자유시간

기존의 스피커는 소형 대형 모두 코일이나 자석을 사용하는 방법으로 소리를 만들어 내고 있습니다. 이러한 방법은 스피커간의 음량이나 위상의 편차가 크고 이어폰 등에 탑재할 때 요구되는 소형화도 어렵게 했습니다. 최근 이러한 스피커의 제작을 일변할지도 모르는 '솔리드 스테이트 스피커'이 주목 받고 있습니다.

Executive Insight: When Speakers Are Forged In Silicon - TWICE
https://www.twice.com/blog/executive-insight/when-speakers-are-forged-in-silicon

Exotic New Silicon-Based Speakers Are Coming to Next-Generation Earbuds - WSJ
https://www.wsj.com/articles/exotic-new-silicon-based-speakers-are-coming-to-next-generation-earbuds-ee99b76b

솔리드 스테이트 스피커는 코일과 자석 대신 전기신호를 음파로 바꾸는 부품인 사운드 액추에이터로서 박막 피에조 기술을 사용합니다. 이 기술에 사용되는 필름은 반도체 제조공정과 같은 방식으로 실리콘에 층상으로 도포되고 공기를 움직여 소리를 내는 스피커의 진동판이 됩니다.

코일이 없고 작동부품과 진동판 부품이 실리콘으로 만들어져 있기 때문에 솔리드 스테이트 스피커는 전압에 즉시 반응하여 공진부품에 의한 소리의 탁함이나 변색이 없는 고품질의 소리를 제공하는 것이 가능합니다. 이것은 디지털화된 무손실 오디오 및 공간 오디오와 같은 고품질 오디오 콘텐츠가 증가하고 있는 오늘날 매우 중요한 기술입니다.

스토리지 분야가 HDD에서 SSD로 바뀌고 있는 것처럼 스피커도 반도체에 의한 제조로 변화하고 있어 유리나 실리콘의 기판 1장으로 폐색감과 개방감의 양쪽을 연출하거나 기존의 스피커 기술보다 충실도가 높은 사운드를 재생하는 것이 기대되고 있습니다. 반도체 제조공장은 이미 대량으로 만들어져 있기 때문에 스피커를 위해 활용하는 것에 대한 장애물은 낮습니다.

2014년에 설립된 USound의 최고기술책임자인 안드레아 루스코니 크레리치 씨는 MEMS라는 기술을 기반으로 한 스피커는 두께 1mm까지 소형화가 가능하며 스마트폰이나 이어폰 등 장비에 사용되는 일반적인 스피커의 1/4 두께가 될 수 있다고 설명했습니다.

스피커에서 MEMS 기술을 사용한 제품은 현재 적지만  이 기술을 개발하고 있는 기업 중 하나인 xMEMS는 스피커의 프로토타입을 수십 개사에 제공했고 그 중 30개사 이상이 이 기술을 기반으로 한 이어폰 및 기타 제품에 적용하고 있다는 것.

월스트리트 저널은 “이 기술은 모든 스마트폰, 이어폰, 스마트 글라스, 기타 다양한 스피커 탑재 단말기에 사용되게 될지도 모릅니다. 그러나 오디오 업계의 대기업이 솔리드 스테이트 스피커를 채용한다 해도 전환에는 몇 년, 혹은 수십 년 걸릴 것입니다. 현재 저음을 내기에는 기존 스피커가 뛰어나므로 두 기술을 합친 제품이 탄생할지도 모른다”고 전망했습니다.

특정 물질을 식히면 전기 저항이 0이 되는 「초전도」라는 현상에 대해 상온에서도 초전도를 실현한다는 지금까지의 상식을 뒤집는 논문이 2023년 7월 22일에 제출되었습니다. 이 논문의 내용에 대해서 유기화학자 겸 라이터인 데렉 로우 씨가 설명했습니다.

Breaking Superconductor News | Science | AAAS
https://www.science.org/content/blog-post/breaking-superconductor-news

금속이나 화합물 등의 물질을 극저온까지 식히면 일어나는 초전도는 기본적으로 -200도 가까운 온도까지 식히지 않으면 생기지 않고 액체 질소의 비점인 77K(약 -196도) 이상의 온도에서 초전도 현상을 일어나면 고온 초전도라고 불릴 만큼 저온환경에서의 발생이 상식인 것으로 알려졌었습니다.

그러나 이 초전도를 최대 127도의 환경에서도 실현했다는 논문이 갑자기 프리프린트 서버의 arXiv에 공개되면서 초전도에 관심을 가진 연구자들은 크게 흥분했습니다.

The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor
https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.12008

Superconductor Pb10−xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism
https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.12037

저자들은 논문에서 구리를 첨가한 납재료 'LK-99'에 대해 설명했습니다. LK-99는 산화납과 황산납의 특징을 가진 광물 '라나카이트(Pb2(SO4)O)'를 조제하여 만들어집니다. 이와는 별도로 구리원소와 인원소로 잘 알려진 화합물인 인화구리(Cu3P)를 새롭게 조제하고 이들 2개의 물질을 1:1의 비율로 분쇄하여 혼합물을 진공 배기한 석영관에 밀봉한 후 925℃까지 가열하면 화학식 Pb10-xCux(PO4)6O의 LK-99가 형성되어 암색의 다결정체가 된다는 것. 로우 씨는 “그 구조는 잘 알려진 인산염 광물인 아파타이트 납과 매우 비슷하지만 격자 중의 특정 납원자가 구리원자로 치환되어 결정학적 단위포가 약간 작아지고 있다”고 설명했습니다.

그리고 이 화합물에 초전도체가 가지는 밖으로부터의 자기장을 상쇄하도록 역방향으로 자화한다는 특징인 '완전 반자성(마이스너 효과)'가 갖추어져 있다고 합니다. 저자들은 이 물질의 왜곡된 구조가 특정 납원자와 그것에 결합된 인산기의 인접한 산소 사이에 다수의 양자샘이 형성되어 사실상 2차원의 전자가스를 만들고 있다고 생각합니다. 로우 씨는 “저는 이 제안을 판단할 수 있을 만큼 고체물리학에 대한 지식을 가지고 있지는 않습니다. 이 논문은 데이터를 제시하고 마이스너 효과, 임계온도에서의 저항률의 급격한 변화 등 초전도체가 가져야 할 거동을 실증하고 있습니다. 이 데이터가 재현되면 이 물질의 초전도성은 의심할 여지가 없습니다”라고 보았습니다.

업계를 뒤흔드는 발견이 될 것이라고 기대되고 있는 이 LK-99에 대해서 로우 씨는 제조순서가 극히 단순하다는 것을 장점으로 들고 있습니다. 로우 씨는 “정말 연구자들의 주장대로 되기를 바랍니다. 사실이라면 노벨상 수준의 발견이며 전세계의 고체재료연구소가 LK-99의 합성과 특성을 재현하려고 시도할 것이고 곧 첫 번째 샘플이 곧 나올 것"이라고 기대를 나타냈습니다.

열팽창이란 온도가 올라가면 팽창하고 온도가 내려가면 수축하는 특성입니다. 금속과 목재와 같은 고체와 액체, 기체는 기본적으로 이 특성을 가지고 있습니다. 그러나 철과 니켈을 일정 비율로 결합한 '인바'라는 합금은 열팽창을 거의 일으키지 않는 것으로 알려져 있었지만 그 원리는 밝혀지지 않았습니다. 캘리포니아 공과대학의 재료과학자인 브렌트 후르츠 씨 연구팀이 인바가 열팽창을 일으키지 않는 원리에 대해 규명했습니다.

Some Alloys Don't Change Size When Heated. We Now Know Why. | www.caltech.edu
https://www.caltech.edu/about/news/some-alloys-dont-change-size-when-heated-we-now-know-why

Some alloys don't change size when heated, and we now know why
https://phys.org/news/2023-07-alloys-dont-size.html

A thermodynamic explanation of the Invar effect | Nature Physics
https://doi.org/10.1038/s41567-023-02142-z

열팽창은 온도가 상승함에 따라 재료의 원자가 격렬하게 진동함으로써 발생하는 현상입니다. 원자가 강하게 진동할수록 이 원자들은 인접한 원자들로부터 밀려 나와 원자들 사이의 공간이 확대됩니다. 그 결과 재료밀도가 떨어지고 전체 크기가 커집니다.

더운 날 등에서는 열팽창이 발생하여 건조물이 구부러져 파손될 위험성이 있기 때문에, 선로의 부설이나 다리, 건물의 건조 시에는 열팽창의 특성을 염두에 둔 여유 있는 설계가 이루어집니다.

한편 1895년에 발견된 인바는 모든 온도에서 크기와 밀도가 거의 변하지 않습니다. 캘리포니아대학의 스테판 로하우스 씨는 “열팽창하지 않는 인바가 발견된 것은 아마도 전대미문일 것”이라고 말했습니다.

열팽창의 특성을 거의 갖지 않는 인바는 시계나 망원경, 액화 천연가스의 수송선의 탱크 등의 용도로 사용되고 있습니다. 그러나 인바가 왜 열팽창의 특성을 갖지 않는지는 지금까지 밝혀지지 않았습니다.

지금까지의 연구에서 열팽창은 열역학의 중심 개념인 엔트로피와 관련이 있음이 밝혀졌습니다. 엔트로피는 한 시스템에서 원자 위치의 온도 차이로 인한 무질서의 척도입니다. 온도가 상승함에 따라 시스템의 엔트로피도 증가하는 것으로 생각됩니다. 온도 상승에 따른 엔트로피의 증가는 기본적으로 보편적인 것으로 간주되므로 인바가 열팽창을 일으키지 않는 요인을 찾아야 했습니다

로하우스 씨는 “지금까지 강자성인 특정 합금만이 인바로서 취급되어 왔기 때문에 열팽창과 강자성 사이에 어떠한 관계가 있을 것이라고 오랫동안 의심되어 왔다”고 설명했습니다.

후루츠 씨의 연구팀은 자성과 원자의 진동을 모두 측정할 수 있는 실험장치를 사용하여 인바의 원자진동과 온도를 올렸을 때의 전자의 스핀상태를 관찰했습니다.

온도가 낮을 ​​때는 인바 내에서 동일한 스핀상태를 공유하는 전자가 많아지고 반발하면서 원자를 바깥쪽으로 밀어주는 힘이 작용합니다. 한편 온도를 올리면 일부 전자의 스핀상태가 반전하게 되고 그 결과 전자는 옆의 전자와 반발하는 일은 없어져 전자끼리가 붙잡음으로써 수축하게 됩니다. 그러나 온도가 상승함에 따라 인바의 원자는 진동이 커지고 팽창을 시작했고 인바의 수축과 팽창이 미묘한 밸런스로 발생하면서 결과적으로 인바의 크기가 변하지는 않았습니다.

연구팀의 이 발견은 원자가 진동하는 주파수가 자성에 따라 변하는 곳 등 진동과 자성 사이의 상호작용이 이 균형이 어떻게 도움이 되는지를 밝혔습니다. 이 발견은 또한 다른 자성재료에서의 열팽창의 이해와 자기를 이용한 냉동 재료의 개발로 이어질 것으로 기대됩니다.

로하우스 씨는 “이번 우리의 연구는 100년 이상에 걸친 과학계의 수수께끼를 풀어낼 수 있었던 중요한 발견으로, 지금까지 자성이 어떻게 물체의 수축을 일으키는지를 보여주기 위해 수천 개의 연구가 보고되어 왔지만 인바에서 열팽창이 발생하지 않는 요인에 대한 설명은 없었다”고 평가했습니다.

미국의 텍사스주 휴스턴에 거점을 두고 있는 지열발전 스타트업의 Fervo Energy가 'Enhanced geothermal systems(EGS: 강화 지열시스템)'라고 불리는 차세대 지열발전 기술의 대규모 데모에 성공했습니다. 상업적 규모로 강화 지열시스템을 운영할 수 있음이 입증됨에 따라 Fervo Energy는 2023년 동안 Google의 데이터센터 및 인프라에 전력을 공급하기 시작했습니다.

Fervo Energy Announces Technology Breakthrough in Next-Generation Geothermal - Fervo Energy
https://fervoenergy.com/fervo-energy-announces-technology-breakthrough-in-next-generation-geothermal/

Fervo Energy Says it Has Achieved Geothermal Energy Tech Breakthrough - Bloomberg
https://www.bloomberg.com/news/articles/2023-07-18/fervo-energy-says-it-has-achieved-geothermal-energy-tech-breakthrough?sref=cJ0KKxwd#xj4y7vzkg

지열은 풍력이나 태양광 등과 같이 탄소 프리 에너지원으로 알려져 있지만 발전에 필요한 지열은 화산활동이 활발하지 않은 지역에서는 얻기 어렵습니다. 그런 지열발전의 과제를 해결하기 위해 고안된 강화 지열시스템은 지중 깊숙이 파고 있는 구멍에 물 등을 주입하여 지열을 꺼내는 구조로 되어 있습니다.

Fervo Energy의 CEO를 맡고 있는 Tim Latimer 씨가 Twitter에 공개한 사진을 보면 강화 지열시스템이 어떤 것인지 대략적으로 이해할 수 있습니다. 지표에서 파낸 구멍을 이용하여 지열을 꺼내기 위해 화산활동에 의한 지열이 지표까지 도달하지 않는 지역에서도 지열을 활용하여 발전하는 것이 가능하다고 합니다.

강화 지열시스템의 실험은 1970년대부터 시작되었지만 굴착의 어려움이나 비용면에서의 과제가 부상했기 때문에 20세기 말 무렵에는 실험이나 연구가 저조했습니다. 그러나 미국에서는 21세기의 셰일가스 혁명 과정에서 굴착 기술이 진보하여 굴착 비용이 크게 낮아져 한때는 어려웠던 지중 깊이에서 수평 방향으로의 굴착이 가능해졌습니다. 그래서 당시 석유·가스 업계에서 굴착 엔지니어로 일하고 있던 Tim Latimer 씨는 “진보한 현대의 굴삭기술을 강화 지열시스템에 이용할 수 있을 것”이라고 생각했습니다.

