자기장 – 포커스온경제 통합 검색

전체기사보기
2025-08-14 (목)

검색

[신소재 신기술(142)] 난임 치료의 혁신-나팔관 막힘 제거하는 '자성 로봇 나사' 개발

난임 치료 분야에서 기존의 수술법을 대체할 수 있는 획기적인 기술이 등장했다. 자성으로 구동되는 마이크로 로봇 나사가 나팔관 막힘을 제거하는 방식으로, 난임의 주요 원인 중 하나를 해결하는 새로운 가능성을 열었다. 중국 선전 첨단기술연구원(SIAT) 자성 소프트 마이크로로봇 연구실은 나팔관 폐쇄로 인한 여성 난임 치료를 위해 '자성 마이크로 로봇(magnetic microrobot)' 나사를 개발했다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 이는 전 세계 수백만명의 여성에게 영향을 미치는 나팔관 폐쇄 문제를 해결할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 자성 로봇은 회전하는 자기장을 이용해 기계적인 움직임을 발생시키며, 기존의 카테터와 유도 와이어를 이용한 수술적 방식보다 덜 침습적인 치료법으로 기대를 모은다. 연구진은 이번 기술이 난임 치료 방법을 개선하고, 나팔관 폐쇄로 임신에 어려움을 겪는 여성들에게 새로운 희망을 제공할 것이라고 밝혔다. 정밀한 로봇 기술로 나팔관 폐쇄 난임 해결 전 세계적으로 약 1억8600만명이 난임을 겪고 있으며, 여성 난임 사례의 11~67%가 나팔관 폐쇄로 인한 것이다. 전통적인 치료법은 카테터와 유도 와이어를 사용해 나팔관을 뚫는 방식이지만, 이러한 절차는 환자의 몸에 기기를 삽입해야 하며 침습적이고 불편함을 유발할 수 있다. 이에 연구팀은 기존 수술법보다 덜 침습적인 대안을 개발하고자 했다. 연구팀이 개발한 마이크로 로봇은 비자성 감광성 수지로 제작된 후, 표면에 얇은 철층을 입혀 자성을 부여했다. 로봇은 자기장에 반응해 회전하며, 이를 통해 나팔관을 모사한 유리 채널을 통과한다. 실험 결과 이 로봇은 여성 생식 기관에서 발생하는 막힘을 모방한 세포 덩어리를 성공적으로 제거했다. 자성 마이크로 로봇은 섬세하고 좁은 나팔관 구조를 정확하게 통과하며, 정확한 내비게이션이 가능함을 입증했다. 로봇이 회전하는 동안 소용돌이장을 형성해 막힌 찌꺼기를 뒤쪽으로 밀어내며 막힘을 효과적으로 제거한다. 이 같은 특별한 움직임과 설계는 나팔관 내 장애물을 효율적이고 정밀하게 제거하는 데 기여한다. 마이크로 로봇, 다양한 실험 통해 효과 입증 연구팀은 다양한 실험을 통해 시스템의 유효성을 입증했다. 회전하는 로봇 나사가 장벽에 쌓인 찌꺼기를 밀어내며, 시뮬레이션된 나팔관 막힘을 효과적으로 제거하는 모습을 보였다. 팀은 향후 더 정교하고 소형화된 로봇을 개발할 계획이며, 실제 장기 모델에서의 테스트와 실시간 위치 추적을 위한 생체 내 이미징 시스템 통합을 목표로 하고 있다. SIAT 염구팀의 하이펑 쉬(Xu Haifeng)는 "이번 기술은 기존의 카테터와 유도 와이어를 이용한 수술 방식부다 덜 침습적인 대안이 될 수 있다"며 "환자의 부담을 덜고 치료효과를 높이는 데 기여할 것"이라고 밝혔다. 연구팀은 자동 제어 시스템을 개발해 막힘 제거의 효율성을 높이고, 수술 등 다양한 의료 분야에 이 기술을 확대 적용할 계획이다. 쉬 박사는 "궁극적으로 난임을 겪는 환자들에게 더 효과적이고 최소 침습적인 솔루션을 제공하는 것이 목표"라고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 학술지 'AIP 어드밴시스(AIP Advances)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-12-24 15:34:00
[윌로우, 양자 혁명의 시작(5)] 윌로우 칩, 극저온의 심장으로 태어나다…구글 양자 AI 연구소 탐험

구글의 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우'는 단순한 기술적 도약을 넘어, 미래 컴퓨팅 혁신을 위한 새로운 패러다임을 열고 있다. 그러나 이 혁신이 가능했던 이유는 단순한 설계 이상의 과학적 정밀함과 최첨단 기술이 집약된 구글 양자 AI 연구소의 역할이 있었기 때문이다. 이번 회에서는 윌로우 칩 제작에 숨겨진 놀라운 기술적 비밀을 깊이 있게 탐구한다. [편집자 주] 양자 컴퓨팅, 극저온에서 태어나다 양자 컴퓨터의 기본 구성 요소인 큐비트는 외부 환경의 영향을 매우 민감하게 받는다. 이러한 특성 때문에 큐비트는 극저온 환경에서만 안정적으로 작동할 수 있다. 구글 양자칩은 초전도 회로를 사용해 에너지를 저장하고, 자기장과 전기장을 활용한 조셉슨 접합(Josephson junction)을 사용한다. 이 과정을 통해 고품질의 큐비트를 만들고, 이를 큰 규모의 복합 장치에 통합할 수 있다. 구글 연구소는 윌로우 칩의 안정성을 극대화하기 위해 '희석 냉장고(dilution refrigerator)'라는 첨단 장비를 활용한다. 이 냉장고는 절대 온도(0K, 섭씨 -273.15도)에 가까운 약 10밀리켈빈(mK, -273.14℃)의 초저온 환경을 유지한다. 이 온도에서는 전기 저항이 사라지는 초전도 상태가 형성되어 큐비트가 외부 간섭 없이 안정적으로 양자 상태를 유지할 수 있다. 이는 윌로우 칩의 연산 능력을 극대화하는 데 핵심적인 역할을 한다. 초전도 회로, 큐비트의 속삭임을 듣다 윌로우 칩은 초전도 회로를 기반으로 설계되었다. 초전도 회로는 전류가 전혀 손실 없이 흐를 수 있는 상태를 만들어 큐비트 간의 정보 전달을 정확하고 효율적으로 수행한다. 구글 연구소는 조셉슨 접합과 같은 기술을 활용해 큐비트의 상태를 정밀하게 제어하며 외부 환경으로부터 발생하는 간섭을 최소화한다. 또한, '표면 코드(surface code)' 기술을 적용해 큐비트 배열을 최적화함으로써 계산의 정확도를 높였다. 이러한 기술적 설계는 윌로우가 기존 양자 컴퓨팅 칩과 차별화되는 이유 중 하나다. 희석 냉장고, 큐비트를 지키는 방패 희석 냉장고는 윌로우 칩의 성능을 보장하는 중요한 장비다. 이 냉장고는 헬륨-3과 헬륨-4의 혼합을 통해 극저온을 생성하며, 큐비트 주변의 열적 노이즈를 제거한다. 양자 컴퓨터는 외부의 노이즈(잡음)에 매우 민감하다. 열 뿐만아니라 라디오파, 전자기장, 심지어 우주선으로부터 영향을 받을 수 있다. 희석 냉장고를 통해 큐비트는 안정적으로 작동하며, 더 높은 수준의 계산을 수행할 수 있다. 구글은 이 냉각 기술을 통해 큐비트의 성능을 극대화할 뿐만 아니라, 양자 오류 정정 기술을 실험하고 개선할 수 있는 환경을 조성했다. 이는 윌로우가 양자 컴퓨터 상용화를 향한 중요한 이정표가 된 이유다. 정밀한 배선 기술…큐비트를 연결하다 큐비트는 매우 민감한 구조를 가지고 있어 배선 과정에서도 신호 손실이나 노이즈를 최소화하는 정밀한 설계가 필요하다. 구글 연구소는 윌로우의 배선을 설계할 때, 실온에서 극저온 환경까지 안정적으로 신호를 전달할 수 있도록 특별히 설계된 마이크로파 신호 전달 시스템을 사용했다. 이는 큐비트 간 정보 전달의 정확성을 높이고, 계산 오류를 줄이는 데 기여했다. 윌로우 칩, 인류의 난제를 해결하다 윌로우 칩의 성공은 단순한 기술적 진보가 아니다. 이는 구글 퀀텀 AI가 양자 컴퓨팅의 상용화를 향해 나아가는 여정의 중요한 이정표다. 의약품 개발, 에너지 효율화, 기후 변화 대응 등 다양한 분야에서 윌로우는 인류가 직면한 난제를 해결할 강력한 도구로 자리 잡고 있다. 구글의 윌로우는 단순히 기술 혁신을 이루는 데 그치지 않고, 새로운 윤리적 논의를 불러일으키고 있다. 다음 회에서는 양자 컴퓨팅의 사회적 영향과 이를 둘러싼 논의를 심층적으로 다룬다. [윌로우, 양자 혁명의 시작(6)]에서 이어진다.
- IT/바이오
2024-12-18 10:22:00
[신소재 신기술(141)] 칼텍, 인체 내 특정 부위에 치료 약물 전달하는 구형 마이크로 로봇 개발

