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201803.19

신의 영역에 도전장을 내민 과학 분야

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/790

신의 영역에 도전장을 내민 과학 분야
인공장기부터 인공태양까지


 우리는 매우 어렵거나 예측하기 힘들어 사람이 가진 능력으로는 도저히 이룰 수 없는 일에 대하여 ‘신의 영역’이라는 표현을 사용합니다. 주로 환경, 생명 등 자연의 섭리에 관한 일들로 그 모든 현상을 이해하기에 인간은 한없이 부족해 보이기도 하는데요.

 

 하지만 상상하는 것이 곧 현실이 될 수 있다고 말했던 수많은 위인의 가르침대로, 사람들은 상상 속에서만 가능했던 ‘신의 영역’을 정복하기 위해 과학의 힘을 빌어 끊임없이 도전장을 내밀고 있습니다.

 

 사람들의 바람처럼 언젠가 자연 속 비밀들을 모두 풀어낼 수 있을까요? 과거에는 신의 영역이었지만 이제는 과학의 힘으로 점차 베일을 벗어가는 사례들을 살펴보았습니다.

 


신의 절대 영역에 도전한다! 생명 연장의 꿈, ‘인공장기’

 

 인간이 가장 정복하고 싶은 신의 영역은 무엇일까요? 과거부터 현재까지 많은 사람이 가장 관심있는 영역은 젊음과 생명 유지가 아닐까요? 사람들은 과학기술을 이용하여 신의 절대 영역이라고 여겨지는 생명까지도 조절하려는 시도를 하고 있습니다.

 

 대표적으로는 인공장기 연구를 손꼽을 수 있습니다. 현재 인공장기 연구는 크게 세포배양방식과 3D 프린팅 방식, 두 가지 갈래가 있습니다.

 

 세포배양방식은 연구 역사가 비교적 길고 그 수준도 상당히 발전한 것으로 알려진 방식입니다. 주로 줄기세포나 피부 세포를 배양하여 하나의 장기로 성장시키는 방법입니다. 이렇게 만들어진 장기는 이식을 받을 환자와 유전적으로 일치하기 때문에 거부반응이 적다는 것이 가장 큰 장점입니다.

 

 

미국의 Wake Forest 대학은 사람의 세포를 이용한 귀를 3D 프리닝으로 제작하여 쥐에 이식한 결과, 정상적으로 혈관이 생성되고 생체활동이 이루어지는 것을 확인했다. (사진출처=Wake Forest School of Medicine)

 

 반면 3D 프린팅 방식은 최근 급격히 주목받고 있는 인공장기 기술입니다. 산업에서 활용하기 시작한 3D 프린팅 기술을 의료에도 적용한 것으로, 다른 인공장기 개발 방식에 비해 정밀도가 매우 뛰어난 것으로 평가받고 있습니다.

 

 3D 프린팅은 생체 친화성 또는 생분해성 고분자를 활용하여 3D 프린터로 이식이 필요한 신체의 일부를 만들어 냅니다. 인공뼈, 인공관절 등을 비롯하여 개인 맞춤형 의료 보형물을 제작하는 데 주로 사용되고 있습니다.

 

 최근에는 3D 프린팅 기술에 줄기세포 기술을 결합한 3D 바이오 프린팅 기술도 새롭게 주목받고 있습니다. 세포가 포함되어 있는 바이오 잉크를 이용하여 3D 프린팅 방식으로 사람의 장기를 제작합니다. 이렇게 제작된 장기에는 세포가 포함되어 있기 때문에 실제 장기와 동일한 기능을 할 수 있어 더욱 궁극적인 인공장기 제작 기술이라고 할 수 있습니다.

 

 우리 몸의 장기를 안전하게 대체할 수 있는 수준에 도달하기 위해서는 더욱 적극적인 연구가 필요하지만, 장기이식을 기다리는 많은 환자와 가족들에게 인공장기는 새로운 희망으로 떠오르고 있습니다.

 


오늘은 어디에 비가 오면 좋을까?

