자기유체역학 MHD 설명과 역사

MHD

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... 마그네토하이드로다이내믹스(MHD)란 무엇인가? 약어로 MHD라고 하는 이 기술은 전기적으로 충분히 전도성이 있는 액체 또는 기체와 같은 유체에 전자기력을 작용시켜 그 유체를 조작하는 예술과 기술을 의미한다. 이 경우 우리는 MHD 가속기라고 부른다. 또한 유체의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 예술과 기술도 MHD라고 한다. 이 경우 우리는 MHD 발전기라고 부른다. 더 일반적으로, 운동 에너지나 전자기 에너지와 같은 형태의 에너지가 직접적으로 다른 형태의 에너지로 변환되는 경우, 이를 MHD 변환기라고 부른다.

... MHD를 이해하기 위해, '침묵의 벽'이라는 만화(제목이 매우 적절하다)를 'cd-Lanturlu'에서 확인해 보라.

... 1960년대에 프랑스는 이 분야에서 세계적으로 선도적인 위치에 있었다. 우연한 결과라고 말할 수 있다. 1960년대 초반, 영국, 소련, 미국, 프랑스를 비롯한 여러 나라에서 MHD 연구에 큰 노력을 기울였다. 이후 독일과 일본도 이 흐름에 뒤늦게 가세했다. 그 당시의 목표는 열기관의 효율보다 훨씬 높은 효율(최대 60%)을 가진 MHD 발전기를 개발하는 것이었다. 에너지 원천은 두 가지였다: 화석 연료의 연소 또는 핵 에너지. 이 과정이 경제적으로 실현 가능하려면, 가능한 한 많은 운동 에너지를 추출하고자 하는 유체가 충분한 전기 전도성을 가져야 했다. 그러나 일반적으로 모든 기체는 전기 전도성이 매우 낮으며, 사실상 절연체이다. 따라서 이 기체들이 전기 전도성을 갖도록 하기 위해, 전이 에너지가 낮은 알칼리 금속(주로 세슘)을 첨가하여 '비료'를 뿌리는 방식으로 시도했다. 그러나 이 연구에 막대한 자금이 투입되었음에도 불구하고 결과는 실망스러웠다. 이후 연구자들은 기체의 전자들을 고온 상태로 유지함으로써, 기체 자체보다 더 높은 온도를 가진 자유 전자를 갖게 하는 '이온화된 두 가지 온도' 시스템을 고려하게 되었다. 그러나 1964년에 E. 벨리코프(후에 소련 과학 아카데미 부의장이 된 인물)에 의해 이론적으로 발견된 끔찍한 불안정성은 1960년대 후반부터 모든 계획을 무산시켰다. 1970년대 중반에는 대부분의 국가가 연구를 포기했고, 소련만이 경제적 붕괴가 발생할 때까지 이 분야에 지속적인 연구 노력을 기울였다.

... 1965년 마르세유 유체역학연구소에 부임했을 당시, 나는 그곳에 작은 연구팀이 있었음을 발견했다. 이 팀은 미국의 스위스계 과학자 버트 조도저의 연구를 참고하여, '충격파관'을 사용해 가스의 급속 방출을 원천으로 하는 직접 전환 실험을 수행하고 있었다. 실험은 매우 짧은 시간(100마이크로초 미만) 동안 이루어졌지만, 그 핵심은 고속(2500m/s 이상), 고압(1기압 이상)으로 방출된 가스가 매우 높은 온도(1만 도)를 가지며 전기 전도성이 매우 높다는 점이었다. 이러한 조건에서는, 일반적으로 전기 전도성이 매우 낮은 기체인 아르곤과 같은 물질을 고온으로 가열하여 전도성을 갖게 함으로써, 우리가 꿈꾸던 MHD 발전기를 시뮬레이션하는 것이 가능해졌다. 물론 이러한 실험은 산업적으로는 전혀 의미가 없었다. 1초당 100만 분의 1초밖에 작동하지 않는 발전기라면, 그 순간에 몇 메가와트를 방출한다 해도 무의미하다. 당시에는 누구도 인식하지 못했지만(소련을 제외하고), 이러한 펄스형 발전기는 나중에 '성층권 전쟁'이라 불리게 될 분야에서 재사용될 것이며, 이에 대해 나중에 사이트에서 설명하겠다.