이 생각에 찬동해 주는 사람은 좀처럼 나타나지 않았지만 대학원에 진학해 지열발전의 연구자들과 공저로 논문을 쓰는 등의 활동을 실시해 2017년에 Fervo Energy를 시작했습니다. 강화 지열시스템을 실용화한다는 Fervo Energy의 계획에는 비판적인 목소리도 있었지만 자선가, 벤처 캐피탈 등의 지원을 받을 수 있었다고 합니다. 2018년에는 빌 게이츠가 이끄는 에너지 문제 전문 펀드 'Breakthrough Energy Ventures(BEV)'의 지원을 받았다고 보도되었습니다.

그리고 2023년 7월 18일, Fervo Energy는 네바다주 북부에 있는 Project Red라는 실험구역에서 30일간의 본격적인 시험을 실시해 3.5MW(메가와트)의 전력을 생성하는 데 성공했습니다. 1MW라면 750가구에 전력을 공급할 수 있기 때문에 Project Red에서 생성된 전력은 상업규모라고 할 수 있습니다. Tim Latimer 씨는 성명에서 “석유·가스 산업의 굴착기술을 적용함으로써 지금까지 지열발전이 이루어지지 않았던 전세계 지역에서 주 7일 24시간 체제로 탄소 프리 에너지 자원을 생산할 수 있다는 것이 증명되었다”고 발표했습니다.

Fervo Energy는 2021년 구글과 차세대 지열발전 시스템 개발을 위한 기업간 계약을 체결했으며, 이번 혁신에도 구글의 도움이 있었다고 합니다. Project Red는 2023년에 전력망에 연결되어 네바다주 전체 Google 데이터센터 및 인프라에 전력을 공급할 예정입니다.

향후 Fervo Energy는 유타주 남서부에 건설중인 발전구역에서도 시연을 실시할 예정이며 예상대로 전력출력이 최대화되면 유타주에서는 2028년까지 약 400MW를 공급할 것으로 예측되고 있습니다.

영구자석은 자극의 방향이 고정되어 자력을 계속 발생하는 자석입니다. 그 중 하나인 네오디뮴 자석은 특히 강력한 자력을 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다.

네오디뮴 자석에 한정되지 않고, 영구자석은 사용하고 있는 동안에 약간이지만 자력이 줄어 갑니다. 이 현상을 감자라고 합니다.

네오디뮴 자석의 감자는 다른 자석에 비해 적고 연간 -0.1~0.3% 정도입니다. 100년 경과해도 자석의 성능에 관련된 감자는 일어나기 어렵습니다. 개체 차이는 있지만 반영구적으로 사용할 수 있다고 보아도 과언이 아닙니다. 따라서 PC와 휴대전화, 자동차 엔진 등에 이용되고 있습니다.

그러나 자석의 사용상황이나 보존하는 환경이 나쁘면 다릅니다. 고온상태에서의 사용이나 충격을 받기 쉬운 환경에서의 사용했을 경우 열화의 스피드는 빨라집니다. 이러한 사용방법은 감자하기 쉬워지기 때문에 네오디뮴 자석에서도 수명이 짧아집니다.

자석은 내부의 자성분자가 같은 방향을 향하고 있기 때문에 자력을 유지하고 있습니다. 그러나 어떤 원인으로 인해 분자열이 흐트러져 방향이 바뀔 수 있습니다. 그렇게 되면 자력은 약해져 버립니다.

▣ 자기감자
자력은 보통 N극을 빠져나와서 외계를 지나 S극으로 향합니다. 그러나 외계에 나가는 것보다 자석의 내부를 통해 S극으로 향하는 것이 지름길이 되기 때문에 그 자석이 가지는 자속과는 반대 방향으로 자기장이 발생해 버립니다. 이 자기장은 감자장이라고 불리며 자력의 저하의 원인이 되는 작용이 있습니다.

감자계의 크기는 자석의 치수나 형상에 따라 다르지만 얇은 자석만큼 강하게 자기감자하기 때문에 자력이 약해지기 쉽다고 합니다.

▣ 외부 자기장의 영향
외부 자기장은 외부에서 자석에 간섭하는 자기장입니다. 예를 들어 가까이에 전자기력이 큰 기계나 부품이 있는 경우에는 자기장의 영향을 받아 감자가 발생할 수 있습니다. 또 복수의 자석끼리를 반발시키는 것만으로도 영향은 일어납니다.

왜냐하면 자화방향과 역방향의 외부 자계가 가해지면 자속밀도가 변화하여 자력이 약해집니다. 특히 보자력이 작은 페라이트 자석 등에서 일어나기 쉬운 현상입니다.

▣ 녹을 포함한 물리적 손상
파손은 물론 녹에 의한 조성변화에 인해서도 감자합니다. 네오디뮴 자석은 녹슬기 쉬운 자석 재질이므로 방청으로서 니켈 도금을 하고 있습니다. 단 경년열화나 온도 및 습도 환경에 의해 녹이 발생하여 감자로 이어질 우려가 있습니다.

▣ 고온에 의한 감자
네오디뮴 자석은 상대적으로 열에 약한 자석입니다. 기본적으로 강자성 금속은 온도가 올라가면 열에너지에 의해 자속의 밀도나 보자력 등의 특성이 변화하여 자력을 잃습니다. 고온에서 자석의 자력이 감소하는 사건을 고온감자라고 하며 자력이 제로가 되는 온도를 퀴리온도라고 합니다.

퀴리온도의 수치는 자석의 종류에 따라 다릅니다. 페라이트 자석은 약 500℃, 사마륨 코발트 자석은 약 700~800℃인데 비해 네오디뮴 자석은 약 330℃로 낮습니다.

고온감자에는 식히면 자력이 원래로 돌아오는 가역감자와 식어도 자력이 원래대로 돌아오지 않는 불가역감자가 있습니다. 네오디뮴 자석은 불가역감자를 일으키는 온도도 다른 자석 재질에 비해 낮습니다. 그 때문에 고온환경에서의 사용에는 적합하지 않습니다.

참고로 네오디뮴 자석은 저온환경에서는 자력이 증가합니다. 저온에 의해 감자하는 자석도 있습니다. 페라이트 자석은 고온뿐만 아니라 저온상태에서도 감자가 발생합니다. 왜냐하면 페라이트는 다른 자석과 달리 온도가 내려갈수록 보자력이 저하한다는 특성을 가지고 있기 때문입니다. 따라서 페라이트 자석을 -20~-40℃ 정도의 저온까지 냉각하면 상온으로 되돌려도 원래의 자력으로 돌아가지 않게 됩니다.

네오디뮴 자석을 오래 사용하는 방법

조금이라도 네오디뮴 자석의 수명을 길게하고 정상적으로 사용하기 위해서는 일상적인 취급방법이 중요합니다.

▣ 비나 수증기에 닿지 않는 곳에 보관
네오디뮴 자석은 녹이 생기기 쉬운 성질이 있습니다. 녹슬면 감자하므로 습기 차단을 위해 비닐봉투 등으로 밀봉하여 비나 물이 닿지 않는 장소나 수증기에 닿지 않는 장소에 보관합시다.

▣ 고온이나 특수한 환경을 피한다
네오디뮴 자석은 다른 자석에 비해 열에 약하기 때문에 가능하면 50℃ 이하의 환경에서 사용하거나 보관하고 부식성 가스나 산성, 알칼리성이 강한 곳, 유기용제를 사용하는 특수한 환경도 피합시다.

▣ 자석의 방향에 주의한다
여러 자석을 보관할 때는 상하좌우에 관계없이 넣으면 서로 반응하여 자석의 방향이 바뀔 가능성이 있습니다. 또한 파손의 원인이 되기 때문에 자석의 방향을 맞추어 보관합시다.

▣ 충격이 가해지지 않도록 주의한다
충격을 받으면 균열이나 부서짐이 발생할 뿐만 아니라 자석 내의 자성분자가 흐트러져 감자하는 경우도 있습니다. 보관할 때는 낙하할 가능성이 있는 장소를 피하고 지면에 둘 때도 천천히 진행합시다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- ネオジム磁石の寿命ってどれぐらい？
https://www.neomag.jp/mag_navi/column/column014.html

강한 자력을 가진 자석은 일상생활의 모든 곳에서 사용되고 있지만 그 자력은 눈으로 볼 수 없습니다. 그러나 자석 주위에 사철을 뿌려 간접적으로
자력을 볼 수 있습니다. 다양한 현상을 고속카메라로 촬영한 슬로우 모션 영상을 공개하고 있는 The Slow Mo Guys가 자석에 사철이 달라붙는 순간을 촬영하여 자력의 방향을 가시화하는 데 성공했습니다.

Visualizing Magnetic Fields with Slow Mo #shorts #slowmoguys - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=fgLf_dcZy9Q

파이프에서 매달린 볼트너트에 비닐봉투로 감싼 영구자석을 붙입니다. 그리고 그 아래에서 사철을 공중에 날려 사철이 영구자석에 달라붙는 순간을 2000FPS으로 촬영할 수 있는 고속카메라로 포착했습니다.

사철이 궤적은 영구자석이 가진 자기장의 방향을 따릅니다. 자기장의 방향은 영구자석의 양극에서 포물선을 그리는 것이 잘 알려져 있습니다.

자력의 정체는 자연계의 4개의 힘(기본 상호작용)의 하나인 전자기 상호작용입니다. 세상의 모든 것은 원자로 이루어져 있으며 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다. 그리고 이 전자의 운동이 모여 전자기장에 방향과 힘이 발생합니다. 사철로 시각화되어 있는 자력선이란 N극과 S극 사이에 발생하고 있는 전자기장의 방향으로 이루어지는 곡선으로, 영구자석에 보이지 않는 힘이 넘쳐 흐르고 있는 것은 아닙니다.

기체의 수소에 초고압을 가하면 금속이 되는 것이 실험에서 확인되었다. 상온·상압에서 금속수소가 가능하면 신소재나 에너지 분야에서 혁명으로 이어진다. 목성의 내부구조를 규명하는 단서도 될 것이다.

수소는 양성자 1개와 전자 1개로 구성되는 가장 단순한 원소이지만 과학자가 상상해 온 것보다 훨씬 복잡하다는 것을 알게 되었다. 수소는 상온·상압에서는 기체이고 2개의 원자가 결합한 분자(2원자분자)이지만 20K(절대온도), 즉 마이너스 253℃ 이하로 식히면 액체가 되고 14K 이하에서 고체가 된다. 기체, 액체, 고체의 어떤 상태에서도 통상은 전기를 통하지 않는 절연체이다.

그러나 1930년대 물리학자들은 수소에 매우 높은 압력을 가하면 분자가 파괴되어 원자가 되어(해리) 수소가 도전성 금속이 된다고 예언했다. 1960년대가 되면 코넬대학의 Neil.W. Ashcroft가 “고체인 금속수소에서는 전기저항이 제로가 되어 초전도 상태가 된다”는 가설을 주창했다. 이 상태를 안정시켜 상온상압에서도 금속수소로 하면 과학자가 수십 년에 걸쳐 계속해서 연구해 온 실온 초전도체가 된다. 금속수소는 또한 거의 장소를 취하지 않는 에너지원이 되거나 경량의 구조재료로서 보급될 가능성도 갖고 있다.

미국의 연구팀은 최근 이러한 가능성의 실현을 향해 한 걸음 내디뎠다. 로렌스 리버모어 연구소의 가스총을 사용하여 액체수소를 압축하고 액체형태의 금속을 만드는 데 성공했다. 액체금속 상태는 100만분의 1초 이하라는 경미한 시간이었지만 그 사이에 다양한 성질을 조사해 금속이 되었는지를 나타내는 전기전도도를 측정하기에는 충분한 시간이다.

고체의 금속수소를 만드는 최종 목적은 아직 달성되지 않았다. 그러나 이번 실험결과에서 수소가 초고압이나 고온에서 어떻게 행동하는지 많은 지견을 얻을 수 있었다. 이러한 지견으로부터 핵융합 실험로에서 효율적으로 에너지를 만들어내는 단서를 얻을 수 있을 가능성이 있다. 또한 목성의 내부가 어떻게 되어 있는지 연구도 진행될 것이다. 목성은 질량이 매우 크고 내부에서는 액체의 수소가 압축되어 금속으로 되어 있다고 생각되기 때문이다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- Making Metallic Hydrogen（SCIENTIFIC AMERICAN May 2000）

물의 분자는 화학기호에서 알 수 있듯이 수소원자(H) 2개와 산소원자(O) 1개가 결합하여 이루어져 있는데 이 물분자 1개로는 액체가 되지 않습니다. 물이라는 액체가 되려면 물분자가 많이 나열해야 합니다. 물질을 구성하는 분자와 분자가 연결되기 위한 힘에는 여러 종류가 있는데 물분자의 경우는 산소가 마이너스의 전하, 수소가 플러스의 전하를 가지게 되어 자석과 같은 작용을 가지고 있기 때문에 전기 힘에 의해 결합(수소결합)이 이루어집니다. 이 수소결합은 물분자 사이를 연결하여 물분자 집합(물 클러스터)을 형성합니다. 상온의 물에서는 5~6개 내지 수십 개의 분자가 클러스터를 형성한다.

물이 액체상태인 것은 1기압 하에서 온도가 0.00℃ 내지 99.974℃ 사이입니다(원래 물의 끓는점은 끓는점을 100℃로 결정했지만 1℃의 정의가 재검토되었기 때문에 물의 끓는점은 현재 엄밀하게는 99.974도로 정의되고 있다.). 물분자는 몇개가 모여 집단에서 하나의 덩어리가 되거나 그것이 또 무너지면서 무작위 방향을 향해 자유롭게 운동하고 있습니다. 물이 다양한 형태로 변할 수 있는 이유는 분자가 이렇게 자유롭게 움직이기 때문입니다. 밖에서 열을 가하면 이 운동이 격렬해져 물분자는 덩어리로 있을 수 없게 됩니다.

