하이퍼루프 시대가 펼쳐진다
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하이퍼루프 시대가 펼쳐진다
  • 배진용 동신대학교(전기차제어) 교수
  • 승인 2020.03.17 11:28
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시속 1200km로 이동하는 초고속 열차의 신기술 소개

[테크월드=김경한 기자] 대한민국의 철도 역사상 2004년은 특별한 시기였다. 그동안 비둘기호, 무궁화호, 새마을호라는 열차를 대신해 KTX가 도입되는 시기였기 때문이다. 그 당시만 하더라도, 새마을호의 최고시속은 150km/h였지만, KTX는 꿈의 속도인 300km/h 이상(최고속도 350km/h)을 달성했다. 서울-부산 또는 서울-광주가 약 2시간 내지 2시간 30분 정도면 도달할 수 있기에, 드디어 전국이 1일 생활권의 시대에 접어들었다.

그런데 이제는 KTX의 속도보다 약 4배 정도 빠른 시속 1200km/h의 속도로 이동할 수 있는 초고속열차의 시대가 우리 눈앞에 다가오고 있다. 시속 1200km/h(최고속도 1280km/h)이면 보통 비행기 속도 900km/h 내지 1000km/h 보다 빠르다. 이처럼 지상에서 달리는 모든 자동차와 열차 중에서 최고의 속도로 이동시킬 수 있는 특별한 열차인 하이퍼루프(HYPERLOOP)의 주행이 조만간 현실이 될 것으로 보인다.

서울에서 부산까지 16분

하이퍼루프가 도입되면 서울-부산 구간을 얼마만큼의 시간에 도달할 수 있을까? 서울에서 부산까지 16분이면 충분하다. 서울에 있는 사람이 부산의 친구와 전화하면서 “잠깐만 기다려 잠시 후에 식사하러 부산에 간다!”라는 말이 아주 자연스러운 일이 될 것이다. 

[그림 1] 캡슐의 좌석배치(US2017-0334312호)
[그림 1] 캡슐의 좌석배치(US2017-0334312호)

미국에서 테슬라(TESLA) 전기자동차를 만드는 일론 머스크(Elon Reeve Musk) CEO는 2013년부터 하이퍼루프 트랜스포테이션 테크놀로지스(Hyperloop Transportation Technologies, 이하 하이퍼루프 테크놀로지스)를 설립해 하이퍼루프 개발에 박차를 가하고 있다. 이 회사는 튜브(Tube) 속에서 시속 1200km로 이동하는 기술을 현실화해 미국 로스앤젤레스와 샌프란시스코 간 560km 거리를 30분에 도착할 수 있는 노선을 건설 중이다. 

실제로 미국 전체적으로는 총 11개의 노선을 검토하고 있으며, 이 중에서 미국 대륙을 횡단하는 뉴욕-로스앤젤레스 구간을 45분에 도착할 수 있는 노선을 포함해 2~3개 노선에 대해 하이퍼루프 테크놀로지스는 실제 건설을 고려하고 있다.

현재 미국 이외에 하이퍼루프를 강력하게 도입하려는 나라는 아랍에미리트(UAE)와 인도네시아가 있다. 아랍에미리트는 두바이-아브다비 구간의 150km 거리를 12분 만에 도착할 수 있는 노선을 건설 중이며, 인도네시아는 자카르타-요그야카르타 구간의 520km 거리를 25분에 도착할 수 있는 노선을 계획 중이다.

하이퍼루프 캡슐 부양을 위한 형상 - V형상, 트랙(Track), 공기 베어링(Air Bearing)
[그림 2] 하이퍼루프 캡슐 부양을 위한 형상 - V형상, 트랙(Track), 공기 베어링(Air Bearing)

2000년 이상의 선로 폭 표준을 파괴

전 세계 표준선로의 폭인 1.435m 로마시대 전차와 마차 바퀴의 폭에서 유래됐으며, 약 2000년 이상의 역사를 가지고 있다. 하지만, 하이퍼루프 기술의 가장 큰 특징이라면, 2000년 이상의 표준을 파괴하는 것에서 시작됐다.

하이퍼루프가 어떤 기술을 적용했기에 기존의 고속철도의 운행속도 시속 300 내지 350km의 약 4배에 가까운 시속 1200km 이상의 속도로 운행이 가능한 것일까?