... 독자는 이후 놀라움을 느끼겠지만, 소련의 MHD의 아버지가 바로 천재 안드레이 사하로프(또한 소련 첫 번째 수소폭탄의 개발자)라는 사실을 알게 될 것이다. 사하로프는 연구자라기보다는 발명가이자 비전을 가진 사람이다. 마르세유 연구소에 도착했을 당시, 그곳의 누구도 MHD의 진정한 가능성에 대해 의심하지 않았다. 그러나 몇 가지 놀라운 결과를 얻기도 했다. 1967년, 연구소에 들어온 지 2년 후, 일본인에 의해 15년 후에 다시 발견된 기발한 아이디어를 통해, 나는 처음으로 이온화 온도가 다른 두 가지 온도의 발전기를 성공적으로 작동시켰다(단지 짧은 가스 방출 동안). 또한 플라즈마 가속 실험도 성공적으로 수행했으며, 노즐 길이 10cm 내에서 속도를 초당 5km 증가시킬 수 있었다. 그러나 이 모든 것은 전반적인 실패의 배경 속에서 완전히 무시되었다.

... 프랑스에서는 연구가 원칙적으로 '지시'된다. 따라서 CNRS와 같은 기관들이 '프로그램'을 수립한다. 그러나 문제는 이러한 프로그램을 수립하는 사람들과 실제 아이디어를 내고 연구를 수행하는 사람들이 다른 사람이라는 점이다. 혹시 당신이 도마뱀의 머리를 한 번에 도끼로 잘라낸 적이 있는가? 누구나 알고 있듯이, 그 동물은 여전히 빠르게 달릴 수 있다. 프랑스의 연구는 마치 머리가 잘린 도마뱀과 같다. 더욱 악화된 점은 프랑스의 연구 기관들이 다음과 같은 요소들에 크게 의존한다는 것이다:

• 군대

• 폴리테크닉 출신들

... 이 모든 것을 이해하게 되면, 보통 수년간의 실패 끝에 결국 깨닫게 된다. 그 후에는 오직 장기적인 연구가 가능한 유일한 분야인 이론 연구로 눈을 돌릴 수밖에 없다.

... 1987년, 프랑스의 MHD 연구 프로그램이 공식적으로 종료된 지 10년 후에도 계속 연구를 주장했지만, 결국 강제로 포기해야 했다. 나는 그 이유를 여러 책에서 설명했다. 이 사이트의 MHD 섹션에서 다시 다룰 것이다. 이 연구의 핵심 아이디어는 다음과 같았다: 밀도가 높은 공기 중에서 초음속, 심지어 고음속으로 비행하는 장치를 만들 때, 충격파(바운드)를 만들지 않고도 가능할까? 학생 베르트랑 르브룅이 나의 지도 아래 이 방향으로 박사학위 논문을 작성했다. 이론적 연구와 함께 수많은 국제 저명 학술지에 게재된 논문 및 국제 회의 발표를 통해 우리는 긍정적인 답변을 얻었다(링크를 통해 접근 가능한 문서 끝부분 참조). 1980년대 중반, 나는 CNRS 총재 파пон에게 실험을 진행할 수 있도록 도움을 요청하여 성공적으로 자금을 확보했다. 목표는 다시 한번 짧은 시간의 실험을 수행하는 것이었으며, '충격파관'을 고온 급속 공기 펌프로 사용하는 것이었다. 루앙에 있는 연구소는 여전히 이런 '고대 기계'를 보유하고 있었다. 또한 포텐베이-오르로스의 첫 번째 토카막에서 나온 중요한 장비도 회수했다. 파폰은 매우 기뻐했으며, "우리가 폐기물 장비로 선도적인 연구를 한다"는 점을 보고 기뻤다. 1980년대 후반, 우리는 성공 직전까지 왔다. 그러나 군대가 의도적으로 프로젝트를 무산시켰다. 이후 증거를 확보했으며, 그 내용은 책에 게재했다.

