초전도 분야의 진보가 새로운 기술 혁명의 길을 열다

초전도 한계

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

전기는 역사상 가장 혁신적인 기술 중 하나로, 장거리에서 매우 유용한 형태의 에너지를 전달할 수 있게 했습니다. 그러나 모든 전기 시스템은 전기 저항에 직면하며, 전류가 흐르면 열이 발생합니다.

대안으로는 이른바 초전도 물질이 있습니다. 초전도 물질은 전기 저항이 0이어서, 열이나 강력한 자기장을 발생시키지 않고도 매우 큰 전류를 사용할 수 있습니다.

초전도가 없었다면 입자 가속기, MRI, 그리고 자기 부상 열차와 같은 현대 기술의 많은 부분이 불가능했을 것입니다.

문제는 이러한 모든 응용이 저온 초전도에 기반하고 있다는 점입니다. 이 경우 물질은 액체 헬륨을 사용해 -253°C/-423°F(20 K)와 같은 매우 낮은 온도로 냉각될 때만 초전도가 됩니다.

실험용 핵융합 반응기의 자석과 같은 일부 응용에서는 요구 온도가 절대 영도에 불과 4 K 정도로 낮을 수 있지만, 이는 점차 개선되고 있습니다(아래 참고).

Such extremely low temperatures are hard to maintain and consume a lot of energy. So, while other technologies & applications could benefit from superconductivity, it is rarely economically viable to do so.

고온 초전도

This is why the prospect of materials being able to stay superconductive at higher temperatures is an exciting prospect. In that context, “high” temperature can be as cold as -185°C to -135°C but this is a lot more easy to reach than the traditional superconductive temperature, using liquid nitrogen instead of liquid helium.

But of course, the ideal material would be superconductive at temperatures just below freezing or even room temperature.

실온 초전도

In the summer of 2023, a piece of news went viral after the publication of a scientific article titled “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”. A material called LK-99 was described as working as a superconductor up to 127°C/260°F. That it used common materials like copper and lead (copper-substituted lead apatite – CSLA) only added to the potential of the discovery.

구리 결정 – 출처: DOE

이는 초전도와 관련된 주식 시장에서도 작은 파동을 일으켰으며, 예를 들어 American Superconductor (AMSC ) 주가가 60% 이상 급등했습니다.

주장은 즉시 논란이 되었으며 재현이 어려운 것으로 밝혀졌습니다.

LK-99 초전도 이야기

But this story is not over yet. In 2024년 1월, two other research teams have also observed LK-99’s potential for superconductivity.

흥미롭게도 각 팀은 서로 다른 제조 방법으로 LK-99의 자체 버전을 재현했으며, 이는 관찰된 결과가 가능한 불순물이나 오류보다 물질 자체와 더 관련이 있음을 시사합니다.

따라서 이것이 거짓 경보가 아닐 가능성에 희망이 있습니다. 현재 제조 공정이 매우 비효율적이어서 테스트 결과가 부정적으로 나올 가능성이 높습니다.

So, it is perhaps no surprise that replicating the initial discovery of LK-99 has been anything but straightforward.

“…현재 알려진 최상의 공정(그들이 사용한 공정)을 따라 합성된 샘플조차도 주장된 초전도 물질과 섞인 비초전도 물질 비율이 높습니다. 이런 상황에서는 테스트 후에도 샘플을 잘못 죽은 것으로 선언하기 쉽습니다.

그들이 논문에 기반으로 한 초전도 샘플 중 하나는 2023년 11월에 제작되었으며, 결함이 있는 것으로 판단되어 여러 차례 폐기될 위기에 있었습니다.”

Source: Tom’s Hardware

초전도 잠재력

Even if room-temperature superconductors remain elusive, researchers may find a way to keep material superconductive at temperatures as “high” as -80°C to -70°C.

이 경우 초전도는 비용이 많이 드는 액체 헬륨이나 질소 대신 mRNA 백신을 보관하는 냉동고에 사용되는 냉각 기술만으로도 가능해져, 적용 분야가 완전히 바뀔 것입니다.

