미래기술/미래전망/첨단산업

Nikkei Science_2017.10 요약(p9-11)

Front Runner 도전
철도에 초전도 혁명
리니아 다음은 송전선
도미타 마사루 (富田 優)/철도종합기술연구소

전기를 낭비 없이 수송하는 철도용 초전도 케이블이 개발되었다. 영업노선으로는 차량 주행시험에서 세계 최초로 성공. 철저한 실험과 검증을 통해 연구의 실용화를 목표로 한다.

신간선(新幹線) 및 축전지 전차, 조기 지진방재 시스템 등 수많은 기술을 개발해 온 철도 종합연구소에는 지금, 세계의 철도관계자가 주목하는 신기술이 있다. 냉각시키면 전기 저항이 제로가 되는 초전도 현상을 응용하여 전기를 차량에 안정 공급하는 초전도 케이블 시스템이 그 주인공이다. 이것을 고안해 낸 것은 연구개발 추진부 담당부장인 도미타 씨. 그는 재료 연구부터 시스템의 설계∙실용화까지 진두지휘를 도맡아 하고 있다. 2015년에는 실제의 영업노선에 설치하여 차량의 주행 시험을 세계 최초로 성공. 2020년대 전반의 실용화를 목표로 본격적인 시험에 착수했다.

7월 하순의 철도종합기술연구소 히노(日野)토목실험소(도쿄)에 도미타 개발팀의 멤버가 초전도 케이블 시스템의 설치 및 시험 준비에 들어갔다. 케이블의 길이는 408m. 냉각장치 및 계측기기 등을 합쳐 1개의 유닛으로 만들어 영업노선으로의 도입을 계획하고 있다. 「1개 유닛을 설치한 노선으로의 송전을 상정한 실험부터 시작한다」라고 도미타 씨는 설명한다.

1872년(明治5년) 신바시(新橋)와 요코하마(横浜)사이를 증기기관차가 주행한 이래, 철도는 중요한 교통수단으로 정착하여 눈부신 발전을 거듭해 왔다. 그러나 150년 가까이 경과한 현재, 인구가 집중된 도심부에서는 운전 차량수의 증가, 각 철도회사들의 상호 노선 연장 등에 따라, 열차를 운행표대로 운전하는 것이 어려워졌다. 열차를 안전하고 신속, 쾌적하게 운행하기 위해 철도회사가 해결해야 할 중요한 과제 중 하나가 전력문제이다.

-- 송신 손실을 막아 안정공급 --
일반적으로 철도는 배전선에서 트콜리선으로 전기를 보내면 차량의 팬터그래프로 트콜리선에서 전기를 받아 모터를 돌려 주행하게 된다. 도시의 대부분의 노선에서는 2~10km마다 변전소를 설치하여 전기를 교류에서 직류로 전환시켜 배전선으로 보내고 있다. 그런데, 전선이 가진 전기 저항 때문에 전기의 일부가 열에 의해 도중에 소멸되거나 전압이 저하되는 등의「송전 손실」이 일어난다. 손실이 클 경우, 차량의 운행에도 영향을 줄 수 밖에 없다.

변전소를 좀더 신설하거나 기존의 변전소의 설비를 증강함으로써 송전 손실을 막을 수는 있지만「변전소를 한 곳 신설하는데 약 20억엔의 비용이 소요될 뿐만 아니라, 대도시권에서는 용지의 확보가 어렵다」(도미타 씨). 지하철의 경우, 변전소를 지하에 신설하게 되면 대규모 공사가 필요하다. 이 점에서 주목을 받고 있는 것이 도미타 씨의 고온 초전도물질을 사용한 송전 케이블 시스템이다.

고온 초전도물질은 -248℃이상의 ‘고온’ 영역에서 초전도 현상이 일어나 전기 저항이 소멸되어 낭비 없는 전력 송신이 가능하다. 기존의 초전도물질은 그 이하의 극저온이 아니면 초전도가 일어나지 않아, 고가의 액체 헬륨으로 온도를 낮출 필요가 있었다. 도미타 씨는 자체적으로 연구를 추진해 온 고온 초전도물질로 철도용 케이블 시스템을 만들면 저렴한 액체 질소로 쉽게 온도를 낮출 수 있어 전력 손실을 극복할 수 있다고 생각해 시스템을 개발하게 되었다.

도미타 씨가 연구해 온 고온 초전도물질은 비스무트나 이트륨을 함유한 구리 산화물이 재료이다. 그것들로 케이블을 만들어 배전선에 액체 질소를 흘려 넣어 냉각시키는 구조이다. 액체 질소의 온도인 -196℃로 낮추면 전기 저항이 제로가 된다. 「실용화가 된다면 냉각에 필요한 전력을 빼도 전력소비를 5%정도 줄일 수 있다」라고 그는 설명한다.