... 군대는 본질적으로 기밀 보안을 기준으로 모든 권한을 가진다. 따라서 MHD 기반 순항 미사일이 실제로 존재한다면, 이는 산지 위를 뛰어다니며 고음속으로 비행할 수 있는 유일한 무기라는 점에서 전략적 가치가 매우 클 것이다(비전문가를 위해 설명하면, 현재의 모든 순항 미사일은 초음속이 아니다). 당시 군대가 민간 연구를 금지하려 했다는 점은 어느 정도 이해할 수 있었을 것이다. 왜냐하면 그들은 자신의 비밀 연구소에서 이 연구를 계속했을 것이기 때문이다. 그러나 13년 후, 프랑스 군대가 이 연구를 수행할 수 없었으며, 단순히 전문 인력 부족으로 인해 곧바로 포기했다는 사실이 드러났다. 조사 결과는 다음과 같이 결론지었다:

프랑스에는 군용 MHD가 존재하지 않는다.

... 이 시점에서 IHEDN(국방 고등연구소) 출신의 군인들이 1999년 7월에 발행한 보고서에서 경고를 보내기 시작했다. 그들은 미국이 이 분야에서 엄청난 진보를 이루었다고 주장하며, 경계를 울렸다. 이후 우리는 이러한 우려가 타당할 수 있음을 알게 될 것이다. 나는 오히려 그것이 사실이라고 확신한다. 그 이유에 대해 설명하겠다. 그러나 웃기게도, 이 문제에 대해 걱정하는 사람들의 대부분은 1976년부터 1987년까지 프랑스의 MHD 연구 실패를 주도한 주요 책임자들이다. 단기적 시야, 무능함. 더욱 놀라운 것은, 이들 사람들이 바로 우리 분야에서의 지연을 초래한 주요 책임자임에도 불구하고, '행동으로서의 대응'을 요구하며, 강력한 조치를 취해 달라고 촉구하고, 실제로는 전권을 요구하는 것이다. 마치 음모론자처럼 행동하며, 자신들의 대변자들이 엄청난 기술적·과학적 역량을 지녔다고 암시한다. 그러나 사실은 전혀 그렇지 않다. 이 모든 것은 안타깝게도 매우 비참한 허세일 뿐이며, 더 나아가 불필요하다. 왜냐하면 이미 ... 너무 늦었기 때문이다.

... 연구자로서 나는 더욱 참을 수 없는 것은, 과학적 역량이 전혀 없는 사람이 텔레비전에서 "지금 우리는 충격파 없이 초음속으로 비행하는 기계를 만들 수 있다는 것을 알고 있다"고 떠벌리는 것을 보는 것이다. 그래서 나는 학생, 교사, 엔지니어, 납세자, 일반 시민, 심지어 정치인까지도 경각심을 갖고, 이 사람들이 다시 23년 후에 또다시 바보 취급받는 일이 없도록 주의를 기울여야 한다고 생각했다.

... 부록으로, 아래 링크를 클릭하면 우리가 꿈꾸고 완전히 계산한 유명한 MHD 실험의 대중적인 설명을 볼 수 있다. 이 실험은 내가 이 분야에서 수행한 모든 실험과 마찬가지로 첫 번째 시도에서 성공했을 것이다. 그러나 군대는 이 실험을 완수할 수 없었다.

... 어떻게 이런 일이 가능할까? 군대(그리고 폴리테크닉 출신들)를 과대평가하지 마라. 클레망소의 말을 기억해 보자. 1914-18년 전쟁의 전환점에서 그는 말했다. "독일을 이기는 가장 좋은 방법은 독일에 폴리테크닉 학교를 설립하는 것이다."

