미군 해병대는 F-35 전투기와 여러 군용기에 레이저 무기의 탑재를 계획

미군은 개발을 하고 있는 F-35 전투기에 소형 레이저 무기를 탑재할 예정이라는 소식입니다. 이러한 소형 레이저는 F-35뿐만 아니라 다른 여러 군용기에 배치하는 방안을 검토하고 있습니다. 점차 영화가 현실화가 되는지 모르겠습니다. 직접 공격용은 레이저, 폭격이나 광범위 타격에는 폭탄을 쓰는 혼용 방식도 가능하지 않을까 생각되네요.

미군 해병대는 F-35 전투기와 여러 군용기에 레이저 무기의 탑재를 계획

2016년 8월 30일, 워싱턴 D.C.에서 열린 미군 관계자와 기자들의 조찬 모임에서 알려진 소식입니다. 미국 해병대의 로버트 월시 중장은 F-35 전투기에 레이저 무기를 배치하는 것은 해병대가 관심을 갖는 중대사이다라고 언급했습니다. 레이저 무기를 F-35 전투기에 배치할 예정이라는 사실을 분명히 밝힌 것입니다.

월시 중장에 따르면 이미 미국 해군연구소(ONR)은 10kW급 레이저를 시연하고 있습니다. 하지만 앞으로는 30kW급의 고출력 레이저 개발로 연구 중심을 옮겨갈 예정이라고 합니다. 향후 여러 군용기에 배치될 예정인 레이저는 매우 높은 정밀도를 지닙니다. 따라서 적이 육상에서 발사하는 지대공 미사일과 적의 전투기가 발사하는 공대공 미사일을 요격할 목적으로 사용될 수 있다고 합니다. 아무래도 아직은 근거리 방어 목적이 강한가 봅니다.

월시 중장은 소형 레이저 무기는 F-35 외에 공격용 헬기 AH-1코브라나 MV-22 오스프리 등 다른 군용기에도 배치할려고 계획중이라고 밝혔습니다. 다시 말해 레이저가 가지는 높은 정확도와 정확한 타격성을 활용하기 위해 점차 더욱 소형화시키는 방향으로 개발이 되고 있다는 뜻입니다. 그리고 대형 폭격기나 함선에 탑재하는 대형 레이저도 가능하겠죠.

트랙터빔처럼 음파로 물체를 공중부양 하여 이동시킨다

SF영화에서 사람의 손이나 다른 기계적 힘 없이 물건이 움직이는 장면이 나옵니다. 가령 스타워즈의 트랙터빔이 여기에 해당합니다. 다른 우주선을 견인하는 빔입니다. 그런데 최근 연구에서 음파로 물체를 이동시킬 수 있음을 보였습니다. 공중부양 하여 조정할 수 있습니다.

트랙터빔 음파로 물체를 공중부양, 이동시킨다

강력한 음파를 사용하여 물체를 공중에서 이동시키는 것입니다. 이번 개발은 영국 브리스톨 대학교과 서섹스 대학교의 연구원들이 하였습니다. 높은 진폭의 음파를 발사하는 64개의 소형 스피커를 활용하여 3차원 음향 홀로그램을 개발하였습니다.

이렇게 만들어진 장치 위에 작은 물체를 놓고 공중에 띄우고 움직이는데 성공했습니다. 마치 중력을 무시하듯 물체를 공중에서 조작할 수 있습니다. 잘 조합한 여러 개의 스피커로 물리적으로 건드리지 않으면서 다수의 물체를 움직이게 할 수 있습니다.

이런 현상이 가능한 것은 여러가지 모양의 힘의 장(force field)을 만들어 조합했기 때문입니다. 강력한 음파가 물리적 힘의 장을 만듭니다. 스피커 출력을 조정하면 물체의 회전도 가능합니다. 또한 이렇듯 음파로 SF영화에 나오는 트랙터빔 기능도 가능합니다.

당연히 물체에 건드리지 말고 수송하는 것도 가능합니다. 민감한 물체를 만지지 않으면서 수송하거나 조립할 수도 있습니다. 형후 약물 투여나 현미경 수술 등에서 사용기구를 잡거나 옮기는 것도 가능하리라 보고 있습니다.