 

 옛날 사람들은 가뭄이 들었을 때 기우제를 지내 신에게 비를 내려달라고 빌곤 했습니다. 날씨를 관장하는 일은 사람의 힘으로 해결할 수 없기 때문에 신에게 비는 것 밖에 달리 방법이 없었던 것이지요.

 

 2017년 개봉한 영화 ‘지오스톰’은 기후변화로 인하여 발생하는 각종 자연재해를 해결하기 위하여 날씨를 인공적으로 조절하는 프로그램을 개발하면서 이야기가 전개됩니다. 신의 영역으로 간주되어 왔던 날씨를 과학기술로 통제하는 상상은 많은 사람의 관심을 끄는 데 성공했습니다.

 

영화 '지오스톰'에 등장한 기후조절 프로그램 '더치보이' (사진출처=IMDb 홈페이지)

 

 영화처럼 자유자재로 기후를 조절할 순 없지만, 비슷한 인공 강우 시도가 이미 현실에서 이루어지고 있습니다. 지난 2007년 중국은 랴오닝성의 가뭄을 극복하기 위해 인공강우 로켓을 발사해 비를 내리게 했고, 2008년 베이징올림픽 개막식에서도 비구름이 예정보다 일찍 비를 내리게 유도하여 비로 인해 개막식을 망치는 일은 막을 수 있었습니다.

 

 이러한 기술은 비가 내리는 과학적 원리를 이용합니다. 비는 구름 속 습도가 높아지면서 수분 입자가 뭉칠 때 내리게 되는데, 인공강우 기술은 구름 속에 드라이아이스나 요오드화은(Agl)으로 이루어진 ‘응결핵’을 뿌려 빠르게 수분이 뭉치도록 만들어 비가 내리게 합니다.

 

 한계도 있습니다. ‘인공강우’는 아무것도 없는 곳에서 비가 오게 하는 것으로 인식되기 쉽지만, 현재 기술력으로는 기존의 비구름을 이용하여 강우를 조절하는 정도일 뿐 자유자재로 날씨를 조절하는 것은 불가능합니다.

 

중국항공과학기술국(CASC)이 개발한 무인 인공강우 비행체가 발사되는 모습 (사진출처=중관춘온라인)

 

 또한, 드라이아이스나 요오드화은이 환경에 어떤 영향을 줄지 불확실하며, 비가 내리는 시기를 조절함으로써 예상치 못한 곳에서 도리어 가뭄이 발생하는 등의 문제가 발생할 수도 있습니다.

 

 하지만 미세먼지, 지구온난화로 인한 가뭄 등 각종 환경 문제에 대한 해결책으로 인공강우 기술이 지속적으로 대두되는 현실 속에서, 인공강우 기술을 향한 인류의 도전은 앞으로도 계속될 것으로 예상됩니다.

 

 

성큼 다가온 인공지능의 세계

 

 인공지능(AI, Artificail Intelligence)이라는 단어가 처음 등장한 것은 1956년입니다. 인간처럼 생각하고 판단하는 존재 혹은 기술에 대한 상상은 그보다 훨씬 오래 되었지만, 본격적인 논의가 시작된 시점이라고 할 수 있습니다. 하지만 안타깝게도 지난 반세기 동안 인공지능 연구는 특별한 성과를 얻지 못했습니다.

 

 그러던 지난 2016년 3월 9일 전 세계인이 주목하는 최고의 바둑 이벤트가 펼쳐졌습니다. 세계 최고의 바둑기사로 손꼽히는 우리나라 프로바둑기사 이세돌 9단의 바둑 경기였습니다. 이세돌 9단에게 도전장을 내민 것은 놀랍게도 인공지능 ‘알파고’ 였습니다.

 

알파고는 구글 딥마인드社가 개발한 인공지능 바둑 프로그램의 이름이다.

