지속가능성

마그레브, 하이퍼루프, 그리고 기차의 미래

게시일 2024년 9월 12일

업데이트일 2026년 5월 31일

작성자

Jonathan Schramm

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기차의 중요성

산업적 역할

산업 시대 전체가 하나의 기술, 즉 철도와 기차를 기반으로 구축되었습니다. 저비용으로 내륙으로 물자를 이동시킬 수 있게 함으로써 철도와 기차는 생산성을 크게 향상시켰습니다. 이후 자동차와 트럭용 내연기관, 그리고 비행기용 제트 엔진이 주목을 받게 되었습니다.

하지만 오늘날에도 모든 산업 경제는 해안 지역(해상 무역이 지원하는) 외의 제조업을 유지하기 위해 기차에 의존합니다. 기차는 특히 철강, 자동차 등 원자재와 대량 산업 제품을 이동시키는 데 필수적입니다.

그 중에서도 사하라 중앙에 있는 철광석 채굴 중심지를 연결하는 704킬로미터(437마일) 철도 노선으로, 3킬로미터 길이의 열차가 운행됩니다. 200~300개의 화물 차량을 실어 한 번에 25,000톤 이상의 물자를 운송합니다.

출처: Tourifique

이와 같이, 열차 기반 물류는 현대 모든 군대에도 핵심적이며, 우크라이나 전쟁에서 전략 철도가 수천 발의 포탄과 탄약을 전선으로 매일 운송한 것이 그 예시입니다.

고속 여행

현대의 기차는 거대한 중공업용 일꾼을 넘어 고속도로와 공항과 효율적으로 경쟁하도록 진화했습니다.

이러한 현상이 가장 뚜렷하게 나타나는 곳은 중국이며, 세계에서 가장 촘촘한 고속철도망을 보유하고 있습니다. 2023년 말 기준, 이 네트워크는 총 길이 45,000km(28,000마일)로 전 세계 고속철도의 3분의 2를 차지합니다.

고속철도는 시속 200~380km(120~240mph) 구간의 속도로 도시 간 효율적인 교통을 제공합니다.

대조되는 지리

철도망은 공공 정책 및 국가 투자 결정에 크게 좌우됩니다. 이는 다음과 같은 요인들의 조합 때문입니다:

대부분의 철도망은 기술의 중앙집중적 특성 때문에 국유화되거나 과점 형태를 띱니다.
철도는 복잡한 허가 절차가 필요하며, 종종 토지 소유자에게 토지를 매각하거나 접근 권한을 부여하도록 강요합니다.
새로운 철도의 높은 투자 비용은 수십 년에 걸쳐 상환되므로 대부분의 민간 투자자는 그렇게 오래 기다리기를 꺼립니다.
철도는 종종 전체 지역 및 도시 중심의 인구 구성, 경제, 전반적인 개발을 변화시켜 그 경로가 매우 정치적이 됩니다.

따라서 국가의 정치가 더 중앙집중화될수록 기차가 자동차와 고속도로를 제치고 성공하는 것이 놀랍지 않을 수 있습니다.

중국

중국은 철도망에서 최고 자리를 차지하고 있습니다. 45,000km 고속철도망뿐만 아니라, 지역 및 산업 시설을 서비스하는 114,000km의 느린 철도망도 보유하고 있습니다.

출처: Reddit

2035년 말까지 중국은 총 200,000km(124,274마일)의 철도 트랙을 구축할 계획이며, 그 중 약 70,000km는 고속철도가 될 것입니다.

인구 20만 명 이상인 모든 도시는 2035년 이전에 철도망으로 연결될 것이며, 인구 50만 명 이상인 도시는 고속철도와 연결될 것입니다.

중국은 또한 소수민족이 주도하는 지역, 국경 지역 및 중서부의 낙후된 지역에서도 철도 건설을 촉진하여 빈곤 완화와 시골 재활성화를 도울 것이라고 회사는 밝혔습니다.

출처: Reuters / 국유 중국 국가철도그룹

아시아에서도 철도의 중요성을 볼 수 있는데, 예를 들어 인도는 132,310km의 철도를 보유하고 있지만 훨씬 느린 종류입니다.