... 이제 '세기의 100마이크로초'라는 스타일로 실험 설명에 들어가기 전에, 나의 주장을 뒷받침하는 흥미로운 일화 하나를 소개하겠다. 프랑스의 초기 핵실험(레아간) 이후, 군대는 미국이 이제는 지하에서 실험을 한다는 것을 알게 되었다. 어떻게 하는지 물어보았다. 빠르게 답이 돌아왔다.

• 너희, 작은 개구리 먹는 자들, 참 좋긴 하지만, 먼저 너희는 NATO를 탈퇴했고, 또 우리가 핵 기술의 흔적을 전 세계에 퍼뜨리고 싶지 않아. 그러니 스스로 해결해 봐라...

... 군대의 폴리테크닉 출신 엔지니어들, 즉 '화약 엔지니어'들은 정교한 계산을 했다. 그 결과, 산속에 터널을 파고, 그 끝에 핵무기를 설치한 후, 나머지 공간은 콘크리트와 철로 채워야 한다는 결론을 내렸다. 그렇게 되었다. 터널 입구 바로 앞에 발사용 컴퓨터를 설치하고, 국방장관 피에르 메스메르를 사하라 지역으로 초대하여 실험을 관람하게 했다. 실제로 메스메르 자신이 이 이야기를 파리매치지에 전했다. 당시 프랑스의 핵무기 역사 작성을 시도하고 있었지만, 무력한 노력이었다(우리나라에서는 비밀을 조용히 지키는 것이 일반적이다). 바로 그 이유가 무엇인지 곧 알 수 있다. 장관은 여전히 충격에 빠져 있었다.

... 핵무기가 발사되자, 압력은 즉시 수백 미터의 콘크리트와 철을 밀어내며 터널이 '산탄총'처럼 작동했다. 놀란 장관은 가까운 거리에서 파편들이 지나가는 것을 보았다. 물론 모든 사람이 방사능에 노출되었다. 받은 방사선량을 평가하는 것은 매우 어려웠다. 장관의 사진을 포함한 필름들은 완전히 흐려져 있었다. 메스메르는 분노했다. 병사나 마을 주민이 방사능에 노출되는 것은 이해되지만, 국방장관까지라니!

... 사실, 우리 군대 엔지니어들은 결국 깨달았다. 핵무기를 단단한 암석 안에 두는 것이 아니라, 충격을 완화시킬 수 있도록 상당히 부드러운 지층 아래에 두어야 한다는 점이다. 생각해 보라. 만약 당신이 폭탄을 터뜨리고 폭발 후의 결과를 분석하고 싶다면, 콘크리트 속에 넣는 것보다 모래주머니 위에 놓는 것이 더 타당하지 않은가? 오늘날 우리는 어떻게 해야 하는지 알고 있다. 폭탄이 터질 때, 지층 내부에 압축 가능한 공간(무로로아 아톨의 지반이 압축 가능했던 것처럼)이 생긴다. 에너지는 비탄성 압축을 통해 흡수된다. 동시에 충격파는 지표면으로 올라오며 지표면을 약간 들어올리고, 문제는 해결된다.

... 이 모든 이야기를 통해 말하고자 하는 것은, 군사적 연구 성지가 근본적인 연구의 최고 수준이 아닐 수도 있다는 점이다. 가끔 사람들은 내게 이렇게 말한다.

• 하지만, 우리가 보는 모든 화려한 퍼포먼스나 텔레비전에서의 연출은 '관객을 즐겁게 하기 위한 것'일 뿐이지, 그 뒤에는 더 진지한 연구가 진행되고 있지 않을까?

... 안타깝지만, 실상은 그렇지 않다. 그 뒤에는 아무것도 없다. 만약 그렇다면, 위에서 언급한 보고서는 저자들의 과학적 무능함을 드러내는 수많은 오류를 포함하지 않았을 것이다.

나는 세상을 바꿀 권한이 없지만, 사람들이 바보 취급당하는 것을 좋아하지 않는다.

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100마이크로초로 세계관을 바꾸다