세계 최대 전기자동차 업체 테슬라와 민간 우주개발업체 스페이스X의 CEO 일론 머스크가 2012년 초음속 여객기인 콩코드와 같은 속도로 지상에서 달릴 수 있는 초음속 열차 ‘하이퍼루프(Hyperloop: 음속자기부상열차)’ 개념을 처음 제안한 뒤 2015년 하이퍼루프 캐슐형 탑승 차량 ‘팟(Pod)’ 설계 공모전을 열어 올 1월 미국 메서추세츠 공과대학(MIT) 팀이 전 세계 100개 대학팀을 물리치고 15만 달러의 우승상금을 거머쥐었다.
MIT를 비롯해 네덜란드 델프트공대, 미국 위스콘신대, 버지니아공대, 캘리포니아대학 등 입상한 22개 팀과 하이퍼루프의 추진, 자기부상, 브레이크 분야 공모전 우승자들은 캘리포니아 주 호손의 스페이스X 본사 인근에 건설되고 있는 하이퍼루프 실험 단지에서 자신들이 디자인한 ‘팟’을 시험할 수 있다. 머스크는 곧 의미 있는 결과를 내놓겠다며 속도를 내고 있다.
◇ 시속 1200km 하이퍼루프 개발 경쟁 치열
하이퍼루프원이 지난 11일(현지시간) 미국 라스베이거스 북쪽 네바다 사막에 설치된 시험 선로에서 하이퍼루프 추진체 프로토타입(prototype) 운행 시험을 하고 있다. 이 추진체는 2초간 187km의 속도를 냈다. (사진=하이퍼루프원 갈무리)
머스크는 캘리포니아 주 로스엔젤레스(LA) 시에서 샌프란시스코(SF) 시까지 약 613㎞ 구간을 30분 만에 주파할 수 있다며 자동차와 배, 비행기와 열차를 뛰어넘는 5세대 교통수단으로 이 하이퍼루프를 제안했다. 실제 미국은 LA에서 샌프란시스코까지 새로운 교통수단 건설을 고민하고 있다. 캘리포니아 주는 하이퍼루프 건설 비용의 4배에 달하는 680억달러 규모의 초고속 열차 건설계획을 추진 중이다.
이런 가운데 하이퍼루프를 개발하고 있는 하이퍼루프원(Hyperloop One)은 11일(현지시간) 미국 라스베이거스 북쪽 네바다 사막에 설치된 시험 선로에서 하이퍼루프 추진체 프로토타입(prototype) 운행 시험을 공개했다.
이날 시험 주행은 하이퍼루프 추진체를 기차선로와 비슷한 레일에서 달리게 해 약 2초 동안 시속 116마일(약 187km/h)의 속도로 주행했다. 하지만 브레이크가 없어 미리 쌓아놓은 모래 더미와 부딪히며 멈춰 섰다.
하이퍼루프원의 브로간 최고기술책임자(CTO)는 “최고였다. 생각한 대로 이뤄져서 만족스럽다”고 말했다. 롭 로이드 CEO는 "상상하던 하이퍼루프는 현실이다. 하이퍼루프원은 2초 안에 시속 400마일(약 643 km/h)로 달리는 게 목표”라고 말했다.
하이퍼루프원 외에도 하이퍼루프 트랜스포테이션 테크놀로지(HTT) 등 미국내외의 서너개 업체가 하이퍼루프를 개발하고 있는 것으로 알려졌다. HTT는 하이퍼루프원이 네바다 사막에서 시험 주행을 실시하기 직전 자기부상 방식으로 하이퍼루프를 개발하겠다고 밝혀 이미지 선점을 위한 신경전이 벌써부터 치열하다.
스페이스X는 일론 머스크가 어느 하이퍼루프 기업에도 소속되어 있지 않다고 밝혔지만, 머스크는 하이퍼루프원과 어떤 식으로든 연관되어 있다는 것이 전문가들의 시각이다. 머스크의 스페이스X는 하이퍼루프 상용열차를 직접 개발하기 보다는 플랫폼과 기술 개발 및 지원에 우선하고 있고, 하이퍼루프원은 추진체와 진공튜브 등을 직접 개발하고 있다.
하이퍼루프는 정말 미래를 바꿀 새로운 교통수단일까.
◇ 지상 레일 500km 속도는 이미 상용화…1000km 이상은 튜브레일형 개발
하이퍼루프 트랜스포테이션 테크놀로지(HTT)의 하이퍼루프 개념 (사진=HTT 홈페이지 갈무리)
한국기계연구원(KIMM) 한형석 박사(자기부상 연구실 실장)는 “하이퍼루프는 현재 상용화된 자기부상 열차와 사실상 비슷한 기술”이라며 “국내 기술로도 개발이 가능하다”고 말했다.
