[비즈한국] 그리스 신화에 등장하는 프로메테우스는 그의 형제 에피메테우스와 함께 인간을 포함한 온 세상의 동물을 창조한다. 에피메테우스는 다른 동물들에게 다양한 재능을 나누어주는 바람에 마지막 인간에게는 나눠줄 것이 없어진다. 그 모습을 딱하게 여긴 프로메테우스는 무모하게도 신들의 산 올림푸스산에 타오르고 있던 횃불을 훔쳐 인간에게 전해준다. 이 사실을 안 신들의 왕 제우스는 크게 분노해 프로메테우스에게 평생 독수리에게 간을 파 먹히는 끔찍한 형벌을 내린다.[1]
과거 인류는 프로메테우스에게서 받은 선물을 통해 동굴 속의 어둠을 밝힐 수 있었다. 고기를 굽고 도자기를 굽게 되었다. 불로 물을 끓일 때 발생하는 수증기로 터빈을 돌려 증기 기관을 만들 수 있었고, 연료에 불을 붙여 지구의 중력을 벗어나는 우주여행 시대를 맞이하게 되었다.
하지만 인류가 미처 알지 못한 사실이 하나 있다. 프로메테우스가 인류에게 훔쳐다 준 그 불씨는 영원히 빛나지 않는다는 것이다. 그 불씨는 너무나 따뜻하고 아름다웠지만 그 불씨를 지필 수 있는 땔감은 지상에 무한하지 않다.
서서히 지구의 연료 탱크에 바닥이 보이기 시작한 최근에서야 인류는 점점 희미해져가는 프로메테우스의 불씨를 걱정하기 시작했다.
프로메테우스가 다시 한 번 우리를 불쌍히 여겨 저 하늘에서 신들의 불씨를 들고 내려와줄 수는 없을까?
실제로 오늘날 다시 한 번 인류에게 불씨를 선물하기 위해 엄청난 도둑질을 준비하고 있는 프로메테우스의 후예들이 있다. 이번 도둑질은 더 엄청난 시도가 될 것이다. 이들은 저 멀리 우주에서 수억 년, 수십억 년째 멈추지 않고 빛나는 거대한 ‘가스 덩어리’ 별들에게서 불씨를 훔쳐오려고 시도한다.
별에게서 이 귀한 불씨를 훔쳐올 수만 있다면 이제 인류는 더 이상 에너지난으로 고민하지 않아도 될지 모른다. 게다가 핵융합 반응 자체는 별다른 오염 물질을 만들지 않기 때문에 가장 이상적인 친환경 에너지로 각광받는다. 실제로 대체에너지에 관심이 많은 빌 게이츠 역시 핵융합 발전 연구에 많은 관심과 투자를 하고 있다.[2]
프랑스 남부에 건설되고 있는 ITER 핵융합로 시설의 부감 영상.
태양과 같은 별들의 중심은 아주 뜨겁다. 엄청난 질량의 가스 덩어리가 수축, 반죽되어 별이 만들어지면서 별의 중심은 아주 높은 온도와 밀도를 갖게 된다. 수천만 도(℃)에서 수억 도에 달하는 어마어마한 온도로 끓는다.
이렇게 온도가 높아지면 그 상태에 놓인 원자핵 등 입자들은 아주 빠른 속도로 싸돌아다니고 싶어서 안달이 난다. 하지만 별의 중심은 온도뿐 아니라 밀도도 아주 높다. 비유하자면 에어컨이 고장 난 만원 지하철 안에 ‘낑겨’ 있는 느낌이라고 할 수 있다.
일반적인 경우에는 서로 전기적으로 같은 극을 띠는 원자핵은 잘 달라붙지 않는다. 하지만 만원 지하철처럼 끔찍한 상황에 놓인 별 속의 원자핵들은 결국 빠른 속도로 맞부딪치며 서로 끊임없이 충돌하게 된다. 온도가 너무 높아서 별 속 원자핵들은 정말 빠른 속도로 충돌하고 더 큰 원자핵으로 합체하는 핵융합 반응이 벌어진다.