유럽

또 다른 기차 친화적인 지역은 유럽이며, 총 202,131km의 네트워크를 가지고 있지만 고속철도는 11,666km에 불과하며 대부분 서유럽에 위치합니다.

EU는 2050년까지 고속철도 교통량을 세 배로 늘리는 것을 목표로 하며, 이를 도시화 속에서 보다 효율적인 교통 시스템의 핵심으로 보고 있습니다.

출처: Wikipedia

유럽에서는 국제 화물 운송에서 철도가 뒤처질 수 있는데, 이는 다중 전압(AC와 DC) 및 신호 시스템, 그리고 포르투갈·스페인 고유의 궤도와 핀란드·발트 3국이 사용하는 러시아식 궤도 등 다양한 궤도 폭 차이 때문입니다. 그럼에도 불구하고 스위스 알프스를 가로지르는 (주로 국제) 화물 트래픽의 70%는 철도로 이루어집니다.

출처: Wikipedia

북미

마지막으로 북미, 특히 미국은 승객용 철도망이 뒤처져 있으며, 주로 느리게 운행되는 암트랙과 화물 철도가 주를 이룹니다.

미국은 하지만 세계에서 가장 큰 철도 운송망을 보유하고 있으며, 총 260,000km(160,000마일)의 트랙을 가지고 있습니다. 역사적으로 이는 미국의 발전과 서부 개척에 핵심이었으며, 특히 첫 번째 대륙횡단 철도는 내륙을 해안 지역과 연결하는 데 중심적인 역할을 했습니다.

증기에서 전기로

최초의 기차는 최초의 증기 기관으로 구동되었으며, 석탄에서 에너지를 얻었습니다. 이는 이전에 풍력과 동물 근육만으로 움직이던 운송망에 혁신을 가져와 전 세계적으로 거대한 경제 붐을 일으켰습니다. 이후 더 강력하고 오염이 적은 디젤 기관으로 전환되었습니다.

마침내 전기화가 이루어지면서 기차는 자체 연료를 실어 나를 필요가 없어졌고, 대신 발전소에서 직접 생산된 전력을 보다 효율적으로 사용할 수 있게 되었습니다.

출처: Mesas Stamps

전기화는 또한 원자력이나 재생 에너지 등 화석 연료를 이용한 기차의 길을 열었습니다. 이는 현대 기차가 훨씬 덜 오염되는 대안적인 교통 수단이 되게 하며, 탄소 발자국을 급격히 낮춥니다.

예를 들어 영국에서는 전기 탈탄소화가 아직 뒤처져 있음에도 불구하고, 국가 철도부터 트램, 지하철까지 모든 철도 교통 수단이 승객 킬로미터당 35~28그램의 이산화탄소 등가량을 배출하여 전기차(47g)보다 낮고, 디젤·가솔린 차량(170g)보다 5배 적은 수준입니다.

출처: Our World In Data

기차의 미래

마그레브

정체되고 노후된 기술과는 거리가 먼 기차 운송은 기술 혁신과 전기화의 최전선에 서 있습니다.

핵심 혁신 중 하나는 2004년에 상업적으로 첫 선을 보인 마그레브(자기 부상) 열차입니다. 이 공상 과학 영화 같은 기술은 열차가 트랙 위에 실제로 떠서 이동하게 합니다.

이것은 일반 철도 및 기타 육상 교통수단에 비해 몇 가지 독특한 장점을 제공합니다:

마찰을 크게 감소시켜 전체 에너지 손실을 줄입니다.
마찰 감소는 열 발생도 줄여 훨씬 높은 속도를 가능하게 합니다.
접촉이 없으므로 속도 제한은 공기 저항과 마그레브 시스템의 용량에만 연관됩니다.
접촉이 없기 때문에 매우 부드러운 승차감을 제공하며, 고속에서도 강철 바퀴보다 훨씬 적은 진동을 보입니다.

마그레브는 초전도 자석(전기 저항이 없는)을 사용해 거대한 자기장을 생성함으로써 작동합니다. 이를 위해 자석은 -450°F / -267°C로 냉각되어야 합니다.