초전도 현상을 이전보다 고온에서 성공, 온도 기록 경신하다

금속이나 화합물을 매우 낮은 온도로 냉각하면 전기저항이 없어지는 현상이 '초전도'입니다. 이러한 특징을 가진 물질을 초전도체라고 합니다. 오래 전부터 중요한 기술로 여겨져왔고 지금도 미래기술로 관심을 받고 있습니다. 전기 송전할 때에 에너지 손실이 생기지 않는 등 다양한 장점이 있기 때문입니다. 그렇지만 아직까지 제대로 실용화되지 못하고 있습니다. 왜냐하면 극저온 상태에서만 이런 현상이 나타나기 때문입니다. 상온에서는 아직 불가능합니다.

초전도 현상을 이전보다 고온에서 성공

그렇기에 오래 전부터 초전도 현상을 조금 더 고온에서 발생시키는 것을 많은 과학자들이 연구해 왔습니다. 전세계에서 고온 초전도 물질의 연구가 진행되고 있습니다. 그런데 독일 연구진이 203K(영하 70도)라는 고온 환경에서 초전도 상태를 발생하는데 성공했습니다. 관련 논문은 네이쳐와 arXiv에 게재되었습니다. 연구진은 arXiv에서 논문을 발표한 이후에 데이터를 모아서 최종적으로 2015년 10월 Nature에 논문을 게재하였습니다.

이들 막스플랑크 연구소와 마인츠 대학교의 공동 연구진은  영하 70도에서 황화수소가 초전도성을 나타내는 것을 발견했습니다. 논문은 arXiv에 게재되자마자 물리학회에 충격을 주었습니다. 다만 고온에서 발생한 초전도 효과에 대해서는 지금까지 다양한 논문이 나왔지만 이후에 연구의 잘못이 있음을 알게된 경우가 많았었습니다. 그래서 이들의 연구에 대해서도 신중한 판단이 필요했었습니다.

초전도 온도 기록 경신하다

교신저자 Eremets와 연구진은 황화수소를 다이아몬드가 안에서 고정하고 있는 공간(diamond anvil cell, DAC)에 넣고 200만 기압의 초고압 환경으로 냉각하였습니다. 그러면 203K(영하 70도)에서 전기저항이 영이 되었습니다. 초전도체의 특징인 전도체 내부의 자속밀도가 제로가 되는 '마이스너 효과'를 확인했습니다.

지금까지 황화수소는 40K(영하 233도)라는 극저온 환경에서 초전도성을 가진다고 알려져 있었습니다. 이번에 그 온도가 대폭 향상된 것입니다. 그리고 구리, 철과 같은 금속물질도 포함하고 있지 않습니다. 이번 연구를 계기로 금속화학물 이외에 메커니즘이 거의 밝혀지지 않은 다른 초전도체에 대한 연구도 활발해지리라 예상됩니다.

초음속 비행기의 충격파를 나사(NASA)는 어떻게 촬영했나

초음속 비행기가 하늘을 날라가면서 발생하는 충격파와 고속도로를 달리는 트럭의 엔진 연기 등을 촬영할 수 있는 장치가 미국 항공우주국 나사(NASA)에서 개발하였습니다. 눈으로 볼 수 없는 공기 밀도의 변화를 값싸고 쉽게 영상으로 촬영할 수 있는 방법입니다.

초음속 비행기의 충격파를 나사(NASA)는 어떻게 촬영했나

밝은 광원이나 얼룩덜룩한 무늬를 배경으로 초음속 비행기를 촬영하면 충격파를 쉽게 얻어질 수 있다고 합니다. 나사에서 특허 출원한 'Background-Oriented Schlieren using Celestial Objects'이라는 새로운 방법입니다. 카메라와 배경 사이를 통과한 충격파의 공기역학적인 흐름에 의해서 생기는 변형을 시각화할 수 있습니다.