미국 캘리포니아 공과대학교(칼텍·Caltech) 과학자들이 생체적합형 미세 하이브리드 마이크로 로봇을 개발해, 치료용 약물을 원하는 신체 부위에 주입하는 데 성공했다. 미래에는 치료용 약물을 체내 필요한 곳에 정확히 전달하는 것이 소형 로봇의 과제가 될 것이다. 금속 휴머노이드 로봇이나 생체를 모방한 로봇이 아니라 눈에 보이지 않을 정도로 작은 거품과 같은 구체가 될 것이다. 체내 실핏줄을 따라 이동해야 할 것이기 때문이다. 이러한 로봇의 개발은 까다롭다. 위산과 같은 체액으로부터 생존해야 하고 외부에서 제어가 가능해야 한다. 그래야 정확하게 목표 부위로 향할 수 있다. 또 목표에 도달했을 때만 치료제를 방출해야 하며, 그 후에는 인체에 해를 끼치지 않고 신체 내에서 흡수되어야 한다. 이런 모든 요건을 충족하는 마이크로 로봇이 칼텍(Caltech) 연구팀에 의해 개발되었다고 칼텍이 공식 홈페이지를 통해 밝혔다. 연구팀은 로봇을 사용해 쥐의 방광에 발생한 종양의 크기를 줄이는 치료제를 성공적으로 전달했다. 관련 논문은 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 저널에 게재됐다. 연구팀이 개발한 로봇은 '생체흡수성 음향 마이크로 로봇(BAM)'이라고 명명됐다. 연구팀의 레이 가오 박사는 "약물을 신체에 주입하면 신체 모든 곳으로 확산된다. 우리가 개발한 마이크로 로봇은 종양 등 치료 대상 부위로 직접 안내해 통제되고 효율적인 방식으로 약물을 방출할 수 있다"고 말했다. 마이크로 또는 나노 로봇 개념은 새로운 것은 아니다. 전문가들은 지난 20년 동안 마이크로 로봇을 개발해 왔다. 그러나 혈액, 소변 또는 타액과 같은 복합적인 생체 유체에서 로봇을 정밀하게 움직이는 것은 매우 어렵기 때문에 생물 대상 적용은 제한적이었다. 특히 생체적합성 및 생체흡수성으로 신체에 독성 물질을 남기지 않아야 하는데, 이 역시 난제였다. 칼텍에서 개발한 마이크로 로봇은 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트라는 하이드로겔로 만들어진 미세한 구체다. 하이드로겔은 액체 또는 수지 형태로 시작해 내부에 있는 폴리머 네트워크가 굳어지면 고체가 되는 재료이다. 이러한 특성으로 하이드로겔은 다량의 액체를 유지할 수 있고, 많은 하이드로겔이 생체적합성을 갖는다. 또한 적층 제조 방법을 통해 구체의 외부에 치료용 약물을 탑재, 신체 내 목표 부위로 운반할 수 있다. 하이드로겔 레시피를 만들기 위해 연구팀의 일원이었던 줄리아 그리어는 '2광자 중합(TPP) 리소그래피'라는 기술을 활용, 3D 프린팅을 연상시키는 방식으로 복잡한 형태의 구조를 층층이 쌓아 올려 완성했다. 이 기술은 적외선 레이저 펄스를 사용해 특정 패턴에 따라 매우 정밀한 방식으로 감광성 폴리머를 가교시키는 기술이다. 그리어 팀은 직경 30마이크론의 미세 구조를 인쇄하는 데 성공했다. 이는 사람의 머리카락 직경과 비슷하다. 최종적으로 마이크로 로봇은 구체의 바깥쪽 내부에 자성 나노 입자와 치료 약물을 넣었다. 자성 나노 입자는 외부에서의 통제를 위한 것으로, 외부 자기장을 사용해 로봇을 원하는 위치로 안내할 수 있게 한다. 로봇이 목표 부위에 도달하면 그 자리에 머무르고 약물을 주입하게 된다. 연구팀은 마이크로 로봇의 외부를 친수성으로 설계해 구형 로봇이 신체를 통과할 때 뭉치지 않도록 했다. 그러나 마이크로 로봇의 내부는 기포를 가두어야 하기 때문에 친수성이어서는 안 된다. 그렇지 않으면 기포는 쉽게 붕괴되거나 용해된다. 가두어진 기포는 로봇을 이동시키고 실시간 이미징으로 추적하기 위해 중요하다. 외부는 친수성이고 내부는 소수성, 즉 물에 대한 저항성을 모두 갖춘 하이브리드 마이크로 로봇을 만들기 위해 연구팀은 2단계 화학적 변형을 고안했다. 먼저, 하이드로겔에 긴 사슬 탄소 분자를 부착해 전체 구조를 소수성으로 만들었다. 그런 다음 산소 플라즈마 에칭 기술을 사용해 외부의 긴 사슬 탄소 구조 일부를 제거함으로써 외부는 친수성으로, 내부는 소수성으로 남겼다. 이것이 이번 연구 프로젝트의 핵심 혁신이었다. 가오는 "내부는 소수성이고 외부는 친수성인 비대칭 표면 변형을 통해 소변이나 혈청과 같은 생체 유체에 장시간 기포를 가둘 수 있게 됐다“고 설명했다. 구형 마이크로 로봇 안에 있는 기포는 초음파 영상 대조제 역할을 한다. 기포를 통해 생체 내에서 움직이는 로봇을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 연구팀은 마이크로 로봇이 목표 지점으로 이동하는 것을 추적하는 방법도 개발했다. 연구의 마지막 단계는 방광 부위에 종양이 있는 쥐에 대한 테스트였다. 연구팀은 21일 동안 마이크로 로봇을 통해 네 차례 치료제를 전달했다. 그 결과 로봇이 전달하지 않은 치료제보다 종양을 줄이는 데 더 효과적이라는 사실이 규명됐다. 연구팀은 이번 개발 결과는 환자에 대한 약물 전달 및 정밀 수술을 위한 매우 유망한 플랫폼이 될 것이라고 자평하고 사람에 대한 임상 실험을 거쳐 상용화가 필요하다고 주장했다.
- IT/바이오
2024-12-17 09:20:00
[우주의 속삭임(86)] 우주 팽창 속도, 표준 우주론에 의문 제기⋯제임스웹 망원경, 허블 망원경 측정값 검증

우주가 천문학자들의 예상보다 빠르게 확장되고 있는 것으로 나타나 우주론 연구에 새로운 국면을 예고했다. 미국 항공우주국(나사·NASA)의 제임스 웹 우주 망원경은 우주의 팽창 속도가 예상보다 8% 빠르다는 것을 확인했다. 우주는 마치 오븐 속에서 머핀을 굽는 것처럼 확장된다는 것이다. 즉, 빵 반죽이나 머핀 반죽을 넣어 오븐에 구으면 빵이나 머핀이 커지는 것처럼 우주가 팽창된다는 것. 이때 머핀 속의 건포도나 블루베리는 오븐 속에서 머핀 반죽이 부풀어 오르면서 서로 멀어진다. 제임스 웹 망원경의 최신 관측 결과는 우주의 팽창 속도에 대한 기존 이론에 의문을 제기했다. 이는 단순한 측정 오류가 아닌, 우주 자체의 미지의 특징이 현재의 팽창 속도를 설명할 수 있음을 시사한다. 우주론적 난제 '허블 텐션' 심화 제임스 웹이 수집한 2년간의 데이터는 허블 우주 망원경이 이전에 발견한 우주의 팽창 속도가 천체물리학자들이 우주의 초기 조건과 수십억 년에 걸친 진화에 대해 알고 있는 이론에 근거해 예상했던 것보다 8% 빠르다는 것을 입증했다. 이 불일치를 '허블 텐션'이라고 한다. 허블 텐션은 현재까지 최고 우주 모델로도 설명되지 않은 난제로 남아 있다. 이번 연구는 허블 우주 망원경의 측정값을 검증하며, 우주의 팽창 속도를 나타내는 허블 상수 측정에서 나타나는 불일치, 즉 '허블 텐션'을 해결하기 위한 중요한 단서를 제공한다고 스페이스닷컴, PHYS, KSL.닷컴 등 다수 외신이 전했다. 우주 가속 팽창을 공동 발견한 공로로 2011년 노벨상 수상자이자 이번 연구의 주요 저자인 존스 홉킨스 대학교의 애덤 리스 교수는 "관측된 우주 팽장 속도와 표준 모델의 예측 사이의 불일치는 우리의 우주에 대한 이해가 불전할 수 있음을 시사한다"며 "두 개의 NASA 주력 망원경이 서로의 발견을 확인하는 현 상황에서, 우리는 이 문제를 매우 심각하게 받아들여야 한다. 이는 도전이지만 동시에 우리 우주에 대해 더 많이 배울 수 있는 놀라운 기회이기도 하다"라고 말했다. 이번 연구는 천체물리학 저널(Astrophysical Journal)에 게재됐으며, 리스 교수의 노벨상 수상 업적인 '암흑 에너지'에 의한 우주 가속 팽창 이론을 기반으로 한다. 암흑 에너지는 별과 은하 사이의 광활한 공간에 스며들어 우주의 팽창을 가속화시키는 미지의 에너지다. 우주의 약 27%를 차지한다고 생각되는 '암흑 물질'은 눈에 보이지 않지만 일반 물질(별, 행성, 달, 지구상의 모든 물질)에 미치는 중력 효과를 바탕으로 그 존재가 추정되는 가설적 물질의 한 형태다. 지구상의 모든 물질은 우주의 약 5%를 차지한다. 우주의 약 69%를 차지하는 것으로 추정되는 '암흑 에너지'는 우주의 광대한 공간에 스며들어 중력을 상쇄하고 우주의 가속 팽창을 주도하는 에너지의 한 형태라고 가정된다. 우주가 정적이지 않고 확장되거나 수축될 수 있다는 이론은 1922년 물리학자 알렉산더 프리드먼이 처음 발표했다. 그는 우주가 확장되고 있다는 것을 수학적으로 확인했다. 우주의 확장 속도를 더 깊이 들여다 본 사람은 에드윈 허블이었다. 허블은 1929년 우주 전체가 확장되고 있으며 확장 속도가 증가하고 있다는 것을 확인한 유명한 논문을 발표했다. 수수께끼의 '허블 상수' 연구팀은 웹 망원경이 우주에서 보낸 첫 2년 동안 수집한 방대한 데이터를 활용하여 허블 망원경의 허블 상수 측정값을 검증했다. 초신성을 포함하는 거리를 정하는 세 가지 방법을 사용했으며, 특히 허블 망원경으로 측정하여 가장 정확한 '국부적' 허블 상수 값을 제공하는 것으로 알려진 거리에 초점을 맞추었다. 두 망원경의 관측 결과는 매우 유사하게 일치해 허블 망원경의 측정값이 정확함을 보여줬으며, 허블 텐션을 허블 망원경의 오류로 돌릴 만큼 큰 오차가 없음을 확인했다. 그러나 허블 상수는 여전히 수수께끼로 남아 있다. 망원경 관측을 기반으로 한 현재 우주의 측정값은 우주 마이크로파 배경 복사 데이터를 사용하여 보정된 표준 우주론 모델의 예측 값보다 높기 때문이다. 표준 우주론 모델에 따르면 허블 상수의 값은 약 67~68km/Mpc(메가파섹, 은하의 거리 단위)이어야 한다. 반면, 허블과 웹 망원경 데이터 기반 측정값은 일반적으로 70~76km/Mpc의 더 높은 값을 나타냈다. 평균값은 73km/s/Mpc다. 이러한 불일치는 측정 또는 관측 기술의 오류로 설명하기에는 너무 큰 차이이기 때문에 10년 이상 우주론자들을 혼란스럽게 했다. 메가파섹(Mpc)은 326만 광년에 해당하는 엄청난 거리를 말한다. 1광년은 빛이 1년 동안 이동하는 거리로 5.9조마일이다. 웹 망원경의 새로운 데이터가 허블 망원경 측정의 유의미한 편향을 배제함에 따라, 허블 텐션은 아직 밝혀지지 않은 미지의 요인이나 우주론자들의 물리학적 이해의 틈에서 비롯될 수 있다고 연구팀은 보고했다. 존스 홉킨스 대학교에서 이 연구를 진행한 대학원생 사양 리는 "웹 망원경 데이터는 처음으로 고화질로 우주를 보는 것과 같으며 측정의 신호 대 잡음비를 실제로 향상시킨다"고 말했다. 우주 진화를 보여주는 허블 상수 이번 연구는 NGC 4258이라는 은하까지의 알려진 거리를 기준점으로 사용하여 허블 망원경의 전체 은하 샘플의 약 3분의 1을 다루었다. 더 작은 데이터 세트에도 불구하고 연구팀은 측정값 간의 차이를 2% 미만으로 줄이는 인상적인 정밀도를 달성했는데, 이는 허블 텐션 불일치의 약 8~9% 크기보다 훨씬 작다. 연구팀은 우주 거리 측정의 황금 표준인 세페이드 변광성 분석 외에도 동일한 은하에 걸쳐 탄소가 풍부한 별과 가장 밝은 적색 거성을 기반으로 측정값을 교차 검증했다. 세페이드 변광성은 변광성(變光星·광도가 변하는 별)의 한 유형으로 이들의 변광 주기와 절대광도 사이의 정확한 관계성으로 유명하다. 웹 망원경으로 관측된 모든 은하와 그 초신성은 허블 상수 72.6km/s/Mpc를 산출했으며, 이는 허블 망원경이 동일한 은하에서 발견한 72.8km/s/Mpc 값과 거의 동일하다. 이 연구에는 리스 교수의 SH0ES 팀(초신성, H0, 암흑 에너지 상태 방정식), 카네기-시카고 허블 프로그램, 그리고 다른 팀들의 웹 망원경 데이터 샘플이 포함됐다. 이러한 결합된 측정은 허블 망원경 세페이드 변광성을 사용하여 측정된 거리의 정확도에 대한 가장 정확한 결정을 가능하게 했다. 세페이드 변광성은 허블 상수를 결정하는 데 기본적인 역할을 한다. 세페이드 변광성들의 강도는 태양의 10³~10⁴배이다. 허블 상수는 태양계, 지구 또는 일상생활에 실질적인 영향을 미치지 않지만, 매우 큰 규모에서 우주의 진화를 보여준다. 이는 과학자들이 우주의 구조를 파악하고 빅뱅 이후 130~140억 년이 지난 현재 우주의 상태에 대한 이해를 심화하며 우주의 기본적인 측면을 계산하는 핵심 값이다. 존슨 홉킨스 대학교의 우주론자인 마크 카미온코프스키 교수는 허블 텐션을 해결하면 최근 몇 년 동안 밝혀진 표준 우주론 모델과의 다른 불일치에 대한 서로 다른 수요 관측 현상을 설명할 수 있다고 말했다. 그러나 우주의 구성과 가속 팽창의 96%를 차지하는 것으로 추정되는 미지의 구성 요소인 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질을 완전히 설명하지는 못한다. 이번 연구에 참여하지 않은 카미온코프스키 교수는 "허블 텐션에 대한 한 가지 가능한 설명은 초기 우주에 대한 우리의 이해에 누락된 부분이 있는 경우다. 예를 들어 빅뱅 이후 우주에 예상치 못한 킥을 준 새로운 물질 성분인 초기 암흑 에너지가 존재할 수 있다"고 말했다. 그는 "그리고 재미있는 암흑 물질 특성, 이국적인 입자, 변화하는 전자 질량, 또는 원시 자기장과 같은 다른 아이디어들도 있다. 이론가들은 상당히 창의적일 수가 있다"고 덧붙였다.
- 포커스온
2024-12-11 11:35:00
[신소재 신기술(125)] 양자 '슈뢰딩거의 고양이' 23분간 유지 성공⋯양자역학 새 지평 열어

