 있으며, 2015년 시험 주행에서 세계 최고 속도인 603km/h를 기록한 바 있다. 현재 도쿄와 나고야를 연결하는 주오 신칸센(Chuo Shinkansen) 노선을 건설 중이며, 2027년 개통을 목표로 하고 있다.

5. 미래 전망

5.1 고온 초전도체의 적용 가능성

현재 상용 자기부상열차는 극저온 환경에서 작동하는 저온 초전도체(Low-Temperature Superconductor, LTS)를 사용한다. 그러나 연구가 진행되면서 비교적 높은 온도에서도 작동 가능한 고온 초전도체(High-Temperature Superconductor, HTS)가 개발되고 있으며, 이를 적용하면 냉각 비용이 크게 절감될 것으로 기대된다. 

 

예를 들어, 한국철도기술연구원은 고온 초전도 현상을 활용한 추진기술과 자기부상기술을 바탕으로 시속 1000km의 속도를 목표로 하는 초고속 자기부상열차 '하이퍼튜브'를 개발 중이다. 또한, 중국의 서남교통대학교에서는 고온 초전도 기술을 이용한 세계 최초의 1:1 모델 자기부상열차를 개발하여, 동력 공급 없이도 부상 및 주행이 가능한 시스템을 선보였다. 이와 같은 연구 개발은 자기부상열차의 상용화와 성능 향상에 중요한 역할을 하고 있으며, 향후 고온 초전도체의 발전은 자기부상열차 기술의 혁신을 더욱 가속화할 것으로 기대된다.

5.2 글로벌 도입 및 확대

일본, 중국, 독일을 비롯한 여러 나라에서 자기부상열차 프로젝트를 진행 중이며, 기존 고속철도를 대체할 가능성이 높아지고 있다. 미래에는 대륙 간 초고속 교통망 구축도 가능할 것으로 예상된다.

 

예를 들어 일본은 도쿄와 오사카를 연결하는 '추오 신칸센(Chuo Shinkansen)' 프로젝트를 추진 중이며, 2027년 도쿄-나고야 구간 개통을 목표로 하고 있다. 이는 시속 505km로 운행되며, 환경 문제로 인해 일부 공사가 지연되고 있다. 중국은 시속 600km급 고속 자기부상열차 개발을 진행 중이며, 창사-류양 노선 등 다양한 프로젝트를 추진하고 있다. 또한, 세계 최초의 1:1 모델 자기부상열차를 개발하여 시험 주행을 진행 중이다. 독일은 Max Bögl 등의 기업이 자기부상열차 기술을 개발 중이며, 중국과 협력하여 시범 선로를 운영하고 있다. 이를 통해 자기부상 기술의 지속 가능성을 입증하고자 한다.

5.3 SDGs와 자기부상열차 개발

SDGs(Sustainable Development Goals, 지속가능발전목표)는 2015년 유엔(UN)에서 채택한 국제적인 개발 목표로, 2030년까지 인류와 지구가 지속 가능하게 발전할 수 있도록 설정된 17가지 목표를 의미하며 탄소 배출량이 낮은 자기부상열차는 기후 변화 대응과 SDGs 달성에 다음과 같이 기여할 수 있다. 

1. SDG 7: 지속 가능한 에너지 - 자기부상열차는 에너지 효율성이 높아 지속 가능한 에너지 사용을 촉진한다.
2. SDG 9: 산업, 혁신 및 인프라 구축 - 고속 교통 인프라 발전을 통해 도시 간 연결성과 경제 발전을 촉진한다.
3. SDG 11: 지속 가능한 도시 개발 - 대기 오염을 줄이고 지속 가능한 교통수단을 제공하여 친환경적인 도시 환경을 조성한다.
4. SDG 13: 기후 변화 대응 - 탄소 배출이 적은 교통수단으로, 기후 변화 대응에 중요한 역할을 한다.

6. 결론

초전도체 기반 자기부상열차는 기존 교통 시스템을 혁신적으로 변화시킬 수 있는 기술이다. 초전도체의 물리적 특성을 활용하여 마찰 없이 이동하며, 에너지 효율성이 높고 환경 친화적인 교통수단으로 발전할 가능성이 크다. 향후 고온 초전도체 기술이 더욱 발전하고 인프라가 구축되면, 자기부상열차는 글로벌 차원의 주요 교통수단으로 자리 잡을 것이다.