헬기 고도 한계에는 2가지가 있습니다. 헬리콥터의 비행규정(성능표)을 보면 고도 한계는 4,600m(1,4000ft)로 되어 있습니다.
성능표에 따르면 최고 4,600m까지 비행이 가능하지만, 사실 알아두어야 할 또 다른 한계가 존재합니다.
그것은 인간의 고도한계입니다. 헬기는 항공기와 달리 기내가 기압의 영향을 받습니다. 대기 중에 산소가 차지하는 비중은 지상에서 상공에 이르기까지 일정하므로, 고도가 높아짐에 따른 대기압이 감소, 즉 공기 밀도의 감소에 따라 산소도 적어집니다. 개인차가 있지만 일반적으로 3,300m 이상에서 '저산소증' 위험이 발생하고 산소공급이 필요합니다.
'저산소증'이란 인간의 뇌 및 기타 기능에 장애를 초래할 정도로 체내 산소가 부족한 상태를 말합니다.
따라서 높은 고도에서의 활동시에는 2가지의 한계(헬리콥터의 고도한계와 인간의 고도한계)를 이해할 필요가 있습니다.
그리고 저산소증은 전구증상 없이 갑자기 찾아오기 때문에 방심할 수 없습니다.
* 구글에서 "Helicopter altitude limit"로 검색한 결과, 2,5000ft 즉 7.62킬로미터까지 비행할 수 있다고 간략결과를 표시합니다
출처 참조 번역 Helicopter altitude limit https://www.google.com/search?q=Helicopter+altitude+limit&source=lmns&bih=560&biw=360&client=ms-android-xiaomi&prmd=vin&hl=en&sa=X&ved=2ahUKEwin94fhxtftAhUKBJQKHcQmALkQ_AUoAHoECAAQAw#sbfbu=1&pi=Helicopter%20altitude%20limit
by Mike Mozart. https://www.flickr.com/photos/jeepersmedia/
펩시코의 과자브랜드 Frito-Lay가 제조 · 판매하는 스낵인 '치토스'는 세계 40개국 이상에서 판매되는 인기있는 과자입니다. 펩시코는 치토스의 품질을 유지하는 프로세스를 효율화하기 위해 Microsoft의 산업AI 개발플랫폼 Project Bonsai를 이용하고 있습니다.
많은 사람은 치토스를 먹으며 일일이 모양과 밀도에 주의를 기울이지 않지만, 공장에서는 치토스의 품질을 일정하게 유지하기 위해 생산공정을 엄격히 감시하고 있습니다. 치토스의 제조에는 재료와 물의 배합, 반죽의 절단 등 다양한 공정이 필요하며, 여러 프로세스 중 어딘가에 이상이 있으면 치토스의 품질이 떨어지고 출하를 할 수 없게 되어버린다는 것.
펩시코는 몇 년 전부터 다양한 사업에 AI를 도입하는 움직임을 진행하고 있으며, 이러한 노력의 일환으로 치토스의 품질 검사에 Microsoft의 Project Bonsai 솔루션을 도입하기로 했습니다. Project Bonsai는 산업용으로 개발된 AI 개발플랫폼이며, 엔지니어가 데이터 사이언스의 고급지식을 가지고 있지 않아도 템플릿과 직관적인 경험을 통해 AI를 만들 수 있다고 합니다.
AI를 개발하기 위해서는 훈련에 필요한 교육 데이터를 수집해야 하지만, 갑작스럽게 실제 제조공정을 사용하여 AI를 훈련하는 것은 안전성과 생산 스케줄 문제로 불가능했습니다. 그래서 개발자는 현장에서 품질관리를 수행하는 운영자와 협력하여 생산라인을 가능한 한 충실히 재현하는 시뮬레이터를 구축했다고 합니다. 이 시뮬레이터를 이용하여 AI를 훈련하고 그 과정에 작업자의 피드백을 도입하여 학습효율을 올렸다고 개발자들은 말합니다.
또한 제조공정을 AI가 제어할 때 극단적인 행동을 하지 않도록 개발자는 전문가의 지시에 따라 몇 가지 안전규칙을 AI에 프로그래밍했습니다. 실제 현장에 입각한 규칙을 마련함으로써, AI가 재료를 틀에 밀어넣는 속도 등을 단계적으로 조정하게 되어 급격한 조정에 의해 머신이 손상되는 등의 위험이 줄어든다는 것. 이러한 제한을 AI에 도입하기 위해서는 현장을 아는 오퍼레이터의 존재가 중요하다고 Microsoft는 지적합니다.
Andrew _ B. https://www.flickr.com/photos/andrew_bolin/3464270459/
시뮬레이션을 반복하여 개발된 치토스 품질 모니터링 AI솔루션은 '권장모드'와 '폐루프 제어모드'라는 2가지 모드가 있습니다. 어느 모드에서도 AI는 지속적으로 치토스의 품질을 계속해서 측정하지만, 권장모드는 품질이 기준에서 벗어나면 운영자에게 경고하고 품질을 복원에 필요하다고 생각되는 조정을 '추천'합니다. 운영자는 이 권고사항을 참고하여 컴퓨터에 어떤 조정을 할 것인지를 결정합니다. 한편 '폐루프 제어모드'에서는 사업자에 대한 권장 프로세스를 생략하고 제조공정의 사양을 직접 조정한다고 합니다.
지금까지의 제조공정은 작업자가 일정한 간격으로 치토스를 샘플링하여 품질을 측정한 후 문제가 있으면 컴퓨터의 사양을 조정하는 구조였습니다. 이 방법은 샘플링의 빈도에 제한이 있기 때문에 초기의 검사와 최신 검사 사이에, 품질이 기준에 미달하는 치토스를 장시간 계속 제조하게 될 가능성이 있습니다. 반면 AI솔루션은 지속적인 품질 모니터링이 가능하여서 품질이 기준을 벗어나면 즉시 대응할 수 있습니다.
by Mike Mozart https://www.flickr.com/photos/jeepersmedia/
앞으로 펩시코는 Project Bonsai의 AI솔루션을 생산공장에 도입할 예정이며, 치토스 이외의 제조공정에도 비슷한 AI를 적용할 방법을 모색하고 있다고 합니다. 펩시코의 수석주간엔지니어인 Sean Eichenlaub 씨는 "치토스의 성형라인은 우리의 원리실증이었습니다. 이것은 제조공정 제어의 미래입니다. 우리는 AI 기반의 자동화를 사용하여 제품의 일관성을 향상시키고 있습니다"라고 말합니다.
또한 펩시코의 글로벌식품연구개발담당 부사장인 Denise Lefebvre 씨도 "우리의 가장 사랑받는 브랜드 중 하나인 치토스는 22개국에서 생산되고 있으며 50종류 이상의 맛이 있습니다. Project Bonsai의 기술은 각각의 치토스가 완벽하다는 것을 보장하는데 도움이 되며, 이 가능성에 흥분하고 있습니다"라고 말합니다.
by California Sea Grant https://www.flickr.com/photos/caseagrant/
북부 태평양에 서식하는 은연어는 민물인 강에서 태어나 1~2년을 강에서 보낸 후 바다로 내려가 산란하는 시기가 되면 다시 강으로 돌아오는 강해(降海)형 물고기입니다. 미국 워싱턴주에서 발생한 '비가 내리면 하천의 은연어가 떼죽음해버린다'는 수수께끼를 조사한 연구자들이 약 20년 만에 그 원인을 규명했습니다.
강해형 물고기인 은연어는 산란시기에 하천으로 돌아옵니다만, 하구의 축소와 댐 건설 등 환경의 변화로 인해 워싱턴주 시애틀에서는 개체 수가 감소하고 있었습니다. 그리고 2000년경에 시애틀의 당국자들이 퓨젓사운드(Puget Sound)만의 하천을 복구하는 프로젝트에 수백만 달러(수억 원)를 지출하여 식물을 부활시켜 강바닥의 진흙을 줄인 결과, 간신히 은연어가 시애틀의 하천으로 돌아왔습니다.
그러나 이 지역에 비만 내리면 하천의 은연어의 헤엄치는 모습이 이상해졌고 절반 이상이 죽어버렸습니다. 일부 하천은 무려 90%의 은연어가 떼죽음했다고 합니다. 이 불가사의한 은연어의 떼죽음은 태평양 연안 각지에서 보고되고 있었으며, 생물학자들은 그 원인을 밝혀 내기 위한 조사에 착수했습니다.
사진 왼쪽이 연구팀의 일원인 워싱턴대학의 환경공학자인 Edward Kolodziej 교수, 오른쪽이 워싱턴 주립대학 Jenifer McIntyre 조교수. McIntyre 씨는 이처럼 많은 물고기가 죽는 사태는 놀라웠다며 "조사 초기 몇 년 동안 우리는 떼죽음의 원인이 무엇인지에 대해 치열하게 논의했다"고 말합니다.
by Mark Stone / University of Washington
조사팀은 은연어가 죽은 도시 하천에서 수중의 금속 농도와 화학물질, 수온을 조사했지만 뚜렷한 단서는 얻을 수 없었던 것. 또한 은연어가 죽은 상황은 산소결핍처럼 보였지만, 수중의 산소 농도가 낮지도 않았고 감염이나 농약이 원인이라는 설도 부정되었습니다.
몇 년 동안 폐사가 일어난 강과 일어나지 않은 하천을 비교하여 '비가 온 후 떼죽음이 발생한다'는 상황을 고려한 연구팀은 '도로의 물질이 빗물에 의해 하천에 흘러들어 간 것이 원인이 아닐까'라는 가설을 세웠습니다. 이 가설을 확인하기 위해 연구팀은 자동차에 사용되는 중금속이나 오일 등 도로에 확산될 수 있는 화학물질을 포함한 물에 은연어를 노출시키는 테스트를 실시. 그런데 이 물질이 고농도로 함유된 물에 노출되어도 은연어는 죽지 않았다고 합니다.
그래서 연구팀은 실험적인 환경이 아닌 실제 도로에서 빗물을 채취하여 동일한 실험을 실시했습니다. 그러자 은연어는 강에서 보이던 떼죽음과 비슷한 증상을 보이며 죽었습니다. McIntyre 씨는 이 물이 오염이 심한 장소가 아닌 일반도로에서 채취된 것이라는 점에서, 사람들이 주목하지 않은 화학물질이 은연어를 죽게하는 원인이라고 추정했습니다.
