하이퍼루프, 자기부상열차, 대중교통의 미래

 

하이퍼루프, 자기부상열차, 대중교통의 미래

안녕하세요! 공우 12.5기, 화학생물공학부 19학번 임정욱이라고 합니다!! 이번에는 "하이퍼루프, 자기부상열차, 대중교통의 미래"라는 주제로 여러분들을 만나 뵙게 되었습니다! 대중교통과 도시의 간단한 역사, 그리고 앞으로 다가올 미래에 어떻게 대중교통이 발달할 지를 알아보고, 그 중에서도 각광을 받는 자기부상열차와, 일론 머스크의 아이디어인 하이퍼루프를 같이 묶어서 다뤄볼려고 합니다.

대중교통의 미래

현대 사회에는 수많은 도시들이 있습니다. 뉴욕, 런던, 도쿄, 그리고 한국의 서울과 같은 도시들은 그 중에서도 손에 꼽힐 만큼 많은 사람들이 살고 있는 대도시들입니다.

user:AngMoKio, CC BY-SA 2.5 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5, via Wikimedia Commons

이런 대도시들은 어떻게 생겨나게 되었을까요? 여러 원인들이 있겠지만, 교역과 생산이라는 두 가지 키워드에 초점을 맞춰 보려고 합니다. 유사 이래로, 사람들은 교류를 통해 더 큰 이득을 얻고, 그 규모는 점차 커져 왔습니다. 비단길을 오가는 상인들도, 상선을 운영하던 베니스의 상인들도 모두 과거로부터 존재하던 교역의 증거입니다.

현대에 와서는 이러한 교역의 규모도, 교류가 이뤄지는 도시의 크기도 거대해졌습니다. 바로 산업혁명과, 이를 통한 생산성의 증가입니다. 인류의 역사에 있어서 가장 중요한 사건 한 가지를 꼽자면, 산업혁명을 선택할 사람들이 많을 것이라고 생각합니다. 그만큼, 산업혁명을 통한 인류 사회의 변화는 엄청난 것이었습니다. 재화의 생산은 이전과 달리, 기계를 이용해서 매우 집약적이고 폭발적으로 이루어지게 되었습니다. 재화의 생산과 거래를 위해 수많은 사람들이 한 곳으로 모이게 되었습니다. 도시는 이전과는 비교할 수도 없을 만큼 사람들이 많이 모인 장소가 되었고, 전 세계의 인구 역시 파죽지세로 증가했음을 지금 우리가 살고 있는 도시의 모습에서도 어렴풋이 확인할 수 있습니다. 과거에는 존재하지 않았던, 수도 없이 많은 사람들이 먹고, 자고, 일하고, 노는 거대한 공간이 생겨나게 된 것입니다.

도시에 수많은 사람들이 모이게 된 만큼, 사람들의 이동 역시 무시할 수 없는 중요한 문제가 되었습니다. 사방으로 도로가 생기고, 기차를 타고 물건과 사람들이 이곳저곳으로 이동하게 되었습니다. 지금에 이르러서는 이전과 비교할 수 없을 만큼 엄청난 수준의 교통 수단과, 사람들의 이동이 이루어지게 됩니다. 오늘날 서울에서 수도 없이 많은 사람들이 빽빽한 지하철에, 차로 메워진 올림픽대로에 몸을 맡기고 이동을 하는 모습은 이 글을 읽는 여러분들 역시 익숙하실 것이라고 생각합니다.

이처럼 고도로 집적화한 공간은 이전에 없던 형태인 만큼, 새로운 문제 역시 발생하게 되었습니다. 도시화로 인한 열섬 문제, 도시의 폐기물 문제 등이 이러한 문제의 대표적인 예시라고 할 수 있습니다. 마찬가지로, 교통 분야에서도 문제는 발생하게 되었습니다. 현대 사회에 이르러서는 빼놓을 수 없는, 많은 사람들의 발이 되어주는 자동차가 그 주인공입니다. 자동차는 매우 편리한 교통 수단입니다. 지하철, 버스, 그 이외의 어떤 교통 수단이더라도 자동차처럼 출발지로부터 목적지까지 한 번에 이어주지는 못 합니다. 하지만, 현재의 자동차 시스템에는 몇 가지의 문제가 있습니다. 대표적인 문제는 교통 체증과, 방출되는 배기 가스입니다.

