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비행기보다 빠른 열차, 하이퍼루프

9월 20 업데이트됨

엘론 머스크의 새로운 도전

2013년, SpaceX와 Tesla Motors의 CEO인 엘론 머스크는 새로운 종류의 교통수단을 발표하였다.

마치 공상과학영화에 나오는 듯한 비주얼을 가진 이 열차는 하이퍼루프라고 불린다. 최고 속도가 거의 1200km/h로, 차세대 교통수단으로 각광받는 이 열차는 진공 자기부상열차 기술을 이용하여 마찰력과 공기저항을 최소한으로 줄임으로써 이러한 속도를 가질 수 있다. 이러한 하이퍼루프가 사회에 가져올 경제적 효과는 막대하다. 서울에서 부산까지 약 20분만에 갈 수 있으며, 건설비용도 고속철도에 비하면 저렴한 편이다. 이제부터 하이퍼루프가 정확히 어떠한 원리로 작동되는지 알아보자.


하이퍼루프의 원리

하이퍼루프는 자기장을 이용해 추진력을 얻고 바닥으로 공기를 분사해 마찰력을 줄인다. 여기에

필요한 전력은 튜브의 외벽을 감싼 태양광 패널로 얻는다

하이퍼루프는 기본적으로 진공에 가까운 튜브에서 차량을 살짝 띄움으로써 구현한다. 공기 저항과 마찰 저항을 줄이는 방식이다. 이를 실현하기 위해 사용하는 기술이 바로 진공 자기부상열차기술이다. 이는 튜브 속을 거의 진공에 가까운 상태로 유지하고, 자기력으로만 추진과 제동을 가능케 하는 기술이다. 하지만 이 기술을 구연하는 것은 어렵다.


하이퍼루프의 튜브 안은 경제적인 이유로 완전한 진공이 아닌 0.01기압으로 맞추어놓았다. 하지만, 이렇게 되면 튜브 안에 공기가 존재하므로 고려해야 할 것이 많아진다. 그중 하나가 열차의 디자인이다. 열차의 디자인은 공기저항을 최대한 줄이기 위해서 공기역학적으로 설계되어야 한다. 또한 경제적인 이유로 열차의 단면적과 튜브의 단면적은 거의 비슷해야 한다. 하지만, 열차와 터널사이의 간격이 너무 좁을 경우, 열차가 나아감에 따라 공기는 열차의 뒤로 흐르지 못하고 열차 앞에 계속 쌓여서 공기 기둥을 형성할 것이다. 하지만, 이러한 현상은 장기적으로 안전문제와 더불어서 열차의 최고속력을 크게 저해한다.

즉, 이를 해결하기 위해서는 열차와 터널의 단면적의 비율을 잘 조정해야 한다. (이때, 해당 단면적의 비율에서 열차가 가질 수 있는 최대속도를 Kantrowitz limit라고 한다) 또한 기술자들은 이 현상을 해결하기 위해 몇가지 방법을 제시하였다. 그중 하나는 electric compressor fan을 이용하여 열차의 앞에 쌓인 공기가 자연스럽게 뒤로 흐를 수 있도록 하는 것이다. 또한 이 방법을 사용할시, electric compressor fan에서 나온 공기로 열차를 뛰울 수 있다는 이점도

있다.

electric compressor fan을 통해 자연스럽게 흐르는 공기

이러한 원리를 바탕으로 실제 크기의 하이퍼루프 테스트 열차가 제조되기도 하였다.

네바다 사막에서 행해진 시험에서는 프로토타입 열차가 아닌 사람이 들어갈 수 있는 실제 크기의 테스트 열차로 약 0.45km의 시험주행 거리를 역대 최고 속도인 309km/h로 주파하는 데 성공했다. 이번 실험 성공을 통해 하이퍼루프는 현실적인 레벨의 상용화에 한 단계 가까워졌다

이와 같이 좋은 실적도 있지만, 이것이 실용화 되기 위해선 더 많은 부분이 연구되어져야 할 필요가

있다. 특히, 안전성 문제는 빼놓을 수 없다..

하이퍼루프 기업 중 하나인 Virgin Hyperloop One이 행한 실험 장면

하이퍼루프의 안전성

하이퍼루프의 경우에는 사고 발생 시 대형참사로 커질 가능성이 있으며, 밀폐된 튜브 안에서 운행하는 이동수단이기 때문에 탑승자에게 건강상의 이상이 생겼을 때도 문제가 생길 수 있다. 이 때문에 도착지까지 이동하는 동안 상황이 심각해질 수 있고, 그렇지 않은 경우는 튜브를 철거해야 한다. 사고나 테러, 관리불량등으로 구조물의 일부가 파손되거나 붕괴한 경우. 아예 구간이 무너져 버린 경우라면 쉽게 알 수 있으니 그나마 다행이지만 만약 튜브의 일부가 우그러들거나 부속품 등이 튜브 내부에 떨어지는 등 튜브의 파손을 쉽게 알아챌 수 없는 경우 초고속으로 운행하는 열차가 그것에 부딪혀 대형 참사로 번질 수가 있다. 자기부상열차는 작은 불순물 정도는 넘어갈 수 있지만 얇은 공기막 위를 날아다니는 하이퍼루프는 작은 파편도 치명적으로 작용할 수 있다.


하이퍼루프의 개발현황과 미래 사회

현재 하이퍼루프는 부쩍 현실과 가까워지고 있다. 실제로 현재 두바이는 아랍에미레이트(UAE)

아부다비와 두바이 구간의 하이퍼루프를 실제로 건설하고 있다

UAE에서 건설 예정중인 하이퍼루프

이외에도, 이 열차가 현실화한다면 차로 최소 6시간이나 걸리는 샌프란시스코~LA 구간 이동시간이 10분의 1 이하로 줄어든다. 제작 비용도 여객 전용이면 60억 달러(약 6조 7,000억 원), 여객과 화물 운송 시스템을 함께 구축하면 75억 달러밖에 소요되지 않아 현재 캘리포니아 주가 도입하려 하고 있는 고속철보다 경제적인 것으로 나타났다.


또한 한국도 이러한 하이퍼루프 연구개발을 위해 노력하고 있다. 시속 550㎞ 초고속 자기부상 열차를 개발한 한국은 열차의 동체 흔들림을 제어해 진동을 잡아주는 능동식 전진제어기를 비롯한 진공튜브를 이용한 초고속 열차에 대한 특허기술도 다량으로 보유하고 있다. 이르 기반으로 한국은, 국내 6개 공공연구기관들이 손잡고 2026년 시험운행 목표로 한국형 ‘하이퍼루프’를 공동으로 개발 하고 있다.

Unist에서 연구개발중인 하이퍼루프

<참고자료>

[1]https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3580588&cid=59088&categoryId=59096

[2]https://brilliant.org/wiki/hyperloop/

[3]http://www.gnnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=422788

[4]https://namu.wiki/w/하이퍼루프

[5]https://blog.naver.com/with_msip/221382663761


<이미지>

[1]https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3580588&cid=59088&categoryId=59096

[2]https://news.naver.com/main/read.nhn?oid=014&aid=0003996309

[3]https://brilliant.org/wiki/hyperloop/

[4]https://news.naver.com/main/read.nhn?oid=421&aid=0003012578

[5]https://blog.naver.com/hkc0929/220857163016


Physics 학생기자 박기찬

2019년 겨울호

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