과학자들이 양자 고양이 상태를 무려 23분(1400초) 이상 유지해 기존 기록을 경신했다. 중국 과학기술대학교 연구진이 '슈뢰딩거의 고양이' 상태를 1400초(약 23분 33초) 동안 유지하는 데 성공했다는 연구 결과를 발표했다고 IFL사이언스가 전했다. 이는 양자 중첩 상태를 장시간 유지한 세계 최장 기록으로, 고정밀 특정 및 양자 컴퓨터 정보 처리 분야에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 원리를 설명하는 데 자주 사용되는 비유로 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 1935년에 고안한 사고 실험이다. 이 실험은 양자 역학의 불완전함을 보여주기 위해서 고안됐다. 실험 원리는 다음과 같다. 상상속의 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리가 들어있다. 또 상자 안에는 방사성 물질과 연결된 독가스 장치가 있다. 방사성 물질은 1시간 안에 50%의 확률로 붕괴한다. 만약 붕괴하면 독가스가 방출되어 고양이가 죽고, 붕괴하지 않으면 고양이가 살아 있다. 여기서 중요한 점은 상자를 열어보기 전까지는 고양이가 죽었는지 살았는지 확인할 수 없다는 것이다. 양자역학에 따르면, 상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 중첩되어 존재한다. 즉, 고양이는 살아 있으면서 죽어 있는 상태다. 슈뢰딩거는 이 실험을 통해 양자역학의 '중첩' 해석에 의문을 제기했다. 거시세계에서는 고양이가 죽었거나 살았거나 둘 중 하나이며 중첩된 두 가지 상태가 동시에 존재할 수 없기 때문이다. 즉, '슈뢰딩거의 고양이'는 양자역학의 불확실성을 설명하는 사고 실험으로, 상자 속 고양이가 살이 있는 상태와 죽어 있는 상태가 중첩되어 존재한다는 개념이다. 연구팀은 1만개의 이터븀 원자를 절대영도보다 몇 천분의 1도 높은 온도로 냉각시키고 빛을 이용하여 포획하는 실험을 진행했다. 각 원자는 정밀하게 제어되어 두 가지 스핀 상태의 중첩 상태, 즉 '양자 고양이' 상태를 형성했다. 이번 연구에서 주목할 점은 양자 고양이 상태의 유지 기간이다. 자연 상태에서는 중첩 상태가 순식간에 붕괴되지만, 이번 실험에서는 1400초 동안 유지됐다. 연구진은 진공 개념을 개선하면 유지 시간을 더욱 늘릴 수 있을 것으로 예상했다. 인도 캘거리 대학교의 배리 센더스 교수는 "이터븀 원자를 이용해 안정적인 양자 고양이 상태를 구현한 것은 놀라운 성과"라며 "이를 통해 미세한 외부 영향을 감지하고 상호 작용을 연구하는 데 활용할 수 있다"고 평가했다. 센더스 교수는 이 연구에 참여하지는 않았다. 이번 연구는 이터븀 원자를 이용한 장치가 자기장 측정에 매우 민감하게 반응한다는 사실을 밝혀냈으며, 다양한 분야의 응용 가능성을 제시했다. 양자역학 분야에서는 지난해에 16 마이크로그램의 결정을 중첩 상태로 만드는 실험이 성공하는 등 끊임없는 혁신이 이루어지고 있다. 이번 연구 결과는 아직 동료 평가를 받지 않았으며, 관련 논문은 아카이브(arXiv)에서 확인할 수 있다.
- IT/바이오
2024-11-01 13:05:00
[신소재 신기술(122)]MRI, AI 모델 학습으로 뇌 이상 진단 정확도 높인다

미국 과학자들이 뇌의 이상을 진단하는 MRI(자기공명영상)의 정확도를 높이는 머신러닝 모델을 개발했다. 캘리포니아대 샌프란시스코(UCSF) 연구팀이 인공지능(AI)을 활용하여 3T MRI 화질을 7T MRI 수준으로 향상시키는 기술을 개발했다고 뉴로사이언스닷컴 뉴스가 전했다. 이 연구는 지난 7일 제27회 의료영상 컴퓨팅 및 컴퓨터 지원 개입 국제 학술대회(MICCAI)에서 발표됐다. 수석 연구 저자인 UCSF 신경과 조교수인 레자 아바시아슬(Reza Abbasi-Asl)은 "저희 논문은 낮은 품질의 이미지에서 고품질 MRI를 합성하는 머신러닝 모델을 소개한다. 이 AI 시스템이 외상성 뇌 손상에서 MRI로 포착한 뇌 이상을 시각화하고 식별하는 방법을 보여준다"고 설명했다. 저품질 MRI 영상의 고품질화 3T MRI와 7T MRI의 가장 큰 차이점은 자기장의 세기이다. 숫자가 높을수록 자기장이 강하다는 것을 의미하며, 이는 영상의 해상도와 선명도에 직접적인 영향을 미친다. 7T MRI는 3T MRI보다 두 배 이상 강력한 자기장을 사용하기 때문에 더욱 선명하고 상세한 이미지를 얻을 수 있다. 연구팀은 경도 외상성 뇌 손상(TBI) 환자의 3T MRI 영상 데이터를 사용하여 AI 모델을 학습시켰다. 이 모델은 3T MRI 영상을 기반으로 7T MRI와 유사한 고품질 영상을 생성하며, 뇌 병변의 경계를 더욱 선명하게 보여주어 진단 정확도를 높이는 데 기여할 수 있다. 참고로, 미국에서 대부분의 임상 MRI는 1.5T 또는 3T MRI 시스템으로 수행된다. 미국국립보건원(NIH)은 2022년 전 세계적으로 진단 영상에 사용되는 7T MRI는 약 100대에 불과하다고 밝혔다. 신경 퇴행성 진단 활용 기대 연구 결과, 합성된 7T MRI 영상은 실제 7T MRI와 비슷한 수준의 해상도를 보였으며, 뇌 병변의 경계를 더욱 명확하게 구분하고 미세 출혈을 더 잘 포착하는 것으로 나타났다. 특히, 백질 병변 내 다양한 특징을 더욱 세밀하게 보여주어 다발성 경화증과 같은 신경 퇴행성 질환 진단에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이 기술은 뇌의 해부학적 구조를 세밀하게 관찰해야 하는 TBI 및 다발성 경화증 환자의 진단 및 치료에 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다. 하지만 연구팀은 "AI 기반 합성 기술이 임상 현장에 적용되기 위해서는 광범위한 검증이 필요하다"며 "향후 모델 결과에 대한 임상적 평가, 모델 생성 영상에 대한 임상 등급 평가, 모델의 불확실성 정량화 등 추가 연구가 필요하다"고 밝혔다. 이번 연구는 AI 기술이 저사양 영상 장비의 한계를 극복하고 의료 영상의 품질을 향상시키는 데 기여할 수 있음을 보여주는 사례로, 의료 분야에서 AI 기술의 활용 가능성을 더욱 확대할 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-10-18 10:15:00
[우주의 속삭임(71)] 나사, 태양 11년 주기의 극대기 도달

