IT·과학

[고든 정의 TECH+] 500조 와트 레이저로 하는 연구는?

입력 : 2017.07.22 10:21 ㅣ 수정 : 2017.07.22 10:21

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▲ NIF의 레이저가 모이는 타겟 챔버. 출처=로렌스 리버모어 국립 연구소



미국의 로렌스 리버모어 국립 연구소에는 세계에서 가장 큰 레이저 연구 시설이 있습니다. 국립 점화 시설(NIF, National Ignition Facility)이라고 불리는 이 장치는 192개의 초강력 레이저를 2mm가 채 안 되는 작은 점에 집중시키는 장치로 1.85MJ 에너지 혹은 500TW(Terawatt. 테라와트=1조 와트)의 출력을 낼 수 있습니다. 이렇게 강력한 에너지를 한 점에 집중시켜 수소 핵융합 반응을 일으키는 것이 목적입니다. 지난 2009년에 완공되어 2012년 최대 출력에 도달했으며 건설비만 30억 달러에 달하는 대형 과학 장치입니다.

NIF는 포괄적 핵실험 금지 조약 이후 실제 수소 폭탄 실험 없이 관련 데이터를 수집하는 목적도 있지만, 인류를 위한 꿈의 에너지인 핵융합 에너지를 개발하기 위한 연구도 같이 진행합니다. 하지만 초고온 초고압 환경이 필요한 연구에 더 폭넓은 응용이 가능합니다.

최근 NIF는 새로운 연구 목표를 발표했습니다. 그것은 우주에 흔한 행성인 슈퍼지구의 내부를 연구하는 것입니다. 슈퍼지구는 지구보다 몇 배 큰 질량을 가진 암석형 행성으로 태양계에는 존재하지 않지만, 다른 행성계에는 매우 흔한 천체 가운데 하나입니다. 따라서 과학자들은 슈퍼지구에 생명체가 살기 적합한지 연구하고 있습니다.

생명체가 존재하기 위해서는 여러 가지 조건이 필요하지만, 중요한 것 가운데 하나는 외부 환경에서 대기를 지켜줄 자기장의 존재입니다. 화성 역시 30~40억 년 전에는 표면에 액체 상태의 물이 있을 만큼 따뜻한 환경이었지만, 약한 자기장과 중력 때문에 대기의 대부분을 잃어버리고 지금 같이 춥고 생명체가 살기 힘든 행성이 되었습니다.

반면 지구는 강한 자기장이 있어 태양에서 나오는 태양풍과 태양 폭풍을 막아주기 때문에 대기를 온전히 유지할 수 있습니다. 특히 슈퍼 지구 가운데는 지구보다 훨씬 강한 항성풍에 시달리는 행성들이 많기 때문에 지구보다 강력한 자기장이 없다면 대기와 바다를 지키기 힘들 것입니다. 이론적으로 생각하면 슈퍼지구는 지구보다 더 강력한 자기장을 지닐 가능성이 있지만, 구체적으로 얼마나 강할지는 모릅니다.

불행히 멀리 떨어진 외계 행성의 자기장을 직접 측정할 방법은 없습니다. 하지만 행성 자기장에 큰 영향을 미치는 행성 핵의 환경을 연구해서 간접적인 추정은 할 수 있습니다. 문제는 수백만 기압이 넘는 고온 고압 환경을 실험실에서 재현하기 어렵다는 것입니다. 사실상 다른 방법으로는 연구가 어렵고 NIF의 500조 와트 레이저가 필요한 상황입니다.

과학자들은 NIF의 강력한 레이저와 TARDIS (target diffraction in situ)라는 장치를 이용해서 5~20megabar에 달하는 고압 환경 연구를 진행할 예정입니다. 행성 핵을 이루는 주요 성분인 철을 이런 환경에서 어떤 변화가 일어나는지 관찰해서 슈퍼 지구 중심부는 물론 지구 중심부 환경에 대한 연구를 진행할 수 있습니다. 그리고 슈퍼 지구의 자기장의 세기도 간접적으로 추정할 수 있을 것입니다.



미국이 과학 기술 분야에서 세계를 선도할 수 있는 이유 중 하나는 이렇게 다른 나라에서 경쟁하기 힘든 수준의 거대 과학 시설에 투자를 아끼지 않기 때문입니다. 이런 과학 장비가 결국 여러 분야에 활용되면서 다른 분야까지 같이 발전시키는 것이죠. 우리가 모두 따라 할 순 없겠지만, 선택적으로 과감한 투자가 필요할 수 있다는 것을 보여주는 사례입니다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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