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201807.03

테슬라, 전기자동차 말고 또 있다?

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/825

‘테슬라’, 하면 무엇이 생각나시나요?

 

 대다수의 사람들의 머릿속에 가장 먼저 떠오르는 것은 미국의 전기차 제작회사인 ‘테슬라 모터스’일 것입니다. 이 회사의 이름을 ‘테슬라’라고 지은 데에는 아주 중요한 의미가 있는데요.

 

 사실 ‘테슬라’라는 사명은 물리학자이자 전기공학자인 ‘니콜라 테슬라’의 이름에서 유래했습니다. 니콜라 테슬라가 1888년 특허를 낸 ‘AC 인덕션 모터’로 전기 스포츠카를 만들겠다는 포부가 현재 테슬라모터스의 최초 목표였기 때문이죠. 테슬라 모터스는 2008년 첫 전기 스포츠카인 ‘로드스터’ 판매를 시작으로 현재까지 전기 자동차 업계를 주도하는 최고의 회사로 인정받고 있습니다.

 

테슬라 모터스

 


자기장의 아버지, 니콜라 테슬라

 

 니콜라 테슬라(Nikola Tesla). 너무나도 유명한 과학자 에디슨의 그늘에 가려 에디슨 만큼 주목받진 못했지만 그는 에디슨에 버금가는 최고의 과학자였습니다. 발명의 천재, 괴짜 과학자, 전기의 천재, 뉴욕의 마술사 등 다양한 별명에 걸맞게 그의 특이한 면모도 주목받았습니다. 예를 들어, 그는 식사 전에는 꼭 식기가 빛이 날 정도로 닦아야 했고, 음식의 부피를 계산하면서 식사를 하거나, 숙박할 방의 호실은 3의 배수여야만 머무르기도 했죠.

 

 하지만 무엇보다도 주목해야 할 사실은 그는 현대의 전기 문명을 있게 한 위대한 과학자라는 사실입니다. 교류발전기와 송·배전 시스템을 만들어냈고, ‘테슬라 코일’을 제작해 당시 60Hz에 이르던 가정용 전기를 수천Hz의 고주파로 만들어 최초의 형광등과 네온등을 만들어내기도 했죠. 우리가 누리고 있는 모든 전기 시스템의 원리는 테슬라가 개척해 이루어진 산물이라고 해도 과언이 아닙니다.

 

 이렇게 위대한 과학자 ‘테슬라’의 이름이 전기자동차 회사의 이름이 되기 전 더욱 먼저 쓰인 곳이 있습니다. 바로 자기장의 세기를 나타내는 단위, ‘테슬라(T)’입니다. 1961년 파리 국제순수 및 응용물리학 연맹(IUPAP)의 표준단위 및 그 정의에 관한 위원회는 자기장의 세기를 나타내는 단위로 테슬라를 사용할 것을 결정하였습니다. 수많은 발명품을 만들어 전기 이용 발전에 혁혁한 공을 세운 니콜라 테슬라를 기억하기 위한 결정이었죠.

 

니콜라 테슬라는 기술 발전의 문을 연 공로를 인정받아 2003년 세르비아 화폐의 모델로 등재되었다.

 


또 다른 자기장의 단위가 있다?

 

 하지만 우리가 ‘테슬라’라는 단위를 생각만큼 쉽게 접하기 어려운 이유는 ‘테슬라’급 자성은 너무 강해서 실생활에서는 별로 쓸 일이 없기 때문입니다. 대신 국제단위계에서는 테슬라보다 더 작은 단위를 지정해놓았습니다. 바로 가우스(G)라는 단위입니다. 이 단위의 이름 또한 독일의 수학자이자 물리학자인 카를 프리드리히 가우스의 이름에서 유래했습니다. 1 테슬라(T)는 10,000 가우스(G)로 정말 센 자기장을 다룰 때 테슬라(T)를 사용하여 표현합니다.

 

1T = 10,000G

 

 실제 예를 통해 테슬라가 얼마나 큰 단위인지 알아보겠습니다. 첫째로 일종의 거대한 자석인 지구의 자기장의 세기는 약 0.5G에 불과합니다. 매일 사용하는 냉장고에 들어가는 자석의 자기장 세기는 0.01T, 손으로 떼기 힘든 강한 자석도 0.1T 정도가 됩니다. 병원에서 사용하는 MRI 자석의 자기장도 1.5~3T 정도이죠. 이렇게 비교하니 1T가 얼마나 센 자기장을 표현하는지 느껴지시나요?

 

 그렇다면 이보다 더 큰 자기장을 발생시키는 자석은 없을까요?

