서울-부산 20분? 하이퍼루프(hyperloop) 알아보기

서울-부산 20분? 하이퍼루프(hyperloop) 알아보기

사람들은 교통의 발전을 계속 이루어 내고있는데요. 

자동차 같은 경우 사람의 손을 거치지 않고 움직이는 자율주행이 있고, 휴대폰 하나만 있으면 어디든 차를 부를 수 있는 우버같은 회사도 있지요. 

현재 우리나라의 경우 KTX, SRT 등의 개발로 서울-부산을 2시간 안팍으로 이동이 가능합니다. 정말 좋은 세상이죠. 예전에는 버스를 타고 가거나 무궁화기차를 타면 서울까지 한참자고 일어나도 아직 도착하지 않았는데 말이죠. ㅎㅎ  

여기에 비행기보다 빠르고 KTX보다 편리한 기능을 갖춘 새로운 교통 수단이 생긴다면 어떤 일이 일어날까요?

앞으로 미래에 교통수단으로 불릴 가능성이 있는 하이퍼루프(Hyperloop)에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 

하이퍼루프는 무엇인가?

스페이스 X와 테슬라의 오너이기도 한 일론 머스크는 2013년 새로운 사업에 뛰어들기 시작했는데요. 

그게 하이퍼루프입니다. 그의 테슬라 모터스 블로그에 가면 하이퍼루프에 대한 오픈글을 볼수 있는데요. 

하이퍼루프에 대한 50페이지 가량의 아이디어를 공개하며 미국 서부 도시를 연결하는 내용을 이야기했습니다.

그 중에서 하이퍼루프에 대한 핵심 키워드는 아래와 같습니다. 

Safer (안전하고)

Faster (빠르고)

Lower cost (저렴한 비용)

More convenient (보다 편리하고)

Immune to weather (날씨에 영향을 받지 않고)

Sustainably self-powering (지속 가능한 자체 전원 공급)

Resistant to Earthquakes (지진에 강한)

Not disruptive to those along the route (경로를 따라가는 사람들에게 방해가 되지 않는)

 이처럼 하이퍼 루프는 화물과 사람을 신속하고 안전하게 출발지에서 목적지까지 이동시키는 새로운 운송방식입니다. 승객 또는 화물은 하이퍼 루프 차량에 적재되고 저압튜브를 통한 전기 추진을 통해 점차 가속하게 됩니다. 차량은 자기 부상을 사용하여 트랙 위로 떠오르고 항공 속도에서 초저 공기 역학적 항력으로 인해 장거리 운행을 합니다. 위험한 교차점이나 외부 물체와의 충돌을 피하기 위해 기둥 위에 설치되거나 터널 아래에 설치됩니다. 완전 자율적이고 밀페되어 있어 운전자의 오류와 기상환경에 대한 위험을 제거 할 수 있습니다. 태양광 충전을 바탕으로 에너지를 소모해서 직접 탄소 배출없이 안전하고 깨끗한 친환경 운송수단입니다. 

하이퍼 루프는 0.001기압의 아진공 튜브 가이드웨이(guide way) 내부에서 캡슐차량(Pod)이 최고 1220km/h로 주행하는 시스템이다. 캡슐차량을 부상시킨 후 주행시켜 차륜과 레일간 마찰 저항을 제거하고, 밀폐된 튜브 공간을 진공에 가까운 상태로 유지시켜 공기에 의한 저항을 최소화한다. 

하이퍼루프가 차세대 교통수단으로 주목 받는 가장 큰 이유는 시스템의 구조가 간단하다는 점과 생애주기비용(LCC)이 다른 초고속 교통수단에 비해 낮다는 점 때문이다. 샌프란시스코와 LA구간의 하이퍼루프 건설비를 고속철도의 10분의 1 수준으로 하고 운영비는 튜브에 설치한 태양광 발전을 이용해 대부분 충당될 수 있기 때문에 편도 운임이 20달러 수준으로 될 것으로 예상했다. 

하이퍼루프 기술의 장벽

보고서에 따르면 하이퍼루프의 기술 장벽은 크게 두가지다.

첫째, 공기 누출 차단 기술

둘째, 비용 절감 기술

공기 누출 차단 기술은 진공튜브에 달려있는데 공기가 새지 않도록 외부와 내부를 완벽하게 차단하는 것이다. 그래야만 초고속 실현할 저기압 환경을 달성할 수 있기 때문이다. 

