[알기쉬운 과학속으로]개구리가 공중부양!


고자기장과 미소중력

추운 날씨에 목욕탕 욕조의 뜨끈뜨끈한 물속에 몸을 담그면 순식간에 얼었던 몸이 풀리고 상쾌해진다. 뿌우연 수증기를 보며 물속에 둥실 떠 있는 기분은 마치 영화 속에서 우주인이 우주유영을 하는 기분이다. 물속에서 둥실 뜨는 이유는 누구나가 다 알고 있듯이 물의 부력 때문인 것이다. '땅 짚고 헤엄치기'란 말을 들어본 적이 있을 것이다. 즉, 물속에서는 부력에 의해서 몸이 가벼워지기 때문에 땅을 짚고 몸을 쉽게 지지할 수 있는 것이다.

기체나 액체를 가열했을 때에 생기는 유체의 흐름, 또는 그 흐름에 따라서 일어나는 열의 이동을 대류라고 한다. 예를 들면, 용기에 넣은 액체를 밑에서 가열하면 가열된 액체는 팽창해서 밀도가 작아져 위쪽의 차고 밀도가 큰 액체와 자리를 바꾸어 대류가 생긴다.

즉, 밀도의 차이에 의해서 대류현상이 일어나는 것이다. 그러면 왜 밀도가 작은 것이 위로 가려고 하는 걸까? 공을 위로 던지면 계속 위로 가지 않고 땅으로 떨어진다. 왜 가던 길을 가지 못하고 떨어질까?

밀도가 큰 쪽의 액체가 아래로 내려오는 현상, 공이 땅으로 떨어지는 현상, 이 모든 현상은 바로 중력 때문에 생기는 것이다. 우리가 두 발을 땅 위에 딛고 서 있는 것은 지구의 중력이 우리를 잡고 있기 때문이다. 중력이 없다면 연기가 흩어지듯이 우주 어디론가 날아가 버릴 것이다. 달은 중력이 지구의 1/6 밖에 되지 않아서 높이뛰기가 지구에서 보다 훨씬 더 잘된다고 한다. 그 이유는 달의 질량이 지구보다 가볍기 때문이다.

우주정거장에 가 있는 우주인들을 보면 둥둥 떠 다니는 동영상을 볼 수 있다. 왜 그럴까? 지구 표면에서 멀리 떨어져 있기 때문에 중력이 작아져서 떠있을까? 답은 아니다. 만일 정지상태에서 우주정거장이 떠 있는 높이에서의 중력의 크기는 지상에서의 중력보다 약 10 % 정도 작을 뿐이기 때문이다.

우주정거장은 지표면에서 대략 350 km 떨어진 곳에서 지구를 중심으로 시속 28,000 km의 속도로 회전하고 있다. 즉 이 정도의 속도로 지구를 중심으로 회전함으로서 생기는 원심력에 의해서 지구가 당기는 힘, 즉 중력을 이겨 낼 수 있는 것이다. 그러나 엄격히 말하자면 무중력(無重力, 중력이 완전히 0)이 아니다. 우주정거장에서는 지구 중력의 약 1백만분의 1 정도의 중력을 가지며(거의 무중력 상태), 이러한 상태를 미소중력상태라고 한다.

이러한 미소중력상태를 이용하면 지구상에서는 지구 중력 때문에 불가능한 순도 100 %의 결정체를 만들 수 있으며 이와 같은 기술은 새로운 재료의 합성이나 신약의 제조에 활용될 수 있다. 또한 생명의 신비를 밝혀내기 위한 단백질체의 구조를 밝혀내기 위해서, 지구상에서는 만들기 어려운 단백질체 결정을 우주정거장에서의 미소중력상태를 이용하여 제작할 수도 있다. 그리고 식물이나 동물이 무중력상태에서 어떻게 성장하는지에 대한 연구를 할 수 있다.

그러면 지구상에서 중력을 약하게 할 수 있는 방법은 없을까?

그렇게 하여 우주정거장이 아닌 지상에서 미소중력상태를 만들어 신재료의 합성이나 순수한 단백질체 결정을 제작할 수 없을까?

그런 의문에서 생각해 낸 것으로 부력이 있다. 물 속에 들어가면 부력에 의해서 중력을 어느 정도 약하게 할 수 있다. 바로 이런 점을 이용해서 몸의 근육이나 관절이 약한 사람을 물 속에 들어가게 하여 물리치료를 하고 있다. 그러나 물의 부력만으로 미소중력을 만들기는 부족하다.

미소중력을 발생시키는 또 다른 방법은 비행기를 타고 높이 올라가서 지구를 향하여 하강하거나, 높은 탑에서 물체를 자유낙하시키면 짧은 시간이나마 미소중력상태를 만들 수 있다. 그렇지만 실제적으로 이용하기에는 너무 짧은 시간이다.

그렇다면 자기장을 이용하면 어떨까? 자기장으로 자기부상열차도 띄울 수 있는데 혹시 가능하지 않을까?

그렇다. 고자기장을 이용하면 물체를 부상시킬 수가 있다.

물질에는 일반적으로 자석에 붙지는 않아도 아주 미세한 자성을 가지고 있는 것들이 있다. 이런 성질을 이용하면 강한 자기장 속에서 부상시킬 수가 있다. 즉 고자기장의 힘이 지구 중력과 상쇄되어 부상이 가능한 것이다.

혹시 여러분들이 인터넷 상에서 찾아보면 개구리를 공중 부양하는 동영상이나 물방울이 둥둥 떠 있는 것을 볼 수 있을 것이다. 이러한 원리를 이용하여 대형의 고자기장 발생장치를 만든다면 로켓을 타고 힘들게 우주정거장에 가지 않더라도 지상의 연구실에서 미소중력상태를 만들어서 새로운 재료의 연구나 신약의 합성, 단백질체의 연구를 위한 순수한 결정을 만들 수가 있는 것이다.

/김동락 박사(한국기초과학지원연구원 고자기장연구팀)








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