케이블 선로에 따라 매설하는 등, 다른 케이블 종류와 동일하게 설치할 수 있다. 「시설 및 보수 비용은 변전소의 경우에 비해 절반 정도가 될 것이다. 변전소를 신설하지 않아도 되며 운행 차량수도 늘릴 수 있을 것으로 보인다」(도미타 씨).

본가가 기계공구 판매업이었던 도미타 씨는 어릴 적부터 기계와 철도를 좋아했다. 매사에 열중하는 성격으로 초등학교 저학년 때는 목재로 현수교를 만들어 장난감 열차를 달리게 하거나 고학년 때는 온풍 히터를 직접 만들었다.

대학에서는 열공학, 대학원에서는 기계 시스템을 전공했다. 철도 기술의 연구에 연계할 수 있다면 좋겠다는 생각에 철도종합기술연구소의 문을 두드렸다. 당시의 철도종합기술연구소는 초전도 자석을 사용한 리니아 모터카의 야마나시(山梨) 실험차량을 계획 중이었으며, 도미타 씨는 이 프로젝트에 참여하고 싶다고 지원했다. 희망과는 달리, 그가 맡은 업무는 건설용지 확보를 위한 지역 설명 및 관청∙자치 단체와의 절충, 실험 차량의 건조 관리 등으로 연구와는 거리가 멀었다.

그러나, 연구와 사회의 상호관계를 생각하는 좋은 기회가 되었다. 「연구는 사회를 기반으로 한다. 자신의 연구를 자기만족에 끝내는 것이 아니라, 사회에 환원하여 일조하고 싶다라는 신념을 가지게 되었다.

그 이후, 리니아의 심장부인 초전도 자석을 넣는 저온유지장치의 냉각기술 개발에 합류했다. 초전도의 가능성에 매력을 느껴, 민관이 설립한 초전도공학연구소에 들어갔다. 재료를 분말로 만들어 태워서 굳혀 벌크체로 만드는 것부터 차례로 배워나가, 초전도 연구에 전념했다.

당시의 초전도 연구자는 재료의 배합 비율 및 입자의 크기, 태워서 굳히는 온도 및 시간 등을 연구하여 실험재료를 만들었으며, 초전도가 되는 온도, 수송 가능한 전류량이나 발생되는 자기장 크기 등을 경합하고 있었다. 한편, 도미타 씨는「세계 최고의 성능을 쫓는 것에만 급급해 아무도 실용화하려고 들지 않는다」라고 느껴, 내구성이 높은 물질을 만드는 연구를 시작했다.

재료를 태워서 굳힌 벌크체는 냉각과 착자(着磁)를 반복하는 사이에 작은 균열이 커진다. 그러면 전류가 더 이상 흐르지 않게 되어 자기장 발생도 적어 진다. 도미타 씨는 수지와 금속 등 30종류 이상의 재료를 사용해 열화가 잘 안 되는 벌크체 개발에 전념했다. 실험기구를 스스로 마련했을 뿐 아니라, 고 자기장을 측정할 수 있는 고성능장치를 보유한 나라의 연구기관에 직접 찾아가 사용할 수 있게 부탁했다고 한다.

내구성이 있는 벌크체가 완성되어 14테슬라(테슬라는 자기장 단위) 정도의 커다란 자기장을 발생할 수 있게 되었으나, 그 이상은 커지지 않았다. 조사한 결과, 벌크체 자체의 온도가 상승해 초전도가 무너져 자기장이 급격히 없어지는「Flux Jump현상」에 의한 것이라는 것을 알게 되었다. 「내구성이 향상됨으로써 이론적으로 지적되었던 Flux Jump현상을 실험으로 확인할 수 있었다」(도미타 씨).

온도 상승과 급격한 자기장의 변화로 벌크체의 성능이 떨어지게 되면 실용화 할 수 없다. 성능이 안정된 벌크체를 실현하기 위해 개량을 거듭했다. 벌크체에 구멍을 뚫어 융점이 낮은 금속을 흘려 넣어 열을 식히는 방안과 벌크체 표면의 균열에 에폭시 수지를 잘 흡수시키는 방법을 고안해 내어 상당히 높은 내구성을 갖춘 벌크체를 완성시켰다. 계측한 결과, 세계 최고의 17.24 테슬라의 자기장이 발생. 2003년 영국잡지 Nature에 논문을 발표했다.

