비행기보다 빠른 열차 하이퍼루프

서울에서 부산까지 약 400km의 거리를 KTX를 타면 2시간 반이 걸린다. 그런데 만약 이 거리를 비행기보다 빠른 시속 1,200km로 질주하여 불과 16분 만에 주파하는 기차가 있다면 어떨까? 2013년 일론 머스크(Elon Musk)가 처음 백서(White Paper)를 통해 제안하며 전 세계 교통 공학계에 엄청난 파장을 몰고 왔던 꿈의 교통수단, '하이퍼루프(Hyperloop)' 이야기다. 하늘을 나는 비행기도 음속(시속 1,224km)을 넘기기가 힘든데, 어떻게 땅 위를 굴러가는 열차가 소리만큼 빠른 속도를 낼 수 있다는 것일까? 하이퍼루프의 핵심 아이디어는 인류가 수백 년 동안 교통수단을 만들며 가장 큰 골칫거리로 여겨왔던 두 가지의 거대한 물리적 저항, 즉 바퀴가 땅에 구르며 생기는 '마찰력'과 공기를 뚫고 나갈 때 부딪히는 끈적끈적한 '공기 저항(항력)'을 완벽하게 없애버리겠다는 극단적인 발상의 전환에서 출발한다. 물리 법칙을 우회하여 지상에서 우주의 진공 상태를 구현하려는 하이퍼루프의 기술적 메커니즘과 그 상용화를 가로막고 있는 거대한 현실의 벽을 파헤쳐 보자.

마찰을 없애다, 자기 부상의 마법

열차가 속도를 낼 때 가장 먼저 발목을 잡는 것은 바퀴와 레일 사이의 마찰력이다. 시속 300km가 넘어가는 순간 마찰로 인한 진동과 열 때문에 바퀴와 선로가 견디지 못하고 박살 나 버린다. 하이퍼루프는 이 마찰을 아예 '0'으로 만들기 위해 바퀴를 없애버리고 열차(포드, Pod)를 공중에 띄워(Levitation) 날아가게 만들었다. 자석의 같은 극끼리 서로 강하게 밀어내는 반발력을 이용한 '자기 부상' 기술이다. 코일에 전기를 흘려 강력한 전자석을 만들면, 열차 바닥과 레일이 서로 밀어내며 열차가 공중으로 1~2cm가량 붕 뜬 상태로 나아가게 된다. 마찰이 없기 때문에 아주 적은 전력(선형 유도 모터)으로 앞으로 튕겨주기만 하면, 마치 얼음판 위에서 컬링 스톤을 굴리는 것처럼 끝없이 미끄러져 나갈 수 있다. 비싼 초전도 자석이 필요한 기존 자기 부상 열차와 달리, 최근에는 열차가 앞으로 달리는 속도 자체를 이용해 자연스럽게 척력을 만들어내는 인덕트랙(Inductrack)이라는 영구자석 기반의 저비용 부상 기술이 적용되며 경제성을 끌어올리고 있다.

공기 저항을 없애다, 아진공 튜브

하지만 바퀴를 없애서 마찰력을 해결했다 하더라도 진짜 거대한 벽이 남아있다. 바로 '공기 저항'이다. 자동차나 비행기가 달릴 때 부딪히는 공기의 저항(항력)은 속도의 '제곱'에 비례해서 커진다. 즉, 열차가 2배로 빨리 달리려면 공기 저항은 4배가 되고, 이를 뚫고 나가기 위한 엔진의 연료는 8배(세제곱)로 엄청나게 소모된다. 시속 1,000km를 넘기면 공기는 벽돌처럼 단단한 벽이 되어 기체 앞을 가로막는다. 하이퍼루프는 이 문제를 해결하기 위해 아예 열차가 달리는 길(선로) 전체를 거대한 밀폐 튜브로 감싸버리고, 강력한 펌프로 튜브 안의 공기를 다 뽑아내어 기압을 지구 대기압의 1,000분의 1 수준(아진공 상태)으로 낮춰버린다. 고도 60km 상공의 우주 공간과 똑같은 진공 상태를 땅 위에 만들어버린 것이다. 공기가 거의 없으니 부딪힐 저항도 없고 굉음을 내는 소음도 사라진다. 결국 진공 튜브 안에서 공중에 뜬 채로 달리는 하이퍼루프는 마찰과 공기저항이라는 두 개의 족쇄를 모두 풀고 물리적 한계치인 음속까지 무한 질주할 수 있게 된다.

칸트로비츠 한계, 막힌 파이프의 주사기

진공 튜브 아이디어가 완벽해 보이지만, 유체역학적으로 가장 끔찍한 함정이 하나 도사리고 있다. 이른바 '칸트로비츠 한계(Kantrowitz Limit)'라 불리는 공기 압축 현상이다. 아무리 펌프로 공기를 빼낸다 해도 튜브 안에는 미세한 공기가 남아있다. 열차가 이 좁은 튜브 안을 맹렬한 속도로 질주하면, 열차 앞쪽으로 밀려난 공기들이 열차와 튜브 벽면 사이의 좁은 틈새로 미처 빠져나가지 못하고 꽉 막혀버린다. 마치 꽉 막힌 주사기를 누를 때처럼 열차 앞쪽의 압력이 미친 듯이 높아져(초크 현상) 튜브 자체가 터져버리거나 열차가 더 이상 전진하지 못하고 멈춰버리게 되는 것이다. 일론 머스크는 이 막힌 공기를 뚫기 위해 열차 맨 앞부분에 거대한 팬(Fan, 압축기)을 달자는 기발한 아이디어를 냈다. 열차 앞으로 뭉친 끈적한 공기를 팬으로 강력하게 빨아들인 뒤, 열차 꽁무니나 바닥 아래로 뿜어내어 에어하키 테이블처럼 열차를 띄우는 추진력으로 재활용하자는 것이다. 이는 튜브 안의 유체역학적 병목 현상을 해결하는 핵심 기술이다.

꿈과 현실 사이, 상용화를 가로막는 거대한 장벽

기술적인 원리는 아름답지만, 이를 수백 킬로미터의 거리에 현실로 구현하는 것은 완전히 다른 차원의 토목공학적 악몽이다. 서울에서 부산까지 400km 길이의 거대한 강철 튜브를 건설하고, 그 튜브의 이음새 단 한 곳에서도 공기가 새어나가지 못하게 완벽한 밀폐 용접을 해야 한다.