물은 99.974℃(1기압 기준)에 도달하면 끓어오르고 분자집단은 흩어집니다. 물분자는 격렬하게 움직이고 맹렬한 속도로 공간을 날아다니게 됩니다. 수증기라는 기체는 보이지 않는데 끓는 주전자에서 나오는 하얀 김은 수증기가 주위의 공기에 식혀져 물의 알갱이로 돌아간 상태여서 하얀 김은 액체입니다.

물이 0.00℃ 이하(1기압 기준)가 되면 운동하기 위한 열에너지가 극단적으로 낮아 물분자는 움직임을 멈추고 서로 결합합니다. 물분자는 구부러진 형태를 하고 있기 때문에 분자끼리는 틈이 많은 형태로만 결합할 수 있습니다. 그 때문에 분자와 분자 사이에 틈이 생겨 거리가 멀어져 그 만큼 부피가 늘어나게 됩니다. 물을 얼리면 부피가 늘어나는 것은 이 때문입니다(약 10%). 보통의 액체는 고체가 되면 밀도가 오르고 체적은 작아집니다. 고체가 되면 부피가 증가하는 것은 다른 많은 물질과는 다른 물의 특성입니다.

자연이나 일상생활에서 볼 수 있는 물의 특이한 성질을 살펴봅시다

▣ 암석의 풍화·서리기둥
겨울의 서리기둥은 간단하게 말하면 지중의 수분이 얼어 체적이 늘어나 지표의 흙을 뚫고 나온 것. 또 암석의 풍화에도 물은 크게 관여하는데 암석의 균열에 흩어져 있던 물이 동결되어 부피를 늘리고 그 힘으로 균열을 밀어냅니다. 이 작용이 반복되면 최종적으로 암석이 깨집니다.

▣ 스케이트를 타다
스케이트 신발의 칼날과 얼음 사이에 물이 있고 그 물이 윤활제 역할을 하기 때문입니다. 스케이트 신발의 칼날에 의해 물이 되지만 통과하면 다시 얼음으로 돌아옵니다. 이것도 물의 특성 중 하나입니다(덧붙여 최근의 연구에서는 그 밖의 요인도 고려되고 있습니다.).

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 水の知
https://mobile.suntory.co.jp/eco/teigen/jiten/science/01/?transfer=pc_to_mobile#:~:text=1%E6%B0%97%E5%9C%A7%E3%81%AE%E3%82%82%E3%81%A8%E3%81%A7%E3%81%AF%E3%80%81%E6%B0%B4%E3%81%AF0.00%E5%BA%A6,%E6%B2%B8%E9%A8%B0%E3%81%97%E3%81%A6%E3%81%97%E3%81%BE%E3%81%84%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82

대부분의 배터리는 일부 유해물질을 함유하고 있으며 폐기하면 환경을 오염시킬 수 있습니다. 남호주 플린더스대학과 중국 절강과학기술대학 팀이 무독하고 안전하며 효율적인 '수성 알루미늄 이온전지' 개발의 제1단계에 대해 과학지인 Journal of the American Chemical Society에 보고를 게재했습니다.

Lewis Acid-Induced Reversible Disproportionation of TEMPO Enables Aqueous Aluminum Radical Batteries | Journal of the American Chemical Society
https://doi.org/10.1021/jacs.3c04203

'Radical' new green power source – News
https://news.flinders.edu.au/blog/2023/07/05/radical-new-green-power-source/

많은 배터리에는 납, 카드뮴, 수은 등 인간과 동물에 독성이 있으며 토양과 물을 오염시키는 물질이 포함되어 있습니다. 이러한 유해물질은 환경에 오래 머무르기도 해 문제입니다.

다가금속 이온전지의 양극재료로 사용될 수 있는 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-옥실(TEMPO)은 높은 산화환원 전위와 빠른 전기화학 반응속도를 특징으로 합니다. 그러나 TEMPO와 그 유도체는 불균형화와 산성 조건 하에서 니트록시드라디칼의 분해가 알려져 있기 때문에 새로운 알루미늄 이온전지에서는 별로 사용되지 않습니다.

플린더스대학의 Zhongfan Jia 준교수는 “Al³⁺, Zn²⁺, Mg²⁺을 포함한 다가금속 이온전지는 지구의 지각에 있는 풍부한 원소를 사용하여 리튬 이온전지보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 실현하고 특히 3번째로 많은 원소인 알루미늄을 이용한 알루미늄 이온전지는 지속가능하고 저비용의 에너지 저장시스템이 될 수 있다”고 설명했습니다.

그러나 알루미늄 이온전지는 Al³⁺이온 착체의 이동이 느리고 캐소드 효율이 낮다는 과제가 있다는 것.

이번 연구팀은 TEMPO의 전기화학적 거동을 유기 및 수성 루이스산 전해질에서 조사해 유기 전해질에서 TEMPO의 돌이킬 수 없는 불균형을 처음으로 밝혔습니다. 또 수성 루이스 전해질 중에서는 TEMPO 전체에서 가역적인 전기화학적 산화환원 반응이 가능해지는 것을 알 수 있었습니다.

이러한 발견에서 연구팀은 내화성과 공기안정성을 가진 안정적인 라디칼 폴리머 수성 알루미늄 이온전지를 설계했는데 재료 그램 당 110mAh의 용량으로 1.25V의 안정된 출력을 800 사이클 달성했습니다. 사이클당 손실은 0.028%에 불과했다고 합니다.

이 연구는 공액계 유기분자에 의존하는 알루미늄 이온전지에 비공액계 유기 전기 활성물질을 사용하는 것이 유망하다는 것을 보여줍니다.

Jia 준교수는 장래에 생분해질 재료를 이용한 소프트팩 전지를 개발해 전지를 안전하고 지속 가능한 것으로 하고 싶다고 포부를 밝혔습니다.

매사추세츠 공과대학(MIT)의 디바이스 연구소가 천연의 흡수성 소재인 하이드로겔을 이용해 과거 전례가 없을 정도의 수분흡수율을 자랑하는 신소재를 개발했습니다.

Extreme Water Uptake of Hygroscopic Hydrogels through Maximized Swelling‐Induced Salt Loading - Graeber - Advanced Materials - Wiley Online Library
https://doi.org/10.1002/adma.202211783

This salty gel could harvest water from desert air | MIT News | Massachusetts Institute of Technology
https://news.mit.edu/2023/salty-gel-could-harvest-water-desert-air-0615

MIT 디바이스 연구소의 구스타프 그레이버 씨와 카를로스 D. 디아스 마린 씨는 종이기저귀에도 사용되고 있는 천연의 흡수성 소재인 하이드로겔에 건조제로 알려진 소금의 일종인 염화리튬을 주입하여 하이드로겔의 흡수성을 높였습니다.

하이드로겔에 소금을 주입하는 시도는 이전부터 있었고 과거 가장 효율이 높았던 것은 폴리머 1g당 4g~6g의 소금을 주입한 하이드로겔이었습니다. 이 샘플은 상대습도 30%의 건조상태에서 재료 1g당 약 1.5g의 증기를 흡수하였습니다.

연구팀은 재료합성의 방법을 재검토해 폴리머 1g당 최대 24g의 염화리튬을 주입하여 상대습도 30%의 건조상태에서 재료 1g당 약 1.79g의 증기를 흡수시키는 데 성공했습니다. 디어스 마린 씨는 “야간 사막은 상대습도가 낮으나 이번 소재를 사용하면 사막에서 물을 흡수할 수 있을 가능성이 있다”고 보았습니다.

그레이버 씨는 “예기치 못한 놀라움은 이번과 같은 간단한 접근법으로 지금까지 보고된 가운데 최고의 수분흡수량을 얻었다는 것”이라고 말했습니다.

앞으로는 반응속도와 물질이 물을 흡수할 때까지의 시간을 개선해 재료를 신속하게 순환시켜 물의 회수 페이스를 하루 1회에서 하루 24회까지 늘릴 수 있을 것으로 전망되고 있습니다.

전자파란?

전자파란 전기장(전기의 힘이 작용하는 공간)과 자기장(자기의 힘이 작용하는 공간)이 서로 영향을 주면서 공간을 전해지는 파동을 말합니다. 파동의 길이를 파장이라고 하고 파장이 짧을수록 많은 에너지가 있습니다.

전자파의 종류

전자파는 그 파장에 의해 구분되어, 파장이 짧은 순으로 감마선, X(엑스)선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 전파 등으로 분류되고 있습니다.
각각의 파장이 가지는 특성을 살려 의료기기나 가전·통신기기 등 다양한 용도로 이용되고 있습니다.

빛도 전자파 중 하나로 일반적으로 가시광선이 좁은 의미의 빛이고 적외선에서 자외선의 넓은 범위가 넓은 의미의 빛으로 취급됩니다.
태양광도 전자파로 자외선의 일부와 가시광선, 근적외선이 지표에 도달해 지구의 생명활동의 근원적인 에너지원이 되고 있습니다.

전자파와 열

전자파가 가진 에너지는 물질에 흡수되면 열로 바뀝니다.
금속 이외의 많은 물질은 원적외선의 파장을 흡수하기 쉬운 특성을 가지고 있습니다. 즉, 원적외선에 의해 따뜻해지기 쉽다는 것입니다. 이것이 적외선이 "열선"이라고 불리는 이유입니다.

반대로 열을 가진 물질에서 전자파가 방출됩니다.
물질의 온도가 높을수록 에너지가 큰 (파장이 짧은) 전자기파가 방출됩니다. 예를 들어 철을 가열하면 처음에는 눈에 보이지 않는 적외선을 방사하고 온도가 올라가면 붉은 빛(파장이 긴 가시광선)을 방출하기 시작하고 더욱 고온이 되면 노랗게 빛납니다.

전자파와 전기히터

공업용 전기히터에는 많은 종류가 있는데 발열의 방법이나 사용되는 온도대역 등 특징도 다양합니다.
예를 들어 고온영역에서 사용되는 할로겐 램프히터는 근적외선에서 가시광선의 일부를 방출하므로 근적외선을 잘 흡수하는 금속의 가열에 적합합니다.
비교적 저온영역의 원적외선 히터는 그 이름대로 주로 원적외선을 방사하기 때문에 난방기기나 조리기구 등 금속 이외의 물질을 가열하는 열원으로서 폭넓게 이용되고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 電磁波と熱のはなし
https://www.showa.co.jp/matchinglab/electromagneticwaves/

다우존스 산하 에너지 관련 조사회사 'OPIS'가 중국에서의 태양전지 모듈의 가격폭락을 보고했습니다. 가격 하락은 태양전지 모듈의 공급과잉이 원인으로 하락경향이 앞으로도 계속될 가능성이 있다고 합니다.

China polysilicon prices in freefall – pv magazine International
https://www.pv-magazine.com/2023/06/16/china-polysilicon-prices-in-freefall/

China solar module prices keep diving – pv magazine International
https://www.pv-magazine.com/2023/06/23/china-solar-module-prices-keep-diving/

아래의 그래프는 태양전지의 재료가 되는 폴리실리콘의 가격 추이를 보여주는데 폴리실리콘의 가격은 2023년 3월 이후 계속 하락하고 있으며 1kg당 약 220위안(약 4만 4000원)이었던 것이 2023년 6월 13일에는 1kg당 78위안(약 1만 5540원)까지 하락했습니다.

폴리실리콘 가격 하락의 영향을 받아 태양전지 모듈 가격도 4주간 연속 하락해 2023년 6월 20일에는 1W당 0.173달러(약 250원)를 기록했습니다.

OPIS에 따르면 중국 국내의 폴리실리콘이나 태양전지 모듈은 공급과잉 상태에 있고 중국산 태양전지 모듈의 출하처인 유럽에서도 재고 과잉 상태가 계속되고 있어서 폴리실리콘이나 태양전지 모듈의 가격은 앞으로도 계속 하락할 것으로 예상했습니다.

음파도 초음파도 파동입니다. 조용한 호수 표면에 투석했을 때 볼 수 있는 깨끗한 파문과 같습니다. 투하한 곳에서 깨끗한 원형이 360도 방향으로 퍼져나가는데 완전한 무지향성 상태를 나타내고 있습니다. 어군탐지에서는 발사력을 집중시키고 어군의 방향을 알기 위해 지향성이 있는 주파수가 높은 음파인 '초음파'를 사용합니다. 공중에서는 음파 외에 전파, 빛 등을 사용할 수 있지만 수중에서는 전파와 빛은 즉시 감쇠되어 버립니다. 이 때문에 수중에서의 유일한 매체가 초음파가 됩니다. 수중에서 초음파가 전파되는 속도는 초당 약 1500m입니다. 공기 중에서는 초당 340미터밖에 진행되지 않는 초음파도 수중에서는 5배의 속도로 진행됩니다. 선저에서 초음파를 발사한 후 1초 후에 어군으로부터의 반사파를 수신할 수 있었을 경우 어군까지의 거리(깊이)는 750미터가 됩니다. 이 경우 초음파가 초당 750m의 거리를 왕복하게 됩니다. 이것이 물고기 탐측 깊이의 기본입니다.

전파나 빛과 같이 초고속으로 전파하는 매체에서는 그만큼 많은 정보를 수집할 수 있지만 초음파의 전파속도는 그것들과 비교가 되지 않을 정도로 초저속도이기 때문에 수중탐지에는 시간이 걸립니다. 참고로 매체물질의 밀도가 높을수록 전파하는 속도는 빨라집니다. 예를 들어 선로 등의 철재를 매체로 했을 때 초음파는 초당 약 5000미터나 진행됩니다. 그러나 초음파는 수중에서 유일한 통신매체입니다. 선저에서 발사한 초음파는 전파속도는 매우 느리지만 아주 멀거나 심해의 어군을 포착할 수 있습니다.

