물리 세특 주제 : 초전도체의 활용

1. 초전도체란?

  초전도체가 무엇일까요? 초전도체는 크게 두가지 신기한 특성을 가진 물질인데요, 첫번째 특성은 임계 온도(특정한 온도) 아래로 냉각되면, 저항이 발생하지 않고 전기를 수송할 수 있다는 것입니다. 보통 우리가 지금까지 배워온 회로 문제들을 보면, (보통은)전선의 저항은 무시한다는 말이 있거나, 그런 말이 없어도 전선 자체의 저항은 무시하고, 따로 연결한 저항만을 고려하는 경우가 많습니다. 하지만 실제로는 그렇지가 않습니다. 전선 자체도 저항을 갖고 있어, 전기를 움직이다 보면 열로서 소실되는 전기에너지가 존재하게 됩니다. 초전도체의 첫번째 특성은, 임계 온도 아래에서 는 이러한 자체의 저항 없이 전기를 움직일 수 있다는 것입니다. 다음 두번째 특성은, 내부에서 자기장이 방출되는 특성을 갖고 있어, 마이스너 효과를 갖게 된다는 것입니다. 마이스너 효과란, 역시 초전도체가 임계 온도 이하일 때 초전도체가 완전히 반자성체가 되어, 자석을 초전도체 근처에 놓았을 때 자석이 초전도체 위로 떠올라 공중에 부양하는 효과가 발생하는 것입니다..

2. 초전도체의 활용

  초전도체는 현재 다양한 기술에서 사용되고 있습니다만, 가장 잘 알려진 예로는 자기부상 열차가 있습니다. 자기부상열차는 강력한 자석과 초전도체를 사용하여 열차를 선로 위로 들어 올린 후 추진력을 준 후 열차를 운용하는 방식을 사용합니다. 이러한 방식을 사용하는 이유는 열차와 선로 간의 마찰이 없어 소음도 없고, 속도도 더 빠르며, 이 외에도 마찰로 발생하는 다양한 문제가 감소해 유지 관리 비용도 감소합니다. 또한 의료적으로 사용되는 MRI에서도 초전도체를 활용하는데요, MRI 기계는 강력하며 안정적인 자기장을 생성해야 합니다. 신체 조직의 양성자를 정렬하여, 신호를 얻어내고, 신체 내부 구조의 이미지를 구성해 내기 위함인데요, 초전도체를 사용하여 저항 없이 강력한 자기장을 형성할 수 있기 때문에 에너지 손실을 줄이면서 지속적인 작동을 해내게 할 수 있습니다.

3. 상온 초전도체가 상용화된다면

  이번에는 여러분의 보고서에 조금은 도움이 될만한 주제입니다. 한동안 lk-99라는 물질로 꽤나 떠들석했었죠? lk-99가 상온 초전도체의 특징을 가졌다고 생각되던 물질이었기 때문입니다. 상온 초전도체가 무엇이길래 그랬던 걸까요? 초전도체의 성질을 활용하려면 임계 온도 아래로 초전도체의 온도가 떨어져야 합니다. 하지만 지금까지 발견된 초전도체는 우리가 사는 온도에서 사용하기에는 터무니없이 낮은 임계 온도를 갖고 있다는 것이 문제입니다. 상온 초전도체는 임계 온도가 높아서 큰 온도 조절 없이 상온에서도 사용할 수 있는 초전도체를 일컫는 말입니다.

  상온 초전도체가 개발된다면 다양한 기술이 더욱 발전할 수 있습니다. 앞서 말씀드린 자기부상열차나 MRI 기계같은 경우도 상온 초전도체가 상용화된다면 그 임계 온도를 맞춰 줄 전력을 아낄 수 있으므로 비용이 매우 감소할 것입니다.

 하지만 무엇보다도 가장 기대되는 기술로는 에너지 수송과 관련한 기술이 있습니다. 발전소에서 전기에너지의 형태로 얻어낸 에너지를 먼 곳에서 수송하면 전선의 저항으로 인해 적지 않은 에너지 손실이 발생하게 됩니다. 하지만 상온 초전도체의 개발로 전기를 수송하는 케이블에 이를 활용할 수 있다면 에너지 손실을 매우 줄일 수 있습니다. 현재의 초전도체를 사용하여 냉각조와 함께 사용하는 초전도 케이블도 존재할 정도이니, 상온 초전도체가 개발된다면 역시 냉각에 관련한 비용을 크게 줄일 수 있으므로 큰 도움이 될 것입니다.

2024.05.14 - [세특/물리 실험, 세특] - 물리 세특 : 에너지 수송 설계/실험

물리 세특 : 에너지 수송 설계/실험

2024.05.13 - [세특/환경 실험] - 환경 실험 : ESS(Energy Storage System)

환경 실험 : ESS(Energy Storage System)

  추가로 제가 작성해 보았던 에너지 수송 관련 실험 내용과, 에너지를 저장하는 ESS라는 기술에 대해서도 작성해 보았습니다. 제가 작성해 본 내용이 조금이나마 여러분의 보고서 작성/실험 설계 등에 도움이 되었으면 좋겠습니다. 아래는 에너지 생산과도 관련한 내용의 글들도 넣어 봤습니다. 에너지 관련한 다른 실험들도 제 블로그에 있으니까 좀 더 관심 있으신 분들은 제 블로그를 방문해 주시면 감사하겠습니다. 좋은 하루 되세요!!

2024.05.10 - [세특/환경 실험] - 환경 실험 : 그린 수소 생산 실험

환경 실험 : 그린 수소 생산 실험

2024.05.13 - [세특/환경 실험] - 환경 실험 : 태양전지의 효율 증진

환경 실험 : 태양전지의 효율 증진