나사(NASA)와 국립해양대기청(NOAA), 국제 태양주기예측패널은 태양이 태양 극대기에 도달했으며, 이는 내년에도 지속될 수 있다고 발표했다. 발표의 자세한 내용이 나사 홈페이지에 게재됐다. 태양 주기는 태양이 낮은 자기 활동과 높은 자기 활동을 반복하면서 거치는 자연스러운 주기다. 대략 11년마다 태양 주기가 최고조에 달할 때 태양의 자기극이 뒤집힌다. 지구에서는 북극과 남극이 10년마다 자리를 바꾸는 것과 같으며, 태양은 고요한 상태에서 활동적이고 폭풍우가 몰아치는 상태로 전환된다. 나사와 NOAA는 태양 흑점을 추적해 태양 주기의 진행 상황을 파악하고 궁극적으로 태양 활동을 예측한다. 태양 흑점은 자기장 선이 집중돼 발생하는 태양의 차가운 영역이다. 태양 흑점은 태양의 활동 영역, 즉 태양의 강렬하고 복잡한 자기장 영역의 가시적 구성 요소로, 태양 폭발의 원천이다. 워싱턴 소재 나사 본부의 우주 날씨 프로그램 책임자인 제이미 파보스는 "태양 활동 극대기에는 흑점 수가 증가하고, 이에 따라 태양 활동량도 증가한다"면서 "활동의 증가는 가장 가까운 별에 대해 새로운 지식을 쌓을 수 있는 기회를 제공하는 동시에 지구와 태양계 전체에 실제적인 영향을 미친다"고 말했다. 태양 활동은 우주 날씨라고 알려진 우주의 조건에 큰 영향을 미친다. 이는 우주의 위성과 우주인, 라디오와 GPS 등 통신 및 항법 시스템, 지구의 전력망에 영향을 미칠 수 있다. 태양이 가장 활발할 때 우주 기상 현상이 더 빈번해진다. 태양 활동으로 인해 최근 몇 달 동안 오로라 현상이 증가했음은 물론 위성과 인프라에 영향을 미쳤다. 2024년 5월, 대규모 태양 플레어와 코로나 질량 방출(CME)이 일어나면서 하전 입자와 자기장 구름이 지구를 향해 발사돼 20년 만에 지구에서 가장 강력한 지자기 폭풍을 일으켰으며, 지난 500년 동안 기록된 가장 강력한 오로라가 하늘을 수놓았다. NOAA의 우주 기상 운영 책임자인 엘세이드 탈라트는 "지금이 이번 태양 주기에서 볼 수 있는 태양 활동의 정점이라는 것을 의미하지는 않는다"라고 말했다. 그는 "태양이 극대기에 도달했지만, 태양 활동이 정점에 도달하는 달은 몇 달 또는 몇 년 동안 확인되지 않을 것"이라고 언급했다. 태양 극대기의 정확한 정점을 여러 달 동안 결정할 수 없을 것이라는 의미다. 정점 이후 태양 활동이 지속적으로 감소한 것을 추적한 후에야 식별할 수 있게 된다. 다만 전문가들은 최근 2년이 태양 주기의 활동적인 단계의 일부였음을 확인했는데, 이는 이 기간 동안 태양 흑점이 지속적으로 많았기 때문이다. 학자들은 태양이 감소 단계에 들어가 태양 최소기로 돌아가기 전까지 최대 단계가 1년 정도 더 지속될 것으로 예상했다. 1989년부터 나사와 NOAA가 후원하는 전문가로 구성된 국제 패널인 태양 주기 예측 패널은 태양 주기에 대해 예측하기 위해 협력해 왔다. 천문학자들은 갈릴레오가 1600년대에 처음으로 흑점을 관찰한 이래 태양 주기를 추적해 왔다. 각 태양 주기는 다르다. 때로는 더 크고 짧은 시간 동안 최고조에 도달하고, 다른 경우에는 최고조가 더 작고 더 오래 지속되기도 한다. 지금까지 태양 주기에서 가장 강력한 플레어는 지난 10월 3일 발생한 X9.0이었다. X 등급 숫자는 강렬한 플레어의 단계를 나타낸다. NOAA는 이번 태양 극대기 동안 추가적인 태양 및 지자기 폭풍이 있을 것이며, 향후 몇 달 동안 오로라를 볼 수 있는 기회와 함께 기술 인프라에 대한 영향이 있을 것으로 예상했다. 나사와 NOAA는 우주 날씨 연구 및 예측의 미래를 준비하고 있다. 오는 12월, 나사의 파커 태양 탐사선 임무는 태양에 역사상 가장 가까이 접근해 관측을 수행하게 되는데, 이를 통해 우주 날씨를 더 깊이 이해할 수 있을 것으로 기대된다. 우주 날씨 예측은 나사의 아르테미스 미션에 참여하는 우주선과 우주인을 지원하는 데 필수적이다. 우주 환경을 탐사하는 것은 우주인이 우주 방사선에 노출되는 것을 막는 데 중요하다.
- IT/바이오
2024-10-17 07:38:00
강력한 태양 폭풍으로 오로라 남하…캘리포니아·앨라배마서도 관측 기회

미국 국립기상청 우주 기상 예측 센터에 따르면, 강력한 태양 폭풍으로 인해 오로라가 10일(현지시간) 저녁에 평소에 나타나던 지역보다 훨씬 남쪽인 앨라배마와 북부 캘리포니아 등지에서도 나타날 것으로 보인다고 CNN 등 외신이 전했다. 허리케인과 유사하게 태양 폭풍은 레벨 1~5 단계로 분류되는데, 이번 폭풍은 레벨 4로 분류돼 대단히 강력한 것으로 예측됐으며 이로 인해 통신, 전력망 및 위성 운영을 방해할 수도 있다. 태양 폭풍은 현지시간 10일 오전 지구에 도달하며, 이는 11일까지 지속될 가능성이 높다고 센터는 밝혔다. 시속 400만km 이상의 속도로 지구를 향하는 폭풍의 강도와 전체 특성은 지구에서 160만km떨어진 궤도를 도는 심우주 기후관측소(Deep Space Climate Observatory)와 'Advanced Composition Explorer' 위성 관측을 통해 밝혀진다. 우주 기상 예측 센터는 이 위성이 폭풍의 속도와 자기 강도를 측정할 것이며, 폭풍은 우주 관측소에 도착한 후 15~30분 지나 지구에 도착할 것으로 예상했다. X급 플레어로 알려진 가장 강렬한 태양 플레어(태양 표면에서 일어나는 폭발)가 이번 주 태양에서 방출되었으며, 이 플레어는 8일의 코로나 질량 방출과 일치했다. 코로나 질량 분출은 태양의 외기권인 코로나에서 방출되는 플라스마와 자기장이라고 하는 이온화된 가스의 큰 구름이다. 강력한 폭발이 지구로 향하면 지자기 폭풍 또는 지구 자기장의 교란을 일으킬 수 있다. 이번 폭발은 대단히 강력한 것으로 측정됐다. 우주 기상 예측 센터에 따르면 지자기 폭풍은 지구 근처 궤도와 통신망 등 지구 표면의 인프라에 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 센터는 연방 비상관리청, 북미 전력망 및 위성 운영자들에게 교란 및 일시적 중단에 대비할 것을 통보했다. 역사적으로 레벨 4단계의 태양 폭풍은 흔하게 발생하지만, 지난 5월 10일 발생한 레벨 5단계 또는 극심한 지자기 폭풍은 매우 드물다. 센터는 이번 태양 폭풍이 5단계가 될 확률이 25%라고 말했다. ◆ 태양 활동의 증가 태양이 올해 예상되는 11년 주기의 정점인 태양 극대기에 가까워짐에 따라, 태양 활동은 더욱 활발해지고 있다. 전문가들은 불타는 태양에서 점점 더 강렬한 태양 플레어가 분출되는 것을 관찰했다. 태양 활동이 증가하면 지구의 극지방에서는 춤추는 오로라가 발생한다. 북극의 경우 이를 북극광 또는 오로라 보레알리스라고 하며, 남극은 남극광 또는 오로라 오스트랄리스라고 한다. 코로나 질량 분출로 인해 활성화된 입자가 지구 자기장에 도달하면 대기 중의 가스와 상호 작용해 하늘에 다양한 색상의 빛을 생성한다. 이 오로라는 최고의 관광 상품이기도 하다. 예측 센터 관계자는 눈에 보이는 오로라가 동부 및 중부 주와 중서부 남부에서 나타날 가능성이 높다고 판단하고 있다. 그러나 태양 폭풍이 지난 5월처럼 전 세계적인 오로라 현상을 일으킬지는 아직 알 수 없다고 밝혔다. 이번 태양 폭풍이 5단계로 올라가면 미국의 남부 주와 전 세계의 다른 지역에서도 오로라를 볼 수 있다. 미국 해양대기청(NOAA)은 센터의 오로라 대시보드를 이용해 내가 거주하는 지역에서 오로라를 볼 수 있을 것인지 확인할 것을 권했다. 대시보드는 지속적으로 업데이트되며 정보가 제공된 후 몇 분 이내에 오로라가 나타날 수 있는 위치를 보여준다. ◆ 교란 가능성 NOAA는 이번 태양 폭풍이 5월의 폭풍 수준을 능가할 것으로는 생각하지 않는다고 말했다. 지난해 이전에 지구를 강타했던 마지막 5단계 폭풍은 2003년으로, 스웨덴에서 정전이 발생했고 남아프리카에서는 변압기가 손상됐다. 지난 5월의 지자기 폭풍에서는 농기구 회사인 존 디어(John Deere)가 정밀 농업에 GPS를 사용하는 일부 고객이 교란을 겪었다고 보고했다. 그러나 대부분의 전력망과 위성은 적절한 관리로 문제를 일으키지 않았다. 전문가들은 태양 활동의 급증에 따라 신중한 모니터링을 이어가고 있다. 이번주 태양의 코로나 질량 분출 속도는 지금까지 이 태양 주기에서 측정된 가장 빠른 속도였다고 한다. 물론 이것이 '태양 활동의 최고점이 지금 발생하고 있다'는 의미는 아니다. 이전 태양 주기에서는 가장 큰 폭풍 중 일부가 최고점 이후에 발생할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 센터는 "우리는 지금 태양 극대기의 중심에 있다. 정점에 도달했는지 아직 모른다. 올해 어느 시점이 될 수도 있고 내년 초가 될 수도 있다. 심지어 2026년 초까지 태양 주기 활동이 계속될 것이다"라며 지속적인 관심과 추적이 있어야 할 것이라고 지적했다.
- 포커스온
2024-10-11 07:54:00
[우주의 속삭임(60)] 달 표면 전체에서 물의 흔적 발견

달은 물에 관한 한 다크호스일 수 있다. 의외의 결과를 가져올 수 있다는 의미다. 달의 광물 지도에 대한 새로운 분석에 따르면, 물과 수소와 산소로 구성된 또 다른 분자인 ‘수산기(산소 원자 하나와 수소 원자 하나로 구성됨)'는 달의 모든 위도와 지형에 걸쳐 여러 위치에서 발견될 수 있으며, 심지어는 태양이 가장 강력하게 비추는 곳에서도 나타날 수 있다고 사이언스얼라트가 전했다. 이는 여러 가지 의미를 내포하고 있는 발견이다. 달의 지질학적 역사와 진행 중인 과정을 이해하고, 지구의 달에 대한 유인 우주 임무에 정보를 제공할 수 있다. 행성과학연구소(Planetary Science Institute)의 로저 클라크 박사는 "미래의 우주인은 달에서 물이 풍부한 지역을 활용하고 달의 적도 근처에서도 물을 찾을 수 있을 것이다. 과거에는 극지방, 특히 극지방의 짙은 그늘진 분화구에서만 물이 발견될 수 있다고 생각했지만 이제는 다르다"고 말했다. 달은 건조하고 습기가 없는 천체로 보인다. 어떤 면에서는 그렇기도 하다. 표면에는 웅덩이에 고여진 물이 없다. 호수나 강도 없다. 그러나 연구에 따르면, 달에는 물이 숨겨져 있다는 사실이 많이 나타나고 있다. 그렇다면 달에는 물이 어디에 숨겨져 있을까. 과거의 연구에 따르면, 고위도의 달 분화구 깊은 곳에 많은 양의 물이 있을 수 있다. 분화구 같은 깊은 곳은 태양의 직사광선과 열에 노출되지 않으므로 수 미터 두께의 얼음이 쌓여 있을 수 있다는 것이다. 최근 다른 연구에 따르면, 달의 다른 부분에도 물이 있을 수 있는 것으로 나타난다. 이번 클라크 연구팀의 분석 결과도 이를 뒷받침한다. 물과 수산기는 달 표면의 암석과 흙을 형성하는 광물에 결합되어 달에서 매우 풍부한 것으로 보인다는 것이다. 연구팀은 2008년과 2009년에 달을 공전한 찬드라얀-1 우주선의 달광물학매퍼(M3) 장비에서 얻은 데이터를 이용해 달의 분광 이미지를 수집했다. 이 데이터로 달에서 반사된 적외선을 기록하여 물과 수산기와 일치하는 스펙트럼의 색상을 찾아냈다. 연구팀은 물과 수산기가 달의 모든 위도에서 찾을 수 있다는 사실을 발견했지만, 달의 암석에서는 분자가 덜 풍부한 것으로 나타났다. 그러나 운석 등의 충돌 중에 파내어진, 물이 풍부한 암석은 충돌이 발생하는 모든 곳에서 발견될 수 있다. 물은 한곳에 영원히 머물지 않는다. 연구진은 달 표면의 물이 분화구 형성 과정에서 노출된 후 수백만 년에 걸쳐 태양풍의 복사에 의해 서서히 파괴된다는 사실을 발견했다. 그러나 이 과정에서 수산기가 남는다. 수산기는 또한 태양풍에 의해 생성되며, 이 태양풍은 달 표면에 태양 수소를 증착시키고, 이 수소는 그곳에서 산소와 결합해 분자를 생성할 수 있다. 클라크는 "모든 증거를 종합해 보면, 달의 표면은 지질이 복잡하며, 지하에는 상당한 양의 물이 있고, 표면층에는 수산기 층이 있다"면서 "분화구 형성과 화산 활동은 모두 물이 풍부한 물질을 표면으로 올릴 수 있으며, 이 모두가 달 데이터에서 관찰됐다"고 지적했다. 연구팀은 또한 화성암의 일종인 휘석의 물 특징이 햇빛이 닿는 각도에 따라 변한다는 것도 발견했다. 이는 달의 수수께끼를 정리해준다. 과학자들은 그동안 이 변화의 특징을 관찰해 왔지만, 그것이 무엇을 의미하는지 알지 못했다. 그것은 마치 물이 달에서 움직이고 있음을 암시하는 듯했다. 팀이 만든 지도는 달의 또 다른 수수께끼인 '달의 소용돌이'에 대한 추가 정보도 제공한다. 이는 달 표면에서 이상하게 소용돌이치는 패턴이며, 전문가들은 확실치 않지만 자기장이 역할을 할 수 있다고 추정한다. 클라크 연구팀은 소용돌이에 물이 거의 없다는 것을 알아냈다. 연구팀은 이 소용돌이가 물의 흔적만 남긴 고대 소용돌이일 수 있다고 보고 있다. 이번 연구는 달의 소용돌이의 실체를 알아내는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 행성과학저널(The Planetary Science Journal)에 게재된 이 연구는 달을 탐사하는 우주인들에게 물 공급이 가능할 수 있음을 시사한다. 수산기가 풍부한 미네랄을 처리함으로써 미래의 우주인은 실제로 돌에서 물을 추출할 방법을 찾을 수 있을 것이라는 기대다.
- IT/바이오
2024-09-24 13:19:00
[퓨처 Eyes(50)] 핵시계, 초정밀 시간 측정의 새로운 지평을 열다