이 결과를 받아 Kolodziej 씨가 실험에 사용한 빗물과 은연어가 죽은 하천에서 채취된 샘플의 화학성분을 비교한 결과, '자동차 타이어' 입자에 대한 화학물질이 동일하다는 점이 밝혀졌습니다. 연구팀이 재단한 타이어를 담근 물에서 은연어를 테스트했는데, 역시 은연어는 떼죽음 때와 비슷한 양상으로 죽었습니다.
그 후 연구팀은 타이어에 포함된 1,500 ~ 2,800가지의 화학물질을 다양한 계통으로 분류하고 은연어에 독성을 조사했습니다. 이 방법으로 연구팀은 약 200가지의 화학물질까지 후보를 좁혔고, 최종적으로 문제의 화학물질을 구성하는 원자까지 확인했습니다.
논문의 대표저자인 Zhenyu Tian 씨는 "우리는 유독하다고 추정되는 화학물질이 18개의 탄소, 22개의 수소, 2개의 질소, 2개의 산소로 이루어졌다는 것을 알고 있었습니다. 그리고 이것이 무엇인지를 규명하려고 시도했습니다"라고 말합니다. 그런데 타이어에 사용되는 물질에 이러한 화학물질이 포함되어 있지 않았고, 어떻게 타이어를 담근 용액에 이 물질이 존재하는지 몰랐다고 합니다.
한동안 고민하던 Tian 씨였지만, 어느 날 '문제의 물질은 처음부터 이 상태에서 타이어에 첨가된 것이 아니라, 첨가된 후 화학반응을 일으켜 이 상태가 된 것은 아닐까'라는 아이디어가 떠올랐다고 합니다. 반응하기 쉬운 산소와 수소를 제외하고 탄소와 질소가 일치하는 화학물질을 탐색한 결과, 타이어의 열화방지제로 쓰이는 '6PPD'라는 물질에 도달했습니다.
조사 결과, 6PPD가 도로에 마찰되면 오존과 반응하여 '6PPD-quinone'이라는 문제의 화학물질이 만들어진다는 것을 알 수 있었습니다. 실제로 6PPD-quinone을 포함한 물에 은연어를 노출시키자 은연어는 산소결핍과 유사한 증상으로 죽는다는 것이 확인되었습니다. 6PPD-quinone이 은연어를 죽이는 메커니즘은 알 수 없었지만, McIntyre 씨는 은연어의 혈관계에 6PPD-quinone이 작용할 가능성이 있다고 추정합니다.
by Bureau of Land Management Oregon and Washington https://www.flickr.com/photos/blmoregon/
연구팀은 타이어 업계와 논의하여 제조업체가 대체 열화방지제를 찾도록 요구하는 것 외에 다른 물고기에 미치는 영향에 대해서도 조사하고 있다고 합니다. 또한 타이어는 경기장의 인조잔디로 재활용되는 경우가 많아서 인간에 미치는 영향에 대해서도 연구팀은 우려하고 있습니다. Kolodziej 씨는 인간이 그 전모를 파악할 수 없는 속도로 새로운 화학물질을 생산하고 있으며, 인위적으로 만들어진 화학물질 중에는 인식되지 않았을 뿐 유해한 것도 있다고 지적합니다.
Amazon은 2019년에 총 3236개의 인공위성을 3개의 위성 궤도에 설치해, 전세계를 인터넷으로 연결하는 계획 'Project Kuiper'를 시작했습니다. 이 Project Kuiper를 실현하기 위해 개발을 계속하던 Amazon이 "지금보다 저렴한 비용으로 고속 · 고성능을 실현하는 단말기용 안테나를 새로 발명했다"고 발표했습니다.
2020년 12월 16일 Amazon은 Project Kuiper의 인공위성 개발에 큰 돌파구가 생겼다고 발표했습니다. Amazon에 따르면, 인공위성에 연결하기 위한 저비용 고객 단말기의 초기 개발에 성공한 것. 이 안테나는 기존 안테나보다 작고 가벼운 디자인으로 되어있어 고속에서도 낮은 지연의 광대역을 실현한다고 Amazon은 주장합니다. 안테나의 프로토 타입은 이미 테스트에서 400Mbps를 기록했으며, 향후 그 성능은 더욱 향상되어 갈 전망입니다.
Project Kuiper 기술담당 바이스 프레지던트를 맡는 Rajeev Badyal 씨는 "충분히 서비스가 제공되지 않거나 전혀 제공되지 않는 지역사회에 변화를 일으키기 위해서는 고객에게 저렴한 가격으로 서비스를 전달해야 합니다. 이 간단한 사실은 Project Kuiper의 기본 이념입니다. 저렴한 가격의 고객 단말기를 만들기 위해 더 가볍고 컴팩트한 Phased array 안테나의 발명으로 이어졌습니다. 이 작은 부분이 이러한 속도와 성능을 실현한다는 것은 놀라운 사실입니다"라고 말합니다.
Badyal 씨의 발언에서 알 수 있듯이, Amazon은 제조비용을 절감하기 위해 '안테나의 중요와 복잡성을 줄인다'는 접근방식을 취했습니다. 기존의 Ka밴드는 송신안테나와 수신안테나를 병렬로 배치하는 구조에 더 큰 표면적을 필요로 하고 있었습니다만, Amazon의 안테나는 '작은 안테나를 더 큰 안테나에 겹친다'라는 설계로 되어 있습니다. 이 기술은 성능을 내면서도 표면적을 줄여 제조비용을 절감하는 데 일조했다고 합니다.
실제로 Amazon의 엔지니어가 안테나 테스트를 실시한 결과, 최대 400Mbps를 실현했고 위성으로 4K 품질의 영상을 스트리밍하는 데 성공했다는 것.
또한 Project Kuiper가 현실화되기 위해서는 위성 궤도의 착종 대책 외에도 기능이 정지한 위성의 처분에 대해 연방통신위원회(FCC)의 엄격한 심사를 통과해야 했는데, 2020년 7월에 Amazon은 FCC 승인을 얻었다고 발표했습니다.
얼음에는 다수의 결정체가 있으며 초고압이라면 '수백도의 얼음'도 존재한다. 지금까지 존재가 예측되었으나 유일하게 확인되지 않았던 'XV상'의 얼음이 실험실 환경에서 처음 생성되었다.
얼음의 위상은 물의 분자가 얼마나 긴밀하게 어떤 구조로 배열되어 있는지에 따라 얼음을 분류한 것이다. 이들은 발견 순으로 명명되어 있다. 이번에 XV상의 얼음을 발견하였고 이에 지금까지 확인된 얼음의 형태는 총 16가지가 되었다 ( 'I상' 얼음에는 2종류가 있다). 연구진은 이전부터 XV상 얼음의 존재를 예언했지만, 지금까지 확인되지 않았다.
그러나 지구상에서 볼 수 있는 얼음 대부분은 I상 얼음 중 'Ih상'라는 것이다. h는 육각형의 '육방'을 나타내는 hexagonal의 머리글자에서 따온 것으로, 눈의 결정이 육각형인 것은 이 때문이다.
"우리는 물의 위상 다이어그램에서 물음표를 제거했다"고 영국의 옥스포드대학의 Christoph Salzmann 박사는 말한다. 위상 다이어그램(상태 다이어그램, phase diagram)은 임의의 기압과 온도의 경우 분자가 어떤 운동을 하는지를 도식화한 것이다.
미확인이었던 XV상 얼음을 생성하기 위해 Salzmann 박사팀은 다른 'VI상' 얼음의 온도를 낮추어갔다. 온도를 130켈빈(섭씨 마이너스 143도)까지 낮추고 압력을 1기가파스칼(약 1만 기압)으로 유지하자, VI상 얼음의 무질서한 수소원자의 결합이 갑자기 규칙적인 긴밀한 구조가 되었고 XV상 얼음이 생성되었다.
영문 Wikipedia에 따르면, VI상은 실온 정도의 270K/1.1Gp. XV상은 VI상이 '양성자 질서화'한 상태이다. 얼음은 아이스 룰이라는 제약이 있어, 얼음의 수소원자(양성자)가 존재하는 평형위치는 절대영도에서도 질서화하지 않고 임의이며 열역학 제3법칙(절대 영도의 모든 원자는 질서화하고 엔트로피는 제로에 가까워진다)에 맞지 않지만, 어떤 종류의 작업으로 양성자 질서화가 가능하다고 한다
기존의 예측에 따르면 XV상 얼음은 강유전체, 즉 전하를 전달 수 있는 것으로 예측되었다. 얼음에 이러한 특성이 있다면, 행성의 지형과 관련된 현상이 일어났을 때 흥미로운 영향을 미쳤을지도 모른다고 Salzmann 박사는 말한다. 하지만 실제 만들어진 XV상 얼음은 전하가 모두 무효가 되는 형태로 물 분자가 배열되어 있었다.
XV상 얼음은 고압 · 저온 환경에서 안정되기 때문에, 그것이 존재할 수 있는 환경은 우주의 어딘가 얼음으로 뒤덮인 행성이나 위성의 땅속 깊은 곳일 것이라고 Salzmann 박사는 말한다. 지구상에서는 XV상 얼음이 안정된 상태를 유지하는 고압의 환경이 초고온도가 되어 버리므로, XV상 얼음이 존재할 수 없다고 박사는 말한다.
출처 참조 번역 「熱い氷」がある世界：超高圧で「第15相の氷」を生成 https://wired.jp/2009/09/15/%E3%80%8C%E7%86%B1%E3%81%84%E6%B0%B7%E3%80%8D%E3%81%8C%E3%81%82%E3%82%8B%E4%B8%96%E7%95%8C%EF%BC%9A%E8%B6%85%E9%AB%98%E5%9C%A7%E3%81%A7%E3%80%8C%E7%AC%AC15%E7%9B%B8%E3%81%AE%E6%B0%B7%E3%80%8D%E3%82%92/
운전 중의 사고나 문제는 언제 어디에서 발생할지 예상하기가 어렵습니다. 모처럼 블랙박스를 탑재하고 있어도 카메라가 촬영할 수 없는 사각지대에서 문제가 일어나면 설치한 의미가 반감되어 버립니다.
720도 카메라 장착 블랙박스란?
720도는 수평 방향으로 360도, 그리고 수직 방향으로 360도를 의미합니다. 차를 푹 감싸는 형태로 전방위 720도를 기록할 수 있습니다. 카메라에 탑재하는 렌즈의 수를 늘려, 광범위한 영역을 커버할 수 있도록 고안되었고, 영상을 결합하여 720도 전방위 확인 및 녹화가 가능합니다.
