일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.8.29

새로운 레이저로 세계를 바꾼다
레이저 핵융합, 우주쓰레기 제거, 해충 격추
고속 이동체에 대한 조사(照射) 기술로 진전

‘연료’를 레이저 광으로 폭발시켜 핵융합을 일으키는 레이저 핵융합은 2022년 12월, 미국 로렌슬리바모어국립연구소(LLNL)의 NIF(National Ignition Facility)가 조사(照射)한 레이저광의 에너지를 뛰어넘는 에너지를 핵융합으로 추출하는 원리 검증을 약 60년 만에 성공. 큰 이슈가 되었다.

하지만, 시스템 전체에서 투입 에너지 대비 얻은 에너지는 0.8%로 매우 낮았다. 그 이유는 원리 검증을 우선시해 레이저 설비를 40여 년 전부터 크게 갱신하지 않았기 때문이다. 이 레이저 설비 쇄신에서는 오히려 일본의 레이저 핵융합을 목표로 하는 연구기관이나 벤처기업이 한발 앞서 있다고 할 수 있다.

-- 2035년 발전 실증을 목표로 --
그 중 하나가 NIF의 성과가 나오기 약 1년 전인 2021년 7월에 설립된 오사카 대학 발 벤처기업인 엑스퓨전(EX-Fusion)이다. 학술 연구 기반에서는 실패가 허용되지 않아 위험을 감수할 수 없고, 속도감 있는 도전도 어렵다는 것이 설립 이유였다.

엑스퓨전의 마쓰오(松尾) 대표는 “2035년에 발전 실증을 실시하는 것을 목표로 하고 있다”라고 한다. 하지만, 당분간은 핵융합로보다도 공중을 고속으로 나는 ‘연료’ 캡슐에 레이저 광을 핀포인트로 조사(照射)하는 시스템 개발에 주력할 방침이다.

그 이유는 NIF를 포함한 지금까지 연구 기관들이 추진해온 개발에서는 화로 중앙에 고정된 연료 캡슐에 레이저 광을 조사했다. 하지만 실용화를 고려하면 연료 캡슐 고정은 현실적이지 않다. 1초에 10~100개의 연료 캡슐에 레이저 광을 조사해야 하는데 연료 캡슐을 고정하면 고정을 위한 받침이 레이저 광을 조사할 때마다 핵융합 에너지로 인해 파손되기 때문이다.

-- 100m/초로 발사된 ‘연료’를 조사 --
이 때문에 연료 캡슐을 화로의 천장 혹은 측면에서 고속으로 사출하고, 그것을 화로 중앙에서 레이저로 겨냥해 조사해야 한다. 하지만 지금까지 이러한 시스템 개발은 연구기관에서는 불가능했다. 실용화를 위해서는 우선 이러한 시스템을 개발할 필요가 있다. 현시점의 프로토타입은 아직 소형이지만, 실제 시스템에서는 내부 미러가 각각 직경 1m급의 사이즈가 될 것이라고 한다.

엑스퓨전의 경우, 상정하는 연료 캡슐의 사출 속도는 100m/초. 이 속도로 공중을 나는 연료 캡슐을 카메라로 인식하고 궤도를 계산해 레이저 광을 ‘올바르게’ 조사하는 것이 중요하다.

여기서 ‘올바르게’라는 것은 연료 캡슐의 폭발이 균일하게 일어나는 각도에서 다수의 레이저 광을 일제히 조사하는 것이다. 연료 캡슐에 레이저 광을 조사하는 것만으로는 핵융합이 일어나지 않는다. NIF가 원리 검증에 60년이나 걸린 이유는 조사 방법이 어려웠기 때문이다.

-- NIF를 금방 추월할 수 있어 --
엑스퓨전도 ‘원리 검증’까지 상당한 시간이 걸릴 것으로 생각되지만, 엑스퓨전의 마쓰오 대표는 그 점은 걱정할 필요가 없다고 한다. NIF가 성공한 것은 최근 몇 년간 기계학습을 도입해 조사 방법을 최적화했기 때문이다. “NIF가 실질적으로 핵융합 실험을 한 것은 2009~2022년이다.

그들의 레이저 설비로는 짧은 시간 간격으로 반복 조사가 불가능하다. 또한 다른 목적의 연구와 병행했기 때문에, 핵융합 목적의 조사 횟수는 의외로 적었다. 우리는 10회/초 빈도로 레이저 광을 조사할 수 있어 매우 짧은 시간에 많은 데이터를 얻을 수 있다. NIF를 금방 추월할 수 있다”(마쓰오 대표)라고 한다.

-- 지상에서 1,000km 떨어져 있는 지름 10cm의 우주 쓰레기도 ‘타깃’ --
엑스퓨전의 모체이기도 한 오사카대학(大阪大学)도 레이저 핵융합 기술의 수평 전개를 추진하고 있으며, 최근에는 움직이는 표적에 레이저를 조사하는 연구도 시작했다.그 표적은 크게 두 종류. 하나는 우주쓰레기. 또 하나는 채소를 갉아먹는 해충이다.