상상을 초월하는 정확성, 10억년에 단 1초의 오차도 허용하지 않는 시계가 현실로 다가왔다. 과학자들이 기존 원자시계를 뛰어넘는 핵시계 개발에 성공하며, GPS, 인터넷 동기화, 금융 거래 등 다양한 분야에 혁신을 예고했다. 미국 물리과학 연구기관인 JILA와 국립표준기술원(NIST) 펠로우이자 콜로라도 볼더 대학교 물리학 교수인 준 예(Jun Ye)와 그의 팀이 이끄는 국제 연구팀이 핵시계로 알려진 획기적인 시간 측정 장치를 개발했다. 원자시계 넘어 핵시계로, 시간 측정의 새로운 지평 현재 가장 정확한 시계는 원자시계다. 원자시계는 원자 내 전자의 에너지 변화를 이용해 1초를 정의하고, 1초에 수십억 번 진동하는 신호를 통해 시간을 측정한다. 이번에 개발된 핵시계는 원자핵 내부의 에너지 변화를 이용한다는 점에서 원자시계와 차별화되는 새로운 유형의 시간 측정 장치다. 핵시계는 원자 전체가 아닌 원자핵의 진동을 측정한다. 원자핵은 원자보다 훨씬 작지만, 더 많은 '틱(tick)'을 가지고 있어 더 정확한 시간 측정이 가능하며, 전자기장과 같은 외부 교란에도 안정적이다. 새로운 연구에서 JILA와 그의 연구팀은 핵시계의 모든 필수 부품을 만들었다. 즉 시계의 '틱(tick)'을 제공하는 토륨-229 핵전이, 핵의 개별 양자 상태 사이에 정밀한 에너지 점프를 생성하는 레이저, 이러한 '틱'을 직접 측정하는 주파수 빗 등이다. 연구팀은 이러한 노력으로 이전 파장 기반 측정기보다 100만배 높은 수준의 정밀도를 달성했다. 또한 연구팀은 자외선 주파수를 세계에서 가장 정확한 스트론튬 원자시계 중 하나에 사용되는 광학 주파수와 직접 비교해 핵 전이와 원자시계 사이의 직접적인 주파수를 연결하는데 최초로 성공했다. 이러한 직접적인 주파수 연결과 정밀도 향상은 핵시계를 개발하고 기존 시간 유지 시스템과 통합하는 데 있어 매우 중요한 단계다. 더 작지만 더 강력한 핵시계, 정확성의 한계를 뛰어넘다 원자시계는 수십억 년에 몇 초의 오차만 발생할 정도로 정확하지만, 외부 환경의 영향을 받을 수 있다. 반면, 핵시계는 원자핵의 안정성 덕분에 외부 간섭에 덜 민감하고, 더 높은 주파수에서 진동하여 더 정밀한 시간 측정이 가능하다. JILA 연구팀은 토륨-229 원자핵에 자외선 레이저를 쏘아 핵입자를 여기시키고 '광 주파수 빗' 기술로 핵의 에너지 펄스 주파수를 측정하는 데 성공했다. 이는 일반 시계의 추가 진자 운동을 하는 것과 유사한 원리로, 1초당 더 많은 파동 사이클을 측정하여 더욱 정확한 시간 측정을 가능하게 한다. 이번 연구 결과는 지난 9월 4일자 세계적인 학술지 "네이처' 표지 기사에 게재됐다. 연구팀에는 JILA, 비엔나 양자 과학 기술 센터, IMRA America Inc.의 연구자들이 포함됐다. 물리학의 획기적인 발전, 핵시계 현실화에 한 걸음 더 이번 연구는 핵시계 개발에 중요한 이정표를 세웠다. 1976년 토륨 핵의 저에너지 특성을 발견, 2003년 토륨-299 핵시계 활용 가능성 제시, 2023년 토륨-229 결정 삽입 기술 개발 등 오랜 연구 끝에 마침내 핵시계 프로토타입이 탄생한 것이다. 특히 연구팀은 토륨-229 핵의 에너지 변화를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 생성된 신호를 높은 정확도로 측정하는 데 성공했다. 이는 핵시계의 실현 가능성을 입증하는 중요한 성과로 평가받는다. 핵시계, 시간 측정 넘어 과학 혁신 이끌 것 핵시계는 아직 초기 단계지만 상용화될 경우 공식 국제시간 측정뿐만아니라 물리학 연구, 우주 탐사 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 특히 암흑 물질 탐색, 자연 상수 검증 등 기본 물리학, GPS 정확도 향상, 통신 네트워크 안정화 등에도 활용될 수 있다. 연구팀은 "이번 연구는 핵시계의 가능성을 보여주는 중요한 발검음"이라며 "레이저 정렬 및 주파수 조정 등을 통해 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것"이라고 밝혔다. 또한 "2~3년 안에 핵시계가 원자시계의 정확성을 능가할 것"이라고 전망했다. 핵시계는 휴대성과 안정성도 뛰어나 통신, 인터넷, GPS 등 일상생활에도 영향을 미칠 것으로 예상된다. 물리학 전문가들은 "핵시계는 시간 측정의 새로운 패러다임을 제시하는 혁신적인 기술"이라며 "기초과학 연구부터 첨단 기술 개발까지 다양한 분야에 파급 효과를 가져올 것"이라고 평가했다. 핵시계, 미래를 향한 새로운 추 원자시계는 이미 지진, 중력장, 시공간 연구에 중요한 도구로 활용되고 있다. 핵시계는 이러한 분야에 더 큰 발전을 가져올 수 있으며, 휴대성과 사용 편의성도 높을 것으로 예상된다. 핵시계와 원자시계를 함께 사용하면 기본 물리 상수의 변화 여부를 확인하고 암흑 물질 연구에도 새로운 가능성을 열 수 있다. JILA와 NIST 물리학자 준 예는 "수십억년 동안 켜두어도 1초도 잃지 않는 손목시계를 상상해보라"며 "아직은 그 수준에 이르지 못했지만 이 연구를 통해 그 수준의 정밀도에 더 가까워졌다"고 말했다. 더 정확하고 안정적인 시간 측정을 향한 인류의 도전은 끝없이 계속된다. 핵시계 기술의 발전은 단순히 시간 측정의 정확성을 높이는 것을 넘어, 더 빠른 인터넷 속도, 더 안정적인 네트워크 연결, 더 안전한 디지털 통신을 제공할 수 있다. 또한 대규모 입자 가속기 없이 입자 물리학 이론을 검증할 수 있으며, 우주 구조 탐사 등 우리가 우주와 자연을 이해하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 잠재력을 지니고 있다.
- 포커스온
2024-09-12 14:24:00
[우주의 속삭임(52)] NASA, 목성 생명체 탐사 위해 유로파 클리퍼 임무 우주선 10월 발사

목성의 생명체 탐사를 위한 나사(NASA)의 유로파 클리퍼(Europa Clipper) 임무 우주선이 오는 10월 발사된다고 스페이스닷컴이 전했다. 이를 위해 현재 목성 위성 주변의 혹독한 방사선 환경을 견딜 수 있는지를 확인하는 테스트가 진행되고 있다. 유로파 클리퍼 우주선은 목성의 얼음 위성인 유로파(Europa)를 연구하는 것을 목표로 한다. 유로파는 지구의 모든 바다를 합친 것보다 두 배나 많은 물을 가진 지하 바다를 품고 있는 것으로 알려져 있다. 카메라, 지상 투과 레이더, 분광기 등 9개의 장비를 탑재한 이 우주선은 유로파를 여러 번 근접 비행하고, 유로파의 얼음 지각 아래 환경을 조사하며 생명체의 흔적을 찾을 계획이다. 우주선은 플로리다에 있는 나사 케네디 우주 센터의 39A 발사장에서 스페이스X(SpaceX) 팰컨 헤비(Falcon Heavy) 로켓에 실려 발사될 예정이다. 나사는 오는 10월 10일이 발사 목표일이라고 발표했다. 나사 관계자는 "유로파 클리퍼의 주요 탐사 목표는 유로파 위성의 표면 아래에 생명체가 살 수 있는 곳이 있는지 확인하는 것"이라고 밝혔다. 관계자는 또 "이 임무의 세 가지 주요 목표는 얼음 표면과 그 아래의 바다의 특성, 유로파 위성의 구성 및 지질을 이해하는 것이다. 유로파에 대한 우주선의 자세한 탐사는 과학자들이 지구 너머에 있는 거주 가능한 세계의 천체생물학적 가능성을 더욱 깊이 이해하는 데 도움이 될 것"이라고 부연했다. 이전에는 목성의 강력한 자기장으로 인해 생성된 높은 방사선 환경에서 우주선이 견딜 수 있는가에 대한 우려가 제기됐다. 이때 탐사선의 전기 흐름을 제어하는 장치인 트랜지스터가 예상보다 낮은 방사선량에서도 고장을 일으킨 바 있다. 10월 발사가 예정된 우주선에 대한 방사선 환경 테스트도 이 때문에 시행되고 있는 것. 나사 관계자는 최근의 테스트에서 우주선의 트랜지스터가 기본 임무를 지원할 수 있음이 확인되었다고 밝혔다. 이번에 발사되는 우주선은 2030년 목성에 도착할 예정이며, 2031~2034년 사이에 유로파를 약 50회 비행할 것으로 예상된다. 한편 나사는 오는 9일 실시될 핵심 검토를 통해 유로파 클리퍼 우주선이 최종 발사 준비에 들어갈 수 있는지의 여부를 판단할 방침이다.
- IT/바이오
2024-09-06 07:47:00
[신소재 신기술(105)] 세계 최고 슈퍼컴퓨터, 칼슘-48 자기적 특성 규명⋯10년 논쟁 종결