출처: Department Of Energy

또 다른 큰 장점은 안전성입니다. 마그레브 열차는 구동 가이드웨이에 의해 “구동”됩니다. 동일 노선을 운행하는 두 열차가 서로 따라잡아 충돌할 수 없으며, 모두 같은 속도로 움직이도록 전력이 공급됩니다.

마찬가지로, 전통적인 열차가 급격한 코너링으로 탈선하는 경우도 마그레브에서는 발생할 수 없습니다. 마그레브 열차가 가이드웨이 벽 사이의 정상 위치에서 멀어질수록, 이를 제자리로 되돌리는 자기력이 더욱 강해집니다.

마그레브 열차 시장은 2023년 21억 7천만 달러이며, 2031년에는 31억 3천만 달러로 성장할 것으로 예상되며, 연평균 성장률은 4.7%입니다.

무한 속도?

마그레브가 달성한 최고 속도는 일본 JR 중앙의 L0 초전도 마그레브가 2015년에 시속 603킬로미터(375mph)에 도달한 것입니다.

이는 공기 저항이 속도가 증가함에 따라 증가하기 때문에 마그레브가 달성할 수 있는 최고 한계에 가까운 것으로 보입니다.

어쨌든, 음속(시속 1,235km / 767mph) 이상으로 이동하면 초음속 폭풍이 발생하여 철도 인프라와 주변 환경에 손상을 줄 수 있습니다.

대량 채택?

마그레브는 아직 비교적 드문 기술이며, 대부분의 고속철도는 기존 방식을 사용해 속도를 달성하고 있습니다.

하지만 마그레브를 대규모로 설치하면 유럽 내부나 북미 대륙 전역과 같은 지역 항공 운송의 대부분을 대체할 수 있으며, 시속 400~600km는 비행기와 경쟁할 수 있습니다. 특히 공항 및 탑승 절차(보안 검사, 수하물 탑승 등)와 관련된 지연을 고려하면 더욱 그렇습니다.

또한 전력망의 탈탄소화와 결합하면 전 세계 탄소 배출에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

이상적인 위치는 세계 메가시티 내부 및 그 사이, 특히 미국 해안, 인도 북부, 자바 섬(인도네시아), 서유럽 등이 될 것입니다.

출처: Pinterest

하이퍼루프

마그레브 열차가 음속 제한을 받지 않는다면 어떨까요?

이 아이디어는 처음엔 터무니없게 들릴 수 있지만, 음속 폭풍을 피하고 과도한 공기 마찰을 피하는 방법이 있습니다: 바로 공기를 제거하는 것입니다. 이것이 2013년 엘론 머스크가 백서에서 제시한 하이퍼루프 개념이며, 로스앤젤레스와 샌프란시스코를 30분만에 연결한다는 제안이었습니다.

출처: The Verge

이 아이디어는 마그레브 열차를 감압된 튜브나 터널에 넣는 것입니다. 이렇게 하면 마그레브 시스템이 공기 마찰에 제한받지 않고 가속할 수 있습니다.

이 아이디어는 즉시 컬트적인 추종자를 모았으며, Hyperloop One(전 Virgin Hyperloop)이 개발에 착수했습니다. 그러나 이 회사는 2023년에 자금이 바닥나면서 최종적으로 폐쇄되었습니다.

이 좌절로 인해 많은 사람들이 이 개념의 종말을 앞당겨 선언했으며, 이를 (말장난처럼) 파이프 꿈이라 불렀습니다. 그러나 이는 성급한 판단이었으며, 다른 하이퍼루프 유사 프로젝트가 진행 중입니다.

하이퍼루프 프로토타입

첫 번째는 네덜란드의 Hardt Hyperloop으로, 2024년 9월에 하이퍼루프 차량을 성공적으로 테스트했다고 발표했습니다. 이는 차량이 움직이고 진공이 유지된다는 증명이며, 첫 단계에 불과합니다.

서구 국가에서 이 분야에 활발히 활동하는 다른 기업으로는 머스크의 Boring Company와 이탈리아의 HyperloopTT가 있습니다.