B137, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, via Wikimedia Commons

출퇴근 시간의 서울 시내를 거닐면, 차로 뒤덮인 도로를 볼 수 있습니다. 여러분들이 이런 도로 위의 운전자라면, 어떤 기분이 들까요? 기분이 나쁠 뿐 아니라, 급한 약속이 있다면 틀림없이 끔찍한 상황이 일어나게 될 것입니다. 즉, 이처럼 교통이 차량에 과하게 의존하게 되면 생산성 저하, 도로와 주차 공간의 과점유, 배기 가스의 과방출로 인한 환경 문제까지 다양한 문제가 발생할 수 있습니다.

사람들은 이런 문제를 해결하기 위해 세 가지 방향을 제시합니다. 피하거나, 바꾸거나, 낫게 만드는 것입니다. 교통량을 줄이고, 자동차가 아닌 다른 교통 수단을 사용하며, 환경에 더 나은 차량을 만드는 것이지요. 이처럼 여러 도시에서 친환경적인 대중교통의 확충과, 대중교통을 이용하기 편리한 도보 친화적인 도시 계획을 통해서 더 나은, 지속 가능한 교통과 도시를 추구하고 있습니다. 교과서에서 많이 봐왔던 브라질의 쿠리치바는 이런 분야의 선두 주자로 잘 알려져 있습니다. BRT 등을 위주로 한 도시 설계를 통해서 교통량을 낮추고, 대중교통으로 교통을 전환하며, 도보 친화적인 도시를 만든 유명한 사례입니다. 다른 예시로는 트램의 도입이 있습니다. 과거의 유산이라 생각하기 쉬우며 실제로도 복잡한 현대 도시에 쉽게 적용하기에는 어려운 트램이지만, 무가선 트램 등 다양한 형태로 발전하고, 적절한 도시 설계를 뒷받침하여 지속 가능한 도시를 위한 대중교통의 일원으로 주목을 받고 있습니다. 대표적으로, 한국에서도 몇 차례 주목 받았던 무가선 수소 연료전지 트램은 효율적이고 친환경적인 차세대 교통 수단으로 연구가 진행되고 있습니다.

Morio, CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, via Wikimedia Commons

이제 조금 더 간단한 예시를 통해서 대중교통 도입의 효과를 보다 확실하게 확인해보려고 합니다. 폴란드의 비드고슈치가 그 주인공입니다. 기존에 이 도시는 도로 교통에 의존하고 있었지만, 주변 거주 주민들에게 미치는 소음 피해 및, 배기 가스로 인한 환경 문제가 주민들을 위주로 지적이 되었습니다. 이에 따라 비드고슈치의 포르돈 지역에서 기존의 버스를 대신하여 접근성이 좋은 형태로 설계된 트램을 도입하고, 결국 이런 문제를 해결할 수 있었다는 이야기입니다. 이처럼 기초적인 형태부터 잘 구조화된 도시 설계까지, 다양한 부분에서 대중교통의 도입을 통한 도시 문제의 해결에 노력이 이루어지고 있습니다.

조금 다른 측면이지만, 지속 가능한 도시를 위한 교통의 설계를 위해 최근에는 전기차와 자율 주행이 주목을 받고 있습니다. 보다 친환경적인 에너지원을 통한 전기차는 미래 도시에서 기존의 차량을 대체할 훌륭한 친환경 대책으로 제시되어지고 있습니다. 특히 자동차 중심 사회인 미국에서 지속 가능한 도시를 이뤄내기 위해서는 차량의 개선이 필요하게 됩니다. 여기서 친환경적인 전기차와, 자율 주행을 통한 차량의 효율성 극대화는 중요한 역할을 하게 됩니다. 이처럼 다양한 방법으로 지금까지 없었던 거대 도시의 문제를 해결하고, 지속 가능한 도시로 나아가기 위해 노력이 이뤄지고 있습니다.