720도 카메라 장착 블랙박스를 도입하는 이유는 '문제의 순간을 놓치지 않는다'는 점입니다. 충돌이나 보복운전, 교통사고 등의 문제가 항상 자신의 앞을 향해 발생하지는 않습니다.
720도 모든 것을 확인할 수 있는 블랙박스라면 어떤 방향으로부터의 문제에도 대응할 수 있습니다. 증거가 되는 영상을 확실히 녹화해 줄 것입니다. 블랙박스를 탑재한 차량이 증가하고 있는 지금, 카메라의 사각을 노린 사고나 공격에도 대응할 수 있습니다.
720도 카메라 장착 블랙박스의 단점
720도 카메라 장착 블랙박스의 단점은 '선택할 수 있는 기종이 적다'는 점을 들 수 있습니다. 그리고 가격이 비싸다는 특징도 있습니다. 그러나 앞으로 720도 카메라가 장착된 블랙박스의 종류도 점차 늘어날 가능성도 있습니다. 그렇게 되면 가격 하락도 예상되기 때문에 '언제 사는지'가 중요한 포인트가 됩니다. 블랙박스의 사각지대를 없애고 싶은 분에게 720도 카메라 장착 블랙박스는 강한 아군이 되어 줄 것입니다. 아직 제품이 한정되어 있고 고가라는 단점은 있지만, 더 큰 안정감을 얻을 수 있을 것입니다.
배터리가 열화되면 성능을 발휘하지 못하고, 필요로 하는 전압을 유지할 수 없게 됩니다. 배터리가 정상이어도 정차 중에는 전자제품이 대기전력을 소비합니다. 따라서 정차해있는 기간이 길어지면 배터리가 소모되어 블랙박스가 자동정지하는 경우가 있습니다. 요즘은 많은 전자제품이 장착되어 있으며, 주차 중에도 암전류라 불리는 전력이 소비되고 있기 때문에 무시할 수 없습니다. 또한 겨울은 저온이라 배터리의 성능을 충분히 발휘할 수 없는 상태가 되기 쉬우므로 주의해야 합니다.
블랙박스의 주차감시로 인해 배터리가 바닥났을 경우의 대처법
배터리가 바닥났다면 다른 차를 준비하여 부스터 케이블로 서로의 배터리에 연결하면 셀모터를 시동시켜 시동을 걸 수 있습니다. 일단 엔진이 걸리면 주행으로 배터리를 충전할 수 있습니다. 이 방법이 가장 일반적인 배터리 방전의 대처법입니다.
다른 대처법으로는 바닥난 배터리를 새것으로 교체하는 것입니다. 교환시기가 가까운 경우에는 배터리 상승을 계기로 교환해 버리는 것도 하나의 방법입니다. 배터리를 교체한 경우 상시 전원이 제거된 상태가 되므로, 전자제품의 메모리가 초기화되는 경우가 있으므로 주의합시다. 초기화를 피하고자 한다면, 백업 전원을 별도로 준비해야 합니다.
블랙박스의 주차감시로 인한 배터리 방전을 일으키지 않기 위한 대책
블랙박스에 따라 전압값을 모니터하게 하여, 일정 값보다 전압이 하강하면 전원을 자동차단하는 기능을 활용할 수 있습니다. 또한 일정 시간이 경과되면 자동으로 작동을 정지할 수 있도록 타이머 기능을 갖춘 전원케이블도 있습니다.
인간의 영혼은 수명이 있는 육체에 묶여있어 '육체로부터 해방되고 싶다'는 소망은 인류의 역사만큼이나 깁니다. 영원한 수명을 많은 인류가 계속 원해 왔는데, 최근 기술혁신으로 정신을 기계로 옮길 가능성이 열렸습니다.
오히려 '정신의 디지털화야말로 인류 진화의 올바른 형태'라고조차 말할 수 있을지도 모릅니다.
'정신의 디지털화'와 '디지털화에 의한 영원한 수명'은 다양한 SF작품에서 주요 테마로 취급하고 있습니다.
우선 디지털화해야 하는 '정신'의 정의에 대해 생각해 보겠습니다. 정신은 가장 정의하기 어려운 단어 중 하나입니다만, 굳이 정의한다면 '의식과 지성의 집합적인 능력으로 상상하고, 인식하고, 꿈을 꾸게 하는 것'이라고 합니다.
정신의 디지털화는 정신의 복사본을 만들어 컴퓨터에 업로드하고 의식의 시뮬레이션을 실행시키는 가상적인 개념입니다. 그러나 이 개념 단계에서조차 문제가 여러가지 있습니다.
첫 번째 문제는 정신 업로드의 실현가능성입니다. 정신의 업로드는 3가지 전제에 의존하고 있으며, 각각의 전제가 난해함의 극치입니다. 전제 1은 '정신은 뇌의 구조와 배치, 생화학적 현상에서 비롯된다'라는 것입니다만, '정신의 모든 것이 뇌에 있다'는 생각은 물리주의로 불리며 논쟁이 끊이지 않는 분야입니다.
전제 2는 '뇌의 복사본을 만드는 것이 기술적으로 가능하다'는 것.
전제 3은 '뇌의 복사본에서 정신의 시뮬레이션이 가능하다'는 것. 컴퓨터 상의 두뇌의 복사본은 뇌에 존재하는 물성이 존재하지 않기 때문에 얼마나 완벽한 프로그램을 작성했다고 하더라도 본질적으로는 비슷하면서도 다른 것입니다.
다양한 과학자와 철학자가 이 세 가지 전제에 대해 논쟁했지만 기본적인 문제 대부분에서조차 해답이 나오지 않은 상태입니다.
거기에 더해, '뇌'란 무엇일까요?
뇌는 1000억 개의 뉴런이 1000조 개의 상호연결로 서로 초당 1000번 전기신호를 주고받는 부위입니다. 또한 뇌에서 뉴런뿐만 아니라 다양한 글리아세포와 면역세포도 다양한 역할을 하고 있습니다.
뇌에는 호흡과 심박수, 운동 기능의 조절, 불수의 반사 등 다른 역할을 하는 부위가 존재합니다. 가장 바깥쪽에 위치한 대뇌 피질은 기억을 저장하고 계획을 세우거나 생각하거나 상상하고 꿈을 보거나 하는 등의 역할을 담당하고 있습니다.
이 뇌의 어디에 정신이 존재하는지는 미해명의 문제입니다. 정신에 가장 영향을 미치는 부위 중 하나가 설전부인 것은 알고 있지만, 일부 부위가 네트워크를 형성하여 작업을 처리한다는 점도 드러나고 있어, 정신은 뇌의 특정 부위에 존재하지 않는 것으로 간주합니다.
또한 뇌는 기분에 영향을 미치는 세로토닌과 기억학습에 관련된 히스타민 등 다양한 호르몬과 장내 세균, 심장, 신경 등의 영향을 받고 있어, 무엇이 어떻게 뇌에 영향을 미치고 있는지에 대해서는 연구가 진행될수록 미지의 영역이 늘어나는 상황입니다.
따라서 정신의 디지털화를 위해서는 뇌를 스캔하여 디지털에서 시뮬레이션을 할 수 있어야 합니다. 그러나 현대의 과학기술은 뇌 스캔을 할 수 있는 그런 차원에 도달하지 못했습니다.
그러나 잘 될 것 같은 방법도 존재합니다. 그것은 뇌를 얇게 잘라 고해상도 전자현미경으로 스캔하는 방식으로, 이 방법이라면 정확한 뇌세포와 뇌 연결지도를 만들 수 있습니다.
2019년에는 1밀리 세제곱미터의 마우스 뇌를 2만 5000장으로 잘라 스캔하여 신경세포 10만 개, 시냅스 1000만 개, 신경섬유 4㎞를 기록하는 데 성공했습니다. 그러나 전체 공정은 5대의 전자현미경으로 5개월이나 걸렸고 기록된 이미지는 1억 장 이상에 달했습니다. 그리고 이미지를 결합하여 3D 모델링하기 위해 3개월가량의 기간과 2페타바이트(2048테라바이트 상당)의 클라우드 스토리지가 필요했습니다. 뇌의 용량으로 환산하면, 인간의 뇌를 이 방법으로 스캔하기 위해서는 약 1000만 배의 노력과 자원이 필요합니다.
설상가상으로 뇌를 완전히 시뮬레이션하기 위해서는 뇌세포뿐만 아니라 뇌세포를 형성하는 단백질 등의 분자마저 매핑해야 할 가능성조차 있습니다. 만약 그렇게 되었을 경우에는 인간의 뇌 스캔 데이터는 지구상의 모든 스토리지를 합한 용량으로도 부족할 만큼 방대하게 될지도 모릅니다.
만약 이러한 문제를 완전히 해결하여 뇌를 스캔할 수 있다고 하여도, 스캔된 뇌를 시뮬레이션하여 작동시킬 수 있느냐는 문제가 남습니다. 시냅스를 스캔할 수 있어도, 스캔된 시냅스가 전달하는 전기신호 역시 분석한 후 동적 시뮬레이션을 수행해야 합니다. 뇌의 데이터를 손에 넣은 것만으로는 정신을 복사하는 것은 불가능할지도 모릅니다.
이러한 문제들을 해결하기 위해서는 많은 혁신이 필요하지만, 과학기술의 진보는 예측이 어려워서, 정신의 디지털화에 관한 기술의 진보는 현재 전망이 서 있지 않습니다.
그러나 과학기술은 추구할 가치가 있습니다. 정신의 디지털화에 관련되지 않았다 하더라도 우리 자신의 육체에 관한 지식과 새로운 기술의 개발로 이어질 수도 있습니다.
뇌와 의식에 대해 충분히 이해하고 있지 않았다 하더라도 급속히 발전하는 컴퓨터 기술에 의해 정신의 디지털화가 실현될 가능성도 있습니다.
그래서 정신의 디지털화가 가능하게 된 미래에 일어날 수 있는 '영생할 가능성'에 대해 생각해 보겠습니다. 정신의 디지털화가 가능해진 미래에서는 디지털화된 정신을 '복사'하여 영원히 존속할 수 있습니다.
그러나 어떠한 사정에 의해 복사에 오류가 발생한 경우 '복사 후의 정신은 본래 인간의 상태 그대로일까?'라는 의문도 생깁니다.