하이퍼루프는 개발하는 업체별로 적용하는 기술과 개념이 조금씩 다르긴 하지만, 1/1000(0.1%)이라는 거의 진공에 가까운 직경 3m 안팎의 진공튜브 안의 레일에 도체판이나 코일을 깔아 자기장을 발생시키고 3~4명 혹은 20~30명의 승객을 태운 캡슐형 차량을 태양열과 풍력발전으로 에너지를 공급받는 추진체를 이용해 1~2cm 높이에서 시속 1200km의 속도로 달리도록 하는 개념이다.
진공튜브는 공기저항을 줄이기 위한 장치다. 공기저항은 속도의 제곱만큼 커지기 때문에 400~500km 이상의 속도로 달리게 되면 엄청난 공기저항으로 차체의 안정성에 위험은 물론 그 이상의 에너지 추진력이 지속적으로 공급되어야하기 때문에 지상에서 초음속을 내기란 경제성에서나 기존 인프라로 볼때 사실상 불가능하다. 여객기가 지상 10km 이상에서 초음속으로 비행할 수 있는 것은 공기의 밀도가 20% 안팎으로 낮고 고출력 제트엔진의 추진이 유지되기 때문이다. 전기를 공급받는 고속철의 경우에도 2만5000V의 전력이 흐르는 전선으로부터 전력을 공급받는데, 400km 이상으로 달릴 때 전선과 접전부에 간격에 양력이 생겨 전력이 끊기는 사고가 생길 수 있다.
이같은 공기저항을 거의 없도록 만들기 위해 진공튜브 개념이 나왔고, 레일의 마찰이 없는 자기부상 방식의 차체 도입이 유력시 되는 것이다.
하지만 진공튜브에 대기의 공기밀도를 0.1% 수준으로 유지하기는 만만치 않다. 한 박사는 “튜브형 개념은 이미 오래된 개념이어서 새로운 것은 아니다”면서 “1/1000 이라는 숫자는 의미가 없다. 이 정도의 ‘엄격한 기준’을 지속적으로, 기술적으로 유지할 수 있느냐가 문제”라고 말했다.
공기를 빼내는 것은 가능하겠지만 이를 위한 시스템을 적용하기 위해서는 물리적 비용이 상당하다는 얘기다. 이 튜브형 레일은 이미 해외 초고속열차 개발 국가들이 지상 레일의 한계를 뛰어넘기 위해 고민하고 있는 문제다.
◇ 초음속 하이퍼루프, 공기저항과 진동을 잡는 것이 관건
하이퍼루프 컨셉트 (사진=HTT)
다양한 저항을 줄이기 위해 자기장 방식으로 열차를 미세하게 띄워 물리적 마찰도 줄일 수 있지만 자기장도 저항을 갖고 있다. 한 박사는 “자기저항은 자기장이 고유하게 갖고 있는 성질이어서 완전히 없앨 수 없다. 자기저항은 물리적 속도가 낮을수록 높아지고 속도가 높을수록 줄어든다”며 “열차와 도체판 사이에도 부상저항이 있지만 이를 조절하는 기술이 열차의 속도를 높이는 방법 중 하나”라고 말했다.
하지만 하이퍼루프원이 제시한 개념에는 이러한 자기저항을 조절하는 기술은 아직 반영되어 있지 않다.
일본의 차세대 초고속열차인 리니어 주오신칸센은 자력의 힘으로 열차가 철로에서 10㎝ 정도 떠서 달리는 초고속 자기부상 열차다. 지난해 4월 야마나시(山梨) 현의 시험코스에서 실시한 시험 주행에서 최고시속 603km를 기록하며 세계에서 가장 빠른 초고속 열차에 등극하는 등 전 세계의 관심을 끌었다. 하지만 이 열차는 결정적으로 진동이 큰 결점인 것으로 알려졌다. 바로 부상 제어 시스템이 없기 때문이다.
JR 도카이의 초고속 자기부상 열차 리니어 주오신칸센은 시험주행에서 시속 603km를 기록해 세계에서 가장 빠른 자기부상 초고속 열차로 기록됐다. (사진=JR 도쿄)
리니어 주오신칸센의 자기부상 방식은 레일과 차체가 가진 자체 자성만으로 부상해 움직일 수 있도록 해 비용이나 관리 면에서 장점인 반면, 빠른 속도로 달릴 경우 직선구간이 아닌 꺾어지는 구간이나 미세한 변화가 있는 구간에서는 상당한 진동이 발생해 승차감을 저해하는 것은 물론 고속 주행시 소음과 심각한 안전 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제로 리니어 주오신칸센은 시험 주행이 아닌 일반 주행에서는 시속 400km 수준으로 운행하게 된다.