열차 애호가가 많은 중국에서는 최근 샹시성에서 2km(1.2마일) 길이의 파이프라인에 저진공 환경을 조성한 상태에서 마그레브 열차가 테스트를 완료했습니다. 이는 중국항공우주과학산업공사(CASIC)가 수행했습니다.

이 설계는 시속 1,000km(621마일)를 목표로 하고 있으며, 비진공 조건에서도 시속 623km(387마일)의 기록적인 속도를 달성한 바 있습니다.

목표는 1,000km/h에 머무르는 것이 아니라 장기적으로 시속 4,000km까지 도달하는 것입니다.

따라서 이론적으로는 대륙 간 여행에 활용될 수 있어 아직 존재하지 않는 상용 극초음속 우주비행기와 맞먹으며, 예를 들어 베를린에서 베이징까지 2~3시간, LA에서 뉴욕까지 1~2시간으로 이동할 수 있습니다.

하지만 하이퍼루프 시스템이 현실화되려면 설계와 엔지니어링 분야에서 많은 진전이 필요합니다. 주요 어려움은 다음과 같습니다:

전체 라인에 걸쳐 강력한 진공을 안전하게 유지하는 것.
- 이는 사고나 테러 공격 후 원치 않는 급격한 진공 손실 위험을 관리하는 것을 포함합니다.
시스템에 필요한 막대한 에너지를 안전하고 효율적으로 공급하는 것.
하이퍼루프를 기존 철도 및 기차역 네트워크와 통합하는 것.
전용 인프라 구축.
- 극한 속도로 인해 경로 선택이 제한되어 하이퍼루프 개발자는 비싼 초대형 교량 및 터널을 이용해 장애물을 통과해야 합니다.

기타 혁신

철도 운송은 역사적으로 다른 산업의 혁신으로부터 지속적으로 혜택을 받아온 기술입니다. 처음에는 석탄 채굴용 증기 엔진을 활용했고, 이후 디젤 엔진, 전기 및 초전도 자석을 도입했습니다.

따라서 기차의 미래를 보다 넓은 기술 진보 맥락에서 살펴보는 것이 타당합니다.

고온 초전도체

마그레브와 하이퍼루프 시스템의 핵심 요소는 초전도 자석이 필요하다는 점이며, 이는 현재 초저온을 요구해 기술적으로 어렵고 에너지 집약적입니다.

이는 곧 변할 수 있으며, 초전도 재료가 더 적은 냉각 또는 실온에서도 작동하도록 발전하고 있습니다. 우리는 “Progress In Superconductivity Making Way For A New Technological Revolution“에서 그 개발과 최신 소식을 자세히 다루었습니다.

전반적으로 초전도성이 훨씬 높은 온도에서 구현된다면, 마그레브는 기존 고속철도보다 훨씬 우수한 선택지가 될 것입니다.

또한 이는 막대한 전력을 장거리 전송하는 것을 쉽게 만들어 재생 에너지, 하이퍼루프 등 경제성을 크게 향상시키고, 핵융합과 같은 문명을 뒤바꾸는 기술 개발에도 기여할 것입니다.

AI, 자율 주행 열차 및 스마트 철도

자동화와 AI는 빠르게 발전하는 다른 기술입니다. 우리가 자율 주행 자동차가 도시 도로의 복잡성을 처리하도록 상상하듯, 기차는 훨씬 더 통제되고 알려진 환경에서 자율 주행을 더 빨리 달성할 수 있습니다.

AI와 5G 연결성, 사물인터넷(IoT)은 철도 관련 다양한 작업을 지원할 수 있습니다, 포함:

안전한 감시.
실시간 업데이트 및 스마트 티켓팅.
자동화된 열차 서비스.
자율 주행 열차.
예측 유지보수.
연결성, 자동 열차 제어 및 디지털 신호.

디지털화, AI, 그리고 블록체인으로 촉진될 수 있는 또 다른 활동은 물류입니다. 화물 차량의 적재·하역, 열차 간 차량 전환, 국경 간 운송 및 트럭 운송과의 연계 등이 반자동 또는 완전 자동화될 수 있어 철도 화물의 효율성과 비용 효율성이 크게 향상될 것입니다.

