우주여행을 실현해줄 궁극의 에너지 반물질

영화 '천사와 악마' 스틸 컷

물질로 이뤄진 인간이 반물질로 이뤄진 외계인과 악수를 하면 대폭발을 일으킬지도 모른다는 농담 아닌 농담이 나올 정도로 반물질에 대한 관심도가 높다.

반물질은 여러 공상과학 영화와 만화에 자주 등장하는 소재이다. 

톰 행크스 주연 영화 ‘천사와 악마’에서 비밀결사단체가 반물질 폭탄으로 바티칸을 폭파하는 장면이 나오고, TV 드라마 ‘스타트랙’에 등장하는 엔터프라이즈호의 에너지원으로 자주 소개되고 있다. 

만화 영화 ‘신세기 에반게리온’에서는 반물질을 이용한 ‘포지트론 총’, ‘우주 전함 야마토’에서는 반물질 인간이 등장하기도 한다.

반물질이 대중에게 널리 알려진 계기가 바로 영화의 역할이 크다. 그렇지만 현실적인 문제에 있어 반물질이 실용 가능성이 얼마나 되는지 살펴보기로 하자.

반물질은 실재하는 것일까 :

일본 도쿄대학의 무라야마 히토시 박사는 “반물질은 실제로 존재하며 전 세계의 입자가속기에 의해 만들어 지고 있다. 물질과 만나면 엄청난 에너지가 발생“한다고 밝혀 현실적으로 가능하다는 사실을 강조하고 있다.

실제로 1995년 유럽입자물리연구소에서 최초로 반입자를 인공적으로 만드는데 성공하였으며, 2010년에는 헬륨4 원자핵의 반물질도 만들어 내기도 했다.

반물질 0.5g 만 있으면 히로시마 원자폭탄의 위력이 가능할 정도라고 한다. 이 에너지를 잘만 활용하면 우주여행도 충분히 가능케 하는 궁극의 에너지가 될 수 있다. 예를 들어 500g의 물질과 500g의 반물질이 만나면 화력 발전 연소 반응의 30억 배나 되는 에너지가 발생한다.

무게 27t인 수소폭탄이 폭발했을 때 원자폭탄 두 개를 합친 폭발력의 1400배에 해당한다면, 반물질은 수소폭탄 보다 1000배에 달할 것으로 예상하고 있다.

또한, 보통 화석 연료의 연소 반응 뒤에는 질량이 줄어들어 잔량이 남는 게 보통이지만 반물질과 물질이 만나면 막대한 에너지가 방출되면서 반물질과 물질은 소멸되어 아무것도 남지 않는데, 이 과정을 쌍소멸과 쌍생성이라 부르고 있다.

사진 = 픽사베이

물질을 만드는 소립자(양성자, 중성자, 전자 등)가 있다면 이에 대응하는 반소립자(반양성자, 반중성자, 반전자 등)로 구성된 물질이 있고, 두 물질이 충돌하면 큰 에너지가 만들어 지면서 즉시 소멸해 버린다.

반소립자의 존재 여부는 여러 실험을 통해 알려 지게 되었는데, 반소립자가 소립자와 같은지 다른지를 확인하기 위해 전 세계의 실험실(입자가속기와 같은 장치)에서 활발히 이루어지고 있다.

다만, 물질과 반물질이 충돌하면 즉시 사라져 버려 저장 시간은 매우 짧고, 보존하기에 까다롭다는 점이다.

반물질은 매우 짧은 시간에 소멸해 버리기 때문에 영화 속 장면처럼 아직은 폭탄에 사용할 수 있는 양을 확보하기에는 어려움이 많다.

2011년 반수소를 자기병(磁氣甁)에 약 16분 정도 보존하는 데 성공하기도 했지만 여전히 폐쇄 저장 장치를 개발하기 까지는 현재 기술로는 거의 불가능하다고 판단하고 있다.

반물질의 발견 :

반전자(또는 양전자)는 1928년 양자 역학과 특수 상대성 이론을 합쳐 새로운 이론을 만들어 낸 이론물리학자 폴 디랙에 의해 처음으로 수학적으로 예측하였다.