또한 자신과 '디지털화된 자신'이 공존할 가능성도 있습니다.
디지털화된 자신이 탄생한 순간, '디지털화된 세상을 산다'는 새로운 인생을 펼쳐집니다. 굶주림과 애정, 통증, 피로 등의 감정은 뇌의 신경세포에서 발생하는 현상의 결과이며, 육체를 가진 인간은 피할 수 없는 것이지만, 디지털화된 인간은 임의로 취사선택할 가능성도 있습니다.
디지털화된 인류는 과거의 육체와 연동되어 있던 감정 대신 완전히 새로운 경험을 추구할지도 모릅니다. 예를 들어 태양 위를 걷거나 공룡이 살았던 시대를 체험해 보는 등 시뮬레이션 세상에서는 가능합니다.
이러한 시대는 현대와 사고방식이나 우선순위가 완전히 다를지도 모릅니다. 디지털화되어 영원히 존속하는 와중에도 과학기술은 발전하기 때문에 생각이나 우선순위가 변화할 가능성도 있습니다.
디지털화되어 영생함으로써 이전의 유한수명보다 장대한 프로젝트를 완수할 수도 있습니다. 과학자가 학습을 계속하여 혁명적인 발견으로 이어질 수 있을 수도 있습니다.
혹은 정신이 영원히 사는 것에 지친 디지털화된 정신은 하고 싶은 일을 모두 해본 후 '종료'할지도 모릅니다. 장대한 시간을 디지털 공간에서 자유롭게 지낸 정신이 어떤 상태에 도달할지는 모르겠다며 애니메이션은 '종료'합니다.
카메라의 사진 촬영은 셔터를 개방하여 렌즈를 통한 빛이 필름에 새겨져 영상이 기록됩니다. 따라서 셔터를 여는 시간인 '노출시간'을 매우 길게 설정하면 화각에 담긴 빛이 모두 기록되는 현상이 발생합니다.
2012년 영국의 하트퍼드셔대학에서 석사과정을 진행한 레지나 발켄버그 씨는 고전적인 기술을 사용한 사진촬영에 관심을 갖게되었습니다. 발켄버그 씨는 맥주캔에 인화지를 장착한 핀홀카메라로 이 대학이 자랑하는 국내 최대의 교육천문대인 베이포드 베리천문대에 비치된 망원경 중 하나에 설치. 그리고는 맥주캔 핀홀카메라를 설치한 것 자체를 잊고 있었습니다.
이 맥주캔 핀홀카메라가 다시 발견된 시점은, 촬영이 시작된 지 8년 1개월만인 2020년 9월. 이 천문대의 수석기술책임자인 데이비드 캠벨이 분실된 맥주캔을 발견한 것이 계기였습니다.
아래의 사진이 8년 1개월 동안 방치되었던 맥주캔 핀홀카메라가 촬영한 결과물. 첩첩이 쌓인 선은 2,953일분에 해당하는 태양의 궤적입니다. 사진의 왼쪽에 찍혀있는 것은 베이포드 베리천문대의 돔이고, 오른쪽에 찍혀있는 것은 촬영 도중에 건설된 대기과학 시설.
지금까지 기록된 가장 노출이 오래되는 사진은 독일의 마이클 웨세리 씨가 촬영한 4년 8개월이라는 노출시간의 사진이었기 때문에, 이번 사진은 이전 기록을 크게 경신한 것입니다. 2020년 현재 사진기술자로 영국의 바넷 앤 사우스게이트 대학에서 근무하고 있는 발켄버그 씨는 "이전에 같은 수법으로 촬영했을 때에는 인화지가 말려버리거나 습기에 엉망이 되기도 했습니다. 나는 이렇게 긴 노출시간의 촬영을 의도하지 않았지만, 놀랍게도 사진은 살아남았습니다"라고 말합니다.
SpaceX가 개발한 재사용 가능한 차세대 우주선 'Starship'은 달 궤도와 화성 궤도로의 투입을 목표로 개발이 진행되고 있습니다. 2020년 12월 9일 Starship의 프로토 타입인 'SN8'의 비행 실험을 실시한 결과, 발사에는 성공했지만 착륙에 실패하여 대폭발했습니다. YouTube에 폭발 순간이 담긴 영상이 공개되어 있습니다.
SpaceX의 엘론 머스크 CEO는 이번 착륙에 대해 "이륙과 헤더 탱크의 전환, 착륙 지점으로의 정확한 컨트롤은 성공!", "연료 헤더 탱크의 압력이 낮아 착륙 속도가 빨라졌기 때문에 폭발이 발생했지만 필요한 데이터는 모두 수집했습니다. 축하합니다 SpaceX팀!"이라고 트윗하며 비행 시험의 성공을 어필합니다.
HDR은 High Dynamic Range(하이 다이내믹 레인지)의 약어로, 기존 SDR(표준 다이나믹 레인지)에 비해 더 넓은 밝기의 폭(다이나믹 레인지)을 표현할 수 있는 디스플레이 기술입니다.
일반적인 SDR 영상으로는 음지가 검게, 양지가 하얗게 표현되지만, HDR 영상에서는 밝은 부분과 어두운 부분의 계조도 희생되지 않고 더욱 자연스럽고 리얼한 묘사가 가능합니다.
HDR은 차세대 고화질 기술로 주목받고 있으며, Netflix를 비롯한 동영상 서비스와 UHD Blu-ray는 이미 HDR로 생성된 콘텐츠의 전개가 시작되고 있습니다.
New York City at night HDR https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:New_York_City_at_night_HDR.jpg
고화질을 실현하는 5가지 요소
① 해상도 ② 비트 심도 ③ 프레임 속도 ④ 색 영역 ⑤ 휘도 (다이나믹 레인지)
이 중 '해상도', '비트 심도', '프레임 속도', '색 영역'의 4가지는 4K/8K UHD 방송 표준인 'BT.2020'에서 이미 표준화되어 있지만, 지금까지 '휘도'에 대해 명확한 기준이 없었고, 오랫동안 100cd/m2가 업계 표준으로 사용되어 왔습니다. 따라서 기존의 영상 제작에서는 고휘도 부분은 표시장치의 특성에 맞게 압축하지 않으면 현실의 풍경과는 거리가 먼 영상이 되어버렸습니다.
그러나 최근 표시 기술 향상을 통해 표현할 수 있는 다이나믹 레인지가 확장했기 때문에, 마치 실제와 같은 밝기와 색상 표현을 즐길 수 있게 되었습니다. 지금 HDR이 주목을 끄는 이유이기도 합니다.
① 해상도 : 영상의 세밀함
해상도는 화소 수를 나타냅니다. 같은 화면크기라면 해상도가 높을수록 화소 수가 많아지기 때문에 더 선명하고 세밀한 영상을 볼 수 있습니다. 4K UHD 해상도 3840 × 2160은 일반적인 풀HD의 4배의 정보를 전달할 수 있습니다.
② 비트 심도 : 색, 그라데이션의 세밀함
비트 심도는 1픽셀에 표시할 수 있는 색상의 수를 나타냅니다. 비트 심도가 높을수록 많은 색상을 표시할 수 있어 보다 자연스럽고 부드러운 그라데이션을 제공합니다. 8비트 디스플레이의 경우 약 1677만 색, 10비트의 경우는 약 10억 7374만의 색상을 표현할 수 있습니다.
③ 프레임 속도 : 움직임의 부드러움
프레임 속도는 초당 몇 장의 그림을 표시하고 있는지를 보여줍니다. 영화는 24p(초당 24프레임 표시), 일반적인 텔레비전의 경우에는 60i = 30p(초당 30프레임)이 주류입니다. 8K 방송에서 표준화된 BT.2020는 120p까지 정의되어 있어, 현실 세계와 거의 손색이 없는 부드러운 움직임을 표현할 수 있습니다.
④ 색 영역 : 색채의 선명함
색 영역은 표현 가능한 색상의 범위를 나타냅니다. 4K/8K 방송에서 표준화된 BT.2020(Rec.2020)는 기존의 풀HD 방송에서 사용되는 BT.709(Rec.709)보다 훨씬 넓은 색 영역을 커버하고 있습니다.
⑤ 밝기 : 영상의 밝기
밝기는 표현할 수 있는 밝기의 범위를 가리킵니다. 일반적으로 인간의 눈이 인식할 수 있는 밝기의 범위(다이나믹 레인지)는 10^12인 것으로 알려져 있습니다만, 기존의 디스플레이 기기는 10^3까지의 범위밖에 볼 수 없었습니다. 그러나 HDR에 의한 동적 범위의 확장으로 10^5, 즉 기존의 100배의 밝기를 나타내는 것이 가능하게 되어, 육안으로 보는 풍경에 가까운 음영을 표현합니다.
요즘 '아토초'라는 짧은 시간이 화제가 되는 경우가 많아졌다. 최근까지 '펨토초'가 분자의 초고속 과정을 대표하는 시간 영역이었지만, 그보다 더 짧은 시간의 측정이 가능하게 되었다.
우리의 주변에는 다양한 분자가 존재하고 있다. 예를 들어, 대기 중의 질소 분자와 산소 분자, 그리고 이산화탄소 분자 등이 대표적인 예이다. 이러한 분자의 화학결합은 스프링에 비유할 수 있고, 분자 속의 원자는 구슬에 비유할 수 있다. 분자가 진동하고 있는 모습은 스프링으로 연결된 구슬이 진동하고 있는 모습과 유사하다.
구슬이 진동하는 모습을 만약 고속촬영할 수 있다면 셔터 스피드는 어느 정도면 좋을까. 또한 화학반응이 진행하면 원자와 원자 사이의 화학결합이 끊어지고 새로운 화학결합이 생성된다. 화학반응시 원자와 원자의 거리가 멀어지거나 접근하는 상황을 촬영하는 경우는 어떨까.
분자의 진동주기는 약 1피코초에서 100펨토초 정도이기 때문에, 분자가 진동하고 있는 모습을 추적하기 위해서는 100펨토초 또는 그보다 짧은 시간 간격으로 그것을 관측하는 기술이 필요하다. 분자가 화학반응을 일으켜 화학결합이 절단되거나 생성되는 시간도 분자의 진동주기와 비슷하기 때문에, 역시 100펨토초보다 높은 시간분해능이 필요하다. 여기에서 1피코초(ps)는 10^-12초이다. 즉, 1초를 100만분의 1로 나누고 그것을 100만분의 1로 나눈 것에 해당한다. 1펨토초(fs)는 1000분의 1피코초이며, 100펨토초는 0.1ps와 같다. 고속촬영으로 표현하면, 1피코초에서 100펨토초 정도의 시간 간격에 플래시를 터트려 그 시간만큼의 시간을 대기한 후, 다음 플래시를 터트려 촬영하는 작업을 반복해야 한다.