 

 대국 시작 전부터 결과에 대한 갖가지 추측들이 오고 갔지만, 결과는 1:4로 인류 대표 이세돌의 완패 혹은 인공지능의 완승이었습니다. 클라우딩 컴퓨팅 환경 및 딥러닝 기술 등의 발전을 바탕으로 성장한 인공지능 기술의 수준을 충격적으로 보여주는 사례였습니다.

 

 상상 이상으로 ‘똑똑’해진 인공지능 기술에 두려움을 느끼거나 우려의 시선을 보내는 사람도 있었습니다. 그러나 약 2년이 흐른 지금, AI 스피커, AI 의사 등 인공지능은 빠르게 우리의 생활 곳곳에 적용되고 있으며, 사람들은 인공지능으로 인한 변화에 신속하게 적응해가고 있습니다.

 

 앞으로 인공지능이 우리의 생활을 어떻게 변화시킬지 예측하는 것은 매우 어렵습니다. 언젠가 영화 AI의 로봇 ‘데이빗’이나 아이언맨의 ‘자비스’처럼 사람들의 친구이자 동료가 되어주는 인공지능을 만나게 될 수 있지 않을까요?

 

인류와 인공지능이 함께 할 미래는 어떤 모습일까? 영화 스타워즈에 등장하는 인공지능 로봇 캐릭터 모습


사람의 손으로 탄생한 태양의 운명은?  

 

 지구온난화 등 환경 문제와 에너지 고갈은 인류가 시급히 해결해야 할 중대한 과제 중 하나입니다. 환경오염을 일으키지 않으면서 안전하고, 원하는 만큼 풍부한 에너지를 만들기 위해 고민하던 사람들에게 신이 만들어 낸 무한한 발전소 ‘태양’이 해답을 주었습니다.

 

 태양이 에너지를 만들어 내는 근본 원리는 ‘핵융합반응’입니다. 태양 중심부에서는 수소가 원자핵과 전자가 서로 분리되어있는 플라즈마 상태에서 원자핵끼리 결합하는 핵융합반응이 끊임없이 일어나고 있습니다. 원자핵이 결합하는 순간 발생하는 ‘질량결손’은 곧 우리가 보고, 느끼는 태양의 에너지가 되는 것입니다.

 

태양은 자연에 존재하는 무한발전소이다.

 

 하지만 초고온·고압의 환경 때문에 자연적으로 핵융합반응이 일어나는 태양과 달리, 지구에서 태양처럼 핵융합반응을 일으키기 위해서는 인공적으로 태양과 같은 환경을 만들어야 합니다. 먼저 태양의 온도를 뛰어넘는 1억도 이상의 플라즈마, 그리고 이 초고온의 플라즈마를 견디고, 가둘 강한 자기장을 만들어 낼 핵융합 장치, 그리고 연료인 중수소와 삼중수소가 필요합니다.

 

 전 세계의 많은 나라가 인공태양 장치를 이용해 핵융합에너지 발전을 목표로 연구를 진행하고 있으며, 우리나라도 한국형 인공태양인 ‘KSTAR’를 통해 핵융합에너지 시대를 앞당기는 뛰어난 연구 성과들을 보여주고 있습니다.

 

 하지만 아쉽게도 인공태양으로 전기를 생산하기 위해서는 약 30년의 추가 연구가 필요합니다. 현재 우리나라를 포함하여 7개국이 공동 건설 중인 초대형 인공태양 ‘국제핵융합실험로(ITER)’를 성공적으로 완공·운영하고, 마지막 관문인 ’핵융합실증로(DEMO)’ 건설을 마치면 인공태양으로 전기 에너지를 만드는 시대를 맞이하게 될 것입니다. 

 

 지구로부터 1억 5천만km 떨어진 곳, 인류의 손길이 닿을 수 없는 뜨겁고 거대한 태양이 지구 위의 인공태양으로 새롭게 탄생합니다.

 

7개 회원국이 힘을 합쳐 프랑스에 건설 중인 초대형 인공태양 장치 '국제핵융합실험로(ITER)' 최근 모습 (사진출처=ITER.org)

 

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