조류, 수온, 플랑크톤, 기포, 기계 잡음, 전기 잡음 등 ㅅ 수중에는 초음파 전파의 장해가 되는 요인이 여러 가지 있습니다. 그러나 이러한 많은 노이즈 중에서 미약한 어군 반사 신호를 포착할 수 있는 뛰어난 머신이 어군탐지기입니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 音波と超音波
https://www.furunostyle.jp/jp/mechanism/page3.html#:~:text=%E7%A9%BA%E4%B8%AD%E3%81%A7%E3%81%AF%E3%80%81%E9%9F%B3%E6%B3%A2%E3%81%AE%E3%81%BB%E3%81%8B,%E3%81%8C%E8%B6%85%E9%9F%B3%E6%B3%A2%E3%81%A8%E3%81%AA%E3%82%8A%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82

대서양에 가라앉은 호화 여객선 타이타닉을 보기 위해 수심 4000m 가까이 잠행했던 잠수정 타이탄이 행방불명되었고 미국의 해안경비대는 잠수함의 파편을 발견했다고 발표했습니다. 발견된 파편은 타이탄의 내압실 주변의 것으로 타이탄이 폭축에 의해 압괴한 것으로 보여지고 있습니다. 잠수함을 순식간에 분쇄해 버리는 폭축이란 무엇인지 기술지 SlashGear가 설명했습니다.

What Really Happens When A Sub Implodes
https://www.slashgear.com/1321221/what-happens-when-sub-implodes/

우리가 평소 살고 있는 장소에는 공기가 있고 장소에 따라 차이는 있지만 기본적으로 1기압(약 1013헥토파스칼)이라는 대기압이 가해지고 있습니다. 이것은 대기 중 공기의 무게가 몸에 가해지고 있다는 의미입니다.

폭축이란 모든 방향에서 강한 압력이 작용하고 파괴되는 현상을 의미합니다. 폭발이 안쪽에서 바깥쪽으로 압력이 작용하는 반면 폭축은 바깥쪽에서 안쪽으로 압력이 작용합니다. 그리고 심해에서는 공기보다 무거운 물의 무게가 가해지기 때문에 지상에서는 생각할 수 없을 정도로 방대한 압력입니다.

예를 들어 이번 잠수정 타이탄의 파편이 발견된 수심 약 3800m에서의 수압을 계산하면, 수압은 액체의 밀도(kg/m^3)×중력가속도(m/s^2)×물의 깊이(m)로 구해지므로 수심 3800m의 수압은 1020×9.8×3800=약 38만 헥토파스칼입니다. 지상에서의 약 375배의 압력이 가해진다는 의미입니다.

잠수함 내부에는 공기가 차 있기 때문에 기본적으로는 1기압이라고 생각됩니다. 잠수함은 재질이나 구조에 따라 엄청난 수압에서도 부서지지 않도록 설계되어 있지만 한계 심도를 넘으면 잠수함의 구조가 주위의 압력에 견딜 수 없어 폭축을 일으켜 버립니다.

아래 동영상을 보면 전구나 유리병이 수압으로 압괴하는 모습을 슬로우 모션 영상으로 볼 수 있습니다. 밀폐된 두꺼운 유리병이 일정 압력을 넘으면 일순간에 폭축하여 깨져버리는 모습을 잘 알 수 있습니다.

Deep Sea Implosions in Slow Motion | How Deep Can a Light Bulb Go? - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=WD7CfnQC5HQ&t=3m03s

타이탄은 수심 1300m 이하는 견딜 수 없다고 여겨졌습니다. 수압은 수심에 비례하기 때문에 타이탄은 성능 한계의 약 3배 가까운 수압을 받고 있었습니다.

폭축은 잠수함이 주변 압력을 견딜 수 없을 때 발생합니다. 성능 한계를 넘어 더 깊게 잠수하면 압력에 의해 선체가 파손되어 폭축을 일으켜 압괴해 버립니다. 예를 들면 1963년에 미군의 원자력 잠수함 USS Thresher는 기관부분의 문제로 인해 추진력을 잃고 수심 600m 이상의 깊이에서 압괴했습니다.

큰 수압에 의한 폭축압괴는 일순간으로 거대한 잠수함조차 1초 이내에 발생한다고 합니다. 물론 인간의 몸은 갑자기 1기압에서 375기압에 상당하는 압력 하에 방출되어도 견딜 수 있는 구조를 하고 있지 않기 때문에 중추신경이 이상을 인식하기 전에 죽어버릴 것으로 SlashGear는 보았습니다.

미국 캘리포니아주 샌디에이고 카운티에 용량 250MW로 세계 최대인 리튬이온 배터리시설이 9월 1일 완성됐다. 건설을 담당한 McCarthy Building Companies의 재생가능 에너지 및 스토리지 그룹이 발표했다.

LS Power Energizes Largest Battery Storage Project in the World, The 250MW Gateway Project in California 2020.8.19
https://www.lspower.com/ls-power-energizes-largest-battery-storage-project-in-the-world-the-250-mw-gateway-project-in-california-2/

2020년 9월 세계 최대 규모인 250MW의 용량으로
이 프로젝트는 Gateway Energy Storage Project로 북미의 에너지 벤처 LS Power가 개발했으머 캘리포니아주 전체에서 진행되고 있는 대형 배터리 프로젝트의 일환이다.

배터리는 CAISO(California ISO) 그리드에 연결되어 있다. 2020년 6월에는 용량이 62.5MW였지만 8월 1일에는 200MW에 도달했다. 9월 1일 현재 이미 230MW로 운영되고 있으며 9월 중에는 250MW에 이를 예정으로 이는 축전시설로서는 세계 최대이다. 프로젝트에는 LG의 셀이 사용되고 NEC도 협력하고 있다고 한다.

LS Power의 CEO인 Paul Segal 씨는 “LS Power는 30년 이상 보다 깨끗하고 혁신적인 에너지로의 전환을 주도해 왔다. LS 파워는 CO2 배출량을 줄이고 우리가 제공하는 시장의 신뢰성을 향상시키고 있다"고 말했다.

McCarthy Building Companies의 재생가능 에너지 및 스토리지 그룹 EPC 담당 수석부사장 Dhruv Patel 씨는 “우리는 이 프로젝트에 계속 노력하고 캘리포니아주가 야심찬 재생가능 에너지 목표를 달성할 수 있도록 비용효율적인 높은 청정에너지 솔루션을 제공할 수 있기를 기대한다”고 말했다.

테슬라와 PG&E는 캘리포니아주 몬테레이에 에너지 저장시설이 있다. 이 시설은 최대 182.5MW의 용량으로 그리드에 최대 4시간 전력을 공급할 수 있다.

이번 Gateway 프로젝트는 그것을 웃도는 규모이지만 테슬라와 PG&E는 몬테레이의 용량을 더욱 확대할 것으로 보인다. Gateway 프로젝트가 세계 최대인 기간도 그리 길지 않을지도 모른다.

캘리포니아에서는 이러한 시설(Gateway와 몬테레이)은 주 전력저장 프로젝트의 일단에 불과하며 다른 배터리시설의 개발도 진행되고 있다. 캘리포니아주에서는 석탄화력발전 이탈을 진행하고 있으며 올 8월 14일에 일어난 계획정전 등의 문제를 해결하기 위해서도 이러한 배터리시설은 중요시되고 있다.

1912년에 침몰한 호화 여객선 '타이타닉호'의 침몰지점을 목표로 잠수하다 2023년 6월 19일에 실종된 관광용 잠수정 '타이탄'은 개발 단계로부터 안전성이 우려되었고 개발 당시의 직원이 모회사인 OceanGate Expeditions에 대해 여러 번 위험성을 알렸으나 계속 무시되었다고 전직 직원의 고발에서 밝혀졌습니다.

Submarine missing near Titanic used a $30 Logitech gamepad for steering | Ars Technica
https://arstechnica.com/gaming/2023/06/submarine-missing-near-titanic-used-a-30-logitech-gamepad-for-steering/

Why Did the Missing Titanic Sub Use a $40 Video Game Controller?
https://www.vice.com/en/article/bvjjqq/why-did-the-missing-titanic-sub-use-a-dollar40-video-game-controller

타이타닉호의 침몰지점을 관광하는 타이탄에는 잠수정을 조종하는 사령관 1명과 민간인 4명이 승선하고 있었습니다. 2023년 6월 19일 잠수정은 운반선 '폴러 프린스'에서 분리되어 북대서양 케이프 코드 동쪽 약 900마일(약 1450km), 깊이 약 1만3000피트(약 4000m) 지점에서의 통신을 마지막으로 잠수 시작 후 약 1시간 45분 후에 연락이 중단되었다고 이 운반선의 승무원으로부터 보고되었습니다.

이번 타이탄의 조난으로 투어를 운영하는 OceanGate Expeditions의 낮은 안전성이 점차 부각되고 있습니다. 초기 잠수정의 품질과 안전에 대한 우려로 유인시험 참여를 거부하고 OceanGate Expeditions에서 해고당한 전 잠수정 조종사인 데이비드 록리지 씨는 “부당한 해고를 받았다”며 잠수정의 품질과 안전성에 관한 정보를 고발했습니다. OceanGate Expeditions는 2018년에 잠수정에 관한 기밀정보를 불법으로 공개했다며 록리지 씨를 고소했습니다.

록리지 씨는 “잠수정이 깊이 4000m와 같은 극단적인 심해에 도달했을 때 가해지는 압력으로 인해 잠수정의 재질인 탄소에 큰 균열이 생겨 승객이나 승무원에게 중대한 사고를 초래할 위험성이 있다”고 주장했습니다. 또한 록리지 씨가 잠수정의 안전성에 대해 OceanGate Expeditions에 우려를 표명했을 때 설계도와 압력 테스트 결과 및 기타 중요한 정보에 대한 열람은 거부되었다고 합니다.

또한 록리지 씨는 2018년 1월에 열린 OceanGate Expeditions의 스톡턴 러시 CEO와 인사부장, 운영부장과 록리지 씨를 포함한 회의에서 “OceanGate Expeditions는 잠수정을 4000m의 깊이까지 강하시키는 것을 의도하고 있었음에도 불구하고 잠수정의 전방에 있는 '뷰포트'는 1300m까지의 깊이밖에 견딜 수 없었으나 4000m까지 잠행할 수 있는 뷰포트에 대한 지불을 거부했다고 합니다.

록리지 씨는 “투어에 참가하기 위해 많은 돈을 지불하는 승객은 잠수정의 안전에 대한 우려와 잠수정에 위험한 가연성 물질이 사용된 사실을 알려야 한다"고 OceanGate Expeditions에 호소했지만 받아들여지지 않았고 록리지 씨는 해고되었습니다.

2022년 11월에 방송된 ‘CBS 뉴스 선데이 모닝’에서 리포터 데이비드 포그 씨는 잠수정 타이탄을 보고 노출된 디스플레이와 밸러스트에 건설용 파이프를 그대로 사용하고 있는 등 잠수정의 많은 부분이 즉석에서 만들어진 것처럼 보인다”고 언급했습니다.

A visit to RMS Titanic - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=29co_Hksk6o

포그 씨를 안내한 러시 씨는 타이탄의 조종에 57200원으로 판매되는 로지텍의 무선 게임 컨트롤러인 'F710'이 사용되고 있다고 설명했습니다.

잠수정 '타이탄'의 조난의 원인은 선체의 파손이나 연료의 유출, 산소용기의 파손 등 여러 요인이 상정되고 있는데 선내에는 70시간부터 96시간분의 산소가 갖추어져 있어 현재 소나 탑재 항공기 등 여러 자원을 배치하여 열심히 수색이 이루어지고 있습니다.

지진은 때로는 큰 인적 피해와 경제적 손실을 초래하므로 지진 발생시기와 장소를 예측하는 기술이 매일 연구되고 있습니다. 폴란드 과학아카데미 핵물리학연구소(IFJ PAN)가 우주선과 지진에서 상관관계를 발견했고 우주선의 강도를 관측함으로써 지진을 예측할 수 있는 가능성을 제시했습니다.

Observation of large scale precursor correlations between cosmic rays and earthquakes with a periodicity similar to the solar cycle - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.jastp.2023.106068

Intriguing correlation between earthquakes an | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/992637

IFJ PAN의 과학자이자 CREDO 프로젝트의 코디네이터인 피오트르 호모라 박사는 “태양과 심우주에서 오는 우주선과 지진과 관련이 있다는 생각은 언뜻 보면 이상하게 보일 수 있지만 물리적 기초는 완전히 합리적인 것"이라고 설명했습니다.

호모라 박사가 이끄는 연구팀에 따르면 액체 금속으로 구성된 지구의 외핵 내에서 일어나는 와전류가 지구의 자기장 생성에 관여하고 있다는 것. 즉, 지진과 관련된 지구 내부의 움직임이 지구의 자기장을 변화시키고 그 자기장의 변화가 우주선에 영향을 미친다고 연구팀은 보았습니다.

IFJ PAN이 2016년부터 진행하고 있던 CREDO(우주선 초분산 관측소) 프로젝트는 고급과학 검출기뿐만 아니라 스마트폰에 탑재된 CMOS 센서와 같은 소형 검출기로부터의 데이터도 수집해 우주선의 변화를 확인합니다. 이 프로젝트에서 수집한 데이터를 분석한 결과 우주선의 강도변화와 진도 4 이상의 지진 규모에 명확한 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌습니다. 우주선의 변동은 지진 발생 약 15일 전에 관측되었는데 이에 IFJ PAN의 연구팀은 우주선의 관측데이터로부터 지진을 예측할 수 있는 가능성을 제기했습니다.

호모라 박사는 “과학의 세계에서는 뒷받침되는 데이터의 통계적 신뢰도로서 표준편차가 5에 도달했을 때 발견했다고 할 수 있다고 합니다. 이번 우주선과 지진의 상관관계는 표준편차가 6을 넘어서고 이 상관관계가 우연의 산물일 가능성은 10억분의 1 이하라고 할 수 있어 우주선과 지진에 상관관계가 있다고 주장하는 통계적 근거를 얻었다"고 보았습니다.

다만 예상할 수 있는 것은 어디까지나 지진이 발생하는 타이밍이며 어디에서 지진이 일어나는지는 예측할 수 없습니다. 또 예측할 수 있는 것은 우주선이 발생했을 때에 한정되고 지진의 규모가 지구 전체에 영향을 미치는 경우인 것에 주의가 필요합니다.