초단펄스 레이저광을 생성하는 기술이 발전하였고 펄스광의 짧음을 100펨토초 또는 그 이하로 할 수 있게 되었기 때문에, 그런 짧은 펄스광으로 분자를 순간적으로 여기하고, 그 순간의 모습을 다른 하나의 펄스광으로 그 분자를 더욱 여기하여 분자의 운동상태를 시간의 함수로서 추적할 수 있게 되었다. 이때 첫 번째 플래시에 해당하는 펄스광을 펌프 펄스, 그 다음의 플래시를 프로브 펄스라고 부른다. 그리고 이러한 분자나 원자의 시간변화를 추적하는 방법을 펌프 프로브법이라고 부르고 있다.
물리화학 및 분자과학이라고 불리는 화학분야의 연구자들은 이러한 초단펄스광을 이용하여 분자가 진동하는 모습이나 분자의 결합이 해리하는 모습을 이 펌프 프로브법에 의해 추적해왔다. 이 분야는 펨토초 화학(혹은 펨토초 과학)이라는 한 분야가 되어 현재는 전 세계적으로 많은 연구자가 펌프 프로브 법을 통해 분자의 동적 거동을 연구하고 있다.
Highway at night slow shutter speed photography. https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Highway_at_night_slow_shutter_speed_photography_03.jpg
흔히 들리는 '펨토초 펄스광'을 사용하여 실험을 했다는 것의 의미는 '1피코초를 자른 초단펄스광'이라는 뜻으로, '1펨토초 펄스광'이란 의미가 아니다. 이것은 펨토초 화학 · 과학분야에서 사용되는 관용적 표현이다. 실제로 펨토초 화학 · 과학분야에서 사용되고 있는 것은 흔히 몇 펨토초에서 100펨토초 정도의 '펨토초 펄스광'이다.
펨토초 화학에서 아토초 화학으로...
세상에는 더 짧은 시간 영역에서 일어나는 현상도 있다. 예를 들어, 만약 탄화수소 분자가 관련된 화학반응이 진행되고 있을 때, 그 분자 내의 수소원자의 운동을 추적하는 경우에는 100fs의 시간분해능은 충분하지 않다. 1펨토초 또는 그 이하의 '아토초 영역'의 시간폭의 펄스광이 필요하다. 원자와 분자는 원자핵과 전자로 이루어져 있으며, 그 전자의 위치는 원자핵의 위치에 의해 시시각각 변화하고 있다. 그러나 이 전자의 움직임을 추적하기 위해서는 역시 아토초 영역의 펄스광을 이용한 펌프 프로빙이 필요하다. 여기서 1아토초는 1펨토초의 1000분의 1이며, 1초의 10억분의 1 나누기 10억분의 1에 해당한다.
최근 초단펄스광을 발생시키는 기술 발전은 눈부시게 진전되고 있어, 1펨토초을 자르는 초단펄스광을 발생시킬 수 있게 되었다. 우리는 '아토초 펄스광'을 생성할 수 있게 된 것이다. 지금은 100아토초 정도의 펄스폭을 갖는 극한으로 짧은 펄스광의 생성도 보고되고 있다. 이 아토초 펄스는 '펨토초 레이저'를 고강도로 하는 동시에 빛의 위상을 잠금으로써 발생시킬 수 있다. 지금 이 극초단펄스광의 생성 덕분에 '아토초 화학' 혹은 '아토초 과학'이라는 분야가 탄생하여 확산되고 있다. 더욱 짧은 광펄스의 생성은 원리적으로 어렵다고 생각되고 있으며, 인류는 마침내 궁극으로 짧은 플래시를 손에 넣은 것을 의미한다.
아토초 펄스는 어떻게 만드는가
원자에서 전자는 Coulomb 인력의 포텐셜에 갇혀있다. 이 상태에서 어느 한 방향으로 매우 큰 전기장이 걸리면 Coulomb 인력의 포텐셜이 왜곡되어 안에 있던 전자가 튀어올라 전기장에서 가속되어 원자핵으로부터 멀어져 간다. 만약 그 다음의 전기장이 반대 방향으로 걸리면 이번에는 전자는 감속되어 정지, 그리고 반대 방향으로 가속된 원자핵을 향해 돌진한다. 이러한 전기장은 빛 그 자체이다. 즉, 빛의 진동수로 전기장의 방향이 교대로 바뀌게 된다. 펨토초 펄스광의 강도를 크게 하는 기술이 확립했기 때문에, 이처럼 빛으로 원자의 Coulomb 포텐셜을 왜곡할 정도의 강한 전기장을 만들 수 있게 된 것이다.
반대 방향으로 가속된 전자는 원자핵과 충돌하고 그 순간에 아토초의 광버스트라는 현상이 일어난다. 이것은 가속된 전자가 원자핵과 충돌할 때 빛을 방출하는 과정이며, 이 빛의 진동수는 본래 광전기장 진동수의 30배(홀수 배) 이상이나 된다.
또한 그 빛이 나오는 시간은 100as 정도의 '극'초단 시간이다. 진동수가 10배 이상이므로 파장으로 환산하면 원래 빛이 800nm의 근적외선 영역이라고 하면 80nm보다 짧은 연X선(또는 극단적자외선)이라는 빛이 된다.
본래 빛의 파장이 800nm인 경우 1주기는 2.6fs가 되고, 100fs의 펄스에 40번 정도 광전기장이 진동한다. 이때 아토초 광버스트가 1.3fs마다 나타난다. 이때 생성하는 아토초 펄스는 다수 반복 생성하기 때문에, 아토초 펄스 트레인이라 불린다.
이 펄스 트레인을 사용해도 다양한 재미있는 연구를 할 수 있지만, 역시 하나의 고립된 아토초 펄스를 발생시키고 싶다. 그러기 위해서는 펄스의 원래의 폭을 8fs에서 4fs 정도까지 압축하여, 펄스에 광전기장의 진동이 2~3주기가 되는 짧은 펄스로 할 필요가 있다. 그러면 펄스에서 전기장 강도가 최대가 되는 순간이 1회 또는 2회 정도가 된다. 만약 빛의 전기장의 위상을 고정하여 코사인 함수가 되도록 하면 단일 아토초가 발생한다. 또한 만약 위상을 90도 어긋나게 하여 사인 함수가 되도록 하면 아토초 펄스가 펄스에서 2회 발생한다. 따라서 반송파 포락선 위상이라는 빛의 위상을 고정하는 기술도 중요하다. 지금은 위상 고정 기술도 향상되고 있어 광전기장의 위상을 고정한 펄스를 안정적으로 생성할 수 있게 되고 있다.
앞으로의 전망
아토초 펄스가 안정적으로 생성할 수 있게 된지 얼마 되지 않아, 실제 연구로의 응용이 이제 막 시작단계이다. 또한 아토초 펄스의 강도가 약하기 때문에 펌프 프로브 측정을 위해서는 그 강도를 강화하는 노력이 필요하다. 현재는 아토초 펄스광의 고강도화를 위한 기술 개발이 전 세계적으로 진행되고 있으며, 원자 내의 전자의 움직임이나 분자 내 수소원자의 이동 등 매우 빠르게 일어나는 현상이, 극한으로 짧은 아토초 펄스를 이용하여 저속촬영 사진처럼 관찰되는 날도 가까운 것으로 보인다. 지금 전자와 원자가 만들어내는 화학의 본질이, 시간 영역에서의 관측에 의해 밝혀지려 하고 있다.
출처 참조 번역 超高速化学の展開 http://www.yamanouchi-lab.org/message/110822.html
펨토초 화학(Femtochemistry)은 펨토초(1펨토초는 10^-15초) 정도의 매우 짧은 시간에 일어나는 화학반응 과정을 대상으로 한 연구분야이다. 1999년 Ahmed Zewail은 이 분야에서의 선구적인 연구로 노벨화학상을 수상했다. Zewail의 이용한 기술은, 수 펨토초 정도의 초단 펄스 레이저를 이용한다. 이는 특정 화학반응이 왜 발생하기 쉬운지 조사하거나 반응 전후의 화합물만으로는 추측할 수 없는 반응중간체의 세부사항을 공개할 수 있게 된다. 한편, 동일한 방법에 따라 반응 제어의 가능성에 관한 연구보고가 많이 나와 있지만, 아직 논쟁의 여지가 있다.
펨토초 화학에서 현재 널리 사용되고 있는 기술은 펌프 프로브 분광학이다. 이 방법은 가변의 시간 간격을 가진 2회 이상의 레이저 펄스를 이용함으로써 화학반응의 과정을 조사하는 것이다. 먼저 첫 번째 펄스(펌프광)는 화학결합을 자르거나 반응물을 여기하여 반응을 개시한다. 이어 두 번째 펄스(프로브광)를 이용하여 특정 시간 경과 후 반응계의 상태를 알아낼 수 있다. 화학반응의 진행에 따라 프로브광에 대한 반응계의 응답이 변화하기 때문에 펌프광 및 프로브광의 시간 간격을 연속적으로 변화시킴으로써 반응계의 시간 변화를 추적할 수 있게 된다.
출처 참조 번역 フェムト秒化学 https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A7%E3%83%A0%E3%83%88%E7%A7%92%E5%8C%96%E5%AD%A6
1) 도마 위에 삶은 달걀을 놓습니다. 2) 손바닥으로 삶은 달걀을 누르듯이 굴려 달걀 전체에 금이 가도록 만듭니다.
간단하지만 힘 조절을 잘못하면 삶은 계란 자체가 깨져 버립니다.
◆ 방법 2. 컵에 물과 함께 넣고 흔든다
1) 큰 컵을 준비합니다. 여기에 삶은 달걀을 넣고 물을 삶은 달걀이 절반 정도 잠기도록 넣습니다. 2) 컵에 랩을 씌워 손으로 컵의 입구를 막아 격렬하게 흔듭니다. 삶은 계란이 컵의 안쪽에 부딪쳐 껍질에 금이 들어가고, 껍질의 안쪽에 물이 침투하여 껍질이 벗기기 쉬워집니다.