필요할 것은 단순한 광학 장치와 적당한 무늬가 있는 배경뿐입니다. 배경으로는 분화구 크레이터가 여기저기에 있는 달이나, 필터를 통해서 흑점들이 보이도록 한 태양도 됩니다. 특수한 수학적 화상처리 알고리즘으로 이미지를 더욱 선명하게 만들 수 있습니다.

기존에는 이러한 촬영을 위해 슐리렌 법을 사용했습니다. 장소에 따라 굴절률이 다를 때, 그 부분에 줄무늬와 안개 모양의 그림자가 보이는 것이 슐리렌 현상입니다. 매우 복잡하고 주의깊게 정렬한 광학장치를 사용하여 초음속 물체 주위에 있는 공기 밀도의 차이에 의해서 나타난 굴절 광선을 촬영하였습니다.

기존 방법에서는 대부분의 경우 다른 비행기에 카메라를 설치합니다. 아래의 사막을 배경으로 이용하여 충격파가 통과하는 것을 촬영하게 됩니다.  또한 과거에 이용했던 지상 기반의 슐리렌 촬영 시스템에서는 태양의 가장자리를 광원으로 이용할 필요가 있었습니다. 그래서 비행기가 태양 표면으로 갈 때와 태양 표면에서 나올 때의 두번 밖에 충격파를 관측하지 못했습니다.

이번에 암스트롱 비행연구센터에서는 칼슘-K (CaK)선 필터를 사용하여 태양의 불균일한 채층(chromosphere, 태양의 광구와 전이층(transition region) 사이에 위치한 대기층)이 보이게 하면 초음속 충격파에 의해서 생기는 변형을 쉽게 파악할 수 있는 것을 발견했습니다. 한 개의 충격파를 여러 차례 잡을 수 있기에 카메라 시스템의 속도와 정확도가 크게 향상되었습니다.

태양 같은 천체를 배경으로 사용하면 비행중인 비행기를 촬영할 때 여러 장점이 있습니다. 이렇게 지상에서 이미지 시스템을 사용하면 촬영하려는 비행기가 어떤 고도에 있더라도 가능하다고 합니다. 개발된 시스템은 하나의 3000달러 정도로 가격도 낮습니다. 또한 아음속기나 고속도로를 달리는 트럭 등 다양한 물체를 대상으로 촬영할 수 있습니다. 날개의 소용돌이나 엔진의 연기와 같은 다른 종류의 공기밀도 변화도 파악할 수 있습니다.

그리니치 표준시를 나타내는 본초자오선이 100m 이동한 이유

지구의 좌표를 위도와 경도로 표기합니다. 극점에 기반한 위도와 달리 경도는 특정 장소를 바탕으로 임의로 지정되어 있습니다. 바로 영국의 그리니치 천문대입니다. 세계 공통의 경도 기준을 정하기 위해 천문대를 지나는 선을 본초자오선으로 지정하였습니다. 다른 나라들의 위치는 이곳을 바탕으로 상대적으로 정해집니다. 그런데 실제로는 경도 0도 0분 0초가 천문대를 지나가지 않는다고 합니다. 옆으로 100m 이동해 있습니다. 왜 이런 일이 생겼을까요?

본초자오선은 런던 외곽의 그리니치 천문대를 지나는 선입니다. 국제회의에서 이곳을 경도 0도로 정하였습니다. 경도가 시간과 연관되어 있기에 표준시를 나타내는 곳이기도 합니다. 글을 쓰기 위해 검색해보니 많은 분들이 이곳에서 사진을 찍고 블로그에 올리셨더군요. 위의 사진은 인터넷에서 사용제한이 없는 것을 다운 받은 것인데요, 저 사진과 거의 동일하게 선 위에 발을 놓고 찍으셨더군요.

그런데 GPS수신기를 가지고 살펴본다면 무언가 바뀌었음을 금방 깨달을 수 있습니다. 경도 0도를 나타내는 본초자오선은 그리니치 천문대의 자오선 표식에서 334피트(약 100m) 동쪽 방향에 이동해 있습니다.