Among the possible applications already discussed in the 1990s are:

• 향상된 MRI, 더 높은 해상도와 저렴한 구축·운영 비용으로 보다 일상적인 의료 검사로 활용될 수 있습니다.
• 전자기 추력 구동 시스템 (또는 자기유체역학(MHD) 구동)으로 해수를 전기화하여 선박을 추진합니다.
• 보다 강력하고 효율적인 전기 엔진.
• 초전도 자기 에너지 저장(SMES)을 이용한 고밀도·안전한 배터리.
• 초전도 제한기, 스위치 및 퓨즈를 통해 전력망 인프라를 개선합니다.
• 손실 없는 장거리 전력 전송, 예를 들어 태양광 패널이 햇빛을 받는 곳에서 수천 킬로미터 떨어진 도시까지 전력을 공급해 재생 에너지 효율을 크게 높일 수 있습니다.
• 보다 저렴하고 유지보수가 쉬운 자기 부상 열차 혹은 향후 하이퍼루프 시스템.
• 센서/자기계(초전도 양자 간섭 장치 – SQUID)를 산업 현장에 적용.
• 초전도 양자 컴퓨팅
  • (우리의 기사 “The Current State of Quantum Computing ”에서 양자 컴퓨팅 진행 상황을 더 읽어볼 수 있습니다.)
• 방위 및 우주항공 응용, 여기에는 방사선 차폐, 전자기 발사, 자기 베어링, 센서, 레일건, 코일건, 레이저 및 기타 에너지 무기가 포함됩니다.

출처: DOE

초전도와 핵융합

Nuclear fusion is another application that would greatly benefit from superconductors working at higher temperatures.

핵융합은 초전도가 더 높은 온도에서 작동하면 크게 이득을 볼 수 있는 또 다른 응용 분야입니다.

상업용 핵융합을 달성하기 위한 모든 다양한 방법은 수십에서 수백만 도에 달하는 플라즈마를 가두고 압축하기 위해 매우 강력한 자석에 의존합니다.

2021년 초기 성공 이후, MIT 플라즈마 과학 및 핵융합 센터(PSFC)의 연구팀은 핵융합 반응기에 사용할 수 있을 만큼 강력한 초전도 자석을 만들기 위해 연구했습니다.

새로운 핵융합 자석 설계는 기존 4 K 대신 16 K에서 초전도성을 가집니다. 주요 혁신 중 하나는 자석 전도선 주변의 모든 절연을 제거한 것입니다. 이는 더 간단한 제조 공정이나 구조적 강도 향상 등 추가 개선을 위한 공간을 확보합니다.

출처: Phys.org

“9월 5일 시연 이전에, 가장 우수한 초전도 자석은 핵융합 에너지를 달성할 수 있을 정도로 강력했지만, 그 크기와 비용 때문에 실용적이거나 경제적으로 가능하지 않았습니다. 그 후, 테스트를 통해 훨씬 축소된 크기에서도 이러한 강력한 자석의 실용성이 입증되면서, “하룻밤 사이에 핵융합 반응기의 와트당 비용을 거의 40배나 낮춘 것”이라고 말했습니다.

Dennis Whyte – 히타치 아메리카 공학 교수

They published their discoveries in a compilation of 6 scientific papers published in IEEE Transactions on Applied Superconductivity. They explained in detail how to build such 16°K fusion magnets, which generate a magnetic field as intense as 20 Teslas.

한계 테스트

Eager to prove the new fusion magnet design can perform safely, they also actively put it in difficult situations. The last test resulted in the magnet partially melting in one corner. And even most of the magnet elements survived (95%+), demonstrating the robustness of the design.

새로운 핵융합 자석 설계가 안전하게 작동함을 증명하고자, 연구팀은 이를 어려운 상황에 적극적으로 노출시켰습니다. 최근 테스트에서는 자석의 한 구석이 부분적으로 녹았지만, 자석 부품 대부분(95% 이상)은 살아남아 설계의 견고함을 입증했습니다.

동시에 인상적인 점은 연구자들의 모델이 자석이 고장 나는 방식을 정확히 예측했다는 것입니다.

The experience also tested the supply chain for such material, using 300 kilometers (186 miles) of high-temperature superconductor in collaboration with CFS (Commonwealth Fusion Systems, an MIT-spinout company)

핵융합 초전도 자석의 미래

For a while longer, fusion reactors will rely on well-understood and tested superconductors using liquid helium to stay below 20°K.

당분간 핵융합 반응기는 20 K 이하를 유지하기 위해 액체 헬륨을 사용하는 잘 알려지고 검증된 초전도체에 의존할 것입니다.

하지만 고온 초전도가 가능할 뿐만 아니라, 훨씬 관리하기 쉬운 온도에서도 실현 가능할 것으로 보입니다.

장기적으로 이러한 초전도 자석은 핵융합 반응기의 성능을 향상시키고 비용을 낮춰 상업적 실현 가능성을 높일 수 있습니다.

이는 인류에게 거의 무한에 가까운 에너지원을 제공하여, 현재의 식량 생산, 담수화, 기후 변화, 우주 여행 등 문제들을 사소하게 만들 것입니다.