자기부상열차

이제 조금 시야를 넓혀서, 도시 사이의 이동을 바라보려고 합니다. 도시가 커지는 만큼, 도시 사이의 물류와 이동 역시 엄청난 속도로 증가해 왔습니다. 더 많은 사람들이 더 효율적으로 이동하기 위해서, 교통 수단은 점점 효율적이고, 빨라져 오게 됩니다. 한국의 KTX와 같은 고속 열차는 이러한 노력의 대표적인 예시입니다. 이처럼, 지속 가능하고 빠른 교통 수단의 개발을 위해 지금도 많은 연구가 이뤄지고 있습니다. 프랑스의 고속 열차 TGV는 최고 속력이 시속 500km에 달하는 열차를 실험 중에 있고, 한국 역시 HEMU-430 등을 통한 차세대 고속 열차의 개발에 힘쓰고 있습니다. 하지만, 기존의 교통 수단이 더 효율적으로 진화하기 위해서는 한 가지 문제를 극복해야 합니다. 바로 저항입니다. 고속으로 운전하는 기차의 바퀴와 레일 간 마찰은 상상을 초월하는 수준으로 일어나게 되고, 이에 따라 에너지 손실이 크게 발생하게 됩니다.

Minseong Kim, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, via Wikimedia Commons

이를 해결할 수 있는 교통 수단이 바로 바퀴 없이 차체를 띄워 마찰을 줄일 수 있는 자기부상열차입니다. 위 사진을 통해 볼 수 있는 바와 같이, 전 세계적으로 많은 곳에서 자기부상열차가 관심을 받고 있으며, 한국의 인천공항 등에서는 실제로 자기부상열차가 상용화 되어 사용되어지고 있습니다.

이제 간단하게 자기부상열차의 원리를 알아보고자 하는데요, 크게 두 가지 방식이 있습니다.

Stefan_024, Public domain, via Wikimedia Commons

왼쪽 그림의 방식을 EMS, 오른쪽 그림의 방식을 EDS라고 합니다. 우선 왼쪽의 EMS 방식은 C자형으로 가운데 철제 레일을 감싼 다음, 아래 부분에서 자기력으로 인력을 작용하여 위로 차체를 띄우는 방식입니다. 반면 오른쪽의 EDS 방식은 주위에 자석을 배치하고 차체 자체의 자석과 반발력을 이용해서 차체를 띄우는 방식입니다. 현재 주로 사용되는 방식은 EMS 방식입니다. 한국의 인천공항 자기부상열차부터 현재 상용 자기부상열차 중 가장 빠른 상하이 푸둥 공항의 자기부상열차까지 다양한 곳에서 사용되어지고 있습니다. EDS 방식의 경우 이와 달리 상대적으로 덜 사용되지만, 보다 안정적인 방식이며 현재 기록 상 더 빠른 속도를 낼 수 있기도 합니다. 시속 600km로, 현재 최대의 속도를 내는 철도 차량인 일본의 리니어 신칸센이 대표적인 예시입니다. 이러한 자기부상열차는 전력 소모량 등 몇 가지의 한계를 가지고 있지만, 보다 효율적이고 빠른 미래 교통 수단으로 각광을 받고 있습니다.

추가로, 자기부상열차의 가동 원리를 이해하고, 나아가 하이퍼루프의 원리를 이해하기 위해 필요한 한 가지 개념을 소개하려 합니다. 바로 선형 유도 전동기입니다. 일반적인 모터와 달리, 선형 유도 전동기는 아래와 같이 모터를 잘라, 일직선으로 펼쳐 놓은 형태라고 생각할 수 있습니다.