하이퍼루프 원은 2017년 8월 2일 미국 네바다 주에서 길이 8.5m의 캡슐차량을 진공터널에 넣어 테스트를 진행했으며, 536m 길의의 진공터널에서 최고속도 386km의 속도까지 가속, 정지하는 실험을 하고 있다. 지금도 수많은 기술적인 난제를 해결하기 위해 지속적으로 연구하고 있다. 

또한, 하이퍼루프 원은 예상치 못한 튜브의 손상을 자기 치료(Self Healing)하는 기술을 제안했다. 제안된 하이퍼루프 튜브의 자기 치료 기술은 내부 튜브와 외부 튜브 사이에 복수의 격벽이 배치되며, 격벽의 공간에는 자기 치료 재료(SHM : Self Healing Material)가 내장돼 있다. 이 특허는 외부 튜브에 구멍이 발생해 공기 등의 유체가 들어오는 경우 자기 치료 재료(SHM)는 경화되며, 경화 영역(SS : Solidified Section)을 형성해 하이퍼루프 튜브의 구멍을 봉쇄하는 진공 유지 기술이다. 

비용절감의 방법으로는 지하보다는 지상에 설치하는 것이 좀더 저렴하다. 문제는 지상에 설치할 경우 튜브형 터널을 떠받쳐 줄 지지대를 얼마나 저렴하게 구축할 수 있느냐는 것이다. 물론 진공에 가까운 환경울 계속해서 유지할 수 있는 운영상의 비용 절감 기술도 필요하다. 

또한 고속철도 건설에 이미 막대한 비용을 투자한 국가에서는 하이퍼루프 건설을 추진할 경우 중복투자 논란이 발생할 수 있다. 그리고 인구밀도가 높아 여러 곳의 중간 정차역이 필요한 지역에는 적합하지 않다. 로스앤젤리스와 샌프란시스코 사이에 대도시가 없어 중간 정차역이 사실상 필요 없는 미국의 경우와 서울과 부산 사이에 대도시가 이어져 있는 우리나라의 상황은 좀 다르다. 

하이퍼루프의 장점

1. 빠른 속도

속도 및 에너지 감소의 주된 원인인 공기저항을 줄여 시속 1200km의 속도를 낼 수 있다. 

우리나라로 치면 서울에서 부산까지 30분이내 도착할 수 있다.

2. 도심 진입 원활

공항과 비교했을 때, 철도의 가장 큰 장점이다. 공항에서 비행기가 도착하면 그 곳에서 도심으로 다시 이동해야 하지만, 철도를 이용할 경우 도심에 바로 도착할 수 있다. 

3. 급경사에 유연하게 대처

자기부상열차의 장점으로 충분한 수의 재가속 코일만 깔아준다면 이론적으로 90도의 수직으로도 이동을 할 수 있다.

4. 급곡선에 유연하게 대처

원형의 튜브 내부를 주행하므로 차량을 어느 각도로든 기울일 수 있어 승객이 느끼는 가속도를 원전히 0으로 만드는 것이 가능하다. 마찬가지로 열차가 탈선할 위험이 전혀 없으므로 상당히 급한 커브로도 건설이 가능하다.

우리나라의 하이퍼루프 개발현황

2016년부터 '아음속 캡슐트레인'이라는 한국형 하이퍼루프를 한국철도기술연구원에서 개발하고 있습니다.  시속 1000km/h 의 속도로 서울에서 부산까지 30분이내에 도착하는 것을 목표로 기술개발을 추진하고 있습니다. 

목표로 하는 속도를 달성하기 위해 가장 먼저 차량이 주행할 때 생기는 공기저항을 줄여야 합니다. 그러기 위해서는 현재의 대기압 환경보다 낮은 기압의 주행로가 필요한데, 이 부분을 해결하기 위해서 경제적이면서 견고한 기밀 튜브구조체와 내부의 기압을 내려줄 수 있는 진공펌프 등 기밀 인프라에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 튜브 내부를 대기압의 1/1000 수준의 환경으로 구성하는 것을 목표로 하고 있는데 차량이 안정적으로 목표속도를 달성할 수 있도록 튜브내 공기의 유동과 역학에 대한 연구도 진해하고 있습니다. 

차량은 KTX와 같은 휠-레일 방식의 마찰철도가 아니라 레일과의 접촉없이 부상하여 보다 높은 추력을 낼 수 있는 초전도 EDS방식의 자기 부상을 고려하여 있으며, 이와 관련된 추진과 부상에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 

이 밖에도 목표속도로 주행 시 안정적인 승차감을 낼 수 있는 하이퍼튜브 전용차량에 대한 연구와 목표속도에서 차량제어를 위한 위치검지와 신호, 통신에 대한 연구도 함께 진행하고 있습니다.