또 우주선의 데이터와 지진 데이터의 상관관계에는 10~11년 단위의 주기성이 보였다고 합니다. 이 주기성은 태양 활동의 주기와 유사합니다. 게다가 지구의 항성일인 23시간 56분 4초에 상당하는 주기로 지진활동이나 우주선의 강도가 변화하고 있는 것도 알게 되었습니다. 이것으로부터 우주와 지진의 상관관계는 지구 내부의 문제뿐만 아니라 지구 밖의 어떤 요인에 기인하고 있을 가능성도 생각할 수 있습니다. 다만 어떤 물리현상으로 이러한 주기성이 발생하고 있는지는 현시점에서는 불분명합니다.

기원전 8세기 무렵부터 기원후 수백 년에 걸쳐 영화를 누렸던 로마 제국의 유적에서 지금까지 100개 정도의 '수수께끼의 십이면체'가 발견되었습니다. 이 십이면체가 도대체 ​​무엇을 위해 사용되고 있었는지 뉴스미디어 BigThink가 소개했습니다.

Mysterious dodecahedrons of the Roman Empire - Big Think
https://bigthink.com/strange-maps/roman-dodecahedrons/

1739년 영국의 하트퍼드셔주 애스턴에서 최초의 십이면체가 발견된 이후 21세기에 이르기까지 적어도 116개가 영국 북부와 헝가리에 걸쳐 광범위하게 출토되었습니다. 크기는 4cm~11cm로 제각각이었고 대부분의 십이면체는 중심을 향해 구멍이 열려 있으며 각의 정점에는 둥근 돌기가 붙어 있습니다.

대부분은 청동기이고 돌로 만들어진 것도 있고 구멍이나 돌기가 없는 것도 보석고에서 발견된 사례도 있기 때문에 소유자가 이 십이면체를 귀중한 것으로 생각하고 있던 것을 알 수 있다고 합니다.

이 십이면체가 장난감인지 도구인지에 대한 의문은 현시점에 이르기까지 분명히 밝혀지지 않았지만 몇 개의 용도가 추정된다고 합니다.

수수께끼의 십이면체의 정체에 대해서는 여러 가설이 있는데, 그 중의 하나가 '운세에 사용된 도구'라는 가설입니다. 1082년 제네바에서 발견된 십이면체에는 십이별자리의 라틴어 이름이 새겨져 있었기 때문에 점성술이나 어떠한 의식에 사용되었다는 가설이 유력시되었습니다. 십이면체는 로마 제국의 북서부에서만 발견되었기 때문에 당시 그 주변에 살았던 갈리아인이나 켈트인의 영향을 받은 의식에 사용되었을 것이라는 견해도 있습니다.

2022년 벨기에에서 십이면체가 발견되었을 때 프랑스의 갈로-로망 문화박물관의 Guido Creemers라는 학예원이 “기독교 하에서 금지된 운세·마법 등 신비한 활동 때문에 비밀리에 사용되었을 가능성이 있고 이런 활동은 당시 허가되어 있지 않고 위반자에게 강한 처벌을 가했기 때문에 문헌정보가 발견되지 않는 이유"라고 추정했습니다.

BigThink에 의하면 그 밖에도 게임의 주사위로 사용되었다는 가설과 어망의 추라는 가설, 군사 목적을 위해 토지를 측량하는 도구나 위조 동전을 검출하기 위한 장치, 춘분·추분의 날이나 보리 씨 뿌리기의 최적일을 결정하는 캘린더라는 가설도 나왔습니다.

또 1960년대 고고학자들은 인도차이나 반도에서 비슷한 십이면체를 발견했다는 것. BigThink는 “이것은 로마 제국의 시대의 것이 아니지만 인도차이나 반도에서 번성하고 있던 국가가 로마 문화에 영향을 받은 증거일지도 모른다”고 보았습니다.

트럭의 차체 아래에 승용차 등이 잠입하는 'underride(언더라이드)'라는 형태의 교통사고에 의한 사상자 수는 간이한 안전장치를 트럭에 추가하는 것만으로 경감할 수 있음에도 불구하고 규제당국이 무시하고 대책을 실시하지 않았던 실태가 비영리 보도기관인 ProPublica와 미국의 TV프로그램 FRONTLINE의 공동취재에서 밝혀졌습니다.

How Regulators Failed to Act to Prevent Underride Crashes — ProPublica
https://www.propublica.org/article/underride-crashes-nhtsa-dot-iihs-safety-cars-trucks

2017년에 미국 텍사스주에서 발생한 언더라이드 사고의 모습을 담은 현장 사진을 살펴보면 현대 엘란트라를 시속 40마일(시속 약 64km)로 운전하고 있던 리카르도 마르코스 씨(오른쪽)는 귀가 도중에 갑자기 옆길에서 합류해 온 대형 트럭에 추돌해 그대로 사망했습니다.

검사관의 보고서에 의하면 이 충돌로 마르코스 씨는 갈비뼈를 골절했고 간과 비장이 파열, 목도 부러져 뇌의 전두엽이 손상됐다는 것. 현지 수사관은 충돌의 책임은 트럭 측에 있다며 운전자를 과실치사죄로 기소했지만 결국 기소는 철회되었습니다.

이러한 비참한 사고는 드문 일이 아닙니다. 승용차나 SUV 등이 대형 트럭의 하단에 잠입해 버리는 언더라이드에 의해 미국에서만 매년 수백 명이 생명을 잃고 있습니다.

언더라이드는 트럭의 뒷부분과 양쪽에 '언더라이드 가드'라는 철제 가드를 설치하여 위험을 줄일 수 있습니다. 그러나 언더라이드 가드 설치의 의무화는 느리게 진행되고 있지 않습니다.

ProPublica와 Frontline은 1960년대 이후 언더라이드 사고에 대해 보고한 수천 페이지에 걸친 정부의 문서를 입수하고 그 내용을 조사했습니다. 그 결과 도로안전당국인 운수성도로교통안전국(NHTSA)은 신뢰할 수 있는 과학적 연구의 결과를 오랫동안 무시하고 언더라이드의 위험을 경감하는 간단한 조치를 강구하지 않았음을 알 수 있었습니다.

NHTSA가 조치하지 못한 이유 중 하나는 이 사고로 얼마나 많은 희생이 발생했는지 파악하지 못했기 때문입니다. NHTSA는 2023년에 들어서 마침내 정확한 실태를 파악할 수 없었다는 것을 공적으로 인정했는데, NHTSA가 수집한 통계정보에 따르면 2021년에는 언더라이드 사고로 400명 이상이 사망했다는 것. 전문가들은 실제 사망자 수가 이보다 더 많을 수 있다고 지적합니다.

또 규제당국은 트럭 운송업계의 저항에 대해 우려했습니다. 예를 들어 트럭업계는 1980년대에 리어범퍼(리어 언더라이드 가드)를 장비시키면 1대당 127달러(약 1만8000엔)의 비용이 든다고 추정했고 업계 로비스트는 안전대책은 엄청난 비용이 들고 미국경제가 지속적인 피해를 입을 것이라고 반복적으로 주장해 왔습니다.

NHTSA의 최고 임원으로 근무한 경력을 지닌 데이비드 프리드먼 씨는 “NHTSA는 수십 년 전부터 언더라이드에 의한 사망사고를 줄이려고 노력해 왔지만 산업계가 당국의 노력을 억제하고 방해했다"고 말했습니다.

자동차에는 세심한 주의를 기울여 설계된 안전대책이 탑재되어 있습니다. 예를 들어 운동에너지를 흡수하고 충격을 경감시키는 것을 목적으로 한 범퍼나 크래셔블 존, 운전자나 동승자를 보호하는 에어백 등이 이에 해당합니다.

그러나 전형적인 세미 트레일러의 하단은 노면에서 약 4피트(약 121cm)의 높이에 있기 때문에 이러한 안전기술은 무의미하게 되어 버립니다. 그 때문에 충돌의 충격이 윈드스크린을 직격해 차의 지붕을 지지하는 지주(필러)가 부러져 트레일러의 하부가 운전석이나 조수석을 밀어 넣고 종종 에어백은 작동하지 않습니다.

다음은 언더라이드 가드가 장착되어있는 경우(위)와 바람막이용 판밖에 없는 경우(아래)를 비교한 충돌실험의 양상인데 사람이 타고 있는 공간의 손상이 완전히 다른 것을 잘 알 수 있습니다.

언더라이드 가드 보급을 향한 대처는 1967년 할리우드 스타의 제인 맨스필드가 언더라이드로 사망하는 사고가 발생한 당시 대형 트럭의 후부에는 언더라이드 가드(당시의 명칭은 리어가드)의 장착이 의무화되어 있었다고 합니다.

그러나 규제가 느슨해 리어가드의 크기나 강도의 기준은 없었기 때문에 차가 추돌하면 간단하게 부서져 버려 언더라이드 사고를 막는 효과는 거의 발휘되지 않았습니다.

강도가 낮은 언더라이드 가드의 효과를 검증했을 때의 모습을 살펴보면 충돌과 동시에 부러져 빠져 버립니다.

반면에 견고한 언더라이드 가드의 경우에는 승용차의 차체가 트럭 아래로 잠입하는 것을 방지한 덕분에 추돌한 차의 운전석은 무사했습니다.

수년간 후방의 언더라이드 가드에 관한 규제에 반대해 온 미 트럭협회(ATA)는 최근 들어 규칙을 지지하는 방침으로 태도를 완화했습니다. 그러나 ATA를 포함한 업계단체는 차체 측면에 설치하는 언더라이드 가드에 대해서는 여전히 강경하게 반대하고 있습니다.

개인운전자와 소규모 트럭 운송회사를 대표하는 단체인 Owner-Operator Independent Drivers Association의 부회장으로 자신도 이전에 트럭운전사였던 레이 퓨 씨는 “실제로 트럭을 운전한 경험자로서 말하자면 사이드 언더라이드 가드가 작동하고 생명을 구할 수 있는 특정 사례와 특정 상황이 존재하는 것은 확실하다고 생각합니다. 그러나 사이드 언더라이드 가드로 인해 인명이 희생될 수도 있습니다”라며 언더라이드 가드의 필요성에 신중한 견해를 보였습니다.

트럭운전자가 정부의 정책과 신기술에 불신감을 느끼는 이유가 있습니다. 예를 들어 1975년에 NHTSA는 대형 트럭과 트레일러에 안티록 브레이크를 의무화하는 규칙을 마련했는데 문제가 많아 고장나기 쉬운 것으로 나중에 판명되어 트럭 운전사들은 제동능력을 상실해 도로 옆으로 넘어질 수밖에 없는 사태를 경험했습니다.

이러한 우려가 있기 때문에 언더라이드 가드의 의무화는 비용과 구원받는 생명의 줄다리기가 됩니다. NHTSA의 계산에 의하면 미국의 새로운 세미트레일러 트럭에 언더라이드 가드를 설치하면 7억7800만 달러(약 1조 980억 원) 이상의 비용이 들고 연간 17.2명의 사망을 막을 뿐이라고 것.

그러나 이 추계에 납득하지 않는 전문가도 있습니다. 교통안전보험협회 차량연구센터의 연구자인 매트 블랑볼로 씨는 “측면의 언더라이드 가드가 구할 수 있는 생명의 현실적인 수치는 연간 159명에서 217명으로 NHTSA의 조사결과보다 훨씬 높다”며 “NHTSA는 이 문제를 더 심각하게 받아들여야 한다”고 지적했습니다.

레이저는 의료용 기기나 통신기기로 이용되고 있을 뿐만 아니라 SF 작품의 무기 등으로도 자주 등장하고 현대에는 실제로 레이저 무기가 실현되고 있습니다. 그런 레이저의 원리를 사이언스를 다루는 YouTube 채널 Kurzgesagt가 설명했습니다.

How do Lasers Work? #shorts #kurzgesagt - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=RzwaiFvyN6s

레이저 광선은 매우 강하게 집광하여 만든 에너지의 다발입니다. 레이저 광선에 포함된 모든 광자는 정확히 동일한 주파수를 가져야 합니다. 이것을 Kurzgesagt는 같은 음색을 가진 "빛의 합창단"과 유사한 것이라고 표현했습니다.

베이스가 되는 것은 원자입니다. 원자는 다양한 에너지상태를 가질 수 있으며, 가장 에너지가 낮은 상태라면 주변 에너지를 흡수하고 여기합니다.

이 여기상태에 있는 원자에 적절한 주파수의 광자를 부딪칩니다. 그러면 원자는 여기상태에서 에너지의 낮은 상태로 돌아가는데 이때 부딪힌 광자의 완전한 카피가 생성됩니다. 이 구조를 응용하여 레이저를 생성할 수 있습니다.

레이저를 생성하는 데 필요한 것 중 하나는 여기된 원자가 들어있는 상자입니다. 그리고 광자를 반사하고 상자 안에 가두는 거울. 마지막으로 광자를 복제하기 위한 기본이 되는 광자입니다.

여기상태의 원자가 들어간 상자에 광자를 투입하고 거울로 광자를 반사하여 상자 안에 넣으면 광자가 여기상태의 원자에 부딪혀 복제됩니다. 이 과정을 반복함으로써 광자를 증식시키는 것이 가능. 이 모은 광자를 상자에서 방출하면 레이저 광선이 되는 것입니다.

최초의 레이저 장치가 제조된 시기는 1960년으로 당시 이 장치는 광합성 장치라고 불리고 있었고 "문제를 찾기 위한 해결책"이라고 농담조로 취급되었다고 합니다. 그러나 그 후 "레이저"라는 단어가 널리 사용되게 되었고 현재에 이르게 됩니다.

궤도상에 발사된 우주 태양광발전과 무선 전력 전송 기기의 프로토타입이 가동되어 우주공간에서의 무선 송전 및 전력을 지구에 조사하는 실험이 성공했습니다.

In a First, Caltech's Space Solar Power Demonstrator Wirelessly Transmits Power in Space | www.caltech.edu
https://www.caltech.edu/about/news/in-a-first-caltechs-space-solar-power-demonstrator-wirelessly-transmits-power-in-space

New Satellite Successfully Beams Power From Space - Universe Today
https://www.universetoday.com/161759/new-satellite-successfully-beams-power-from-space/

2023년 1월, 캘리포니아 공과대학의 팀이 만든 유닛 'SSPD'가 SpaceX 로켓에 탑재되어 발사되었습니다.

