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공상과학 영화나 전쟁영화를 무척 좋아하는 필자는 공중전을 하는 장면을 보면 어려서부터 항상 궁금한 것이 하나 있었다. 왜 비행기는 로켓보다 빨리 날 수 없는 걸까? 로켓으로 추진되는 미사일보다 빠른 비행기가 있다면 미사일로 격추되지 않고 신나게 날아다닐 수 있지 않을까 하는 물음이었다. 과연 그런 비행기가 있을까?

답을 먼저 얘기하자면 지난 2007년에 NASA는 마하 수 10으로 비행할 수 있는 강력한 스크램제트(scramjet) 엔진을 탑재한 무인항공기를 시험적으로 사용하여 실험 비행에 성공하였다. 1903년 라이트 형제가 인류 최초로 동력 비행에 성공한 이후, 1931년에 Whittle경이 터보제트 엔진을 발명하기 전까지, 항공기는 피스톤 엔진을 사용하여 추력을 발생시키는 방식이었다. 그러나 터보제트 엔진의 발명과 계속적인 발전에 따라 초음속 비행도 가능하게 되었으며 현재의 대부분 항공기는 터보제트 엔진을 사용하고 있다.



터보제트 엔진은 공기를 흡입하여 압축 후 연소한 다음 고온 가스를 분출시켜서 터빈을 회전시키는 원리로 움직인다. 이때 배출되는 가스를 이용하여 추진력을 얻는 것이다. 과정을 자세히 살펴보면, 우선 엔진으로 들어온 공기 속도를 감속시키는 확산기와 터빈이 함께 연결되어 회전하면서 공기의 압력을 높이는 압축기를 통과한다. 이 때 압력이 높아지면서, 연소실로 들어온 공기는 연료와 혼합․연소하여 열을 발생하며, 연소가스는 매우 높은 에너지상태로 변하게 된다. 그후 터빈을 통과하는 동안 터빈을 회전시켜 일을 발생시키며, 일차적으로 에너지 상태가 낮아진다. 연소가스는 다시 엔진의 노즐을 통과하면서 운동에너지로 변환되어 추력을 발생시키게 된다.

그러나 제트 엔진을 사용하여 얻을 수 있는 비행속도는 최대 마하 수 3 정도로 제한된다. 터보 제트 엔진을 이용할 때 비행속도가 제한되는 것은 두 가지 이유 때문인데 첫째는 압축기와 터빈이 회전하기 때문이고 두 번째는 연소실에서 상대적으로 연소가 느리게 진행하기 때문에 공기의 흐름 속도가 연소 가능한 속도로 감속되어야 하기 때문이다.(대체적으로 60~70m/sec 정도임)

비행속도가 빨라질수록 터빈과 압축기의 회전도 빨라지며 회전 속도(tangential velocity)가 초음속보다 커지게 된다. 이에 따라 충격파(shock wave)가 발생하고 터빈과 압축기의 효율이 급격하게 낮아진다. 따라서 비행속도가 3 이상인 경우에는 압축기와 터빈이 더 이상 엔진에 필요 없게 되며 이렇게 압축기와 터빈 없이 작동하는 엔진을 램제트 엔진(Ramjet engine)이라 한다. 그러나 여전히 공기를 압축하기 위한 장치가 필요하게 되는데, 엔진의 입구에 충격파가 발생하도록 확산기 입구를 설계하면 충격파에 의해 공기의 압력을 높일 수 있어 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.

하지만 렘제트 엔진을 사용하여도 마하 수 5 이상의 속도로 비행하는 것은 불가능하다. 이것은 연소실에서 연소가 원활하게 이루어질 수 있는 느린 공기속도를 유지하여야 하기 때문이다. 엔진으로 유입된 공기를 가능한 한 매우 낮은 속도로 감속시켜 연소가 가능하도록 해야 하기 때문에, 발생된 에너지의 일부분은 공기속도를 초음속으로 가속시키는 데 사용된다. 따라서 마하 수 5 이상의 비행속도로 가속하는 데 사용되는 에너지의 양이 적어져 비행속도가 제한된다.

비행속도를 마하 수 5 이상으로 하기 위해서는 연소실에서 초음속으로 공기가 흘러가면서 연소가 진행되도록 해야 한다. 이러한 연소를 초음속 연소(supersonic combustion)라 하고, 램제트에 사용되면 스크램제트 엔진(Super-sonic Combustion Ramjet engine)이라 한다. 따라서 스크램제트 엔진의 핵심 기술은 연소실에서 초음속 유동을 유지하면서 공기와 연료가 혼합되고 화학반응이 발생하여 연소가 유지되도록 만드는 기술이다.