이러한 핵융합 반응은 정말 효율적인 에너지 발전 방식이다. 찻숟갈 하나 정도의 원자핵만 있으면 거대한 도시 하나가 수십 년간 전기 요금 걱정하지 않고 지낼 수 있을 정도로 전 우주에서 가장 효율적인, 정말 꿈만 같은 에너지 발전 방식 중 하나다.
하지만 당연히 이런 별들의 핵융합 불씨를 지상에서 모방하는 것은 아주 어려운 일이다. 핵융합이 일어나기 위해서는 원자핵들이 전기적 척력을 이기고 맞붙을 정도로 빠르게 돌아다닐 수 있는 극한의 환경을 만들어야 한다. 별의 경우 그 중심이 워낙 뜨겁고 밀도가 높은 덕분에 원자핵들이 융합할 수 있지만, 지상에서는 별의 중심처럼 수억 도에 달하는 뜨거운 온도를 만들 수 없다.
그래서 과학자들은 굳이 온도를 말도 안 되게 높이지 않아도 원자핵들의 움직임을 아주 빠르게 만드는 ‘꼼수’를 쓴다.
긴 통로 안에 강한 자기장을 걸어 원자핵들을 공중에 띄운 채 서서히 속도를 올려 가속시킨다. 통로를 마치 도넛처럼 둥글게 만들어 원자핵이 그 둥근 통로를 계속 빙빙 돌게 하면, 돌리면 돌릴수록 더 빨라지는 쥐불놀이 횃불처럼 더 빠르게 가속시킬 수 있다. 실제로 힉스 입자 등 다양한 발견을 전해주는 입자가속기도 이와 비슷한 원리로 작은 입자들을 거의 빛의 속도에 가깝게 가속할 수 있다.[3]
독일에서 건설 중인 벤델슈타인(Wendelstein) X-7 핵융합 토카마크의 모습.
2018년 ITER에서 만들어낸 안정적인 플라즈마의 영상. 물론 여전히 상용화를 하기에는 아주 짧은 시간이지만 서서히 이 기록은 길어지고 있다.
그런데 며칠 전부터 주변 과학 연구자들 사이에서 이 핵융합 발전과 관련해 흥미로운 ‘짤’이 돌아다니고 있다. 이 짤은 한 환경 단체가 정부 기관에게 제안했다는 문건의 한 페이지로, 과학자들 사이에서 엄청난 놀림거리로 회자된다.
공문의 형태로 보이는 이 문건에서 이 환경 단체는 ‘터무니없고 현실성 없는’ 핵융합 발전 연구에 귀한 국고와 사회적 비용이 낭비되고 있다고 지적한다. 특히 이 단체의 제안서 첫 문단에 담긴 주장이 아주 흥미롭다. 이들은 ‘핵융합은 별에서나 벌어지는 현상이므로 이를 지상에서 구현하겠다는 시도는 터무니없다’고 주장한다.[4]
처음에는 이 짤을 보고 만우절 장난인가 싶었다. 하지만 알아보니 꽤나 진지한 문건이었다. 설마 정부가 실제로 이런 문건을 보고 진지하게 기초 과학 예산 삭감을 고민했을 거라고는 차마 생각하고 싶지 않다. 아니 설마 그랬을 리는 없을 것이다. 그렇게 믿고 싶다.
이 단체가 단순히 ‘문과라서’ 터무니없는 주장을 하는 것은 아니다. 이들의 보고서는 사실 여전히 ‘중세시대적인 관점’에 갇혀 과학적 ‘원리’와 ‘현상’을 제대로 구분하지 못하는 우리 사회 전반의 공통된 한계를 여실히 보여준다.