SSPD에는 중요한 3개의 장비가 탑재되었습니다. 접힌 약 1.8m 사방의 구조물(솔라패널 등)을 전개하기 위한 기구 'DOLCE(Deployable on-Orbit UltraLight Composite Experiment：궤도상 전개형 초경량 복합 재료 실험기)'와 32종류의 태양전지에서 우주공간에 가장 적합한 것을 찾기 위한 유닛 'ALBA', 그리고 이번 실험에 성공한 'MAPLE(Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment: 전력전송형 저궤도 실험용 마이크로파 어레이)입니다.

SpaceX - Transporter 6 (Dedicated SSO Rideshare) - Falcon 9 Block 5 Rocket Launch
https://www.spacelaunchschedule.com/launch/falcon-9-block-5-transporter-6-dedicated-sso-rideshare/

MAPLE은 전력을 마이크로파로 변환하여 원격지로 전송하는 메커니즘을 갖춘 유닛입니다. 파동과 파동이 부딪쳤을 때 생기는 간섭을 이용하여 목표로 하는 장소에 에너지 대부분을 집중시킬 수 있어 가동부품 없이 초점과 방향을 바꾸는 기능을 실현했습니다.

MAPLE의 본체를 살펴보면 이번 우주에서 행해진 실험에서는 MAPLE에 탑재된 전파송신기(TRANSMITTERS)에 의해 태양에너지가 직류전기로 변환되어 약 30cm 떨어진 반대쪽에 있는 수신기(RECEIVERS)에 도달한 후 전력이 수신기에 연결된 LED로 전달되어 LED가 켜져 있음을 확인했습니다.

또한 캘리포니아 공과대학 캠퍼스의 옥상에 설치된 수신기로 MAPLE로부터의 신호를 받는 것에도 성공했으며 이로써 우주공간에 설치한 송수신기 간의 신호 전달 및 우주에서 지구를 향한 신호 전송이 가능하다는 것이 입증되었습니다.

팀을 이끄는 알리 하지밀리 교수는 “우리가 아는 한 우주에서 무선에너지 전송을 입증한 사람은 없다”며 팀의 목표는 장치의 경량화와 저비용화에 있으며 접어 로켓에 수납할 수 있는 유연성 등이 추구하고 있습니다.

하지밀리 씨는 MAPLE과 병행하여 ALBA 테스트를 진행 중이며 향후 몇 개월 이내에 DOLCE 실험을 실시할 예정입니다.

하지밀리 교수는 “인터넷이 정보에 대한 액세스를 모든 사람에게 제공한 것처럼 무선에너지 전송이 모든 사람에게 에너지를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있고 이를 위한 전송 인프라가 불필요해져 전쟁이나 자연재해로 황폐한 지역에도 에너지를 보낼 수 있다”고 전망했습니다.

매사추세츠대학 아머스트교의 연구팀이 2023년 5월 학술지 Advanced Materials에 게재한 논문에서 공기 중에 있는 물분자의 전하로부터 전력을 얻을 수 있는 기술을 발표했습니다.

Generic Air‐Gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity - Liu - Advanced Materials - Wiley Online Library
https://doi.org/10.1002/adma.202300748

Engineers at UMass Amherst Harvest Abundant Clean Energy from Thin Air, 24/7 : UMass Amherst
https://www.umass.edu/news/article/engineers-umass-amherst-harvest-abundant-clean-energy-thin-air-247

Jun Yao 씨 연구팀은 "공기에는 방대한 양의 전기가 포함되어 있다"며 이번에 발표한 기술에 대해 “그냥 물방울의 덩어리인 구름을 상상해 보면 물방울은 전하를 띠고 있어 조건이 갖추어지면 번개를 생성하는데, 이 번개로부터 확실하게 전기를 얻는 방법을 알 수 없지만 연구팀은 인공적 작은 구름에서 확실하고 지속적으로 전력을 생성하고 수확할 수 있게 했다"고 설명했습니다.

Yao 씨 연구팀의 '제네릭 에어젠 효과(generic Air-gen effect)'는 전기를 만들어낼 수 있는 세균인 Geobacter sulfurreducens를 사용한 2020년의 연구를 바탕으로 하고 있습니다. 이 연구에서 Yao 씨는 Geobacter sulfurreducens에서 얻은 단백질 나노와이어로 만든 특수 소재를 사용하여 공기 중에서 에너지를 얻을 수 있다고 발표했습니다.

당시는 단순히 '에어젠 효과(Air-gen effect)'라고 불리고 있던 이 현상에 대해서 한층 더 연구하고 있던 Yao 씨는 어떤 특성마저 갖추고 있으면 세균으로부터 얻은 특수 소재가 아니어도 거의 모든 물질로 에어젠 효과를 낳을 수 있다는 사실을 알아냈습니다. 그 특성은 100나노미터보다 작은 구멍, 즉 모발 두께의 1000분의 1 이하의 구멍이 열려 있다는 것입니다.

이 100나노미터라는 구멍의 크기는 공기 중의 물분자가 다른 분자에 부딪히지 않고 진행하는 거리인 평균자유행정이 약 100나노미터인 것에 유래하고 있습니다.

작은 구멍이 있는 얇은 소재에 공기가 닿으면 구멍을 통해 물의 분자가 소재의 위에서 아래로 통과합니다. 그러나 구멍이 100나노미터 이하의 나노세공이면 물분자는 구멍의 가장자리에 부딪히기 쉬워진다. 그러면 소재의 상부에 하부보다 많은 전하를 띤 물분자가 모여 마치 뇌운처럼 언밸런스한 상태가 됩니다. 이를 이용함으로써 습도를 포함한 공기를 마치 전지처럼 이용하여 에너지를 얻는 방법이 이번 연구팀이 제창한 '제네릭 에어젠 효과'의 원리입니다.

청정에너지를 생성하는 기존의 태양광발전이나 풍력발전은 비가 오는 날에는 사용할 수 없거나 바람이 불지 않는 지역에서는 사용할 수 없다는 단점이 있습니다. 그러나 습도는 어떠한 지역이나 어떠한 날씨에도 공기에 포함되어 있으므로 다양한 소재를 사용한 수확기(하베스터)를 설치하여 24시간 365일 에너지를 수확할 수 있습니다.

또 공기 중의 습도는 3차원 방향으로 확산하고 나노세공의 박막은 두께가 머리카락의 수분의 1 정도이기 때문에 수천 층을 쌓아서 수확기의 설치면적을 늘리지 않고 효율적으로 스케일업할 수 있습니다. 이를 통해 일반적인 전기사업에서 사용되는 킬로와트 단위의 전력을 생산하는 것도 가능합니다.

방사선은 눈에 보이지 않지만 가이거 카운터와 같은 장치를 사용하여 주변의 방사선량을 측정할 수 있습니다. 물리학 관련 Q&A 사이트 'Physics Stack Exchange'에 '의류건조기 안의 선량을 측정하면 집의 평균선량보다 높았다'는 글이 올라왔습니다.

Why is my dryer radioactive? - Physics Stack Exchange
https://physics.stackexchange.com/questions/764460/

건조기 내 방사선량의 높음에 알린 인물은 Physics Stack Exchange의 사용자인 Marsroverr 씨입니다. Marsroverr 씨는 가이거 카운터를 입수하여 집에서 방사선량을 측정했습니다. 그 결과, 집의 평균적인 방사선량은 0.09~0.11마이크로시버트/시간이었던 것에 비해 의류를 말린 직후의 건조기 안은 0.16~0.18 마이크로시버트라는 높은 방사선량을 기록했습니다.

Marsroverr 씨는 건조기 내의 방사선량이 높은 이유에 대해서, 자연계에 널리 존재하고 있는 방사성 물질 라돈이 관계있을 것으로 추측했고 Physics Stack Exchange에 질문을 게시했습니다.

이 글에 미국의 로스알라모스 중성자 과학센터에서 일한 경험이 있다는 rob 씨가 답하길, 라돈은 화강암과 콘크리트에 포함되어 있기 때문에 일반적인 주택의 실내에는 라돈이 존재합니다. 라돈은 정전기를 띤 물체에 끌어당겨지는 성질이 있고 이 때문에 건조기 안에서 정전기를 띤 의류에 라돈이 끌려 건조기 안의 방사선량이 높아진다는 현상이 발생했다고 보았습니다.

라돈이 정전기에 끌리는 특징은 과학실험에도 활용되고 있으며 대기 중의 라돈을 수집하기 위해 정전기를 이용한 예가 있습니다.

덧붙여 rob 씨는 로스알라모스 중성자 과학센터에서 일하고 있을 때에 방사선량의 기준치를 초과한다는 경험을 했다는 것. 기준치 초과의 대응에 나선 기술자는 rob 씨가 플라스틱 의자에 앉아 있었다는 점에 주목해 의자와 바지가 마찰되어 바지가 정전기를 띤 결과 바지가 방사성 물질을 끌어들였다고 결론지었다고 합니다.

어떤 물질과 완전히 반대의 성질을 가진 물질을 '반물질'이라고 합니다. 이 반물질이 물질과 충돌하면 대소멸하여 막대한 에너지를 방출한다고 추정되는데 많은 시행착오 끝에 뇌운 속에서 감지에 성공한 것으로 밝혀졌습니다.

Rogue antimatter found in thunderclouds : Nature News & Comment
http://www.nature.com/news/rogue-antimatter-found-in-thunderclouds-1.17526

에반게리온 시리즈에서 등장하는 포지트론 라이플은 전자의 반입자인 '양전자'를 사용한 가상의 무기이고 전설 거신 이데온에 등장하는 반물질 엔진도 반물질을 응용한 가상의 엔진입니다. SF 작품에서 막대한 에너지로 취급되는 반물질인데 뉴햄프셔대학에서 대기물리학자로 일하는 조셉 드와이어 박사가 뇌운 속에서 예기치 않게 반물질을 감지했다고 밝혔습니다.

지금까지는 전자의 반입자인 '양전자'는 방사성 원자의 붕괴에 의해 만들어지는 것으로, 이 붕괴현상은 대기권 밖으로부터 쏟아지는 우주선에 의해 일어나는 것으로 생각되었습니다. 그러나 지난 10년간의 연구를 통해 드와이어 박사는 강렬한 폭풍이 강한 빛과 감마선을 방출할 때 양전자를 생성한다는 것을 증명했습니다.

그래서 드와이어 박사는 플로리다 공과대학과 협력하여 대기 중 감마선량 조사했습니다. 조사에서는 입자검출기를 제트기인 걸프 스트림 V에 설치하여 대기 중의 감마선량을 계측했습니다.

2009년 8월 21일, 걸프 스트림 V가 조지아주 해안지역을 향해 비행하고 있었을 때, 격렬한 뇌우 속을 비행하게 되었는데 그 때 감지기가 우연히도 3개의 파동를 감지했습니다. 감지한 것은 511킬로 전자볼트의 감마선으로 전자와 양전자가 대소멸했을 때 발생한 것으로 추정되었습니다. 또한 감마선 감지는 불과 0.2초 정도의 극히 짧은 시간이었다고 합니다. 당시 연구팀은 감마선을 감지한 시간을 분석해 걸프 스트림 V는 1킬로미터에서 2킬로미터 정도 크기의 양전자 구름에 돌진했다고 결론을 내렸습니다. 다만 어떻게 양전자의 구름이 생성되었는지까지는 불분명했다고 합니다.

이 양전자 생성과정을 명확하게 모델링하기 위해 드와이어 박사들의 연구팀은 5년의 세월을 들였습니다. 분석결과 감지한 에너지는 양전자가 대소멸했을 때의 에너지로는 너무 낮은 것이었다고 합니다. 그러므로 연구팀은 감지된 감마선이 양전자가 아닌 것이라면 '양전자에서 생긴 우주선' 혹은 '외우주에서 날아온 입자와 충돌하여 초고층 대기 중에서 짙은 비를 발생시키는 고에너지 입자(감마선을 포함)라고 추측했습니다.

그리고 관측으로부터 6년 후인 2015년에 마침내 반물질이 존재하고 있었을지도 모른다는 사실이 밝혀졌는데, CERN의 입자물리학자인 재스퍼 카크비 박사는 드와이어 박사 연구팀이 추측한 양전자 구름의 크기 추측이 너무 모호하다고 보았습니다.

또한 러시아의 Lebedev Physical Institute에서 일하는 대기물리학자인 알렉산더 그리비치 박사는 뇌운 속에서는 강력한 자기장에 의해 항공기의 날개 부근이 대전되어 양전자가 생성된다고 설명했습니다.

결국 드와이어 박사가 이끄는 연구팀이 2009년에 감지한 것이 양전자였는지, 그 밖의 미지의 반물질이었는지는 현재도 불분명하고 현재 드와이어 박사는 입자감지기를 탑재한 풍선을 격렬한 폭풍 속으로 보내어 반물질의 감지를 시도하고 있습니다. 드와이어 박사는 “뇌운 내부의 기묘한 환경은 우리가 드디어 조사를 시작한 곳이어서 향후의 조사에서 무엇이 감지될지 기대가 크다"고 말했습니다.

양성자의 질량은 전자 질량의 약 1800배. 이과의 수업에서 배운 바와 같이 물질의 구성요소인 양성자와 전자의 질량비는 자연계의 중요한 기본상수이다. 이번에 연구팀은 '광주파수 콤'이라는 기술을 사용하여 양성자의 반입자인 '반양성자'와 전자의 질량비율을 1836.152674±0.000005라는 세계 최고의 정밀도로 결정하는 데 성공했다. 이 실험결과는 물질과 반물질의 질량이 9자리까지 일치하는 것을 확인하였다.

광주파수 콤은 2005년 노벨 물리학상의 대상이 된 빛의 진동수를 정밀측정하는 장치이다. 연구팀은 이 광주파수 콤을 발전시켜 반양성자가 들어간 특이한 원자의 분광을 실시해 그 질량을 결정하는 수법을 확립했다

덧붙여 이 결과는 과학연구비 보조금·특별추진연구인 '반수소원자의 분광'(연구대표자 하야노 류고)에서 얻은 성과이다.