학술지 'Journal of Geodesy'에 실린 논문에서 이러한 일이 발생한 이유를 설명하고 있습니다. 천문학(astronomical) 좌표와 측지학(geodetic) 좌표가 다르기 때문입니다. 예전에는 지상에서 좌표를 정했는데, 인공위성으로 GPS를 사용하다보니 좌표계에 약간의 차이가 생긴 것입니다. 천문위도와 지리위도의 차이라고 보셔도 되겠습니다.

그리니치 표준시 나타내는 본초자오선 100m 이동한 이유

즉 기술 발전으로 인해 본초자오선이 이동이 불가피해졌습니다. 사실 그리니치 자오선은 앞에서도 말씀드렸듯이 처음부터 인간에 의해 인위적으로 설정된 선입니다. 그런데 지구의 모양은 완전한 구가 아닙니다. 과학자들은 그리니치에서의 중력과 연관된 작은 굴곡이 기준자오선의 차이를 만든 것으로 보고 있습니다. 경도 0도에 대한 지구 중심에서 바깥으로의 중력의 방향이 그리니치 천문대를 지나가지 않는 것입니다.

실제 자오선은 지구의 연직선 방향에 의해서 정해지며, 연직선은 중력과 측정 방법에 의해 결정됩니다. 연직선은 중력의 방향을 나타내는 선입니다. 즉 지구 수평면과 직각을 이루는 선입니다. 경도를 측정하는 전통적인 방법은 지상의 지역적 조건 즉 중력의 변화에 영향을 받습니다. 반면에 GPS를 이용하는 방법은 중력의 영향을 받지 않습니다. 우주에 있는 인공위성에서 나오는 전파를 지구에서 받아 전파의 도착시간과 위성의 위치로부터 정확하게 정하기 때문입니다.

그렇다고 굳이 그리니치에 새로운 경도 0도 표식을 설치할 필요는 없겠습니다. 기존의 선이 표준시간을 정하는 기준인 사실은 변하지 않으니까요. 그리고 기술발전으로 GPS로 측정한 값이 달라서 생긴 일이지 역사적으로 인간이 처음부터 잘못 설정한 것은 아니기 때문입니다.

마리 퀴리 부인의 연구노트는 지금도 방사선을 방출하고 있다

역사적으로 위대한 인물에 대해서 사후에 광범위한 조사가 진행되는 경우가 많습니다. 그러한 조사를 위해서는 남겨진 작품이나 문헌을 분석해야 합니다. 하지만 현존하는 자료가 적거나 원본의 입수가 힘들면 조사하는데 어려움을 겪게 됩니다. 그런데 폴로늄과 라듐을 발견한 퀴리 부인으로 알려진 마리 퀴리가 남긴 연구노트는 다른 문제가 있습니다. 100년이 지난 지금도 방사선을 방출하고 있기 때문에 함부로 손으로 만질 수 없는 상태입니다.

마리 퀴리와 피에르 퀴리 부부는 어떤 물질이 방사능을 가지고 있는가를 연구하였고, 퀴리 부인은 1903년과 1911년에 노벨상을 두 번 수상합니다. 하지만 이들은 방사성 물질의 위험성에 대해서 이해하지 못했고 집과 연구실에는 토륨과 우라늄 등이 그대로 노출되어 있었습니다. 아무런 차폐막이 없었습니다.

이들 방사성 물질은 어두운 곳에서 희미하게 발광합니다. 퀴리 부인에게 있어서 연구의 즐거움 중의 하나는 한밤중에 연구실에 들어가는 것이었습니다. 표본이 담긴 시험관이 요정의 빛처럼 아름다운 빛나는 것을 보는 것을 좋아했었습니다.

마리 퀴리 부인의 연구노트는 지금도 방사선을 방출

또한 퀴리 부인은 연구 때문에 폴로늄과 라듐을 작은 병에 넣어서 늘 가지고 다녔습니다. 일반적 연구복 외에 방사선에서 몸을 지킬 수 있는 옷은 없었습니다. 그래서 아시는 바와 같이 마리 퀴리는 방사성 물질이 원인이 되어 백혈병의 일종인 재생 불량성 빈혈을 앓게 됩니다. 그래서 1934년에 66세로 타계하게 됩니다.