세계 여러 나라에서 스크램제트 엔진에 대한 연구와 실험을 진행해 왔으며, 지난 2004년 NASA는 X-43A 스크램제트 엔진을 사용하여 마하 수 9.6의 비행에 성공했다. 또한 2007년 10월에는 X-43B 엔진을 사용하여 비행속도가 마하 수 10을 넘는 비행을 수행하는 데 성공했다. 1954년 최초의 초음속 전투기가 실전 배치된 지 50여 년 만의 일이다.



현재 세계의 여러 나라에서 사용하고 있는 미사일은 각각의 임무에 따라 매우 다양하지만 대부분의 추진 시스템은 고체추진로켓이며 비행속도는 마하 수 5 정도가 최대 속도이다. 우주왕복선이나 델타 로켓 등과 같은 우주발사체의 비행속도는 발사 후 가속되어 고도 100km의 상공에서 대략 마하 수 10 정도이다. 따라서 마하 수 10 정도로 비행할 수 있는 스크램제트 엔진을 장착한 극초음속(hypersonic) 항공기가 실용화되면 현재 사용하고 있는 미사일보다 더 빨리 비행할 수 있기 때문에 미사일을 사용하는 것이 무의미해 질지 모르는 일이다.

앞으로 50여 년 후 미래의 항공기와 미사일은 어떤 종류로 발전해 있을지 정말 궁금해진다. 그때의 미사일은 여전히 항공기를 격추할 수 있을 만큼 빠르게 날 수 있을지?

글 : 이창진 교수(건국대 항공우주공학과)

찬바람이 씽씽 부는 크리스마스
현민이네 가족은 모처럼 트리 장식으로 멋지게 꾸며진 도심에 나가 크리스마스를 즐겼다.

“와~ 올해도 크리스마스트리가 멋지게 꾸며졌구나!”
“아빠 크리스마스트리가 예쁘긴 한데 너무 추워요. 어디 따뜻한데 들어갔으면 좋겠어요. 이를테면 먹고리아 햄버거 같은 곳 헤헤”
“현민이 요 녀석, 추운 것이 아니라 맛있는 것이 먹고 싶어 그런 거지?”
“아니에요. 진짜 춥다고요.”
“이럴 때 따뜻한 주머니 난로가 있으면 좋을 텐데… 현민아, 잠시 기다려봐. 엄마가 편의점 가서 주머니 난로 하나 사 가지고 올게.”
잠시 후 정 여사는 맑은 액체가 담겨 있는 주머니 난로를 사 가지고 왔다. 그리곤 액체 속에 있는 동전 같은 것을 두세 번 똑딱거리며 구부리니 주머니 속 액체가 하얗게 굳어지면서 열이 나기 시작했다.
“현민아 이거 주머니에 넣어두고 있으면 따뜻할 거야”
“와 따뜻하다. 엄마 이 주머니 난로 정말 신기해요. 어떻게 이렇게 따뜻해질 수 있는 거에요? 그리고 이건 한 번만 쓰고 버리는 거에요?”
주머니 난로가 신기했던 현민이는 엄마와 아빠에게 속사포처럼 물었다.
“우리 현민이가 주머니 난로에 대해 관심이 많구나. 그럼 우리 주머니 난로에 대해 한번 알아볼까?”
“네! 무지 무지 궁금해요. 그런데 햄버거 먹으면서 들으면 안 될까요?”
“하하 요 녀석 그럴 줄 알았다.”

추운 겨울이 되면 밖에서 일하는 분들과 군인 아저씨들, 어린 아이들에게 필수 아이템이 되는 주머니 난로 그 원리는 무엇이고 어떻게 만들어지는지 알아보자.

주머니 난로는 고운 쇳가루를 이용한 고체형 난로와 아세트산나트륨(Sodium Acetate)을 이용한 액체형 난로로 크게 2가지 방식으로 나눌 수 있다.

고체형 난로에는 쇳가루와 탄소가루, 염화나트륨 등이 들어 있는데 이를 잡고 흔들면 주머니 속의 고운 쇳가루가 공기 중의 산소와 반응하면서 열을 만들어 내는 산화 작용을 하게 된다. 이때 염화나트륨은 철의 산화 작용을 더욱 빨리 촉진 시키는 역할을 하며 이렇게 산화된 쇳가루는 다시 사용할 수 없다. 그래서 고체형 난로는 대부분 일회용이다.

이에 반해 아세트산나트륨을 이용하는 액체형 난로는 고체형 난로에 비해 여러 번 사용할 수 있는데 이는 액체형 난로에 사용되는 발열 물질의 특성 때문이다. 액체형 난로에 사용되는 아세트산나트륨은 초산 냄새가 나는 무색의 결정을 가진 고체다. 고체 상태의 아세트산나트륨에 물을 넣고 가열하면 물에 녹는 과정에서 가열한 열을 흡수하게 된다. 이때 과포화된 아세트산나트륨 용액은 물과 같이 투명한 액체 상태를 유지하게 되는데 용기나 비닐봉지 같은 곳에 담아 둘 수 있다. 그러나 외부의 작은 충격이 용액에 가해지게 되면 아세트산나트륨 용액은 물이 얼음 얼듯 순간적으로 딱딱한 고체 형태로 변하게 된다.

