아주 오래전부터 모두가 세상을 바꿀 수 있는 방법에 대해 이야기를 해오고 있지만, 전문가들은 아직 갈 길이 멀다고 말한다.

최근 한국의 퀀텀에너지연구소의 이석배 대표 등이 이끄는 상온에서 작동하는 초전도체( superconductor)를 만들었다는 뉴스가 나오자 세계의 과학자들이 ‘그게 사실이냐’며 검증에 들어가는 등 갈등과 대립만이 난무한 세계에서 모처럼 큰 기대와 함께 검증 작업에 돌입하면서 일부는 대단한 것일 수 있다는 반응과 아직은 갈 길이 멀다는 주장 등 많은 논란이 일고 있다.

일부 전문가들은 회의적 시각이 적지 않지만, 그러한 물질이 실제로 존재한다면, 획기적으로 에너지 생산과 저장을 촉진할 수 있으며, 자동차와 휴대폰과 같은 가전제품에 사용되는 칩을 개선시킬 수 있다.

통상적으로 전기는 가능한 다른 것에 비해 비효율적이다. 그러나 초전도체를 따라 이동하는 전기는 도중에 거의 에너지를 잃지 않는다. 투입과 산출이 거의 같다는 것으로 효율이 거의 100%일 정도이다.

그러나 오늘날의 초전도체는 비용이 엄청나게 드는 특수한 환경에서만 작동한다. 만일 이를 상온(room-temperature)에서 초전도체를 만들 수만 있다면 분명 세상을 획기적으로 바꿀 수 있을 것이다. 인문학적으로 보면 치열한 경쟁사회에서 벗어나 인간의 얼굴을 가진 상호 협조적인 사회를 기대해볼 수 있지 않을까? “물질 소유에 대한 탐욕의 사회에서 조금이라도 벗어날 수만 있다면... ”하는 기대마저 든다. 김칫국물을 너무 빨리 마시는 것은 아닌지 모르겠다.

그것이 바로 한국의 과학자들이 고안해 냈다고 하는 ‘초전도체’ 물질인 LK-99의 전제이며, 지난 한 주 동안 각 언론들의 헤드라인과 소셜미디어(SNS) 게시물을 지배할 정도의 세계적인 뜨거운 반응이 일고 있다고 복수의 외신들이 전했다.

LK-99 물질은 납(lead), 구리(copper), 인(phosphorous), 그리고 산소(oxygen)으로 구성된 화합물(compound)이며, 과학자들은 아직 상호 검증되지 않은 두 개의 사전 인쇄 논문은 설명하고 있다. 이 논문은 검증 절차 이전에 누구나 게재할 수 있는 아카이브(ArXive)에 게재됐다.

퀀텀에너지연구소 측은 구리로 물질을 도핑한 방법에 대해 논의하고 있다. 납 원자 사슬(chain of lead atoms)을 왜곡하여 초전도가 발생하는 채널을 생성했을 수 있다고 설명한다.

이들의 설명과는 달리 많은 전문가들은 그 물질이 실제로 과학자들이 주장하는 것과 일치하는지에 대해 회의적이다. 따라서 LK-99가 실제로 돌파구인지의 여부는 다른 과학자들이 그 결과를 재현(再現)시킬 수 있느냐이다.

이를 위해 일부 전문가들은 노력을 하고 있지만, 이 초전도체라는 물질은 아주 오랜기간 동안 인간의 상상력만 허용했을 뿐 아직 상에서의 실존은 허락하지 않고 있는 미지의 세계였다.

* 상온 초전도체 어려운 이유

아무리 발버둥을 쳐도 이룰 수 없다는 이른바 성배(聖盃, holy grail)와 같은 상온 상압 초전도체이다. 지금까지 그렇게 인식해왔다.

미국 로드아일랜드주 워싱턴 카운티 킹스턴에 위치한 로도아일랜드대학의 물리학과 학과장인 레오나르도 칸(Leonard Kahn) 교수는 “이 성배와 같은 초전도체는 상온에서 초전도성인 무엇인가를 얻어내는 것”이라고 설명하고 있다.

문제는 과학자들이 현재의 임계 온도(critical temperature)를 높이기 위해 재료를 교체해 가면서 추측 게임(a guessing game)을 하고 있는 중이다.

칸 교수는 “예를 들어 탄탈륨(tantalum) 및 수은(mercury)와 같은 원소는 모두 초전도 능력(superconducting capabilities)을 가지고 있지만, 섭씨 –268도(화씨 –450도)까지 냉각을 해야 한다. 일부 화합물은 더 높은 온도에서 초전도성이 되며, 섭씨 –196도(화씨 –320도) 정도에서 액체 질소(liquid nitrogen)로 냉각될 수 있다”면서 “그러나 다른 물질은 더 따뜻한 온도에서 초전도체가 되지만, 어떤 응용 분야에서도 비(非)실용적일 정도로 높은 압력을 받아야 한다”고 지적했다.

LK-99는 그러한 종류의 첫 번째 주장이 아니다. 과거에도 비슷한 시도가 있었지만, 잘 풀리지 않았다. 2020년 과학 저널 네이처(Nature)에 게재된 이 주제에 관한 한 글은 나중에 철회되기도 했다.