이 논문은 주목을 받아 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)이 공동연구를 제안해 왔다. 도미타 씨는 미국으로 건너가, 소형의 MRI(자기공영화상장치)를 실현하는 고온 초전도자석의 연구 등에 참여했다. MIT에서는 노벨 생리학∙의학 수상자인 도네카와(利根川) 교수와도 교류. 「연구를 진행함에 있어서 중요한 것은 최종적인 출구를 염두 해 두는 것과 연구자 자신의 열정이라고 배웠다. 덕분에 시야를 넓힐 수 있었다」라고 회상했다.

미국에서 연구하는 동안 자신의 지식을 철도사업에 활용하고 싶다는 의지가 강해져, 고온 초전도 케이블 시스템을 고안했다. 2007년에 귀국하자 고온 초전도 재료의 제작 및 내구성 평가의 노하우를 살려 케이블 개발에 착수. 냉각 방법 등 시스템 전체를 설계하여 시작(試作)과 실험을 반복했다.

직장을 옮긴 것은 2009년. 과학기술진흥기구(JST)의 조성 프로그램에 채택되어 10년간 총액 10억엔의 거금을 지원받았다. 또한 국토교통성 및 신 에너지 산업기술 종합 개발기구(NEDO)의 지원도 결정되어, 기업과 본격적인 실험을 진행할 수 있게 되었다.

케이블의 제작, 냉각 등 송전 등의 기초실험에는 목표를 달성하여 주행실험을 이행했다. 철도종합기술연구소 안에는 실제의 차량이 달리는 옥외 실험차선(전체 길이 700m)이 있다.  최초에는 2013년, 31m의 케이블로 송전하여 차량을 주행시켰다. 2014년에는 길이가 10배인 310m로 시도했다. 목표는 주행뿐만 아니라, 긴 케이블을 제대로 제조할 수 있는지, 설비를 일반 사업자에게 맡겨도 작업에 무리가 없는지를 확인하는 것이었다.

실제의 영업 노선에서 시도한 것은 2015년. 이즈(伊豆) 하코네(箱根)철도에 길이 6m의 케이블을 설치하여 세계 최초로 영업노선에서 차량을 주행시키는데 성공했다.

-- 유일무이한 스페셜리스트 --
향후 히노 토목실험소에서 시도하는 테마는 운행표가 집중되어 있는 영업노선에서의 송전이다. 케이블이 지금까지 이상으로 길기 때문에 냉각이 충분하지 못하면 송전에 문제가 발생하게 된다. 냉각 성능을 안정시키기 위한 시스템을 개량하고 있으며, 설계대로 기능할지 여부를 파악한다.

도미타 씨에게는 철도회사는 물론, 관청, 기업, 대학과, 해외의 경우에는 구미(歐美) 및 중국 등 다방면으로부터 문의 및 연구 협력 요청이 쇄도하고 있다. 초전도의 1인자로서 철도기술에 관해 잘 알고 있는 도미타 씨와 같은 스페셜리스트를 찾기 힘들기 때문이다.

철도회사의 수 곳으로부터 초전도 케이블을 도입하려는 노선 구간의 검토 의뢰가 빗발치고 있다. 도미 타 씨는 변전소의 설치 간격 및 노선의 실지 조사, 운전사로부터의 청취 조사 등을 감안해 도입에 최적인 구간을 각 사마다 추출하려고 하고 있다.

초전도 케이블 시스템의 연구 착수로부터 10년, 주행시험도 순조롭게 진행되어 주위로부터 상당한 기대를 모으고 있다. 그러나 도미타 씨는 신중한 자세를 잃지 않는다. 「아무리 참신하고 독창적인 연구 결과라도, 그것을 도입하여 철도 운행에 지장이 있다면 아무 쓸모가 없다. 나 자신은 연구자이며 기술자이다. 지금은 기술자로서 안전과 확실성을 달성하기 위해 테스트를 계속하고 있다」.

실험현장에서는 장치 설비의 확실성, 보수 관리의 안전성, 사고로 이어지는 리스크의 유무 등을 철저히 검증하려고 하고 있다. 철도종합기술연구소 이사장인 구마가야(熊谷) 씨는 그런 도미타 씨를「직접 만들고 시험해 보지 않으면 납득하지 않는 연구자」라고 평가한다.

네덜란드의 물리학자인 온네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 액체 헬륨을 사용해 수은의 전기저항이 -268.8℃이하에서 소멸한다는 것을 찾아내어 극저온에서의 초전도 현상을 발견한 것이 1911년(온네스는 1913년에 노벨 물리학상을 수상). 그 이후, 초전도에서는 다양한 응용이 기대되어 왔다. 그 중 하나가 철도이며, 리니아 모터카는 액체 헬륨으로 냉각되는 저온 초전도자석을 사용한다. 도미타 씨는 첫 고온 초전도로 차기 초전도 혁명을 달성하기 위해 실험에 전념하고 있다.

 -- 끝 --