자기부상열차의 핵심 기술인 부상 방식은 보통 상전도 방식인 탄젠트 전자석 흡인식과 초전도 전자석 반발식으로 나뉘는데, 탄젠트 전자석 흡인식은 전자석에 의한 흡인력에 의해 1㎝ 안팎으로 부상한다. 차체에 부착된 센서와 컴퓨터가 수시로 레일과 차체 간의 거리 조정이 가능하며 중저속형에 주로 사용된다.
초전도 전자석 반발식은 열차에 초전도 전자석을 설치하여 차량의 지지와 추진에 사용되고 일반적으로 부상 높이는 10㎝ 정도 된다. 제어가 비교적 간단해 초고속형에 주로 사용되지만, 초전도 상태가 유지되기 위해 코일을 지속적으로 초저온상태로 액체 헬륨 등으로 냉각시켜줘야 한다. 최고속도 시속 600km를 돌파한 일본의 리니어 주오신칸센 초고속 차기부상 열차를 이 기술로 개발했다. 하이퍼루프원은 현재로서 이 초전도 전자석 반발식의 자기부상 기술 적용이 유력하다.
정리해보면 하이퍼루프가 완전히 새로운 것이라기보다는 이미 개발된 초고속형 자기부상 열차의 다양한 기술을 집합하고 결합시키는 개념인 셈이다.
한 박사는 “하이퍼루프는 이미 개발된 자기부상 열차 기술의 기본 요소들로 이루어져 있다”며 “이 기술들을 활용해 어떻게 초음속 속도를 안전하게 유지하고 정차할 수 있도록 제어할지, 차체의 흔들림 문제를 해결할지가 핵심 관건”이라고 말했다. 그는 또 “자동차는 브레이크, 특히 쇼바와 타이어가 이러한 흔들림 문제를 해결해주지만 자기부상의 자력만으로는 동체의 흔들림을 제어하기는 현실적으로 어렵다”고 지적했다.
한국과 독일의 경우 자체 개발한 자기부상열차 기술에는 자성 컨트롤이 가능한 능동식 전진제어기가 설치되어 있다. 자석의 힘을 끊임없이 인위적으로 조절해 진동을 잡아준다.
한 박사는 “한국이 보유한 자성 전진제어 기술은 시속 500km 이상의 속도에서도 이러한 진동을 문제를 잡아준다”며 “시속 1200km로 달리는 하이퍼루프와 같은 초음속에서도 이 기술 적용이 가능하고 안전에 가장 큰 문제가 될 수 있는 차체의 진동문제를 해결할 수 있을 것”이라고 말했다.
자기부상열차는 한국이 독일과 일본에 이어 세계에서 세 번째로 독자 개발했을 정도로 그 기술력을 인정받고 있다. 그동안 사업 형평성 문제로 여러 난고를 겪었지만 올해 초 일본에 이어 세계에서 두번째로 도시형 무인운전 자기부상철도를 상용화 했다. 한국형 자기부상철도는 인천국제공항과 주변을 운행하며, 전자석의 힘을 이용해 선로 위에 8㎜ 높이로 떠서 이동한다.
그렇다면 우리도 하이퍼루프를 개발할 수 있지 않을까.
◇ 한국, 하이퍼루프 개발능력 있지만 경제성이 걸림돌
철도기술연구원(KRRI)가 지난 4월 14일 차세대 캡슐형 진동튜브 초고속 열차시스템인 하이퍼루프(Hyperloop) 세미나를 개최하고 있는 모습 (사진=KRRI)
한국의 경우, 기술 개발을 떠나 하이퍼루프를 활용할만한 경제적인 노선은 서울-부산을 잇는 경부선 정도에 불과하다는 것이 전문가들의 시각이다. 기존 경부선 선로는 이미 포화상태에 이르러 이에 대한 대안이 필요한 상태다. 하지만 국가적 교통 인프라 정책 면에서 이제 막 떠오른 하이퍼루프 개념을 국내에 그대로 적용하기는 쉽지 않다.
일본 철도회사 JR도카이는 2027년 도쿄(東京)~나고야(名古屋) 구간에서 리니어 주오 신칸센을 운행할 예정이다. 현재 운행중인 신칸센이 2시간22분만에 주파하는 도쿄~오사카 구간(545㎞)을 리니어 주오신칸센이 시속 600km로 달린다면 운행시간은 54분으로 단축된다.
서울~부산 구간은 약 400km다. 최대 시속 300㎞인 KTX는 2시간30분이 걸린다. 시속 1200㎞의 하이퍼루프로는 약 30분 이내 도착한다. 50톤 규모의 화물을 실어날을 수 있는 능력도 포함된다. '물류의 혁명'이라는 얘기가 나올 법도 하다. 문제는 경제성이다.