물과 함께 흔드는 것이 포인트입니다. 물이 쿠션 역할을 하여 껍질이 깨져도 삶은 달걀이 깨지지 않도록 합니다.
광화학이 취급하는 물질은 무기화합물에서부터 유기화합물까지 다방면에 걸친다. 빛의 파장이 적외선보다 장파장인 경우, 빛의 열적인 작용이 부곽되기 때문에 광화학에는 포함되지 않는 경우가 많지만, 최근의 적외선 레이저의 출현, 다광자 흡수에 의한 화학반응이 다수 보고되고 있어 광화학의 한 영역으로 주목을 받고 있다 (비선형 광학). 반대로 빛의 파장이 짧아지면 X선이나 γ선처럼 이온화 및 전자방출과 같은 작용을 미치는 경우, 광화학이 아닌 방사선화학에서 취급하고 있다. 광화학은 빛의 강도가 아니라 빛의 파장이 본질적인 의미를 가진다.
광화학의 법칙
광화학 제1 법칙 입사한 빛 중 흡수된 것만이 반응에 관여한다. 일명 Grotthus-Draper의 법칙.
광화학 제2 법칙 빛의 흡수는 광자 단위로 진행되며 1개의 분자가 1개의 광자를 흡수하고 이를 통해 1개 또는 그 이하의 분자가 반응한다(이 때, 분자가 반응할 확률을 양자수율 또는 양자수량이라 한다). 일명 Stark-Einstein의 법칙.
Photochemical immersion well reactor 50 mL https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Photochemical_immersion_well_reactor_50_mL.jpg
일분자 광해리
광화학의 기본적인 예로 일분자 광해리(Unimolecular Photo-Dissociation, Photolysis)를 들어 설명한다.
기저상태에 있는 분자가 빛을 흡수하면 여기(励起)상태로 여기된다. 예를 들어 흡수한 빛이 가시광선이나 자외선일 경우, 전자가 여기상태로 여기된다. 이 후 분자는 여기상태의 성질에 따라 다양한 거동을 보인다.
(1) 여기상태가 해리성 포텐셜을 가진다.
여기상태의 포텐셜 곡면이 해리성 곡면인 경우(분자 내에 있는 결합이 멀수록 안정되는 곡면의 경우)에는 여가된 분자는 그 곡면에 따라 해리된다.
(2) 여기상태가 안정상태인 경우.
여기상태의 포텐셜 곡면이 작은 값을 가지는 안정상태인 경우, 분자는 일정한 수명 동안 그 상태로 머문다. 안정상태에서 분자의 취할 수 있는 주요 거동으로는 다음과 같은 것이 있다.
(a) 여기상태의 자연방사수명에 따라, 복사에 의해 기저상태로 되돌아간다.
(b) 근처에 스핀 다중성이 다른 상태가 있는 경우, 스핀변환을 동반하여 그 상태로 향한다(항간교차 en : intersystem crossing, ISC).
(c) 기저상태(또는 여기상태보다 에너지가 낮은 동일 다중성의 다른 여기상태)의 포텐셜의 높은 진동여기상태로 향한다(내부전이 internal conversion, IC).
(a)에서 분자는 빛으로부터 얻은 에너지를 다시 빛으로 방출(형광)하기 때문에 해리는 일어나지 않는다.
(b)의 경우, 향한 상태에 따라 그 거동을 알 수 있다. 향한 상태가 해리성 잠재력을 가진 상태인 경우, (1)처럼 곡면에 따라 해리한다. 향한 상태가 안정상태인 경우에는 다시 (a), (b), (c)의 가능성이 있다((b)는 다시 원래의 상태로 돌아간다).
출처 참조 번역 光化学 https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%8C%96%E5%AD%A6
EHESS의 수학자 아만디누 아흐타리온 씨는 2013년부터 우사인 볼트 같은 선수의 주행을 수학으로 분석해 왔습니다. 그 결과, 단거리 주자는 힘차게 시작하여 결승선을 향해 서서히 감속하면 승리하는 경향이 있다는 점을 발견했습니다.
아후타리온 씨는 동료 쿠엔틴 메르 씨와 함께 말의 안장에 GPS추적기를 장착하여 샹티이경마장에서 수십 레이스에 해당하는 속도와 위치 데이터를 얻어, 단거리 경주(1300m), 중거리 경주(1900m), 중장거리 경주(2100m)의 승리 전략을 설명하는 모델을 개발했습니다. 모델은 경주 거리의 차이뿐만 아니라 코스의 경사와 마찰, 곡선의 곡률 등도 고려했습니다. 아후타리온 씨 등의 모델에 따르면, 단거리 경주에서는 운동선수처럼 경주마도 '힘찬 시작이 좋은 마무리로 이어진다'고 합니다.
모델에 개별 말의 능력을 대입하면 권장 속도와 이상적인 레이스 거리를 알 수 있다고 하는데, 아후타리온 씨는 "만약 수요가 있다면, 그러한 응용프로그램을 만들 수 있다"고 말합니다.
그러나 경마 경력 30년 이상의 시드니대학의 수의학자인 피터 나이트 씨는 지난 40년 동안 경마의 성능을 평가하려고 하는 과학적인 시도가 잘되지 않았다며 "이 모델도 기수와 조교사에는 이길 수 없는 것 아니냐"는 견해를 보입니다. 그 근거로 레이스 도중 말이 추월당했을 때, 승패가 결정되지 않았지만, 말이 주행을 포기하는 경우가 있는데, 수학적 모델은 그런 말의 마음까지 측정할 수 없다는 점을 들어 "말의 심리적 변수를 넣을 수 있게 되기 전에는, 성능을 진정으로 모델링하는 것은 어렵다"고 나이트 씨는 말합니다.
또한 나이트 씨는 "경마를 사랑하는 사람들에게 불확실성은 흥분을 일으키고, 실제로 말이 달림으로써 아름다움과 스펙터클을 가져다줍니다. 근본적인 문제로서, 우리는 그런 일을 정말 원하는 걸까요?"라고 말합니다.
일반적인 번개에 비해 100배나 밝은 번개를 '슈퍼볼트'라고 합니다. 그중에서도 '일반 번개의 1000배나 밝다'는 강력한 슈퍼볼트의 전모가 두 연구에 의해 밝혀졌습니다. 이 연구를 통해 강력한 슈퍼볼트가 특히 발생하기 쉬운 장소나 슈퍼볼트가 일어나는 메커니즘 등의 해명이 진행되고 있습니다.
세계기상기구(WMO)는 2020년 6월 지금까지 관측된 번개의 길이 기록을 크게 경신한 '길이 709km의 번개'에 대한 관측 기록을 발표했습니다. 이 번개는 지금까지 세계 최장으로 기록되어 있었던 '길이 321km의 번개'를 더블 스코어로 경신할 정도로 매우 긴 것으로 보고되었습니다.
이러한 번개가 어떤 장소에서 발생하기 쉬운지를 밝혀내기 위해 미국의 로스 앨러모스 국립연구소(LANL)에 근무하는 마이클 피터슨과 에린 레이 씨 연구팀은 기상위성 'GOES-16'에 탑재되어 있는 관측장비 '발광감지매퍼(GLM)'를 사용한 번개 관측을 실시. 2018년~2020년의 2년간 정지궤도에서 남북아메리카의 하늘을 관측하였고, 번개에 의해 발생된 빛을 2밀리초(1000분의 2초)단위로 기록했습니다.
그 결과 일반 번개의 100배 이상의 빛을 발하는 '슈퍼볼트'가 200만 회가량 발견되었습니다. 2019년 2월에 발생한 슈퍼볼트는 약 7초 동안 미국 남동부의 하늘에 섬뜩한 모습을 그렸습니다. 아래의 애니메이션에서 슈퍼볼트가 발생하는 모습을 볼 수 있습니다.
또한 연구팀이 관측 대상을 '일반 번개의 100배'에서 '1000배'로 올리자, 볼리비아 · 브라질 · 파라과이 · 우루과이 · 아르헨티나에 걸쳐 리오데라 플라타 분지와 미국 중앙부의 2곳에서 특히나 강력한 슈퍼볼트가 빈발하고 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
피터슨 씨는 이 연구결과에 대해 "어느 번개의 방전은 일반 번개의 수천 배에 달하는 3테라와트 이상의 에너지가 관측되었습니다. 이러한 극단적인 현상의 이해는, 번개의 위협을 아는데 있어서 중요한 것입니다"라고 말합니다.
피터슨은 또한 LANL 매트 커클랜드 씨와 공동으로 남북아메리카를 포함한 세계 각지에서 발생한 슈퍼볼트에 관한 연구를 실시했습니다. 이 연구에서 핵실험 감시위성인 'FORTE'에 축적된 과거 12년간의 관측데이터를 조사하였고 100기가와트 이상의 전력을 생성한 번개를 추출. 지상에서의 관측 기록과 대조하여 슈퍼볼트의 특징을 알아보았습니다.
이 연구의 결과, 슈퍼볼트는 일반 번개와는 다른 경향을 가진 번개라는 점을 발견했습니다. 일반 번개는 '마이너스의 전하를 띤 구름과 땅 사이의 방전(-CG)'으로 발생하는 것이 대부분이지만, 슈퍼볼트의 일부는 '플러스 전하를 띤 구름과 지상 사이의 방전(+CG)'으로 발생하고 있었습니다.
두 번째 논문에서 피터슨 씨 연구팀은 "이번 연구를 통해 100기가와트 정도의 비교적 약한 슈퍼볼트는 -CG와 +CG 메커니즘 모두에서 발생하는 것으로 드러났습니다. 그러나 350기가와트를 초과하는 가장 강력한 부류의 슈퍼볼트는 특히 일본의 해안 부근에서 발생하는 강력한 +CG에 의해 발생했습니다"라고 말합니다.
20cm × 22cm라는 크기를 자랑하는 세계 최대의 칩 'Wafer Scale Engine'을 탑재한 데이터센터용 모듈 'Cerebras CS-1'에 의한 시뮬레이션 속도의 검증 결과가 발표되었습니다. 연구팀의 발표에 의하면, '마침내 현실의 물리법칙을 뛰어넘는 속도로 시뮬레이션 기반 예측이 가능하게 되었다'고 합니다.