그녀의 집은 파리 원자물리학 연구기관과 퀴리 재단이 1978년까지 사용하고 있었습니다. 그러나 집안의 물건에 방사성 물질의 위험성이 있다고 밝혀진 뒤에는 집 전체가 정부의 감시를 받게 되었습니다. 한동안 아무도 집에 들어갈 수가 없었습니다. 1991년에 집과 연구실에 대한 안전 작업이 이루어졌고 연구 자료와 노트를 바깥으로 가져올 수 있었습니다.

현재 퀴리 부인의 자필 노트는 프랑스 국립도서관에 보관되어 있습니다. 하지만 연구노트에 포함된 방사성 물질의 반감기는 1601년이어서 연구 자료, 옷, 가구, 요리책에 이르기까지 모든 소장품은 아직까지 방사능을 가지고 있습니다. 향후 수세기 동안 납 상자에 넣어서 보관하지 않으면 위험한 상태입니다.프랑스 국립도서관에서 노트를 볼 수 있습니다. 하지만 면책동의서에 서명한 뒤에 방호복을 입고 보아야 합니다.

나노스케일 표면 이미지를 찍는 새로운 방법

표면 위의 원자 배열을 측정하기 위해, 원자 해상도로 사진을 찍을 수 있는 새로운 기술이 개발되었습니다. 6월 17일에 저널 Nature Communications에 게재된 논문입니다. 나노 스케일로 이차전자 이미지를 얻는 방법입니다.

많은 중요한 프로세스는 표면에서 발생합니다. 다양한 분야의 촉매 작용과 부식과 같은 화학적 과정은 모두 표면에서 발생합니다. 모든 재료는 표면을 통하여 주위 환경과 상호작용합니다. 벌크 재료의 구조와 화학적 특성과는 다른 현상이 나타납니다.

이제는 부식과 촉매 작용을 연구하기 위해 이미징 기술을 적용할 수 있게 되었습니다. 부식을 막기 위해 엄청난 비용을 쓰고 있지만 아직까지 발생 메커니즘의 모든 것을 이해하지 못하고 있습니다. 더욱 심층적인 사실들을 연구하면 더 오래 사용할 수 있는 재료를 만들 수 있을 것입니다.

나노스케일 표면

이를 위해서는 원자들이 표면에 어떻게 배열되어 있는지 아는 것이 중요합니다. 표면 정보를 얻기 위해 많은 훌륭한 방법들이 존재하지만, 대부분의 사용 가능한 도구들은 표면이 거칠 때에 효과가 높습니다.

주사 전자현미경은 많은 재료의 이미지를 얻는데 폭넓게 사용되고 있으며 표면 거칠기는 중요하지 않습니다. 아주 최근까지 이런 장치로는 표면 원자의 분명한 이미지를 얻을 수 없었습니다. 2011년에 브룩헤이븐 국립연구소의 연구에 의해 매우 선명한 이미지를 얻을 수 있었습니다. 그러나 이 연구도 이미징에 대한 이론이 없고 여러가지 불확실한 면이 많아서, 어느 정도까지 확실한 이미지를 얻을 수 있는지 알 수 없었습니다.

원자 해상도로 이차전자 이미지를 찍는 새로운 방법

이번의 새로운 연구는 이러한 문제들을 해결할 수 있습니다. 표면을 이해할 수 있는 확실한 방법을 제공합니다. 연구에는 strontium titanate 샘플을 사용하였습니다. 이차전자 이미지가 어떻게 생성되는지 세부적인 사항을 정확히 알기 위해 많은 유형의 이미징을 얻었습니다.

연구에는 기존에 잘 연구된 재료를 사용하여 분석이 정확한지 조사하였습니다. 새로운 기술은 너무나 강력해서 잘 알려졌다고 생각했던 물질의 많은 지식을 새로 검토하게 만들 것입니다. 이것은 모든 재료의 표면이 나노재료 코팅처럼 행동하기에 이미 예상해왔던 가능성입니다. 나노재료 코팅은 화학적 특성과 반응을 매우 크게 변화시킬 수 있습니다. 개발된 기술의 중요한 점은 표면 원자와 벌크 원자들을 동시에 이미징 할 수 있다는 것입니다.