세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터인 '프론티어'가 10년 동안 과학자들의 논쟁의 중심에 섰던 칼슘-48 퍼즐을 해독했다. 미국 오크리지 국립연구소(ORNL)의 핵물리학 연구팀은 세계 최고 슈퍼컴퓨터 프론티어를 활용해 칼슘-48 원자핵의 자기적 특성을 규명하는 데 성공했다고 과학전문 매체 인터레스팅엔지니어링이 4일(현지시간) 보도했다. 이는 1980년대부터 지속되어온 핵물리학계의 논쟁을 종식시키는 중요한 성과로 평가된다. 칼슘-48, '이중 마법' 핵으로 안정성 높아 칼슘-48은 20개의 양성자와 28개의 중성자로 이루어진 '이중 마법' 핵으로 매우 안정적인 구조를 가지고 있다. 이러한 특성 대문에 핵물리학 연구에 이상적인 물질로 꼽힌다. 하지만 칼슘-48의 자기적 특성은 오랜 기간 동안 논쟁의 대상이었다. 양성자와 전자빔을 사용한 초기 실험에서는 자기 전이 강도가 4제곱 마그네톤으로 측정되었으나 2022년 감마선을 이용한 실험에서는 이 값이 두 배나 높게 나타났기 때문이다. 여기서 '핵 마그네톤'은 원자핵의 자기적 특성을 나타내는 기본 단위다. 쉽게 말해, 핵 마그네톤은 원자핵이 얼마나 강한 자석처럼 행동하는 지를 나타내는 척도라고 할 수 있다. 따라서 4제곱 마그네톤은 칼슘-48 원자핵이 특정 에너지 상태 변화를 겪을 때, 자기장의 세기가 핵 마그네톤 단위로 4의 제곱만큼 변한다는 것을 의미한다. 수퍼컴퓨터 '프론티어' 활용, 10년 논쟁 종식 ORNL 연구팀은 초당 퀸틸리언(quintillion, 100경) 이상의 계산을 수행할 수 있는 세계 최초의 엑사스케일 컴퓨터인 '프론티어' 슈퍼컴퓨터를 활용해 칼슘-48의 자기 전이 강도를 시뮬레이션했다. 그 결과 감마선 실험 결과와 일치하는 값을 얻어냄으로써 오랜 논쟁에 종지부를 찍었다. 또한 이 연구는 핵 내부의 핵자 쌍(양성자와 중성자)의 복잡한 상호작용과 핵이 주변 환경과 상호작용하는 방식을 설명하는 연속 효과에 대한 새로운 통찰력을 제공했다. 초신성 연구에도 영향 이번 연구는 핵물리학뿐만 아니라 천체물리학에도 중요한 의미를 갖는다. 칼슘-48은 초신성 폭발 과정에 풍부하게 생성되는 데, 이 때 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식을 이해하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문이다. 연구의 제 1저자인 비자야 아차리아는 "칼슘-48의 자기 전이 강도를 설명하는 물리학은 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식도 설명한다"고 말했다. 칼슘-48의 자기 전이 강도에 대한 정확한 이해는 초신성 폭발과정과 우주 형성 과정에 대한 이해를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. ORNL 핵천체물리학자 라파엘 힉스는 "이번 연구는 핵의 생성 원리를 밝히는 데 중요한 걸음이며, 별과 행성의 생성부터 원소의 풍바함까지 우주를 형성하는 과정을 더 잘 이해하게 해 줄것"이라고 말했다.
- IT/바이오
2024-09-05 16:25:00
[우주의 속삭임(51)] 토성 고리, 6개월 후에 못본다

가스 행성 토성의 고리는 태양계에서 가장 매혹적이고 상징적인 천체적 특징이다. 17세기에 이탈리아 천문학자 갈릴레오 갈릴레이가 고대 망원경으로 처음 발견했다. 다만 망원경의 성능적 한계로 인해 토성의 모습을 '귀'가 달린 것처럼 비유했다. 그 이후 최첨단 연구와 관찰을 통해 학계는 토성 고리의 복잡한 수수께끼를 풀고 고리의 구성과 이를 형성하는 역동적인 과정을 밝혀냈다. 빠르게 다가오는 중요한 우주적 사건이 곧 토성에 대한 우리의 시각을 극적으로 바꿀 것이라고 한다. 2025년 3월이 되면 토성의 장엄한 고리는 지구서는 사실상 보이지 않게 될 것이라고 지구 및 천체 물리학을 다루는 어스닷컴이 전했다. 물론 고리가 물리적으로 사라지는 것은 아니다. 보이지 않는 현상은 토성의 축이 기울어져 고리가 우리 시야에 가장자리로 위치하기 때문에 발생한다는 것이다. 이는 역설적으로 천문학자와 관찰자 모두에게 독특한 천체 변화를 목격할 수 있는 희귀한 기회를 제공한다. 이 현상은 토성이 태양을 공전하는 데 걸리는 시간인 29.5년마다 반복되는 이벤트다. 2025년 3월 이후에는 토성의 축 기울기의 변동으로 고리가 다시 관측자의 시야에 들어오고, 2025년 11월에 다시 사라지게 된다. 천문학자들은 이는 결국 일종의 숨바꼭질을 하면서 천체 게임을 하는 것이라고 말했다. 토성의 고리는 대부분 얼음 입자, 암석 파편, 우주 먼지로 구성되어 있다. 고리를 구성하는 입자는 모래 크기의 작은 먼지에서 버스, 집이나 학교만큼 거대한 덩어리까지 다양하다. 이러한 혼합으로 고리가 흥미로운 모습을 갖게 된다. 토성의 고리는 견고한 하나의 구조가 아니다. A, B, C 고리와 보기 어려운 희미한 D, E, F, G 고리를 포함한 여러 개로 구성되어 있다. 이러한 부분은 A와 B 고리 사이의 '카시니 분할'과 같은 틈새로 구분되어 있으며, 너비는 약 4800km이다. 고리의 모양과 구성은 주로 토성의 많은 위성과의 중력적 상호 작용에 의해 형성된다. 위성 중 일부는 고리의 가장자리 근처에 매달려 있으며 중력으로 고리 입자를 끌어당겨 고리 모양을 유지하는 데 도움을 준다. 토성의 고리가 어떻게 생겨났는지는 천문학자들 사이에서 여전히 뜨거운 주제다. 파괴된 토성의 위성, 토성의 강한 중력에 의해 찢어진 혜성의 잔재, 40억 년 전 토성이 형성될 때 남은 물질 등 수많은 이론이 제안됐다. 새로운 이론이 계속 등장하고 있다. 나사(NASA), 유럽우주국(ESA), 이탈리아우주국(ASI)이 토성과 위성들을 탐사할 목적으로 공동 발사한 카시니-하위헌스(Cassini-Huygens) 임무는 많은 성과를 가져다 주었다. 우주선의 탐사는 2004년 토성에 도착하면서 시작되어 2017년에 마무리된 13년간 이루어졌다. 카시니-하위헌스 임무는 활동 내내 토성과 복잡한 위성 및 고리 시스템에 대한 귀중한 정보를 제공했다. 가장 멋진 발견 중 하나는 고리의 틈새, 특히 A와 B 고리 사이의 눈에 띄는 공간인 카시니를 발견한 것이었다. 이 공간은 토성의 위성의 중력에 의해 형성되어 고리 시스템이 실제로 얼마나 역동적이고 끊임없이 변화하는지를 보여준다. 우주선은 또 많은 위성에 대한 더 깊은 지식을 제공, 위성의 고유한 구성과 지질학적 특징을 알려주었다. 예를 들어 토성의 얼음 위성 중 하나인 엔셀라두스에는 수증기와 유기 물질을 뿜어내는 간헐천이 있어 지하 바다의 가능성을 암시한다. 토성은 고리 외에 최소 145개에 달하는 위성이 있으며, 각각 고유한 특성을 갖고 있다. 태양계에서 두 번째로 큰 위성인 타이탄은 두꺼운 대기와 흥미로운 표면으로 주목받고 있다. 타이탄은 목성보다 약하지만 지구보다는 강한 자기장을 가지고 있어 토성과의 복잡한 상호 자기작용을 나타낸다. 향후 진행될 드래곤플라이 탐사 임무는 타이탄에서 생명체의 흔적을 찾을 계획이다. 엔셀라두스에서는 생명체에 필수적인 구성 요소가 존재한다는 것을 발견했다. 토성은 망원경이나 고성능 쌍안경을 가진 관찰자들에게 여전히 매혹적인 대상이다. 무수한 얼음 입자와 암석 파편으로 구성된 고리는 특히 태양계의 신비다. 토성의 고리가 내년 3월 사라지기까지 천체 관찰자는 고리를 달리 관찰할 독특한 기회를 얻게 될 것이다.
- IT/바이오
2024-09-05 14:16:00
[우주의 속삭임(48)] NASA, 지구 '양극성 전기장' 세계 최초 발견