2019년 신생 기업 Cerebras Systems는 미국국립에너지기술연구소와 협력하여 거대한 칩 'Wafer Scale Engine'을 개발했습니다. 이 Wafer Scale Engine은 TSMC의 16nm 프로세스 노드를 채용하고 있으며, 1조 2000억 개의 트랜지스터를 탑재해, 약 40만 개의 스파스 선형대수학 계산코어를 탑재한 사상 최대의 컴퓨터 칩이라고 화제가 되었습니다.
그리고 이 Wafer Scale Engine을 탑재한 냉장고만 한 크기의 딥러닝 시스템이 'Cerebras CS-1'입니다.
Wafer Scale Engine의 코어에 탑재되는 18GB의 SRAM은 메모리 대역폭이 9.6PB/s이고 100Pbps로 작동하는 'Swarm'이라는 네트워크 패브릭에 연결되어 있습니다. Cerebras System은 "CS-1은 세계에서 가장 강력한 AI 계산시스템"이라고 어필합니다.
그리고 Cerebras Systems와 에너지기술연구소의 공동연구팀이 CS-1로 발전소의 연소공정 시뮬레이션을 실시한 결과, 총 1만 6000코어 Intel Xeon 칩을 탑재한 HP 정품 슈퍼컴퓨터 'Joule 2.0'이 6밀리초 걸리는 계산을 CS-1은 불과 28마이크로초에 해내어, 약 200배 이상의 속도로 계산해냈다고 보고했습니다. 또한 "탑재 CPU와 GPU의 수에 관계없이 현재의 슈퍼컴퓨터 중 CS-1의 성능에 필적하는 것은 없다"고 연구팀은 주장합니다.
어떻게 Joule의 200배 이상의 속도로 계산할 수 있었는지에 대해 연구팀은 "Joule에 사용되는 Intel Xeon 캐시는 SRAM의 성능을 끌어내는 효과가 낮고, Intel Xeon가 Wafer Scale Engine의 코어에 비해 40%의 성능밖에 내지 못하는 것이 원인이 아닐까"라고 추측합니다.
Cerebras Systems는 "CS-1의 작업은 과학 계산의 성능에 큰 진보의 문을 엽니다. CS-1은 100만 개 이상의 유체셀을 실시간보다 고속으로 시뮬레이션하기에 충분한 성능을 처음으로 실증해 보였습니다. CS-1을 사용하는 것으로, 예를 들어 화력발전소에서 현재의 동작 조건에 관한 데이터에 따라 실시간으로 시뮬레이션을 할 수 있습니다. 즉 CS-1은 물리법칙이 동일한 결과를 실현하는 것보다 빨리 어떻게 될지를 예측할 수 있다는 것입니다."라고 말합니다.
또한 Cerebras Systems는 차세대 Wafer Scale Engine을 탑재한 CS-2의 개발에 착수하고 있다고 합니다. IT계 뉴스사이트 Hexus에 따르면, TSMC의 7nm 공정 노드를 채용하여 트랜지스터 수는 2조 6000억, AI코어는 85만 개로 늘려 CS-1의 두 배 이상의 성능을 목표로 하고 있다고 합니다.
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광선총이나 레이저 총은 현실적으로 불가능한 무기라고 생각되었고 SF영화나 만화에서만 취급되던 존재였습니다. 그러나 최근 레이저 무기는 조금씩 현실화되고 있습니다. 인류가 어떻게 레이저 무기를 실현했는지에 대해 무기와 차량 관련 뉴스를 다루는 The Drive가 정리하고 있습니다.
'광선을 발사하여 데미지를 준다'는 레이저 무기의 아이디어 자체는 오래전부터 존재하고 있었으며, 1898년에 발표된 H · G 웰즈의 SF소설 '우주전쟁'에서는 화성인이 탑승한 Tripod(삼각전차)으로 'Heat Ray(열선)'를 발사하는 장면이 묘사되어 있습니다. Heat Ray는 '알 수 없는 재료로 만든 포물면 거울로부터 임의의 개체에 평행빔으로 투사되는 열에너지'로 밝은 백색 빛의 형태이며 육안으로 확인 가능하다는 설정입니다.
단일 파장 지향성과 융합성이 뛰어난 레이저는 1957년에 발명되었지만, 발명으로부터 60년 이상 지난 2020년에도 레이저는 무기로서 실용화되어 있지 않습니다. 그 이유에 대해 군수기업인 록히드 마틴의 레이저 센서시스템 부문 수석연구원인 로브 압자르 박사는 레이저 무기 개발이 좀처럼 부진했던 이유 중 하나로 "레이저 무기의 원래 용도가 전략적 방어 임무였기 때문"이라고 말합니다.
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군사 임무 중에서도 특히 어려운 임무가 탄도미사일로부터 국토를 보호하는 것입니다. 레이저 무기가 있으면 탄도미사일을 격추할 수 있습니다만, 날아오는 미사일을 격추할 수 있을 정도의 출력이 가능한 레이저 무기는 너무나 크기 때문에 트럭과 비행기, 선박조차도 탑재 및 운용이 불가능하다고 생각되었습니다. '불확실한 공격에 대비하여 운용과 유지에 막대한 비용이 소요되는 고출력 레이저 무기의 개발을 추진하겠다'고 시도하는 것은 너무 하이리스크 로우리턴이었기 때문에 고려되지 않았던 것입니다.
20세기 말 냉전이 종료되고 핵탄두 탑재 탄도미사일을 가지고 대국이 대치하는 시대는 끝났습니다. 현재 실전에 위협이 되는 것은 거대한 핵미사일이 아니라 무장한 무인항공기와 박격포, 로켓포 등 대량생산된 저가 무기입니다. 전쟁의 양상이 바뀌어 '전략적 방어'보다 '전술적 방어'가 중요시되어 '매우 빠르게 반응하고 매우 짧은 시간에 효과를 내는 것'이 요구되었습니다.
1960년경에 광섬유가 등장함에 따라 레이저 무기의 실현 가능성이 높아졌습니다. 광섬유는 '적은 손실률로 빛을 장거리까지 전달할 수 있다'는 특성이 가지고 있었기 때문에 1990년경부터 광섬유를 이용한 통신장치의 개발이 시작되었고, 현재의 초고속 인터넷 기술의 발전으로 이어졌습니다. 또한 이 광섬유 통신기술은 곧 광섬유 레이저 기술의 개발로 이어집니다. 광섬유 레이저에 의해 저렴한 비용으로 고출력 레이저 무기의 개발이 가능하게 되었습니다.
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광섬유 레이저를 이용한 레이저 무기는 하나의 고출력 레이저를 발사하는 것이 아니라, 수많은 광섬유를 이용하여 여러 레이저를 하나로 묶어 레이저를 발사합니다. 빛을 프리즘에 통과시키면 파장에 따라 다양한 색상의 빛으로 분해되지만, 파이버 레이저를 이용한 레이저 무기는 바로 이 프리즘 성질을 역으로 이용하여 다양한 주파수의 빛을 하나로 묶어버린다는 것입니다.
광섬유 레이저 기술을 응용함으로써 전력의 30%~35%를 레이저로 변환할 수 있게 되었습니다. 언뜻 보면 변환효율이 낮은 듯하지만, 종래의 고체 레이저와 비교하면 전력 변환효율은 10% 포인트 가량 올랐다고 합니다. 또한 레이저 무기 자체도 작고 강력해져 군용차량과 함정, 항공기에 탑재하기도 쉬워졌습니다.
실제로 2014년 12월 미 해군은 이미 1발에 1,000원이라는 저렴한 비용으로 수송상륙함에 탑재한 레이저 무기를 발사하는 실험을 공개했습니다.
또한 2020년 5월에는 미 해군은 군함에서 레이저 빔으로 드론을 격추하는 실험에 성공했습니다.
단순히 드론과 로켓포를 격추할 뿐만 아니라 전투기와 미사일의 전방에 탑재하여 극초음속 비행을 실현하려는 시도도 이루어지고 있습니다.
레이저 무기 기술은 록히드 마틴이 업계를 견인하고 있습니다. 압자르 박사는 "저비용의 무인정찰기 격추에 높은 비용의 고성능 유도미사일을 사용하고 싶지 않다고 생각하는 사람도 있을 것입니다. 운영 비용이 낮은 레이저를 사용하면 더욱 강력한 위협에 높은 반응속도로 대응할 수 있습니다. 위협의 변화에 대응하기 위한 옵션과 기능을 제공할 수 있다는 점이 바로 록히드 마틴의 타사를 압도하는 강점이라고 생각합니다"라고 말합니다.
핵융합발전은 청정에너지를 만들어내는 미래의 기술로 알려져 왔지만, 최근 연구개발에 큰 진전을 나타나고 있습니다. 레이저를 이용한 핵융합발전의 중간 이정표는 '플라즈마 점화'에 있다고 알려져 있는데, 미국의 국립점화시설(NIF)가 이 중간 이정표에 도달하고 있다고 발표했습니다.
2020년 지구상의 에너지는 거의 화석연료에 의해 조달되고 있습니다만, 화석연료는 유한하고 온실가스를 많이 배출하기 때문에 이것을 대체하는 지속가능한 에너지의 개발이 시급한 실정입니다. 이 가능성의 하나로 생각되고 있는 것이 핵융합 에너지입니다.
핵융합 에너지는 수소와 헬륨처럼 가볍고 작은 원자핵의 원자 또는 동위원소의 원자핵끼리 융합시킴으로써 얻어지는 에너지를 말합니다. 그리고 핵융합발전은 크게 분류하면, 강한 자력선을 발생시켜 플라즈마를 가두는 '자장밀폐방식'과 강력한 레이저를 연료에 조사함으로써 핵융합을 일으키게 하는 '관성밀폐방식'이 존재합니다. 여러 연구기관이 이러한 방법으로 개발을 진행하고 있으며, 프랑스에 건설 예정인 국제열핵융합실험로 'ITER'는 자장밀폐방식을 채용하고 있습니다. 건조를 시작했지만, 아직 목표로 하는 에너지 효율성의 실현은 멀었다고 합니다.