비즈니스 인사이더 5일 보도에 따르면, 미국 뉴욕주 트로이시에 있는 사립 공과대학인 렌셀러폴리테크닉대학교(Rensselaer Polytechnic Institute)의 재료 과학 및 공학 부교수인 에드윈 포퉁(Edwin Fohtung)는 “궁극적으로 상온 초전도체를 달성하려면 초전도성의 기본 원리를 이해하고, 새로운 재료를 발명하거나 임계 온도를 높이는 새로운 방법을 발견하는 데 돌파구가 필요하다”고 말했다.

* 오늘날 초전도체가 사용되는 곳과 방법

플로리다 대학교(University of Florida)에서 산업 및 시스템 공학을 가르치는 부교수인 엘리프 악저너(Elif Akçalı)는 “우리에게 초전도체가 없는 것은 아니지만, 매우 높은 압력과 매우 낮은 온도에서만 초전도체를 작동시킬 수 있다.”면서 “그렇다면 그 일을 하기 위해 너무 많은 에너지를 투입하고 있는 것이며, 나에게는 비즈니스 관점에서 볼 때 가치를 잃고 있다”고 설명했다.

초전도체는 자기장을 방출하고, 반자성체(diamagnetic)이며, 마이스너 효과(Meissner effect)로 알려진 현상이다. 칸 교수는 “자석을 근처에 놓으면, 자석과 반대가 되어 자석이 실제로 그 위에 떠 있다.”고 설명했다.

현재 MRI기계, 양자 컴퓨터, 자기 부상 열차는 모두 초전도성을 사용한다. MRI 자석을 냉각하려면 비싸고 공급이 부족한 약 2,000리터의 액체 헬륨(liquid helium)이 필요하다. 그러나 연구원들이 상온 초전도체를 발견할 수 있다면, 에너지, 운송 및 기타 여러 산업에 막대한 영향을 미칠 것이다.

* 예를 들어 발전소를 살펴보자.

칸 교수는 “만약 그들이 사용하고 있는 일반 전선 대신에 초전도 전선을 사용한다면, 발전소를 5~10% 더 갖는 것과 같을 것이고, 더 이상 탄소를 대기에 배출하지 않을 것”이라며, “그것에 대한 기회는 엄청날 것이지만 우리는 아직 거기에 있지 않다”고 말했다.

물론 초전도체를 혁신적으로 사용하려면 여전히 시간이 걸릴 수밖에 없을 것이다.

전문가들은 초전도체 사용에 급진적인 변화를 가져오려면 시간이 좀 걸린다고 말하고 있다. 

최소한 여러 실험실에서 LK-99 또는 이와 유사한 것이 실제로 작동하는지 확인하기 위해 먼저 실험을 반복하고 검증해야 하고 재현돼야 한다.

미국 인디아나주 노터데임에 있는 가톨릭계 사립 종합대학교인 노터데임대학교(University of Notre Dame)의 시다스 조쉬(Siddharth Joshi) 컴퓨터 과학 및 공학 조교수는 “실행 가능한 재료라 할지라도 기업은 제품을 만드는 방식을 바꿔야 한다. 예를 들어 칩(CHIPS)의 경우, 이러한 유형의 초전도체 재료가 경제적으로 실행 가능하고 너무 부담스럽지 않은 방식으로 칩 제조 공정에 성공적으로 통합될 수 있는 지에 대해서는 여전히 의문이 있다”고 말하고 있다.

그는 이어 “현재 우리는 초전도체를 가질 수 있다고 가정하여 칩을 설계하지 않고 있다”면서 “칩 설계에 초전도체를 사용하면 흥미로운 설계가 나올 수 있지만, 먼저 칩에서 사용할 수 있을 만큼 기술이 성숙해야 한다”고 덧붙였다.

플로리다 대학의 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 나비드 아사디(Navid Asadi)는 “그러나 작동한다면 작동하는 데 더 적은 에너지가 필요한 칩을 생산할 수 있으며, 더 많은 작업을 수행하고 더 적은 공간을 차지할 수 있음을 의미한다”면서 “휴대폰과 노트북이 훨씬 더 작아질 수 있다”고 말했다.

아사디 교수는 “나아가, 저에너지 칩(Low-energy chips)은 또 기계가 훨씬 더 많은 일을 할 수 있도록 도울 수 있다. 전기 및 자율주행차와 같은 최신 기술의 경우 기계가 드라이브에서 직면하는 종류의 질문을 더 잘 탐색할 수 있도록 돕는 것을 의미할 수 있다”고 강조했다.

그는 이어 차를 차선 사이에 두어야 합니까? 이 차를 추월해야 합니까? 브레이크를 밟아야 합니까? 속도를 조절해야 합니까? 이 모든 결정은 칩 안에서 끊임없이 이루어지며 에너지가 필요하므로, 저전력 에너지 칩은 칩 설계의 주요 영역 중 하나라고 강조했다.

공급망 전문가이자 애리조나(Arizona) 대학의 데일 로저스(Dale Rogers) 교수는 “초전도체 덕분에 칩이 더 빠르고 효율적일 수 있다는 잠재력은 또한 생성 AI를 포함한 다른 인공 지능 노력을 유지하는 데 필요한 많은 양의 컴퓨팅 성능과 에너지를 지원할 수 있음을 의미한다”면서 “이러한 종류의 초전도체 혁신이 실제로 있다면, 인공 지능의 엄청난 발전과 처리 능력을 가능하게 할 수 있다”고 말했다.