초전도체…현실이 될 수 있을까?

[이미지 출처= 필자가 ‘미드저니’로 만들어낸 이미지)

요즘 초전도체로 인해 많은 온라인 커뮤니티가 활기를 띄고 있습니다. 다양한 커뮤니티나 유투브 채널에서 초전도체에 대한 설명과 관련 정보가 널리 공유되고 있죠.

화제의 초전도체가 무엇인지, 간단히 정리해 보겠습니다. 초전도체를 처음 들어보거나 이미 아시는 분들도 있을 것입니다. 초전도체의 정의를 설명한 후에는 앞으로 초전도체와 관련하여 일어날 수 있는 일들에 대해 이야기해보겠습니다.

초전도체란 무엇인가

전기가 흐르는 물질의 특성에 따라 우리는 이를 여러 가지로 구분합니다. 전기가 잘 흐르는 물질을 “전도체”라고 하고, 전기가 흐르지 않는 물질을 “부도체”라고 합니다. 그리고 그 중간의 특성을 보이는 것을 우리는 “반도체”라고 부릅니다.

초전도체는 전도체 중에서도 특별한 종류로, 주요 특성은 저항이 0인 물질을 의미합니다. 하지만 현실적으로 초전도체는 항상 저항이 제로인 물질은 아닙니다. 일반적으로 매우 특정한 상황에서만 초전도성을 보이는데, 이러한 상황은 예를 들면 매우 낮은 온도나 매우 높은 압력 등이 될 수 있습니다.

최초에 오네스가 수은을 통해 초전도현상을 발견한뒤, 한동안 설명할 수 있는 이론을 못찾다가 처음으로 초전도체에 관한 이론을 정립한게 BCS 이론입니다.

BCS 이론은 John Bardeen(바딘), Leon Neil Cooper(쿠퍼), John Robert Schrieffer(슈리퍼)라는 세 명의 과학자 이름을 따서 만들어진 것으로, 전자들이 쌍을 이루어 저항을 사라지게 만든 다는 이론입니다.

여기서 재미있는 것은 바딘은 BCS이론을 통해서도 노벨상을 받지만, 이미 우리가 사용하는 트랜지스터를 발명한 업적으로도 이미 노벨상을 받았다는 점입니다(참고로 물리학에서 반도체와 초전도체는 같은 고체물리학 범주에 포함됩니다).

처음 오네스가 수은을 통해 발견한 것처럼, 일반적으로 초전도체는 영하 200도 이하의 매우 낮은 온도에서 초전도성을 나타냅니다. 그러나 최근에는 다양한 화합물이 발견되어 영하 100도 근처에서도 초전도성을 보이는 경우가 있습니다. 이러한 저온 조건은 일상 생활에서 초전도체를 사용하는 것을 매우 어렵게 합니다.

과학계는 이러한 제약을 극복하기 위해 많은 노력과 연구를 진행하고 있습니다. 초전도체의 온도를 높이기 위해 노력하고 있는데, 이를 ‘임계 온도’라고 합니다. 임계 온도를 높이면 일상적인 환경에서 초전도체의 활용 가능성이 더 높아질 것으로 기대됩니다.

최근 LK-99라는 물질이 상온에서 초전도성을 보인다는 발표가 나면서 큰 이슈가 되고 있습니다. 하지만 현재 시점에서는 아직 관련된 자료들이 없어서 그것이 진실인지, 아니면 최근의 다른 이슈들처럼 잘못된 실험 혹은 오류인지 아직은 알 수 없습니다. 따라서 이번에는 “만약에”라는 가정으로 글을 작성하도록 하겠습니다.

만약에 진짜라면…

우리가 일상에서 직접 접할 기회는 적지만, 초전도체는 매우 중요한 분야에서 사용되고 있습니다. 특히 자기공명 단층 촬영장치(MRI)에서 초전도체는 매우 중요한 역할을 합니다. MRI는 우리 몸에 문제가 있는 부분을 확인하기 위해 사용되는 장치로, 초전도 자석을 활용해 매우 강력한 자기장을 생성, 몸의 내부를 단층 촬영합니다.

그러나, 이러한 강력한 자기장을 유지하기 위해서는 내부를 매우 비싼 액체 헬륨으로 냉각해야 합니다. 이것이 MRI 촬영 비용을 비싸게 하는 이유입니다.

그러나, 상온 초전도체가 만들어진다면, MRI 등의 기술에서 사용되는 초전도체에 대한 비용이 크게 줄어들 것으로 기대됩니다. 상온에서도 초전도성을 나타내는 물질을 개발하게 된다면, 액체 헬륨처럼 비용이 큰 냉각 장치를 사용할 필요가 없어지기 때문입니다.

발전소에서 생산된 전기를 우리가 사용하는 장소까지 전달하려면 전선을 통해 전기를 전달해야 합니다. 이 과정에서는 보통 최소 3%, 많게는 10% 정도의 전력이 손실됩니다. 고전압 직류전송(HVDC)과 같은 기술이 등장하긴 했지만, 1000km 당 3% 정도의 손실이 발생합니다. 만약 5000km를 전달해야 한다면 약 15%의 손실이 발생하게 됩니다.

하지만 초전도체를 사용하면 이 손실을 거의 제로(0)에 가깝게 줄일 수 있습니다. 초전도체는 전기를 전달하는 과정에서 에너지 손실이 거의 없이 전기를 효율적으로 전달할 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 따라서 초전도체의 적용은 전력 전달 과정에서의 에너지 손실을 크게 감소시킬 수 있는 가능성을 열어놓습니다.

게다가, 동일한 전선으로 보낼 수 있는 전력의 한계값도 훨씬 큽니다. 현재 많은 지역에서 송전선으로 인한 갈등이 생기고 있는것을 생각하면 그 자체만으로도 엄청난 이득입니다.

초전도체의 활용도는 단순히 전력을 보내는것에 국한되지 않습니다. 전력 저장도 가능합니다. 초전도 전력 저장 장치(SMES) 가 대표적입니다. 초전도체를 이용한 플라이휠과 같은 장비는 전력을 조금 더 저장하기 쉽게 만들어 줍니다. 전기를 손쉽게 저장할 수 있다는것만으로도 인류의 문명을 크게 바꿀 수 있습니다.

챗GPT의 표현을 빌리면 “에너지 저장장치는 에너지를 생산하는 시간과 사용하는 시간을 분리하여, 에너지 사용 효율을 높이는데 도움”을 줍니다. 대표적으로 배터리를 사용하는 기술이 있습니다. 에너지를 생산하는 시간과 사용하는 시간을 분리해 저장할 수 있어 사용 효율을 높일 수 있습니다.

다르게 표현하면 지금 우리가 사용하는 에너지는 상당히 비효율적으로 동작합니다. 그런데, 초전도체는 이 효율을 극한으로 끌어 올려줄 수가 있습니다. 쉽게 생산이 되는 시점에 생산되는 대로 저장을 해두고, 그걸 필요할 때 필요한 만큼만 꺼내서 쓰는것이죠. 더 이상 화석연료에 고통받지 않고, 태양광과 풍력만으로도 에너지를 공급받을 수 있게 되는 것입니다.

현재 세계의 많은 연구실이 이번 발견을 지켜보고 테스트하고 있다고 합니다. 저도 해당 발표가 사실이기를 간절히 바랍니다. 그래야 지구온난화도 해결될 수 있거든요.

** 본 기사는 ChatGPT, 구글의 바드. 그리고 미드저니의 도움을 받아 작성되었습니다.

글. <정민석(harrison jung) 칼럼니스트, 꿈많은청년들 CTO>