▣ 연구배경

반물질은 약 70년 전에 디랙이 그 존재를 예언한 이래 물리학에서 기본적인 문제의 하나로서 연구가 계속되어 왔다. 특히 물질과 반물질의 대칭성(예를 들면 양성자의 질량은 엄밀하게 동일한가 등)의 연구는 소립자물리학의 이론의 근간에 관계되는 중요한 문제이다. 양성자와 반양성자의 질량비교나 수소원자와 반수소원자의 스펙트럼 비교 등의 반물질 연구가 매우 중요하기 때문에 CERN연구소는 1997년부터 일본, 독일, 이탈리아, 미국 등의 협력을 얻어 반양성자 감속기를 건설해 2000년부터 반물질 연구를 추진해 왔다.

한편, 우리는 「반양성자 헬륨 원자」(통상의 헬륨 원자의 2개의 전자 중 1개를 반양성자로 치환한 것)라는 이상한 원자를 발견하고, 이것에 레이저광을 조사함으로써, 그 성격을 상세하게 조사해 왔다. 최근에는 반양성자 헬륨 원자의 레이저 분광으로 반양성자 질량을 정밀하게 결정할 수 있게 되어, 다양한 궁리를 거듭함으로써, 반양성자 질량의 정밀도가 양자 질량의 정밀도에 필적하는 레벨에 도달한 것이다.

▣ 반양성자의 질량을 구하는 방법

반양성자 헬륨원자 내에서는 반양성자가 헬륨원자핵의 주위를 둘러싸는 궤도에 들어가 있다. 연구팀의 지금까지의 연구에서 이 원자에 특정 주파수를 가진 빛을 비추면 공명을 일으켜 반양성자가 다른 궤도로 넘어가는 것을 알게 되었다. 공진주파수의 값은 슈퍼컴퓨터를 이용한 수치계산에 의해 이론적으로 예언할 수 있지만, 이때 반양성자와 전자의 질량비가 입력데이터로 사용된다. 반대로 공진주파수를 실험적으로 측정하여 이론치와 비교하여 반양성자와 전자의 질량비를 구할 수 있다.

이번 논문에서는 우리가 측정한 반양성자 헬륨의 공명주파수와 러시아의 Korobov의 계산결과와의 비교로부터 반양성자와 전자의 질량비를 결정했다.

▣ 광주파수 콤

이번 실험에서는 반양성자를 감속하고 저온 저밀도의 헬륨 표적에 주입함으로써 반양성자 헬륨원자를 생성했다. 이것에 광주파수 콤을 사용하여 생성한 매우 에너지가 갖추어진 레이저 광선을 조사했다.

광주파수 콤은 광학 주파수 영역에 빗과 같은 규칙적인 눈금을 넣어 빛의 진동수를 원자시계의 정밀도로 직접 읽을 수 있도록 하는 획기적인 장치이다. 본 발명에 따라 TW Hänsch는 2005년 노벨 물리학상을 수상했다.
우리가 사용하고 있는 주파수 콤은 가속기 실험의 가혹한 환경에서도 수개월에 걸쳐 안정적으로 가동하도록 Hänsch 그룹이 설립한 멘로 시스템즈사의 협력을 얻어 개발한 것이다.

▣ 의미

이번에 우리는 반양성자와 양성자의 질량이 9자리까지 일치함을 보여주었다. 이것은 물질·반물질 대칭성 검증으로서 최고 정밀도의 결과이다. 현재 물질·반물질의 질량의 차이를 정량적으로 예언하는 이론은 없기 때문에 앞으로 어디까지 정밀도를 올리면 양자·반양성자의 질량차를 검출할 수 있을지는 모르지만, 이미 반양성자의 질량 정밀도가 양성자의 질량 정밀도에 가까워지고 있기 때문에 향후에는 양성자의 질량 정밀도의 향상도 필요하다는 것은 분명하다.

한편 9~10 자리수 정도로 질량의 차이가 나타나지 않는다는 입장에 서 있다면, 반양성자 질량 정밀도가 양자 질량 정밀도를 능가하면 기초물리 정수표의 양성자질량치에 반양성자의 값이 채택될 수 있다.

▣ 용어 해설

반양성자: 양성자의 반입자. 마이너스의 전하를 가진다. 체임벌린과 세그레 등에 의해 약 50년 전에 발견되었다.

CERN: 유럽합동입자핵연구기구. 제네바 교외에 있는 세계 최대의 소립자물리학 연구소.

반양성자 감속기: 세계 유일한 저속 반양성자 발생장치. 싱크로트론으로 260억 전자볼트로 가속된 양성자를 금속 표적에 부딪쳐 반양성자를 생성하고, 이를 링으로 포획하여 500만 전자볼트까지 감속한다. 반양성자 헬륨원자 및 반수소원자의 생성에는 "느린" 반양성자가 필수적이다.

양성자와 전자의 질량비: 2002년에 발표된 CODATA의 권장값은 1836.15267261±0.00000085.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 反陽子質量を10桁測定することに成功
https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2006/05.html#:~:text=%E9%99%BD%E5%AD%90%E3%81%AE%E8%B3%AA%E9%87%8F%E3%81%AF%E9%9B%BB%E5%AD%90,%E9%87%8D%E8%A6%81%E3%81%AA%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E5%AE%9A%E6%95%B0%E3%81%A7%E3%81%99%E3%80%827

언뜻 보면 규칙성이 없는 것으로 생각되는 소수는 임의의 관점에서 결합하면 마치 나선을 그리는 것처럼 보일 수 있습니다. 수학자인 그랜트 샌더슨 씨가 이러한 성질과 수학의 매력을 연계해 설명했습니다.

3Blue1Brown - Why do prime numbers make these spirals?
https://www.3blue1brown.com/lessons/prime-spirals

어느 2차원 평면에 점을 놓는 경우를 생각해 봅시다. 다음 이미지에서 점(1,1)은 원점에서 각도 1라디안, 거리 1 위치에 있습니다. 마찬가지로 (2,2)(3,3)(4,4)의 점도 둡니다.

이와 같이 점을 계속 늘리면 점차 나선형으로 펼쳐져 '아르키메데스의 나선'이라는 도형을 형성합니다.

이 도형에서 소수만을 뽑아 보면 이런 느낌. 구멍의 빈 부분이 소수인데 규칙적이라고는 생각되지 않습니다.

그러나 이것을 큰 스케일로 보면 다른 패턴이 보입니다. 구멍의 빈 부분은 여전하지만 빛의 줄기가 4개씩 나뉘어져 있는 것처럼 보입니다.

좀 더 세밀하게 보면 미세한 나선은 20개의 선으로 구성되며 더 큰 규모로 보면 총 280개의 선이 모여 있는 것처럼 보입니다.

다만 이러한 규칙성은 소수에 한한 이야기가 아니고, 정수에서도 같은 선이 나타납니다. 그러나 이러한 규칙성이 왜 생겨나는지는 수수께끼이며, 소수에 한해서 파고들면 소수의 분포에 관한 가장 중요한 정리의 하나인 '디리클레 정리'에 도달합니다.

나선을 더 깊게 살펴보면 규칙적인 숫자의 줄이 하나의 선을 구성하고 있음을 알 수 있습니다. 하나는 6의 배수(6k)이고 그 다음의 선은 6k+2, 그 다음은 6k+3 등으로 6이라는 숫자가 보입니다.

이것은 각도를 1라디안으로 한 사정상, 6라디안 회전하면 거의 1주가 되기 때문입니다. 6라디안은 360도에 미치지 않기 때문에(약 344도) 조금씩 점이 나선을 그리도록 배치되는 것입니다.

샌더슨 씨는 이런 식으로 수학의 재미에 접하는 의의에 대해 “중요한 사실을 보다 집중적으로 배울 수 있어 지루함이 훨씬 적어지는데 특히 이러한 주제를 스스로 재발견하는 경험이 특별한 의미가 있다"고 말했습니다.

미국수학회에서 두 명의 10대 소녀가 피타고라스의 정리에 대한 새로운 증명방법을 프레젠테이션한 것이 화제가 되고 있습니다. 응용수학 전문가인 키스 맥널티 씨는 “성별, 민족, 사회인구학적 배경에 관계없이 기쁨과 열정이 있으면 누구나 연구분야에서 우수성을 달성할 수 있음을 보여주는 놀라운 사건"이라고 평가했고 증명방법 자체도 파문을 부르고 있습니다.

Here’s How Two New Orleans Teenagers Found a New Proof of the Pythagorean Theorem | by Keith McNulty | Apr, 2023 | Medium
https://keith-mcnulty.medium.com/heres-how-two-new-orleans-teenagers-found-a-new-proof-of-the-pythagorean-theorem-b4f6e7e9ea2d

American Mathematical Society(미국수학회, AMS)에서 루이지애나주 뉴올리언스 출신의 10대 소녀인 칼시아 존슨 양과 네키야 잭슨 양이 프레젠테이션을 했고 피타고라스 정리의 새로운 증거를 보여주었습니다. 두 소녀는 학생이고 아프리카계 미국인 여성이라는 특징은 수학회의 대다수를 차지하는 인종과는 다른데 맥널티 씨는 “선택한 연구분야에서의 우수성은 누구나 항상 달성 가능하다는 것을 보여주는 훌륭한 사건"이라고 보았습니다.

또 맥널티 씨에 의하면 이 프레젠테이션이 큰 화제가 된 이유는 증명방법 자체가 고명한 수학자들을 놀라게 했다는 것.

원래 피타고라스의 정리란 '직각삼각형의 3변의 길이 중 2변을 알고 있으면 나머지 1변의 길이를 계산할 수 있다'는 것으로 'a^2 + b^2 = c^2'라는 수식으로 표현됩니다. 한국에서는 중학과정에서 학습하는 수식인데 수식의 증명에는 수백 가지의 다른 패턴이 나타납니다.

이 피타고라스의 정리의 증명에 삼각법을 이용한 것이 수학회에 큰 충격을 주었다고 맥널티 씨는 지적했습니다. 삼각법이란 삼각형의 모서리의 크기와 변의 길이의 관계를 기초로 다른 증명이나 측량 등의 연구에 응용하는 학문분야인데 그 삼각법 자체가 피타고라스의 정리에 의존하고 있기 때문에 삼각법으로 피타고라스의 정리를 증명하는 것은 '전제 속에 결론을 넣는다'는 이른바 순환론법에 해당하기 때문에 피타고라스의 정리를 삼각법으로 증명하는 것은 불가능이라고 생각되어 왔습니다.

그러나 맥널티 씨에 의하면 피타고라스의 정리는 삼각법으로 증명할 수 없다는 관점은 최근 수십 년에 의문시되는 케이스가 많아 증명이 몇 번이나 시도되어 왔다고 합니다. 그러므로 존슨 양과 잭슨 양의 증명이 '최초의 삼각법에 의한 피타고라스의 정리 증명'이라는 것은 아니지만, 맥널티 씨는 그녀의 증명을 "지금까지 본 가장 아름답고 가장 간단한 삼각법의 증명일 수 있다”고 높이 평가했습니다.

삼각법을 이용한 피타고라스의 정리의 새로운 증명에 대해 맥널티 씨는 아래의 그림으로 나타내었습니다. 그림에서는 a≠b라고 가정한 변 a, b, c를 가지는 직각삼각형에 대해서 변 b와 c 사이의 각도를 α, 변 a와 c 사이의 각도를 β로 했습니다. 이 직각삼각형에 대해서 우선 변 b를 축에 수평방향으로 반전한 카피를 형성하고, 변 c에 수직인 직선 A를 각 β로부터 연장한 후 직선 A와 변 c를 연결하는 직선 C를 그린다는 3단계를 수행합니다. 그러면 큰 직각삼각형이 형성되어 그 안에 원래의 직각삼각형과 유사한 직각삼각형을 왼쪽 위에서 점차 작아지는 형태로 무한하게 그릴 수 있습니다. 이 무한한 유사 삼각형 시퀀스를 사용하여 직선 A와 C의 길이를 도출하는 것이 존슨 양과 잭슨 양의 증명입니다.

그림에서 알 수 있듯이 세 번째 삼각형의 한 변은 2a로 표현되며 'sinα = consβ = a/c'와 'cosα = sinβ = b/c'라는 삼각비를 사용하면 사변은 '2a/sinβ=2ac/b'라고 나타낼 수 있습니다. 이와 같이 무한에 이어지는 유사 삼각형의 경우 인접한 삼각형의 변으로부터 삼각비를 사용해 표현할 수가 있습니다. 이 때 유사 삼각형 전체의 변 A의 길이는 초항 (2ac)/b, 공비 'a^2/b^2의 등비급수의 합이 되어 아래와 같이 나타낼 수 있습니다.

또한 직선 C도 마찬가지로 초항 (2a^2c)/b^2와 공비 a^2/b^2를 가지는 등비급수이며 아래와 같이 나타납니다.

여기에 표시된 A와 C의 비율을 계산하면 다음과 같이 되고 삼각함수에서는 'sinθ=θ의 대변/사변'으로 나타내므로 직선 A/C=sin(2α)라는 것을 알 수 있습니다.

게다가 위 그림의 제일 먼저 직각삼각형을 수평방향으로 카피한 것으로 2개의 직각삼각형을 맞춘 하나의 삼각형은 이등변 삼각형이 됩니다. 여기서 증명에 삼평방의 정리를 사용하지 않는 정현정리를 이용해 직선 A와 C의 비에 관한 식을 변환하면 최종적으로 아래와 같은 식이 됩니다. a, b, c가 모두 0이 아니기 때문에 분자가 동일하면 분모가 동일해야 합니다. 따라서 'a^2+b^2 = c^2 '가 나옵니다.

Hacker News에서도 이 증명에 대해 화제가 되고 있는데 "이 증명은 삼각형의 변의 비율로서 사인이나 코사인이 존재한다고 가정하고 있는 것만이고 삼각법을 사용한다는 문구는 오해를 초래하는 표현이라고 지적하는 의견이 있는 한편, 종래는 사인의 법칙을 증명에 사용할 수 없다는 신념이 있었고 그 때문에 피타고라스의 정리를 삼각법, 또는 사인이나 코사인을 이용해 증명하는 것은 불가능하다고 생각되었는데 이것이 타파되었기 때문에 창조적이고 예상치 못한 증명이라고 불렸다고 생각된다.”고 존슨 양과 잭슨 양의 증명의 무엇이 획기적이었는지를 설명하는 댓글도 달렸습니다.