터널링

우리가 볼 수 있는 또 다른 옵션은 터널링을 통한 더 많은 교통(철도 포함)입니다. 이는 엘론 머스크가 개인적으로 집착하는 분야 중 하나이며, Boring Company는 지구상의 교통 문제를 해결하고 화성에 서식지를 건설하는 것과 동등하게 돕기 위해 설립된 것으로 보입니다.

이는 미래 하이퍼루프 시스템에 선호되는 옵션이 될 수 있는데, 터널은 더 안정적이고 사고에 덜 취약하며, 공중 튜브보다 강한 진공을 유지하기도 쉽습니다.

매스 드라이버

매스 드라이버의 핵심 아이디어는 지상에서 충분히 가속시켜 추진체가 궤도에 도달하도록 하여 탑재 연료가 필요 없게 만드는 것입니다.

본질적으로 이는 하이퍼루프와 유사하지만, 탈출 속도에 도달해 우주선이 궤도에 진입하도록 하는 것이 목표입니다.

발사 트랙은 수백, 아니면 수천 킬로미터에 달해야 하며, 가장 유망한 후보 지역은 티베트 고원입니다.

출처: Acepedia

아마도 놀랍지 않게도, 중국은 이미 이러한 기술 개발을 검토하고 있어 우리가 예상보다 더 가까울 수 있습니다.

성공한다면, SpaceX (SPCX ) 가 이미 크게 낮춘 궤도 발사 비용을 또다시 10배 정도 낮출 수 있으며, 비용은 킬로그램당 60달러 수준이 될 것으로 추정됩니다.

덧붙여, 이 시스템은 먼저 소형 모델을 이용해 비행기를 초음속 스크램젯 엔진이 작동할 수 있는 속도로 추진하여 매우 빠른 초음속 비행을 가능하게 할 수 있습니다.

따라서 대륙 간 하이퍼루프가 경제적으로 실현 가능하지 않다면, 매스 드라이버/발사 하이퍼루프가 초음속 비행에 여전히 이 기술을 사용할 수 있습니다.

기차 관련 기술에 투자하기

우주항공이나 전기차에 비해 주목을 덜 받지만, 기차, 마그레브 및 미래의 하이퍼루프는 인류의 교통 수단과 경제를 혁신하는 최전선에 있습니다.

중국이 지금까지 선두를 달리고 있지만, 전 세계도 철도 용량을 대폭 확대하려는 움직임을 보이고 있습니다.

기차 관련 기업에 투자하고 싶지 않다면, SmartETFs Smart Transportation & Technology ETF (MOTO), iShares US Transportation ETF (IYT), SPDR S&P Transportation ETF (XTN)와 같은 ETF를 살펴볼 수 있으며, 이는 전략적으로 중요한 교통 및 철도 산업에 대한 보다 다양화된 노출을 제공할 것입니다.

철도 및 기차 기업

1. Siemens Aktiengesellschaft (SIE.DE)

Siemens는 전자 중공업, 인프라, 모빌리티, 헬스케어 분야에서 활동하는 산업 부문 강자입니다.

출처: Siemens

회사의 IoT 활동은 여러 부문에 걸쳐 있으며, 자동화(디지털 산업 전체의 62%)와 스마트 인프라를 포함합니다.

헬스케어 부문은 주로 영상, 분석 및 로봇에 집중하고 있으며, 모빌리티 부문은 주로 열차 및 철도 인프라에 초점을 맞추고 있습니다.

회사는 전 세계 인구 감소와 “글로벌 로컬화”(산업 역량을 최종 시장에 가깝게 재배치)로 인한 자동화에 큰 기회를 보고 있습니다. 전력망에 재생 에너지가 증가함에 따라, 이러한 보다 간헐적이고 변동적인 전력원을 처리할 수 있는 “스마트 그리드”에 대한 수요도 증가합니다.

활동하고 있는 분야에서 Siemens는 매우 강력한 경쟁자로, 공장 자동화, 철도 자동화, 그리드 자동화, 그리고 수직 산업 소프트웨어(1,300명의 사이버 보안 전문가 포함)에서 1위를 차지하고 있습니다.