 


KSTAR의 자기장 세기는 7.2테슬라!

 

 무려 7.2T의 자기장을 발생시키는 자석이 있습니다. 바로 우리나라 기술로 만든 인공태양 장치 KSTAR에 설치된 초전도자석입니다. KSTAR 초전도 자석에서 발생하는 자기장은 최대 7.2T에 달합니다. 지구자기장보다 약 14만 배 센 자기장이죠.

 

 왜 이렇게 강한 자기장이 필요할까요?

 

 핵융합연구장치는 태양이 에너지를 만드는 원리인 ‘핵융합 반응’을 통해 태양처럼 무한하고 청정한 에너지를 만들기 위한 연구를 수행합니다. 태양의 중심에서는 원자핵과 전자가 서로 분리되어 있는 물질의 네 번째 상태 ‘플라즈마’ 상태에서 수소 원자핵과 원자핵이 서로 부딪치며 에너지를 발생시키는 핵융합 반응이 일어나고 있습니다. 태양은 강한 중력으로 플라즈마를 꽉 묶어두어 자연스럽게 핵융합 반응이 일어날 수 있지만, 지구의 환경에서는 중력 대신 자기장을 이용하여 플라즈마를 가둘 수 밖에 없습니다. 즉 플라즈마를 가두어 핵융합 반응을 일으키기 위해 강한 자기장이 필요한 것입니다.

 

 

 

 또한, 일반 상전도 자석은 높은 전류를 오랫동안 흘려줄 경우 저항 때문에 자석이 버티지 못하므로 극저온 상태에서 저항이 발생하지 않는 특별한 자석인 ‘초전도 자석’을 사용합니다. 액체헬륨으로 영하 –268℃ 이하로 온도를 낮춰주면 오랫동안 높은 전류를 흘려주어도 저항이 없어 열이 발생하지 않습니다. 강한 자기장을 오랫동안 유지시켜야 하는 핵융합연구장치에 초전도자석이 필수인 이유이죠.  

 

 

 특히 한국의 인공태양 KSTAR 장치는 만들기는 매우 까다롭지만 성능이 좋은 ‘나이오븀-주석’ 합금 소재로 만든 초전도자석을 사용했습니다. 우수한 초전도자석의 성능과 완벽에 가까운 조립을 통해 완성된 세계 최고의 장치를 통해 매년 놀라운 연구 성과를 보여주고 있습니다. 전 세계 7개국이 공동으로 건설 중인 국제핵융합실험로(ITER) 장치에도 KSTAR와 동일한 초전도자석이 활용될 예정이죠.

 

 하지만 KSTAR보다 높이만도 약 세 배 큰 장치인 ITER에는 크기도 훨씬 크고, 자기장도 더 강한 자석이 사용될 예정입니다. ITER 장치에 설치되는 자석 중 장치의 중심에 설치되는 솔레노이드 코일의 최대 자기장 세기는 무려 13T에 달합니다. 자기장의 세기만 보더라도 얼마나 놀라운 장치인지 알 수 있겠죠?

 

KSTAR의 나이오븀-주석 합금 소재로 만든 초전도 선재


오래도록 기억될 이름 ‘테슬라’

 

 핵융합 연구에서 기억되는 ‘테슬라’는 자기장 단위로서의 ‘테슬라’ 뿐만이 아닙니다. 인류의에너지 문제 해결이라는 중대한 과제를 짊어진 핵융합 연구의 여정 속에는 니콜라 테슬라가 지녔던 과학자로서의 자세와 정신도 매우 중요한 자산입니다.

 

미래가 진실을 말하도록 두라. 내 업적과 성과는 하나하나 미래에서 평가받을 것이다.
내가 진정으로 일함으로써 얻은 미래만큼은 다른 누구도 아닌 나의 것이다.”
                                                                                                   -니콜라 테슬라

 

 테슬라가 남긴 말을 통해 비록 오랜 시간 에디슨의 그늘에 가려져 있었지만, 그 누구보다 새로운 것을 발견하려 했던 집요함과 인내, 후세의 과학자들에게 여전히 영감을 주는 그의 수많은 도전 등 시대를 앞서나간 니콜라 테슬라의 마음가짐과 자세를 확인할 수 있습니다.

 

 니콜라 테슬라가 바랐던 것처럼 테슬라의 이름과 성과는 자동차 회사의 이름 속에서, 자기장의 단위 속에서 그리고 록밴드, 공항, 연극, 오페라 등등 우리의 일상 속에서 오래도록 기억될 것입니다.

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