X선으로는 보기 어려운 수분이 많은 부드러운 조직을 가시화하는데 사용되는 것이 자기공명법(MRI)인데, 1 복셀(입방체의 최소 단위)이 불과 5미크론이라는 기존보다 6400만분의 1이라는 세세한 디테일까지 표현할 수 있는 기술이 개발되었습니다.

Brain Images Just Got 64 Million Times Sharper | Duke Today
https://today.duke.edu/2023/04/brain-images-just-got-64-million-times-sharper

이 기술은 듀크대학 주도로 테네시대학 건강과학센터, 펜실베니아대학, 피츠버그대학, 인디애나대학 등의 팀에 의해 개발되었습니다.

MRI는 뇌처럼 수분이 많고 부드러운 조직을 시각화하는데 사용되며 뇌종양의 발견 등에 힘을 발휘하는데 뇌내의 상세한 부분까지 시각화하기에는 아직 선명도가 부족합니다. 향상된 버전의 MRI는 1 복셀이 불과 5미크론으로 기존 임상 MRI의 6400 만분의 1에 해당합니다.

듀크대학에서 이 문제에 40년 이상 임해온 G. 앨런 존슨 박사에 의하면 고해상도화는 복수의 요소가 조합되어 실현됩니다. 예를 들면 대부분의 임상 MRI가 1.5 테슬라로부터 3테슬라의 자석을 사용하고 있는 것에 비해 9.4테슬라의 자석을 사용하고 임상용 MRI의 100배의 강도로 화상생성을 돕는 구배자장코일을 이용하며 하나의 이미지를 얻기 위해 800대의 노트북과 동등한 고성능 컴퓨터를 사용합니다.

실제로 그 차이를 비교할 수 있는 동영상이 공개되고 있습니다.

Ultra-Sharp Brain Scan - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=Z4WvWIJCFJc

뇌 스캔 후 라이트시트 현미경이라는 기술로 조직을 영상화합니다. 그런 다음 라이트시트 이미지를 기반으로 기존 MRI 스캔에 매핑합니다. 이를 통해 해부학적으로 정확한 뇌의 세포와 신경회로를 볼 수 있습니다.

이 보완 기술로 연구팀은 뇌 내의 특정 세포군을 표식화할 수 있게 되었다고 합니다. 이를 이용해 파킨슨병과 같은 질병의 진행을 관찰할 수 있습니다.

MRI가 더욱 고성능인 현미경이 됨으로써 헌팅턴병이나 알츠하이머병 등의 질병을 더욱 깊이 이해할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

자동차 등의 보안기술을 다루는 Canis Automotive Labs에서 최고기술책임자를 맡고 있는 켄 틴델 씨가 마찬가지로 숙련된 자동차 보안연구자인 친구가 피해를 당한 자동차 도둑질에 대해 설명했습니다 .

CAN Injection: keyless car theft | Dr. Ken Tindell
https://kentindell.github.io/2023/04/03/can-injection/

발단은 틴델 씨의 친구인 이안 테이버 씨의 자동차의 전조등아 파괴되어 케이블이 뽑혀 있는 상황이었습니다. 그로부터 3개월 후 테이버 씨는 또다시 차의 전조등이 뽑힌 것을 확인했습니다. 당초 테이버 씨는 이 행위의 이유를 몰랐고 만약 누군가가 테이버 씨의 차를 훔치려고 했다면 차를 손상으로 가치가 떨어지기 때문입니다.

그러나 며칠 후에 테이버 씨의 차는 도난당했습니다. 이 때가 되어서 2차례의 파괴행위는 자동차를 훔치기 위한 포석이었던 것을 알게 되었다고 합니다.

게다가 이 직후에 테이버 씨 이웃의 랜드 크루저도 사라졌습니다. 그래서 자동차 분야의 사이버보안 연구자이자 자동차보안에 취약한 발견으로 보상금을 받은 경력도 있는 테이버 씨는 도대체 어떻게 범인이 자동차의 보안시스템을 돌파하고 차를 훔쳤는지 알아보기로 결심했습니다.

테이버 씨가 최초로 주목한 것은 일렉트로닉 컨트롤 유닛(ECU)이 고장을 검출했을 때에 기록되는 고장코드(Diagnostic Trouble Code：DTC)입니다. 도요타의 'My TOYOTA' 시스템에서는 자동차가 도요타의 서버로 보낸 DTC를 소유자가 열람할 수 있게 되었기 때문에 테이버 씨는 그것을 확인했습니다.

이에 따라 테이버 씨의 RAV4는 도난 전후에 다수의 DTC를 기록했는데, 구체적으로는 라이트 제어용의 ECU와의 통신이 끊어진 기록과 전면 카메라나 하이브리드 엔진의 제어 등 다양한 시스템이 고장을 기록한 사실을 확인했습니다. 게다가 이 고장은 ECU 자체가 고장난 것이 아니라 ECU와의 통신이 끊어졌기 때문에 진단으로 고장이라고 판정된 것이었습니다. 언뜻 보면 연결이 없는 곳곳의 부품이 고장난 것처럼 보이지만 이것들은 하나의 구조에 의해 연결되어 있는데 이것은 자동차 부품끼리의 통신에 사용되는 통신규격인 컨트롤러 영역 네트워크(Controller Area Network: CAN)입니다.

CAN의 해킹을 의심한 테이버 씨는 자동차 도둑들이 출입하는 사이트나 게시판을 조사해 자동차 도둑질을 다루는 YouTube의 동영상을 철저하게 확인해갔습니다. 그 결과 가짜 자동차키나 '긴급 시동장치' 등 자동차 보안을 깨기 위한 도구를 100점 이상 판매하는 사이트가 발견되었습니다. 이런 범죄자용 사이트는 '열쇠를 분실한 오너나 신뢰할 수 있는 수리업자를 위해서'라는 명목으로 자동차를 훔치기 위한 제품을 팔고 있었다고 합니다.

사이트에 판매되는 도둑질 도구 중 일부는 도요타 차량용 긴급 시동장치도 있었습니다. 이 도구는 휴대용 스피커에 내장되어 있어 단순한 음향제품로 위장되어 있었습니다.

이 툴이 '지원'하고 있는 차종에 랜드 크루저나 RAV4가 있다는 사실을 알게 된 테이버 씨는 리버스 엔지니어링을 위해 하나 구입했습니다. 그리고 CAN의 전문가인 켄 틴델 씨와 함께 분해해 보았습니다.

이 툴을 분석한 결과, 절도범은 'CAN 인젝션'이라는 수법으로 자동차를 훔치고 있었습니다. 최신 자동차의 대부분은 스마트키를 사용하여 잠그거나 열 수 있는데 스마트키와 자동차 사이의 암호화통신은 국가규모의 자원을 동원해야 돌파 가능하므로 이를 회피하기 위해 통신의 전파를 중계해 열쇠를 여는 릴레이 어택 등의 수법이 지금까지 고안되어 왔습니다.

릴레이 어택에 대비해 스마트키를 전파를 차단하는 금속캔에 넣어 보관하거나 스마트키를 전파에 반응하지 않는 절전모드로 하는 등의 대책이 취해지고 있습니다. 그래서 이를 돌파하기 위해 새로 개발된 도난의 수법이 'CAN 인젝션'입니다.

다음은 CAN 인젝션을 설명하기 위해 틴델 씨가 작성한 간단한 CAN 경로 다이어그램입니다. 헤드라이트나 도어, 스마트키 등을 잇는 '제어 CAN 버스(빨간색선)'와 엔진이나 하이브리드 배터리, 모터 등을 잇는 '파워트레인 CAN 버스(녹색선)'이 표현되어 있습니다.

CAN 인젝션은 자동차 내부통신인 CAN 버스에 침입하여 스마트키 수신기에서 위장신호를 주입합니다.

RAV4의 경우, 도둑은 먼저 빨간색 제어 CAN 버스에 침입하여 "키가 인증되었습니다"라는 메시지를 보냈습니다. 그러면 보라색으로 착색된 게이트웨이 ECU는 그 가짜 메시지를 녹색 파워트레인 CAN 버스에 전달합니다. 그리고 그 메시지를 받은 엔진 제어시스템(아래의 하늘색)은 이모빌라이저를 정지시킵니다. 마지막으로 도둑은 도어 ECU(위의 하늘색)에 "키가 유효하므로 문을 열어주세요"라는 가짜 CAN 메시지를 보냅니다. 이로 인해 절도범은 스마트키 없이 차를 달릴 수 있게 된다는 것이 CAN 인젝션의 구조입니다.

도둑질 도구는 스피커 대신 큰 검은 수지 덩어리로 덮인 'CAN 인젝터'가 내장되어 CAN 인젝션을 가능하게 했습니다.

도둑질 도구를 켜면 CAN 인젝터는 아무 작업도 하지 않고 먼저 차량이 응답하는 CAN 메시지를 기다립니다. 그리고 신호를 받으면 "스마트키가 유효합니다"라는 신호를 포함하는 가짜 CAN 메시지를 보냅니다. 그런 다음 스피커의 재생버튼을 누르면 CAN 메시지가 변경되고 이번에는 문을 잠금 해제하라는 메시지가 표시됩니다. 테이버 씨의 RAV4는 이렇게 도난당한 것으로 틴델 씨는 추측했습니다. 틴델 씨에 의하면 이 CAN 인젝션에 대한 취약성은 도요타나 RAV4 등 특정의 메이커나 차종의 문제는 아니라고 합니다.

CAN 인젝션의 수법을 밝혀낸 테이버 씨는 도요타에 연락을 하고 지원을 요청했지만 순조롭게는 진행되지는 않았다고 합니다. 문제 중 하나는 어떤 대기업이든 보안문제를 해결하기가 어렵고 일반적인 취약점이 아니기 때문에 도요타가 채택한 보안문제에 대한 대응 프로세스와 일치하지 않는다는 점도 어려움을 가중시켰습니다.

일반적인 프로세스에서는 먼저 윤리적 해커가 악용될 수 있는 취약점을 찾아 벤더에게 알리고 벤더가 수정합니다. 이러한 취약성은 수정까지 남은 시간이 0일밖에 되지 않는 위험성이 있기 때문에 '제로데이 취약성'이라 불리지만 CAN 주입은 이미 널리 자동차 도둑질에 사용되고 있기 때문에 틴델 씨는 이것을 "마이너스 365데이"라고 표현했습니다. 키리스 자동차 도난은 급증하고 있지만 법집행기관은 광의의 릴레이 공격으로 보기 때문에 CAN 주입은 제로데이 취약점으로 간주되지 않습니다.

더 많은 조사를 실시하는 것은 위험이 수반되고 고가의 전용 디바이스가 필요하기 때문에 틴델 씨는 “자동차보안에 특화한 업계단체가 우리의 프로젝트를 인계해 도둑단이 CAN 인젝션을 어떻게 사용하고 있는지를 알아내고 실용적인 대응책을 찾아 자동차 메이커들 사이에서 중심적인 역할을 완수해 주는 것이 이상적"이라고 보았습니다.

미국의 페르미국립가속기연구소가 '테바트론 가속기'를 사용한 실험에서 약한 상호작용을 매개하는 소립자인 위크보손 'W보손'이 이론보다 무거울 가능성이 발견되었습니다.

CDF sets W mass against the Standard Model – CERN Courier
https://cerncourier.com/a/cdf-sets-w-mass-against-the-standard-model/

New ATLAS result weighs in on the W boson | ATLAS Experiment at CERN
https://atlas.cern/Updates/Briefing/2023-W-Mass-Measurement

Particle’s surprise mass threatens to upend the standard model
https://doi.org/10.1038/d41586-022-01014-5

위크보손은 소립자물리학에서 약한 상호작용을 매개하는 소립자입니다. 위크보손은 1968년에 이론상 존재할 것으로 예측되었고 1983년에 유럽원자핵연구기구(CERN)가 그 존재를 확인했습니다.

위크보손에는 W보손과 Z보손이라는 2종류가 존재하고 W보손의 질량은 2017년의 CERN에 의한 측정으로 80.370±0.019기가전자볼트로 나왔습니다.

그러나 2022년 4월에 듀크대학의 아슈토시 코트와르 씨 연구팀이 페르미국립가속기연구소의 테바트론 가속기를 사용해 실시한 CDF 충돌실험에서의 측정결과는 W보손의 질량을 80.434±0.009기가전자볼트라고 추측했습니다.

코트와르 씨 연구팀에 의한 측정결과는 지금까지 예측되었던 W보손의 질량보다 0.064기가전자볼트 크고 또한 오차가 0.009%로 가장 높은 정밀도로 해석했습니다. 이 결과 현재의 소립자물리학의 기둥이 되고 있는 '표준모형'이라고 불리는 소립자의 종류나 질량, 특성 등의 특성을 설명할 수 있는 이론의 수정이 필요할 가능성이 지적되고 있습니다.

이 측정결과에 대해 연구팀의 데이비드 토백 씨는 "이 측정이 올바른지 증명하는 것은 소립자 이론전문가나 다른 실험에 달려 있다"며 “종래의 W보손의 질량과 이번 측정결과에 생긴 차이가 어떤 종류의 새로운 소립자나 아원자 입자에 의한 상호작용에 의한 것일 가능성도 있어 향후 실험에서 이러한 새로운 소립자와 아원자 입자가 발견될 가능성은 매우 크다”고 보았습니다.

한편 CERN이 2023년 3월에 측정결과를 발표한 대형 하드론충돌형가속기의 실험장치 중 하나인 'ATLAS 검출기'를 이용한 측정에서는 W보손의 질량이 80.360±0.016기가전자볼트로 측정되어 2017년에 실시된 측정보다 약 0.1기가전자볼트 낮지만 이 결과는 표준모형에서 상정되는 W보손의 질량과 일치하고 있습니다.