이 과정에서 아세트산나트륨이 가지고 있던 잠열을 방출하면서 굳어지게 되는데 이런 아세트산나트륨의 특성을 이용한 것이 바로 액체형 주머니 난로다. 완전 고체화되고 완전 발열이 다 된 다음 아세트산 나트륨을 다시 뜨거운 물에 넣게 되면 고체화된 아세트산나트륨은 액체로 변하면서 다시 잠열을 가지게 된다. 그리고 액체 주머니 난로 속에 들어 있는 작은 쇳조각은 과포화된 아세트산 나트륨의 충격을 주기 위한 장치다.

아세트산나트륨을 이용한 주머니 난로를 만들기 위해서는 우선 아세트산나트륨을 구해야 한다. 아세트산나트륨 대신 티오황산나트륨을 사용하긴 하지만 반응이 좋고 더 많은 열을 내는 것은 아세트산나트륨이다. 아세트산나트륨은 주머니 난로를 만들어 볼 수 있는 실험 Kit나 화공약품점에 가면 살 수 있다. 아세트산나트륨은 수산화성을 띄기 때문에 눈에 들어가거나 마시게 되면 매우 위험하니 실험할 때 특히 주의해야 한다.

[실험방법]
준비물 : 아세트산나트륨, 두꺼운 비닐봉지(한약 봉지나 유사봉투), 똑딱이 금속(클립도 가능), 일회용 스포이트

[실험순서]
1. 아세트산나트륨 100g을 비늘 봉투에 넣는다.
2. 물 12ml를 스포이드를 통해 넣고 나서 잘 저어준다.
3. 똑딱이 또는 클립을 봉투에 넣고 열 봉합기로 입구를 밀봉한다.
(열 봉합기가 없는 경우 다리미나 고데기로 봉합한다.)
4. 봉투를 물에 넣고 용액이 투명해 질 때까지 중탕 가열한다.
5. 완전히 다 녹은 것을 확인했으면 밖으로 꺼내 두고 식힌다.
6. 완전히 식으면 용액 속에 있는 똑딱이를 여러 번 꺾어 본다.

[실험 Tip]
- 봉투를 봉합할 때 새지 않게 주의한다.
- 화기를 사용할 경우 꼭 부모님과 같이 사용한다.
- 아세트산나트륨이 녹아 있는 용액을 너무 심하게 만지면 바로 결정이 생기므로 조심히 다룬다.

글 : 양길식 과학칼럼니스트

한 해를 잘 마무리하고 더 나은 새해를 맞이하고픈 연말연시의 하이라이트는 뭐니뭐니해도 크리스마스다. 이번 크리스마스는 경제 한파로 인해 조금 주춤한 듯하지만 어려울수록 함께 나누는 분위기는 이웃의 소중함을 새삼 깨우쳐 준다. 어떻게 보면 크리스마스는 우리에게 주위를 둘러보면서 한 박자 쉬어가는 여유를 선물로 주는 것이다.

또한 크리스마스는 과학의 각 분야에 연구할만한 거리를 제공한다. 그중에는 우리들이 잘못 알고 있는 사실들도 포함된다. 예를 들면 루돌프는 수사슴으로 대부분 알고 있으나 수사슴은 크리스마스 무렵에 뿔이 떨어지기 때문에 루돌프가 암사슴이라는 것이다. 더불어 사람들 사이에 크리스마스만 되면 우울해지는 크리스마스 우울증이 존재한다는 인식이 있지만 이점 또한 낭설이다.

심리학자 브라이스 보이어는 1955년 <미국 심리 분석협회 저널>에 크리스마스 우울증에 대해 이렇게 분석했다. "크리스마스는 아기 예수의 탄생을 온 세상이 축복하는 날인데, 자신은 아기 예수에 비해 온 세상의 축복을 받지 못한 상대적 박탈감이 원인일 수 있다." 하지만 이것은 가설일 뿐이고, 실제로는 ‘계절 영향 장애(SAD)’에 의해 우울증이 생긴다는 학설이 조금 더 설득적이다. SAD란 1984년 정신과 의사 로먼 로젠탈이 정의한 증후군으로, 겨울에 일광 시간이 감소하면 뇌의 화학 작용에 변화가 생기기 때문에 발생하는 증상이다. 빛이 부족하게 되면 뇌 속 신호 전달 화학 물질인 세로토닌의 대사가 영향을 받아서 우울증이 나타난다는 것이다.