전 세계의 고속철도, 철도, 지하철 등의 대부분 선로 폭은 1.435m로 동일하다. 직경 2m의 진공튜브(Vacuum Tube) 내에서 선형 유도전동기로 구동하는 하이퍼루프 캡슐의 폭은 1.35m이며, 높이는 1.1m, 길이는 최소 1.52m에서 최대 7.32m의 크기다.

하이퍼루프와 기존 고속철도의 차이점에 대해서 정리하면 다음과 같다.

• 직경 2m의 진공튜브 내에서 이동해 공기저항을 최소화
• 기존의 고속철도 보다 작은 폭은 1.35m, 높이 1.1m의 크기로 설계해 2000년 이상의 표준을 파괴
• 회전형 전동기가 아니라 선형 유도전동기를 사용해 우수한 가속특성을 가짐
• 세계 최초로 지상에서 시속 1280km(800마일)의 음속으로 이동 가능

 
시속 1200km로 이동하는 기술이 실현될 수 있었던 데에는 ▲진공유지 기술 ▲리니어(Linear) 전동기 ▲전동기 제어 장치인 인버터의 세 가지 기술이 비약적으로 발전했기 때문으로 평가되고 있다.

[그림 3] 하이퍼루프 테스트 실험실(미국 네바다 사막)
[그림 3] 하이퍼루프 테스트 실험실(미국 네바다 사막)

튜브 안정성 확보 연구에 주력

하이퍼루프 테크놀로지스는 2017년 8월 2일 미국 네바다 주에서 길이 8.5m의 하이퍼루프 원(One)을 진공터널에 넣어 테스트를 진행했으며, 536m 길이의 진공터널에서 최고속도 386km의 속도까지 가속, 정지하는 실험을 하고 있다. 지금도 수많은 기술적인 난제를 해결하기 위해 지속적으로 연구하고 있다. 

이 회사는 2016년 1월부터 본격적으로 특허의 출원을 시작해 현재까지 미국에 총 35건을 출원했으며, 이 중에서 10건의 특허를 등록한 것으로 조사됐다. 

세부적인 기술로 보면, (1)하이퍼루프 기본개념 특허: 8건(22.86%), (2)하이퍼루프 튜브 관련기술 특허: 9건(25.71%), (3)리니어 모터와 제어 시스템 특허: 7건(20.00%), (4)하이퍼루프 감속기와 브레이크 특허: 3건(8.57%), (5)하이퍼루프 게이트 밸브(에어 차단기) 특허: 2건(5.72%) (6)기타기술 특허: 6건(17.14%)을 제시한바 있다.

하이퍼루프 테크놀로지스는 미국 공개특허 US2017-0334312호를 통해 하이퍼루프 정거장(Station)과 캡슐의 주요 구조에 대하여 제안했다. 열차인 캡슐에는 총 30석의 좌석과 화장실 등이 배치했으며, 컴퓨터에 의해서 자율주행할 수 있는 초고속 운송 시스템을 제시했다. 또한, 이 회사의 특허를 분석하면, US2016-0230915호, US2017-0254456호 등에서는 튜브의 안정화 기술에 대해 집중적으로 연구했음을 확인할 수 있다. 하이퍼루프 튜브가 열차인 캡슐의 이동으로 생기는 물리적인 진동으로 인한 팽창과 수축, 온도에 따른 팽창과 수축을 방지하기 위해 튜브의 중간에 확장 조인트(Expansion Joint)와 수직형 댐퍼(Vertical Damper)를 통해 상하좌우 방향으로 안정성을 확보하는 방법을 집중적으로 개발했다. 

[그림 4] 하이퍼루프 튜브 안정화 특허 기술(US2016-0230915호 등)
[그림 4] 하이퍼루프 튜브 안정화 특허 기술(US2016-0230915호 등)

또한, 하이퍼루프 테크놀로지스는 예상치 못한 튜브의 손상을 자기 치료(Self Healing)하는 기술을 미국 공개특허 US2018-0009180호 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 구멍(Hole)이 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. 

[그림 5] 하이퍼루프 튜브 자기 치료(Self Healing) 특허(US2018-0009180호)
[그림 5] 하이퍼루프 튜브 자기 치료(Self Healing) 특허(US2018-0009180호)

 



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