미국 항공우주국(나사·NASA)이 최근 인듀어런스(Endurance) 임무를 통해 지구의 양극성 전기장을 밝혀냈다. 이는 지구의 대기 역학을 이해하고 다른 생명체가 살 수 있는 행성을 탐사하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 나사는 홈페이지를 통해 국제 연구팀이 NASA의 준궤도 로켓 관측을 통해 지구의 중력 및 자기장과 함께 근본적인 역할을 하는 것으로 추정되는 '양극성 전기장'을 세계 최초로 측정하는 데 성공했다고 밝혔다. 과학전문매체 사이테크데일리, 라이브사이언스 등은 지구 양극성 전기장에 대해 중점적으로 다루었다. 60여 년 전 처음 감지된 뒤 가설로 제시된 이 전기장은 지구 극지방에서 끊임없이 우주로 방출되는 하전 입자의 흐름인 '극풍(Polar Wind)'의 주요 원동력이다. '양극성 전기장'은 지구의 상층 대기, 즉 극지방에서 발생하는 약한 전기장이다. 이 전기장은 대기 중의 이온과 전자의 움직임에 영향을 주어 극풍이라는 현상을 일으킨다. 극풍은 대기 중의 하전 입자들이 지구의 자기력선을 따라 우주 공간으로 빠져나가는 현상이다. 이 전기장은 양방향 즉 '양극성'인데, 이는 두 방향으로 모두 작동하기 때문이다. 이온은 중력에 의해 가라앉을 때 전자를 아래로 당긴다. 동시에 전자는 이온이 우주로 탈출하려고 할때 이온을 더 높은 높이로 들어올린다. 나사는 "양극성 장은 상층 대기의 대전된 입자를 원래 도달할 수 있는 높이보다 더 높은 곳까지 끌어 올리며 아직 탐구되지 않는 방식으로 우리 지구의 진화에 영향을 미쳤을 수 있다"고 설명했다. 양극성 전기장은 지구의 중력 및 자기장처럼 지구의 근본적인 특성 중 하나로 여겨지지만 그 존재를 직접 측정하기는 매우 어려웠다. 나사는 최근 인듀어런스 임무를 통해 처음으로 양극성 자기장의 존재를 확인하고 그 강도를 측정하는 데 성공했다. 이를 통해 과학자들은 지구 대기의 탈출 과정과 이온층의 형성 과정을 더 잘 이해할 수 있게 됐다. 앞서 과학자들은 이 전기장이 고도 약 250km(약 150마일)에서 대기 중의 원자가 음전하(-)를 띤 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리되기 시작한다는 가설을 세웠다. 전자는 엄청나게 가벼워서 에너지를 조금만 가해도 우주로 날아갈 수 있다. 반면, 이온은 전자보다 최소 1836배 무겁고 땅을 향해 가라앉는 경향이 있다. 중력만 작용한다면 한 번 분리된 두 개체군은 시간이 지남에 따라 서로 멀어질 것이다. 하지만 전자와 이온은 서로 반대 전하를 띠고 있기 때문에 전기장에 형성되어 전하가 분리되는 것을 방지하고 중력의 영향을 일부 상쇄한다. 이 전기장은 상층 대기의 하전 입자들을 더 높은 고도로 끌어 올려 지구의 진화 과정에 아직 밝혀지지 않은 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 아원자 규모에서 생성되는 가설의 전기장은 매우 약해서 수백마일 이상에서만 그 효과가 느껴질 것으로 예상됐다. 수십년 동안 이 전기장을 감지하는 것은 기존 기술의 한계를 넘어서는 일이었다. 글린 콜린슨과 그의 팀은 2016년 지구의 양극장을 측정할 수 있는 새로운 기기를 발명하기 시작했다. 나사의 인듀어런스는 2022년 5월 11일 발사돼 약 768km(약 477.23마일) 고도에 도달한 뒤 19분 후 그린란드해에 낙하했다. 인듀어런스는 양극성 자기장 데이터를 수집한 약 518km(322마일) 고도 범위에서 0.55볼트에 불과한 전위 변화를 측정했다. 멜린랜드 주에 있는 나사 고다드 우주빙행센터의 인두어런스 수석연구원이자 이 논문의 주저자인 글린 콜린슨은 "0.55볼트는 거의 아무 것도 아니며 시계 배터리 정도에 불과하다"면서 "하지만 이 정도면 극지방의 바람을 설명하기에 적당한 양이다"라고 설명했다. 극풍에서 가장 풍부한 입자인 수소 이온은 이 전기장에서 중력보다 10.6배 강한 외력을 경험한다. 나사 고다드의 지구력 프로젝트 과학자이자 논문의 공동 저자인 알렉스 글로서는 "이는 중력에 대항하기에 충분하며, 실제로 초음속으로 우주로 발사하기에 충분하다"고 말했다. 콜린슨은 "이것은 마치 대기를 우주로 들어올리는 컨베이어 벨트와 같다"고 덧붙였다. 연구팀은 이번 발견을 통해 지구 대기의 복잡한 움직임과 진화 과정을 이해하고, 지구 역사뿐 아니라 다른 행성의 비밀을 밝히고 생명체 존재 가능성을 판단하는 중요한 단서를 얻을 수 있을 것으로 전망했다. 이번 연구 결과는 2024년 8월 28일 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-09-02 16:51:00
[신소재 신기술(93)] 미국 버팔로대학, 세계 최고 성능 초전도체 와이어 개발⋯에너지 혁신 앞당겨

미국에서 세계 최고 성능의 초전도체 와이어가 개발됐다. 미국 버팔로 대학교 화학생물공학과 아미트 고얄 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 초전도(HTS) 와이어 개발에 성공했다고 Phys. org, 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 전했다. 이번에 개발된 와이어는 섭씨 영하 268도에서 영하 196도 사이의 온도에서 작동한다. 이는 다른 초전도체의 작동 온도인 절대 영도보다는 높지만 여전히 극저온 환경이다. HTS 와이어는 전력 손실 없이 전기를 전송할 수 있어 미래 에너지 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다. 해상 풍력 발전소의 전력 출력을 두 배로 높이고, 초전도 자기에너지 저장 시스템을 구축하는 등 에너지 인프라 분야에서 다양한 활용이 기대된다. 또한, 최근에는 핵융합 원자로, 차세대 이미징 및 분광 기술에도 적용되고 있다. HTS 와이어는 비교적 높은 온도에서 작동하는 장점이 있지만, 제조 비용이 높다는 단점이 있었다. 버팔로 대학교 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 이온 빔 보조 증착(IBAD) 기술과 나노기둥 결함 기술을 결합한 새로운 방식을 개발했다. 나노기둥 결함 기술은 절연 또는 초전도 물질을 초전도체에 통합하여 더 높은 초전류 흐름을 가능하게 하는 기술이다. 연구팀은 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO) 와이어에 펄스 레이저 증착 시스템을 사용하여 HTS 필름을 제작했다. 또한 캐나다 맥마스터 대학교와 이탈리아 살레르노 대학교와의 협력을 통해 원자 해상도 현미경 및 초전도 특성 측정을 수행했다. 이번에 개발된 HTS 와이어는 5 켈빈(-268℃)에서 77 켈빈(-196℃)까지 모든 자기장 및 온도에서 최고의 임계 전류 밀도와 고정력을 달성했다. 특히, 4.2 켈빈에서 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 9000만 암페어의 전류를 전달했으며, 7 테슬라의 자기장에서는 제곱센티미터당 9000만 암페어를 전달했다. 또한, 상용 핵융합 반응 온도인 20 켈빈에서는 외부 자기장 없이 제곱센티미터당 1억 5000만 암페어, 7 테슬라 자기장에서는 제곱센티미터당 6000만 암페어 이상의 전류를 전달하는 데 성공했다. 이러한 성과는 0.2 마이크론 두께의 HTS 필름으로 달성되었다는 점에서 더욱 주목할 만하다. 일반적으로 이 정도의 전류를 전달하려면 10배 더 두꺼운 HTS 와이어가 필요하다. 이 연구의 책임 저자인 아미트 고얄 박사는 "이러한 결과는 산업이 상업용 코팅 도체의 가격 대비 성능 지표를 크게 개선하기 위해 증착 및 제조 조건을 더욱 최적화하는 데 도움이 될 것"이라면서 "가격 대비 성능 지표를 더욱 유리하게 만드는 것은 초전도체의 수많은 대규모 예상 응용 분야를 완전히 실현하는 데 필요하다"고 말했다. 이번 연구는 학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-08-09 10:45:00
[우주의 속삭임(40)] 달 대기 생성의 비밀, 마침내 풀렸다

달은 우주의 진공에 노출되어 있다. 그래도 달은 실제로 가스로 덮여 있다. 층이 얇고 미약하지만, 외기권이라고 불리는 일종의 대기로 간주될 만큼은 충분하다. 달이 어떻게 가스 대기권을 유지하는지는 수수께끼였다. 지구의 자기장은 대기에 제한적이지만 어느 정도 영향을 미친다. 그러나 달에는 그러한 자기장이 없다. 따라서 달의 외기권은 이미 오래 전 태양 활동으로 인해 없어졌어야 했다. 그런 점에서 달의 외기권에서 가스가 없어지는 만큼 끊임없이 보충되고 있다는 것은 분명하다. 이에 대한 연구가 계속돼 온 가운데, 이번에 메사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀이 달 대기권에서의 가스 보충의 비밀을 풀어냈다고 사이언스얼라트가 전했다. 연구 결과에 따르면, 먼지 입자보다 더 작은 미세 유성이 끊임없이 달 표면에 부딪히고, 이를 통해 달에서 먼지를 일으켜 증발시키며, 달 주변 공간으로 원자를 방출해 대기를 유지한다는 것이다. 연구팀원인 MIT의 지구화학자 니콜 니 박사는 "미세 운석의 달 충돌과 이로 인한 증발이 달 대기를 만드는 주요 과정이라는 확실한 답을 얻었다"고 말했다. 달의 나이는 대략 45억 년으로 추정되며, 그동안 달 표면은 운석의 지속적 충돌이 이어졌는데, 결국 얇은 대기가 달 전체에 걸쳐 작은 충돌로 인해 지속적으로 보충돼 결국 안정 상태에 도달했다는 것이다. 미세 운석의 달 충돌은 태양풍으로 운반된 하전 입자에 의한 것이다. 달의 대기는 매우 분산돼 있기 때문에 연구하기 어렵다. 아폴로 임무에서 남긴 달 탐지기가 달에서 다양한 원자 성분을 감지했기 때문에 대기권을 대략 파악하고는 있었지만, 천문학자들은 지금까지 그것이 정확히 어떻게 만들어지고 유지됐는지 알아내는 데 어려움을 겪었다. 연구팀은 달 외기권의 생성과 유지의 근원과 미세 운석의 역할 등을 구체적으로 규명하기 위해 새로운 분석을 수행했다. 팀은 2013~2014년 사이 7개월 동안 운영된 궤도선인 달 대기 및 먼지 환경 탐사선(LADEE: Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer)의 데이터를 분석했다. 분석 결과 운석이 대량으로 충돌하는 동안에는 대기에 더 많은 원자가 존재했다. 즉, 미세 운석의 충격이 영향을 미쳤던 것이다. 동시에 일식과 같이 달이 태양의 영향에서 벗어날 때 대기 중 원자에도 변화가 발생했다. 이는 태양 역시 영향을 미친다는 것을 의미한다. 연구팀은 나아가 아폴로 프로그램 동안 수집한 실제 달 먼지 샘플도 조사했다. 그 결과 달에서 발견되는 것으로 알려진 칼륨과 루비듐이라는 두 가지 원소를 찾았는데, 이들 두 원소 모두 매우 쉽게 기화되어 증발하는 성질을 가지고 있다. 태양 입자나 미세 유성체가 달 표면에 부딪히면 루비듐과 칼륨은 증발한다. 다만 이들은 더 무겁기 때문에 빠르게 달 표면으로 떨어진다. 팀은 달 먼지를 미세한 가루로 분쇄하고 질량 분석기를 사용해 분석했다. 결과 두 가지 과정 모두 달 외기권을 생성하는 데 역할을 한다는 것을 발견했다. 다만 미세 유성체의 충돌 기여도가 태양풍에 비해 두 배 이상이었다. 충격 증발의 경우 대부분의 원자는 달 대기에 머무르지만, 태양풍에 의해 퍼지는 원자는 대부분 우주로 방출됐다. 연구를 통해 비로소 두 과정의 역할을 정량화할 수 있게 되었다는 평가다. 운석 충격 증발과 태양풍 이온의 달 대기권 유지에 대한 상대적 기여도는 약 70대 30 또는 그 이상이라고 말할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
- IT/바이오
2024-08-07 07:28:00
[우주의 속삭임(36)] 수성 표면, 최대 16km 두께의 다이아몬드층 존재 가능성 제기