크리스마스를 지루하게 보낸 사람들과 달리 크리스마스를 즐겁게 보낸 사람들의 경우 그 즐겁고 긍정적인 마음 상태가 심장 마비와 고혈압 예방에 좋다는 연구 결과가 있다. 쥐를 대상으로 한 실험에서도 사과나 팝콘 등의 특별한 음식으로 꾸민 풍요로운 우리에서 지낸 쥐들이 표준 우리에서 지낸 쥐들보다 수행 능력이 뛰어났다고 하니 여러모로 크리스마스를 즐겁고 풍요롭게 보내는 편이 좋겠다.

풍요로운 크리스마스에도 과학은 숨어 있다. 크리스마스 때 세일을 함으로써 폭발적인 매출을 기록할 수 있다고 한다. 가격을 10퍼센트 낮추면 판매량이 20~30퍼센트 올라가고, 디스플레이를 잘해 놓으면 판매량이 80퍼센트나 올라가는 경향이 있다. 이것은 엄밀히 말해서 상품에 대한 소비자 심리를 철저히 분석한 결과에 따른다. 일반적으로 여성이 남성보다 선물 고르기에 노력을 더 많이 쏟고 포장이나 진열에 신경을 쓰는 반면 남성은 점원의 말에 좀 더 귀를 기울인다. 이러한 점을 잘 활용하여 남성 고객을 끌어들이고 싶은 상점은 포장이나 진열에 신경 쓰기보다 점원을 많이 배치해서 남성 고객들이 구매 결정을 하도록 도와주면 된다.

이맘때가 되면 아이들은 ‘올해는 산타 할아버지가 어떤 선물을 주실까?’라는 행복한 고민에 빠지곤 한다. 크리스마스의 마스코트 산타를 떠올려보면 웃음 짓고 있는 얼굴과 입을 덮는 덥수룩한 휜 수염, 그리고 산타의 트레이드 마크인 불룩한 배가 생각난다. 산타의 배가 언제나 뚱뚱한 이유는 무엇일까?

산타는 아마도 결함 유전자를 가지고 있을지도 모른다. 비만 유전자에 결함이 있는 사람들은 몸이 지방을 태울 수 있는 능력이 한계를 넘어선 이후에도 끊임없이 지방을 갈구한다. 단백질 생성을 관장하는 렙틴이라는 호르몬이 체내에 얼마 만큼의 지방이 축적되어 있는지를 뇌에 알려주고 그만 먹으라는 명령을 내린다. 그런데 뚱뚱한 사람의 결함을 가진 비만 유전자는 이 호르몬이 부족한 것이다. 심각한 비만이 아니더라도 조금 뚱뚱한 사람도 이와 비슷한 방식으로 유전자 결함이 있을 수 있다.

말하자면 뚱보 문제의 핵심은 유전자에 있다. 지방이 너무 많으면 당의 대사가 무질서해지는 당뇨를 유발할 가능성이 있으므로 산타는 세계 어린아이들을 위해서 음식물섭취를 관리할 것을 권유한다. 더불어 산타는 몸을 항상 따뜻하게 해야 할 필요가 있다. 왜냐하면 체온 유지를 위한 에너지 발생이 1퍼센트가 줄어들 경우 1년 동안 체중이 2.3kg 늘어날 수 있기 때문이다. 이것은 다른 조건이 동일한 상태에서의 성인이 기준이다.

산타가 크리스마스의 마스코트라면 크리스마스의 주인공 예수의 탄생에 대해서도 한번 짚고 넘어가 보자. 예수가 탄생했을 때 동방박사들은 금, 유향, 몰약 등을 바쳤다고 한다. 고귀한 금은 축하 선물로 이해가 되지만 유향과 몰약에는 어떤 의미가 있을까? 유향과 몰약은 모두 나무에서 나오는 진을 채집한 것으로 향기가 나는 원료이면서 악을 물리쳐 준다고 전해져 왔다. 나무는 흰개미의 공격으로부터 자신을 보호하기 위해서나 나무껍질의 손상 부분을 덮기 위해 진을 생산한다. 아주 오래전부터 상처 치료에 쓰여 왔던 유향과 몰약은 최근에도 항균, 항염증 효과가 입증되었다.

요컨대 크리스마스는 예수의 탄생을 축하하는 날이기도 하지만 종교에 상관없이 모든 인류가 희망과 자선을 노래하는 날이기도 하다. ‘모든 것은 마음먹기 달렸다.’는 말처럼 우울한 마음보다는 즐거운 마음으로 사랑을 실천하면 저절로 풍요로운 크리스마스가 될 것이다. 그리고 어쩌면 그것에 대한 보답으로 하늘에서 화이트 크리스마스를 만들어 줄지도 모른다.

글 : 이상화 과학칼럼니스트