현재, 우주쓰레기, 특히 상공 1,000km 이하에 있는 저궤도위성(LEO)으로 인한 우주쓰레기가 여러 가지 점에서 과제가 되고 있다. 인공위성의 로봇 암으로 직접 회수하거나 인공위성에서 레이저를 조사해 제거하는 움직임도 있지만, 오사카대학이 상정하는 것은 지상에서 우주쓰레기에 레이저광을 조사해 궤도를 바꿔 최종적으로 지구에 낙하시키는 것이다.

“우주쓰레기 중 90%가 직경 1cm~10cm의 크기이다. 지름이 10㎝ 이상인 쓰레기는 개별적으로 특정할 수 있어 그물 등으로 포착하는 것도 가능하다. 1cm 이하의 것은 위성 탑재형 레이저로 궤도를 바꾸는 것도 고려되고 있지만, 1cm~10cm의 쓰레기는 대응이 어렵다. 우리 기술이라면 이것을 지상에서 레이저로 쏠 수 있다”.(오사카대학 레이저과학연구소의 소장이자 명예교수인 아다마(兒玉) 씨)

1,000km 떨어져 있는 10cm 크기의 표적을 노리기 위해 허용되는 빔의 범위는 각도로 10-7라디안(rad). 한편, 레이저 핵융합에서도 수 십 미터 앞의 표적의 폭이 수 ㎛로, 각도로 하면 역시 10-7rad이다.

“연료 캡슐은 직경 2~3mm이지만, 폭발을 일으키기 위해 요구되는 정밀도는 훨씬 높다. 요구되는 출력도 레이저 핵융합용이 평균 약 5MW, 500kJ/펄스인데 반해, 우주쓰레기용은 1MW, 10kJ/펄스로 전용하기 쉽다. 우리는 빔을 제어하는 미러와 위상 제어 기술도 이미 가지고 있다”.(아다마 소장)

-- 해충을 최소 에너지로 제거 --
오사카대학 레이저과학연구소의 후지(藤) 특임교수와 야마모토(山本) 교수가 이끄는 연구진은 나방을 쏘아 떨어뜨리는 기술을 개발해 2023년 1월에 발표했다. 여기서 나방은 구체적으로는 ‘담배거세미나방’이라고 하는 농작물 전반을 잡아먹는 해충의 대표적인 곤충이다.

이 담배거세미나방의 성충은 약 2m/초의 속도로 난다. 이것을 카메라로 인식 및 추적해 청색 반도체 레이저(LD)의 펄스를 빔 제어해 조사한다. 그렇지만 벌레를 태워 죽이는 강력한 레이저 광은 아니다. 머리나 흉부 등의 급소를 조사함으로써 1,820W(0.52J) 정도의 최소 에너지로 신경에 피해를 주는 방법을 사용한다고 한다.

앞으로는 소형 주행 로봇이나 드론에 이 레이저 조사 기능을 구현해 순찰용으로 사용하는 것도 상정하고 있다. 대량의 농약 대신 특정 해충을 핀포인트로 제거할 수 있게 된다면 해충 제거에 소요되는 비용과 환경에 미치는 영향도 최소화할 수 있다.

-- 1km 상공을 나는 드론을 격추 및 파괴 --
최근에는 레이저 광을 방위 목적으로 사용하는 용도도 고려되고 있다. 10k~100kW의 레이저 광을 드론에 조사해 그것을 격추하는 용도이다. 국내에서는 미쓰비시중공업(三菱重工業)과 가와사키중공업(川崎重工業)이 개발 중이다.

기술적으로는 비슷하지만, 앞에서 소개한 레이저 핵융합 기술의 응용과는 개발 경위나 사고방식이 다르다. 앞에서 언급한 바와 같이, 레이저 핵융합 기술을 응용한 우주쓰레기나 해충을 대상으로 한 레이저 조사는 조사 대상을 직접 파괴하거나 분해하는 강도는 아니다. 반면, 방위 용도의 경우, 드론 조사는 드론의 완전한 파괴가 주목적이다. 광원은 소형 및 경량성을 중시해 파이버(Fiber) 레이저를 사용하는 경우가 많다.

-- 날카로운 ‘양날의 검’ --
가위나 칼, 그리고 최근의 인공지능(AI)과 마찬가지로 레이저도 능숙하게 사용하면 여러 분야에서 생활과 사회에 도움이 되는 편리한 도구가 되지만, 악의적이고 위험하게 사용될 수도 있는 매우 날카로운 양날의 검이라고 할 수 있다. 최근에는 용이하게 운반할 수 있는 파이버 레이저로 수 십 kW의 출력을 실현할 수 있는 시대가 되었다.

그리고 후속 연재 기사에서 다룰 예정인 레이저 출력 장치는 더욱 극적인 소형화와 고출력화 등이 실현되었다. 레이저에는 이미 일정한 규제가 있지만, 최근 기술의 급속한 진전을 고려해 제품 제조자, 판매자, 그리고 이용자를 사회적으로 관리하는 규제를 다소 강화하는 방향으로 재검토할 필요가 있을 것 같다.

 -- 끝 --

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