과학은 자연을 관찰하고 실험하며 그 현상이 벌어지는 과학적 법칙이나 원리를 이해하는 과정이다. 우리가 목격하는 현상은 그 원리를 바탕으로 벌어지는 결과다. 오래전 인류는 자연에서 벌어지는 다양하고 흥미로운 현상을 ‘훔치기’ 위해서는, 프로메테우스가 불씨를 훔쳐왔듯이 그 현상이 벌어지는 자연을 통째로 옮겨와야 한다고 생각했다.
하지만 이제 현대 인류는 단순히 눈앞에 벌어지는 결과물인 ‘현상’에만 주목하지 않는다. 그 현상이 벌어지도록 하는 기저에 깔린 자연 법칙과 원리를 파악하는 데 주목할 수 있는 지성을 갖추게 되었다. 굳이 자연 현상을 모사하기 위해 그 자연을 통째로 훔쳐올 필요는 없다.
이제 우리는 하찮은 지상의 물질과 성스러운 천상계의 물질 모두 동일한 물리 법칙에 따라 작동한다는 우주의 대원리를 이해한다. 하늘을 날기 위해서 굳이 새들의 날개 깃털을 뜯을 필요가 없다. 전기를 얻기 위해서 벤저민 프랭클린처럼 무모하게 번개 치는 하늘을 향해 연을 날릴 필요도 없다.
새가 하늘에서 양력을 느끼는 원리만 이해한다면, 전기가 흐르는 전자기학적 원리만 이해한다면 주변에서 구할 수 있는 손쉬운 재료로 충분히 그 현상을 재현할 수 있다.
과거 유럽에서 입자가속기가 첫 실험을 준비하던 당시에도 이와 비슷한 일이 있었다. 한동안 유럽입자물리연구소에서 건설하는 입자가속기에서 미니 블랙홀이 만들어져 지구를 통째로 삼켜버릴 것이라는 일종의 지구 멸망 음모론이 돌았다. 실제로 일부 극단주의자들은 당시 첫 가동을 앞둔 입자가속기의 연구에 반대하는 시위를 벌이기도 했다.[5]
물론 지금까지 입자가속기에서는 수천만 번이 넘는 입자의 충돌이 재현되었다. 그리고 (다행히) 그들의 염려와 달리 아직 지구는 무사하다. 입자가속기가 만들고자 한 것은 블랙홀이 아니다. 블랙홀을 포함한 다양한 우주의 극단적인 환경 안에서 적용되는 물리 법칙과 원리가 작동하는 현장을 작게 모사하고자 했을 뿐이다.
핵융합 발전을 실현하기 위해 굳이 지구상에서 진짜 태양을 만들어낼 필요는 없다. 과학이 만들어내고자 하는 것은 태양이 아니다. 과학이 만들고자 하는 것은 태양 속에서 벌어지는 핵융합이라는 물리적 반응이다. 그리고 현대 과학은 주변에서 구할 수 있는 더 손쉬운 재료로 이 핵융합을 모사할 노하우를 가지고 있다.
과학자들이 말도 안 되는 터무니없는 시도에 세월과 돈을 낭비한다고 느끼는 이들에게 감히 이야기해주고 싶다. 그것이 바로 과학의 역할이라고. 과학은 과거에는 감히 상상도 할 수 없었던 천상계의 것으로만 여겨지던 것들을 지상계로 훔쳐오는 과정이다.
과학은 대단하게만 보이던 것을 볼품없는 당연한 것으로 만드는 과정이다. 별에게서 핵융합 불씨를 훔쳐오는 데 성공하기 전까지, 연구자들의 마음 속 뜨거운 불씨는 영원히 꺼지지 않을 것이다.
[1] https://www.nationalgeographic.com.au/history/how-are-the-origins-of-fire-and-woman-linked.aspx
[2] https://qz.com/1402282/in-search-of-clean-energy-investments-in-nuclear-fusion-startups-are-heating-up/
[3] https://www.sciencemag.org/news/2015/10/bizarre-reactor-might-save-nuclear-fusion
필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.
지웅배 과학칼럼니스트
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