이론에 불과했던 디랙 방정식을 뒷받침해 줄 사건이 4년 뒤 1932년 칼 앤더슨에 의해 우연한 계기로 반전자를 발견하면서 폴 디랙의 이론이 현실로 되어 버렸다.

사진 = 픽사베이

당시 미국 물리학자이었던 칼 앤더슨은 우주선(宇宙線)을 반복적으로 관측하던 중 우연히 입자가 관측 장치로 날아 온 어떤 입자를 발견하게 된다.

칼은 입자가 지나면 궤적이 보이는 ‘안개상자’라는 장치를 만들어 전자석으로 감싸 주었다. 그리고 ‘안개상자’로 날아온 입자 사진을 연속으로 1300매 촬영하였고, 이중 15매에서 문제의 입자가 발견되었다.

문제의 입자를 살펴봤더니 전자와 질량이 같지만 양전기를 띠고 있는 입자를 발견하게 되는데, 전자는 반응하지 않지만 반전자는 자석에 반응하는 것을 보고 양전자라는 사실을 알게 되었다.

반전자보다 무거운 반입자는 입자가속기에 의해 처음 발견되었다. 현재는 강력한 입자가속기가 건설되어 반양성자, 반중성자, 반중양성자, 반헬륨 등을 인공적으로 만들어 낼 수 있게 되었다. 하지만 반물질을 인공적으로 만들어내기 위해 드는 비용이 반물질 1g에 약 1000억 달러 정도 소요되는 것으로 파악된다.

물론 입자가속기의 크기도 무시할 수 없을 정도라서 현실적인 문제를 따지면 상당한 시간이 필요로 한다. 초기 컴퓨터가 집채만 했고, 속도도 매우 느렸다는 점을 감안하면 입자가속기도 가까운 미래에 작은 크기의 장치가 되지 않을까 생각해 본다.

우주여행의 핵심 요소 반물질 엔진 :

지구로부터 가장 가까운 항성은 4.3광년 떨어진 프록시마 센타우리라고 알려져 있다. 1977년에 발사된 보이저 1호는 시속 8만 1600km 의 속도로 날아갔다. 이 속도로 계산해 보면 약 7만4000년이 걸리고, 달에서 지구로 귀환할 때의 속도가 시속 3만9897km 정도이므로 대략 16만 5000년이 걸린다.

우주여행을 실현해 줄 가장 현실성 높은 아이디어는 ‘햇빛 돛’(솔라 세일)을 이용하는 것이다. 태양광으로부터 막대한 에너지를 얻어 이동하는데, 돛단배처럼 돛을 이용해 앞으로 나아가는 방식이어서 ‘햇빛 돛’이라 부른다. 문제는 거대한 송달(送達) 렌즈와 지름 수십 km 에 이르는 돛이 필요하므로 실현 가능성은 여전히 희박하다.

긴 우주여행을 하기 위해서는 종래의 화학 로켓으로는 한계가 분명 있다. 부피가 크고, 한정된 연료탱크로는 긴 여행에 있어 적합하지 않다. 그래서 반물질을 이용한 추진 엔진 아이디어가 제기된다.

최근 미국 에이치바 테크놀로지스 공동 창업자이자 물리학자인 제럴드 잭슨과 스티븐 하우 박사의 말에 따르면 반물질을 엔진으로 이용할 경우 10년으로 단축할 수 있다고 한다. 반물질로 얻을 수 있는 에너지는 빛의 절반 속도인 약 40%까지 도달할 수 있고, 연료도 반수소 17g 정도만 있으면 된다고 한다.

화성까지 날아 갈 양은 고작 0.004g 만 있으면 되므로 100g 정도만 있으면 긴 우주여행도 충분히 가능하다는 예기다. 하지만 이 아이디어가 실현되기 위해 기술 개발 자금 20만 달러의 초기 자금이 필요하다고 말한다.

반물질은 아직 초기 단계에 불과하다. 반물질 엔진이 세상에 빛을 보기 위해 많은 시행착오가 필요하다. 반물질을 발견한 인류가 앞으로 어떻게 사용하느냐에 따라 위험한 폭탄이 될 수도 있는 에너지를 풍부한 에너지원으로 활용되기 위해 아직 가야할 길은 멀기만 하다.

 

john@coconutpalms.info