빛의 물리학, EBS 다큐프라임 방송이 책으로

광학을 비롯하여 입자물리, 양자역학, 상대성 이론까지 쉽게 설명하고 있습니다. 워낙 보기 좋게 방송되었던 EBS 다큐프라임을 근간으로 책으로 구성되어 출간되었기 때문이겠죠. 그래서인지 '빛의 물리학'은 수많은 사진과 그림으로 이해하기 용이하게 기술되어 있습니다. 가끔은 너무 가볍기도 하여 문자가 아니라 영상을 보는 느낌이었습니다.

먼저 빛과 시간, 공간의 관계를 특수상대성 이론과 일반상대성 이론으로 설명합니다. 특히 2장 중력과 가속도의 관계를 풀어가는 부분은 인상적이었습니다. 매번 유사한 책을 읽을 때마다 헷갈리는 부분인데, 어렵지 않게 헤쳐가는 모습이어서 대단하다 느껴졌었습니다. 아마도 방송에서부터 구성을 잘했기 때문이겠고, 활자로 옮기면서도 오랜 기간 고민을 하고 편집을 하였을 겁니다. 매우 효율적이었습니다. 다른 교양과학 서적에서는 이해하기 힘들었을 부분을 간명하게 전달하고 있습니다.

이어서 빛의 특성에 대해 말하면서 점차 현대물리학 전반으로 넘어가고 있습니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리와 슈뢰딩거의 고양이까지 일반인에게는 낯선 내용을 쉽게 접할 수 있습니다. 심지어 끈 이론과 다중이론까지 소개합니다. 얇은 상식으로서 현대 물리를 배우기에 좋아 보입니다.

SF영화 스타워즈의 '플라즈마 보호막 쉴드'가 현실로? 보잉에서 특허 취득

전세계에서 발표되는 과학기술 연구를 따라가고 있지만, 이번 연구는 정말 할 말을 잃게 만드네요. 항공기를 만드는 보잉에서 취득한 정식 특허입니다. SF영화에서 보던 보호막에 대한 내용입니다. 스타워즈의 플라즈마 쉴드를 현실로 구현하려는 아이디어입니다. 다른 영화에도 많이 나오고 게임에도 단골로 등장하죠. 스타크래프트의 프로토스가 사용하는 기술이지요.

'플라즈마 보호막'으로 군용 차량을 지키는 기술입니다. 이론적으로는 비행기나 함선도 가능하겠죠. 최근에 Boeing에서 취득하여 미국 언론에서도 화제로 삼고 있나 봅니다.

다만 폭탄과 같은 직격탄을 막는 것은 아닙니다. 폭발로 인해 발생하는 충격파로 부터 사람과 차를 지키는 기술입니다. 폭발을 감지하는 센서가 있고,  보호막을 발생시키는 부분으로 구성되어 있습니다.

외부에서 폭발이 발생하면 충격파가 발생됩니다. 이러한 파동을 센서로 감지하게 됩니다. 센서가 감지한 방향으로 레이저 펄스나 아크 방전을 발생시킵니다. 이를 통해 플라스마를 발생시켜 충격파를 흡수하고 반사하는 개념입니다. 외부 충격을 완전히 없애지는 못하지만 감소시키는 역할을 합니다.

실제로 활용될 수 있는지 단지 문서 특허일지 논란이긴 합니다. 아무튼 아이디어는 나왔으니 발전하는 것은 문제가 안될겁니다. 플라즈마 발생은 이미 산업계에서 활용되는 범용적 기술이니까요. 다양한 분야에 활동되고 있습니다.

따라서 얼마나 강력하고 거대하게 구현하는지 중요하겠습니다. 글을 쓰면서 생각해 보니 보호막이 안될 이유도 없겠습니다.