한편, NIF는 관성밀폐방식의 핵융합발전을 합니다. 관성밀폐방식은 연료의 표면에 레이저를 조사하여 플라즈마를 발생시키고 동시에 팽창하는 플라즈마를 레이저의 힘으로 억누르고 폭축(implosion)을 발생시킵니다. 이로 인해 발생하는 높은 온도와 압력으로 연료 내부에서 가벼운 원소를 융합시키는 구조입니다. 이 방식을 실현하기 위해서는 매우 강력한 레이저를 모든 방향에서 정밀하게 연료에 조사할 필요가 있다고 합니다. 레이저를 직접 연료로 조사하는 방법도 있지만, NIF는 Hohlraum라는 작은 금속을 가열하고 그 때 발생하는 X선 펄스에 의해 연료캡슐이 가열되여 핵융합이 발생하는 간접적인 방식을 채용하고 있습니다.
NIF는 2010년부터 핵융합발전 실험을 실시하고 있었는데, 처음 3년간은 한번의 레이저 조사로 약 1kJ의 에너지밖에 얻지 못하여 목표까지는 요원한 상태였습니다. 당시의 상황에 대해 연구원은 "시뮬레이션에 과도하게 의존하고 있었다"고 말합니다.
연구팀은 테스트 장비를 업그레이드하고 중성자 검출기를 추가하여 핵융합 반응이 일어나는 영역의 3D뷰를 가능하게 했습니다. 또한 연구팀은 에너지 누수를 추적하고 문제를 파악 · 해결했습니다. 또한 초기의 레이저 조사에서는 온도 상승이 천천히 이루어져 압축이 어려웠는데, 이에 연구팀은 온도를 올리고 X선 에너지를 연료캡슐이 더 흡수할 수 있도록 조치했습니다. 그리고 더 연료를 효율적으로 연소할 수 있도록 캡슐의 소재는 플라스틱에서 밀도가 높은 다이아몬드로 바꾸었습니다.
몇 년에 걸쳐 이러한 개선을 거듭한 결과, NIF는 한번의 레이저 조사로 60kJ 가까운 에너지를 만들어 낼 수 있게 되었습니다. NIF의 디렉터인 마크 허먼 씨에 따르면, NIF는 가까운 시일 내에 'NIF가 얼마나 플라즈마 연소에 접근했는가?'를 확인하기 위해 레이저를 연속 조사하여 측정을 할 예정이라고 합니다. 이 측정에서는 1회당 에너지량이 100kJ 가까이 될 것으로 기대되고 있습니다. NIF가 일단 임계값에 도달하면 핵융합이 더욱 쉽게 된다고 허먼 씨는 말합니다.
핵융합발전이 현실화될지 여부는 아직 미지수이지만, 이를 위해 시도할 여지는 여전히 남아있고 합니다. 허먼 씨는 "나는 낙천주의자이며 가능한 한 NIF를 추진해 나갈 것입니다"라고 말하며, Hohlraum의 모양과 종류를 변경할 수도 있으며 X선 에너지를 보다 효율적으로 가두는 이중벽 연료캡슐 등 다양한 아이디어에 도전해 간다고 말합니다.
사용되는 유지에 따라 지방산의 종류가 다릅니다. 원료 유지에 따라 성질이 다른 비누가 만들어집니다. 비누는 길이가 다르거나 이중결합이 있거나 없는 등 다양한 지방산의 혼합물임을 알 수 있습니다. 예를 들어 팜유에 포함된 프릴산 및 올레산을 비교해 보면,
프릴산 CCCCCCC-COOH 올레산 CCCCCCCCC = CCCCCCCC-COOH
라는 식으로 길이는 2배 이상 차이납니다. 일반적으로 탄소수가 많고 이중결합이 없는 지방산으로 만들어진 비누는 물에 녹기 어렵고, 비누찌꺼기가 생기기 쉬운 반면 이중결합이 있는 지방산으로 만들어진 비누는 산화되기 쉬워 누렇게 변하는 현상의 원인이라고 알려져 있습니다.
비누는 이와 같이 동식물성 유지로 만들어집니다. 우리가 기름을 먹은 경우에도 지방은 장에서 지방산과 글리세린으로 분해되어 소화흡수가 됩니다. 즉 비누는 자연계에 극히 보편적으로 존재하는 것이며, 사람의 몸을 구성하는 물질의 일부입니다. 그러므로 비누는 피부에 자극이 적고 독성도 작다는 것을 쉽게 이해할 수 있습니다.
■ 비누의 성질을 알자
비누는 계면활성제로서 매우 뛰어나고 독특한 성질을 가지고 있습니다. 이 특성을 제대로 이해하면 지금까지 비누의 단점이라고 생각되었던 점이 장점으로 보이기 시작합니다. 또한 능숙하게 비누를 사용하여 비누의 능력을 100% 살릴 수 있습니다.
아래의 그림은 비누의 농도와 오염물질의 용해량의 관계를 보여줍니다. 그림에서 알 수 있듯이 비누의 농도가 낮을 때는 완전히 오염물질을 녹이지 못합니다. 비누가 미셀을 만들어 기름을 녹이기 위해서는 수중에 0.06%(600ppm) 이상의 농도가 필요합니다. 일반 세탁으로 사용되는 비누 농도는 0.13%(1300ppm) 정도입니다. 세탁물의 양에 맞게 비누를 넣지 않고, 너무 적은 농도일 경우 전혀 세정력을 발휘하지 못하고, 너무 높은 농도일 경우에는 낭비일 뿐만 아니라 대량의 비누찌꺼기가 발생하여 헹구는데 많은 물을 사용하게 됩니다.
합성세제는 10ppm 정도의 적은 농도에서도 계면활성제 역할을 하므로 비누에 비해 사용할 수 있는 농도 범위가 넓어 사용하기 쉽습니다만, 헹굼이 어려워 언제까지나 거품이 남아있습니다. 비누는 헹굼 1회 정도로 계면활성제로서의 힘을 잃게 됩니다. 비누가 거품이 잘 사라지는 이유가 이 성질 때문입니다. 배수를 생각하면 비누는 즉시 비누찌꺼기가 되어 미생물에 의해 분해되지만, 합성세제는 오염을 널리 퍼뜨립니다. 강과 바다에 도달해도 본래 녹지않는 다른 오염물질을 녹여 물을 탁하게 하거나 수생생물이 오염물질을 흡수하게 합니다.
비누가 알칼리성의 물은 사용할 수 있지만, 중성이나 산성의 물에서 사용할 수 없는 이유는 다음과 같습니다. 비누는 지방산이온으로써 계면활성제로 작용하지만, 산성의 물(수소이온이 많은 물)에서는 수소이온과 결합하여 '지방산(분자)'이 됩니다. 이것은 물에 녹기 어렵고 계면활성 작용도 없습니다. 비누액에 식초를 넣으면 비누액이 하얗게 탁해지고 거품이 사라집니다. 그러나 지방산 분자를 알칼리화하면 지방산 이온이 되어 계면활성 작용이 되살아납니다. 가루비누에 알칼리 조제(탄산나트륨)를 넣는 것은 이런 이유 때문입니다.
경도 성분이 있으면 비누찌꺼기가 발생합니다. 비누는 칼슘과 마그네슘 이온과 강하게 결합하여 금속비누(비누찌꺼기)를 만듭니다. 비누찌꺼기는 매우 물에 녹지 않아 옷이나 배수구에 부착되는 말썽꾸러기입니다.
출처 참조 번역 石けんの作り方 http://sekken-life.com/life/soap_chem.htm
비누의 기원은 약 1만 년 전으로 인간이 불을 사용하게 되고 고기를 구워 먹기 시작했습니다. 그 때 고기에서 떨어지는 기름과 재가 반응한 토양이 '오염물질을 제거하는 흙'으로 발견된 것이 비누의 시작이라고 합니다.
천연소재만을 사용한 구식 비누의 오랜 역사는 사람이나 환경에 친화적이라는 것을 증명합니다.
합성세제의 역사
제1차 세계대전 중 독일은 비누의 원료인 오일이 부족하여 비누를 제조할 수 없게 되었습니다. 그래서 개발된 것이 석유를 원료로 한 합성세제입니다. 그 후 제2차 세계대전 후 미국의 석유자본의 생산 증대, 전기세탁기의 보급, 미국 및 유럽의 경수 지역에서는 비누의 단점(비누 찌꺼기)이 없는 합성세제가 급속하게 주류가 되어 갔습니다. 미국에서는 1952년, 일본에서는 1963년에 합성세제의 사용량이 비누의 사용량을 초과했습니다. 한편 지난 60년 동안 다양한 환경문제나 건강피해가 거론되게 되었습니다.
합성세제의 제조법 합성세제는 제조공정에 대규모 생산시설이 필요합니다. 우선 석유에서 알카리 벤젠 · 알파 올레핀 · 고급알코올 등의 합성계면활성제 원료를 만듭니다. 게다가 황산화(술폰화)와 중화 등 복잡한 화학합성을 거쳐 합성계면활성제를 만들어냅니다. 또한 빌더(조제) 등을 첨가하여 합성세제를 생산하고 있습니다.
최근에는 '식물 유래'라는 광고문구를 앞세우는 천연유지를 원료로 한 합성세제도 존재하지만, 석유 유래의 합성세제와 같이 복잡한 화학합성을 반복하여 최종적으로는 자연계에는 존재하지 않는 합성계면활성제를 주성분으로 하고 있습니다.
성분에 대해서
비누는 '비누 소지'나 '알칼리 비누 소지' 또는 '순비누분(지방산 나트륨, 지방산 칼륨)'이라는 성분으로 되어 있습니다. 합성세제는 화학합성으로 만들어진 합성계면활성제가 주성분입니다. 즉, 제품의 성분 표시를 보면 비누와 합성세제를 쉽게 식별할 수 있습니다. 합성세제의 경우 품명에 '세제'라는 표기가 있고 비누의 경우는 '비누'라고 표기합니다. 또한 합성세제와 비누가 합쳐진 '복합 비누'라는 것도 있습니다. 성분에 '비누'라는 표기가 없으면 합성세제로 보아도 거의 틀림없습니다.
계면활성제란?
'계면활성제'는 기름과 물 등 서로 섞이지 않는 물질 사이에 있는 경계면(계면)의 성질을 바꾸어 혼합되도록 하는 물질입니다. 샴푸 등에 사용되는 계면활성제는 이러한 작용으로 물만으로는 떨어지지 않는 왁스나 헤어스프레이, 피지 등을 감싸 제거하기 쉽게 합니다.
합성계면활성제는 약 2,000 종류. 그 중에는 PRTR 제도에서 '사람의 건강이나 생태계에 해로울 수 있는 화학물질'로 지정한 합성계면활성제도 있습니다.
