1,200km 속도 과연 가능한가?

지상에 구현하는 마하의 속도

꿈의 초고속 진공 열차 하이퍼루프(Hyperloop)가 다가오고 있다.

지난해 3월 미국의 하이퍼루프 교통 기술(Hyperloop Transportation Technologies)은 완성형 하이퍼루프를 위한 디자인을 최초로 공개하면서 기술적으로 한 발짝 더 다가섰음을 알렸다.

HTT에 따르면 이 튜브 열차는 시카고에서 클리블랜드까지 불과 35분 만에 승객을 태울 수 있다. ( 441 km인 경부선의 경우, 16분 만에 주파 ) 현재 이 모델이 아랍에미리트(UAE)의 두바이와 알 아인에 연결되는 아부다비에 최초로 시험 건설 중인 것으로 알려졌다.

이 테스트가 성공적으로 끝나면 오는 2023년 미국에 하이퍼루프 시스템을 착공해 2028년까지 가동할 계획이라고 발표했다.

이 HTT의 발표는 지난 2013년 최초로 하이퍼루프를 제안한 일론 머스크(Eron Musk)의 비전을 현실로 만들기 위한 구체적 청사진이어서 하이퍼루프에 대한 국제적 관심을 재점화시켰다.

빠르면서도 안전한 꿈의 열차

2020년 11월 8일 하이퍼루프 개발의 한 축인 미국의 버진 그룹의 하이퍼루프 원은 미 네바다주 라스베이거스에 있는 테스트용 루프에서 첫 유인 주행시험을 성공적으로 마쳤음을 언론에 알렸다.

탑승자 가운데 한 사람인 이 회사의 새라 루치안 이사는 BBC와의 인터뷰에서 “심리적으로나 육체적으로나 모두 탁월하다”라는 소감을 밝혔다.

이 정도의 속도에서도 탑승자가 안정감을 느낄 정도로 매우 인간 친화적으로 설계되고 있지만 그래도 하이퍼루프의 강점은 역시 속도다.

하이퍼루프 원의 자료에 따르면 거의 마하 1의 속도로 제트 전투기가 지상에서 달리는 것과 마찬가지다. ( 시속 1,280 km-마하 1.06 )

최초에 하이퍼루프 개념을 제안한 일론 머스크는 “하이퍼루프의 최대 속도가 시속 1,300km에 이를 것”이라며 기염을 토한 적도 있다. 그렇다면 하이퍼루프는 이런 속도를 내고도 어떻게 안전성을 보장할 수 있을까?

아진공 상태의 튜브를 달린다

최고의 속도를 내는 운송기관은 단연 비행기다. 속도 경쟁에서 비행기가 최고의 자리를 고수하는 비결은 역시 마찰력과 공기 저항이다. 여객기는 10km의 고도에서 최고 900km/h의 속도를 낼 수 있는데 공기 밀도가 지상의 20% 수준이어서 그 저항이 상대적으로 약하기 때문이다.

그러나 지상으로 내려오면 상황은 많이 달라진다. 철도청에 따르면 국내에서 가장 빠른 KTX의 최고 속도는 348km/h로 알려졌지만 서울-부산간 운행 속도는 가장 빨라야 300km/h를 넘지 않는다.

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그 이유는 지상에선 400km/h를 넘으면 공기 저항이 너무 심해져서 승객들의 안전을 보장할 수 없기 때문이라고 설명한다.

따라서 속도의 관건은 무엇보다도 마찰력과 공기 저항이다. ‘꿈의 열차’로 불리며 차세대 신칸센으로 부상한 일본의 ‘리니어 주오 신칸센’의 경우, 최고 시속 500㎞를 넘보고 있는데 그 핵심 기술은 지상에서 10cm 높이에서 달리며 마찰력을 제거하는 것이다.

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하지만 이 열차도 안전을 고려해 400km 이하로 달리도록 설계되는데 공기 저항을 무시할 수 없기 때문이다.

반면에 하이퍼루프는 캡슐이 튜브를 달리는 구조다. 튜브 내부를 아진공 상태에 가깝게 만든 다음에 그 내부에 캡슐을 장착해 자기 부상력으로 달리는 시스템이다.

이를 위해 하이퍼루프는 포드(Pod)라 불리는 캡슐이 달릴 튜브 내부를 아진공 상태로 유지해야 한다. 또 사람이 탈 캡슐을 전자기 모터로 띄우고, 속도를 증가시키기 위해 가압기로 내부 공기를 캡슐 뒤로 보낸다.

이렇게 되면 캡슐의 추진력이 향상된다. 다음으로 공기 저항을 줄이기 위해 공기 베어링을 사용한다. 그리고 지속적인 속도 유지를 위해 태양에너지 패널을 사용한다. 여기에다 불의의 지진에 대비한 내진 설계도 필수적이다.

MIT가 설계한 하이퍼루프의 경우, 캡슐을 튜브 안에서 공기 베어링을 형성해 띄운다. 즉, 자기부상 방식으로 캡슐이 천천히 움직이면서, 공중으로 부상하는데 이 캡슐의 가속 및 감속은 튜브 외부에 설치된 리니어 모터가 한다. 그리고 그 충전은 태양광 패널이 담당함으로써 빠른 속도를 지속해서 유지하는 시스템이다.

하이퍼루프의 최대 강점은 아진공 상태의 튜브 내부에서 달리며, 마찰력을 없애고 공기 저항을 최대한 줄이는 것이다.