Schnibbi678, CC BY-SA 3.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0, via Wikimedia Commons

즉, 가만히 있는 자석 파트가 움직이는 자석 파트와 인력과 척력을 주고 받으며 이동하는 형태의 모터라고 이해할 수 있습니다. 자기부상열차는 바퀴가 없이, 차체를 띄우는 열차인 만큼 일반적인 모터 대신 이러한 선형 유도 전동기를 사용하여 앞으로 진행하게 됩니다.

하이퍼루프

지금까지 알아본 자기부상열차에는 한 가지 문제점이 있습니다.
바로 공기 저항입니다. 공기 저항의 경우, 저속에서는 큰 문제가 되지 않지만 고속 운전에서는 큰 에너지 손실 요소가 됩니다. 이를 해소할 새로운 방법이 필요한 이유입니다. 여기서 현대 기술 이슈를 주도하는 한 사람, 일론 머스크의 아이디어가 등장합니다. 일론 머스크는 2012년에서 2013년 사이에 처음으로 하이퍼루프의 개념을 제안하게 됩니다. 그가 제시한 하이퍼루프의 개념은 13년 초 일론 머스크가 한 이야기에서 간단하게 정리할 수 있습니다. “에어 하키 위에서 가동되는 콩코드 비행기와 레일건의 중간 형태를 한 교통 수단.” 간단한 농담과도 같은 발언이지만, 핵심적인 하이퍼루프의 개념을 여기에서 찾을 수 있습니다.

하이퍼루프의 개념은 기본적으로 vactrain, 즉 vacuum train의 한 종류입니다. 이러한 종류의 기차는 기차가 진행하는 튜브 안을 진공으로 하여 공기 저항을 예방할 수 있게 됩니다. 하이퍼루프는 여기서 보다 비용을 절감하기 위해 진공 대신 튜브 내의 공기를 희박하게 하는 방법을 사용합니다. 또한, 앞서 다룬 선형 유도 전동기로 마치 레일건처럼 열차를 추진시키게 됩니다. 그 다음으로, 일본의 리니어 신칸센과 같이 값비싼 초전도 전자석 대신 마치 에어 하키와 같은 고압축 공기를 사용한 에어 쿠션으로 차체를 띄우게 됩니다.

Camilo Sanchez, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, via Wikimedia Commons

초기 형태는 이러하지만, 하이퍼루프 프로젝트는 기본적으로 오픈 소스로 진행되는 만큼 다양한 참가자들이 저마다의 방법으로 하이퍼루프를 발전시키고 있습니다. 일례로, 많은 사업자들의 경우 소위 "Inductrak"이라고 불리는 영구자석을 사용한 EDS 방식의 차체 부상 방식을 도입하는 등의 연구를 진행하고 있습니다. 이와 같은 하이퍼루프는 다양한 버전이 있지만, 공통적으로 꼽히는 강점은 속도, 저항의 최소화, 그리고 에너지 효율입니다. 실제로도 여러 하이퍼루프 사업의 경우 공통적으로 태양광 패널을 사용한 배터리 충전 등의 방식을 제시하고 있습니다. 이처럼 하이퍼루프는 친환경적인 에너지 수급, 에너지 효율성 증가 등을 통해 지속 가능한 방식의 차세대 교통 수단으로의 발전이 이루어지고 있습니다. 물론 하이퍼루프는 아직 상용화에 이르지는 못했다는 한계가 있지만, 현재 다양한 회사에서 고속 하이퍼루프 시운전에 성공하고 있으며 한국의 부산광역시를 비롯한 세계 다양한 도시에서 이러한 기술에 관심을 보이고 있는 등 기대를 받고 있습니다.

오늘 다뤄본 내용과 같이, 현대 사회의 도시화로 인한 문제 등을 해결하고 더 효율적인 도시를 이뤄내기 위해 교통 수단의 발전은 다각도로 이루어지고 있습니다. 앞으로의 도시가 어떤 식으로 발전할 지에 대해서는 다양한 논의가 있지만, 현재의 문제를 해결하고 더 효율적인 방향의 발전을 위해 다양한 교통 수단이 현재에도 연구되고 있음을 끝으로 이 글을 마치려 합니다.

참고 문헌

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[7] Wikipedia