한 박사는 “하이퍼루프를 개발할 기술력은 한국도 충분히 갖고 있다”며 “다만, 경제성과 현실성의 문제가 뒤따를 뿐”이라고 말했다.
미국의 경우 오랫동안 LA와 샌프란시스코 간 새로운 교통 인프라 수요가 꾸준히 제기되어 왔고, 벤처캐피털과 같은 대규모 기술투자 자본력, 일론 머스크와 같은 비즈니스 실행능력을 가진 러더십이 만든 새로운 시장 창출에서 기인한 것이라는 얘기다.
국내에서 개발한 시속 550km의 초고속 자기부상 열차 (사진=KRRI)
전문가들은 미국의 경우 한국 정서와는 또 다른 개척과 도전적인 문화, 독특한 기술 개발 인프라, 생태계의 특성이 하이퍼루프라는 개념을 현실로 만드는 원동력이 되고 있다고 말한다.
한 박사는 "이미 상당한 기술을 확보한 한국도 초고속 자기부상 기술을 지속적으로 축적하면서 하이퍼루프가 미래 교통수단으로서 현실화가 가능해질 때 기술 수출이나 자체 개발 가능성을 타진해볼 필요가 있다"고 말했다.
세계 최초의 초고속 자기부상열차는 독일이 개발한 트랜스래피드(Transrapid)다. 흡인식 부상 방식으로 궤도 위를 10㎜를 떠서 시속 430km까지 운행할 수 있다. 현재 중국 상하이 푸동공항에서 시내 중심부를 잇는 약 30km 구간에서 운행 중이다.
한국은 진공튜브를 이용한 초고속 열차에 대한 특허기술도 다량으로 보유하고 있다. 최대 700km 이상의 초고속으로 달리는 자기부상 기술 연구도 상당한 수준에 이른 것으로 알려져 있다.
2009년 당시 한국철도기술연구원 최성규 원장은 "차세대 에너지원인 전기에너지를 사용하는 시속 700km 초고속 튜브 트레인을 통해 초고속 네트워크를 구축, 동북아에서 최강의 국가로 성장할 수 있는 전략을 주도해야 한다"고 주장한 바 있다.
국내는 2030년 시속 700km 급 자기부상 열차를 상용화하는데 목표를 두고 있다.
◇ 미국 캘리포니아 주, 680억달러 규모 초고속철 사업 추진 중
한편, 하이퍼루프원과 경쟁관계인 HTT는 모두 60억달러를 투자해 하이퍼루프 라인을 건설할 예정이다. 이보다 앞서 2년 6개월에 걸쳐 캘리포니아 지역에 약 8km의 시범운영구간을 건설할 계획이다. 시범운행 중 사람을 태웠을 땐 시속 257km로, 무인 상태에서는 최고시속인 1200km까지 속도를 높인다는 계획이다.
곤도라나 케이블카와 비슷한 외형이지만 태양광을 이용한 궤도형 차세대 교통수단을 개발하는 제이포드(Jpods)도 이 프로젝트에 뛰어들었고, 슬로바키아는 정부차원에서 하이퍼루프 시스템 도입 계획을 발표하며 브라티슬라바에서 부다페스트까지 약 10분 내에, 브라티슬라바와 빈까지는 약 8분 만에 돌파할 수 있는 교통수단을 적용하겠다고 밝혔다.
미국 플로리다에 있는 업체 ET3는 하이퍼루프와 같은 진공관 운송수단(Evacuated Tube Transport·ETT)을 이용해 시속 600km에서 최고 6430km로 달리는 개념을 내놨다.
일론 머스크는 LA에서 샌프란시스코까지 560km 떨어진 거리를 약 35분만에 주파할 수 있는 하이퍼루프 설계안을 앞서 공개하며 하이퍼루프 프로젝트에 불을 지폈다.
LA에서 샌프란시스코 구간의 하이퍼루프 건설비용은 160억달러(약 18조원)에 이를 것으로 추산되고 있다. 일부 교통 전문가들은 이 비용이 1천억달러(약 113조원)까지 불어날 수 있다고 말하고 있다. 캘리포니아주는 현재 하이퍼루프 건설 비용의 4배에 달하는 680억달러(약 77조원) 규모의 초고속철 건설계획을 추진하고 있다.
미국의 하이퍼루프를 비롯해 해외에서 시속 500km~6000km의 초고속 진공튜브 자기부상 열차를 개발하는 나라는 한국과 독일, 일본, 미국, 중국, 유럽 등 10여 곳에 이른다. 다만 미국의 자기부상 기초 기술 연구는 오래됐지만 상용화 기술은 전무해 해외 기술을 흡수하기 위한 오픈소스 개발 형태를 취하고 있다.