태양계에서 가장 작은 행성인 수성에 다량의 다이아몬드가 존재한다는 주장이 제기됐다고 스페이스닷컴이 전했다. 벨기에의 뢰번 가톨릭 대학교(KU Leuven) 연구팀은 나사(NASA)의 수성 미션인 메신저(MESSENGER) 우주선의 데이터를 분석, 태양에서 가장 가까운 행성인 수성의 지각 아래에 16km 두께의 다이아몬드 층이 존재할 수 있다는 가능성을 제기했다. 수성은 다른 태양계 행성에서는 보기 어려운 다양한 특성을 갖고 있어 천문학자들의 탐구의 대상이었다. 매우 어두운 표면, 눈에 띄게 밀도가 높은 핵, 조기에 끝난 화산 시대 등이 대표적인 특징이었다. 또한 수성은 표면에 탄소의 일종인 흑연 조각도 포함하고 있다. 천문학자들은 이에 근거해 수성의 형성 초기에 탄소가 풍부한 마그마 바다가 있었다는 이론을 제기했다. 마그마 바다가 표면으로 부상해 흑연 조각과 함께 수성 표면의 어두운 색조를 만들었을 것이라는 추정이었다. 동일한 과정으로 인해 수성 표면 아래에 탄소가 풍부한 층이 형성됐다는 것이 뢰번 연구팀의 주장이다. 팀은 이 탄소 층이 과거에 제기됐던 그래핀이 아니라 다이아몬드로 구성되어 있다고 추정하고 있다. 그래핀은 탄소의 동소체 중 하나로 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조다. 다이아몬드 결정과는 근본적으로 다르다. 연구팀의 올리버 나머 교수는 "우리 팀은 수성이 탄소가 풍부한 행성이라는 것과 수성의 맨틀-핵 경계의 압력에 대한 새로운 추정치를 감안, 맨틀과 핵 사이의 경계면에서 형성되는 탄소 함유 광물이 흑연이 아니라 다이아몬드라고 추정한다"라고 말했다. 메신저 우주선의 영자 표기 MESSENGER는 'Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging'의 머리글에서 따 온 것으로 '수성 표면, 우주 환경, 지구화학 및 거리 측정'을 의미한다. 메신저 우주선은 지난 2004년 8월 발사돼 수성 궤도를 돌며 탐사하는 최초의 우주선이었다. 2015년에 임무를 종료했으며, 수성 극지방의 음영 속에 풍부한 얼음을 발견하고 수성의 지질학과 자기장에 대한 중요한 데이터를 수집하면서 수성 전체 지도를 작성하는 성과를 거두었다.
- IT/바이오
2024-07-26 13:55:00
[우주의 속삭임(34)] 주노 탐사선, 목성의 구름 신비 담은 초고화질 이미지 전송

나사(NASA)의 목성 탐사 우주선 주노(Juno)가 목성을 61번째 근접 비행하는 과정에서 북반구의 구름과 폭풍의 신비를 담은 고화질 이미지를 포착해 지구로 전송했다. 이들 이미지는 '접힌 필라멘트'로 알려진 지역에서 구름과 사이클론 폭풍에 대한 자세한 모습을 제공하고 있다고 사이테크데일리가 전했다. 원본 사진을 찍을 당시 주노 우주선은 목성의 적도 북쪽 약 68도 위도의 2만 9000km 상공에 위치해 있었다. 주노캠으로 찍혀 지구로 전송된 목성 구름 이미지는 공개된 주노 미션 공식 사이트에 게됐으며, 과학자 개리 이어슨이 디지털 기기와 프로그램으로 색상과 선명도를 높여 편집한 초고화질 이미지를 생성했다. 주노는 태양계에서 가장 큰 행성인 목성을 연구하기 위해 쏘아 올려진 나사의 우주 탐사선이다. 지난 2011년 8월 발사된 주노의 임무는 목성의 구성, 중력장, 자기장, 그리고 극지방의 자기권을 탐구하는 것이었다. 또 목성이 어떻게 형성되었는지에 대한 단서를 찾는 것도 숙제였다. 탐사를 통해 태양계의 초기에 대한 더 깊은 이해와 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대됐다. 주노 미션은 태양계 탐사를 책임지는 나사의 '뉴 프론티어(New Frontiers)’ 프로그램의 일부다. 주노는 태양 전지판을 이용한 태양광 발전으로 전력을 공급받았는데, 이는 발사 당시로서는 태양으로부터 가장 멀리 떨어져 작동하는 우주선이었기 때문에 주목받기도 했다. 주노는 2016년 7월 4일 목성 궤도에 진입했고, 그 이후 데이터를 수집하면서 목성 궤도를 돌고 있다. 우주선은 목성 조사를 위해 다양한 장비를 사용하는데, 특히 짙은 구름 아래를 볼 수 있는 마이크로파 방사계와 함께 목성 자기장과 중력장을 매핑할 수 있는 카메라 및 센서가 장착돼 있다. 이번에 보여준 주노의 구름과 폭풍 이미지는 목성의 대기에 대한 전례 없는 새로운 데이터를 제공하고 있다. 목성의 폭풍, 구름의 띠나 오로라 구성에서의 복잡한 구조를 드러냈다. 원래 2018년 완료될 예정이었던 주노의 임무는 여러 차례 연장돼 목성 주변의 지속적인 탐사와 발견을 이어가고 있다.
- IT/바이오
2024-07-24 09:47:00
[우주의 속삭임(28)] 태양, X급 플레어 방출해 호주·일본 등 전파장애 발생

태양 흑점이 최근 또 폭발해 호주와 동남아시아에서 일시적인 전파 방해가 발생한 것으로 확인됐다. 올해 5월 대폭발 이후 태양 활동이 비교적 잠잠했던 가운데, 지난 7월 14일(한국 시간) 강력한 X등급 태양 플레어가 발생했다고 스페이스닷컴이 전했다. 이는 태양 플레어 중 가장 강력한 등급이다. 미국 항공우주국(나사·NASA)는 지난 7월 13일(현지시간) 분출된 X1.2 태양 플레어의 이미지를 공유했다. 이번 태양 플레어는 흑점 AR3838에서 발생했으며, NASA의 태양활동관측위성(SDO)이 우주에서 이 역동적인 장면을 포착했다. 플레어 발생 직후 호주, 동남아시아, 일본 등 일부 지역에서 단파 무선 통신 장애가 발생했다. 이는 강력한 태양 플레어 발생 시 방출되는 강력한 X선 및 극자외선으로 인해 흔히 발생하는 현상이다. 다만, 이번 플레어는 코로나 질량 방출(CME)을 동반하지 않아 지구 자기장에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다. 태양 플레어는 태양 표면에서 발생하는 폭발 현상으로 강력한 전자기 방사선을 방출한다. 태양 대기 중 축적된 자기 에너지가 방출될 때 발생하며, 그 강도에 따라 A, B, C, M, X 등급으로 분류된다. X등급은 가장 강력한 것이며, M등급은 X등급보다 10배 약하다. 이번 태양 플레어는 X1.27등급으로 관측됐다. 태양 플레어의 방사선은 빛의 속도로 지구로 이동해 도착 즉시 대기를 이온화(전기적으로 충전)한다. 이러한 이온화는 고주파 단파 무선 신호가 통과할 수 있는 밀도가 높은 환경을 조성해 정거리 통신을 용이하게 한다. 전파가 이온화된 층에서 전자와 상호 작용할 때 충돌이 증가해 에너지를 잃게 되고, 이로 인해 전파 신호가 저하되거나 완전히 흡수될 수 있다. 미국 국립해양대기청(NOAA)은 15일 "눈에 보이는 태양 원반에는 흑점군이 많이 존재하며, 7월 15일부터 18일까지 사소하거나 중간 정도의 플레어가 발생할 가능성이 높다"고 보고했다. 태양에서 분출하는 12개의 흑점 영역 중 3838영역은 이번 X1.2 등급으로 분류된 플레어의 원인이다. NOAA는 흑점 영역이 "자기적으로 복잡하다"고 밝혔다. NASA에 따르면. 이 태양 주기는 솔라 사이클 25(Solar Cycle 25)로 알려져 있으며, 2019년 12월 시작되어 현재 최대치에 접근하고 있다. 11년 주기로 측정한 결과, 태양은 올해 피크 활동 주기를 거치는 동안 많은 강력한 태양 플레어를 방출했다. NOAA에 따르면, 태양 플레어 폭발은 태양의 플라스마가 지구를 둘러싼 자기장에 파고들 때 발생하는 태양 코로나 질량 방출과 관련이 있다. 태양 물질이 지구에 도착하면 지자기 폭풍이 발생한다. 예를 들어 올해 5월 11일 NOAA가 강력한 G4 지자기 폭풍 경보를 발령했을 때와 같이 북극광(오로라)과 같은 천체 현상이 발생할 수 있다. 당시 북극광은 미국 남쪽까지 진출해 텍사스 주에서도 관측됐다. 지난주 지자기 활동으로 5월에 나타났던 북극광은 예측되지 않았다. 그러나 NOAA는 태양 활동으로 인해 통신이 중단될 가능성이 있다고 보고했다. 한편, 15일(현지시간) 뷰몬트 언테프라이즈에 따르면 12개 이상의 활성 흑점이 계속해서 태양 플레어를 분출하고 있어서 과학자들은 이번 주 후반에 '가능한' 지자기 활동이 예측되어 위성 통신이 중단될 가능성이 있다고 밝혔다.
- IT/바이오
2024-07-16 17:17:00
[우주의 속삭임(23)] 달의 신비한 소용돌이는 '지하 마그마' 때문?

달의 표면은 회색의 여러 반점 모양으로 유명하다. 망원경을 들여다 보면 달의 표면에서는 또한 밝게 보이는 반점도 발견된다. 달 소용돌이로 알려진 이러한 특징적인 반점들이 지난 1600년대에 처음 발견된 이후, 천문학계는 그 기원이 무엇인지를 계속 탐구해 왔다. 학계에 잘 알려진 ‘라이너 감마’ 소용돌이와 같은 밝은색의 반점 영역은 오늘날까지도 수수께끼로 남아 있다. 라이너 감마는 달 표면 밝게 보이는 반점 형상의 평평한 지대다. 그런 가운데 스탠포드 대학교와 세인트루이스 워싱턴 대학교(WUSL) 과학자팀이 반점에 대한 새로운 연구 결과를 내놓아 주목된다고 사이언스얼라트가 전했다. 새로운 이론을 제시한 것이다. 이 연구는 '지구물리학 연구저널: 행성(Journal of Geophysical Research: Planets)'에 게재됐다. 지구와 달리 달은 태양의 하전 입자로부터 자신을 보호하기 위해 자기장을 발생시키지 않는다. 이는 태양풍이 달 표면과 충돌할 때 화학 반응을 일으켜 시간이 지남에 따라 암석이 더 어둡게 만든다. 즉, 달의 일부 반점처럼 보이는 주머니는 작은 자기장에 의해 보호되는 것으로 보인다. 지금까지 학자들이 발견한 모든 밝은 음영의 달 소용돌이는 이 지역의 자기장들 중 하나와 일치한다. 그러나 그 안에 있는 모든 암석이 반사되는 것은 아니며, 달의 모든 자기장이 소용돌이를 포함하는 것도 아니다. 그렇다면 여기에서는 무슨 일이 벌어지고 있는 것일까. 최근 일부 연구에서는 달과 미세 운석의 충돌이 하전된 먼지 입자를 일으킬 수 있으며, 이 입자가 표면에 도달하는 곳마다 국지적인 자기장이 생성되고 이로 인해 태양풍이 반사된다는 주장이 나왔다. 그러나 스탠포드와 WUSL의 연구팀은 그 가설에 대해 이의를 제기했다. 무언가 다른 힘이 달의 소용돌이를 자화시켜 태양풍 입자를 편향시켰다는 것이다. WUSL의 행성 과학자 미하일 크로친스키는 "충돌로 인해 이러한 유형의 자기 이상 현상이 발생할 수 있지만, 충격에 의한 것이라고 확신할 수 없는 모양과 크기의 소용돌이가 있다"고 지적했다. 크로친스키는 이에 대해 "지각 아래로부터의 힘도 작용할 수 있다"고 제안했다. "지하에 용암이 있다는 것이고, 자기장에서 천천히 냉각되면서 자기 이상 현상을 일으켰다"는 것이다. 연구팀은 그 근거로 달 표면 아래에서 한때 암석이 녹아 흐르고 있었던 레이더 영상 증거를 제시했다. 냉각된 마그마의 지하 흐름은 수십억 년 전의 화산 활동 시기를 나타낸다. 연구팀은 이 마그마 냉각 속도 모델을 사용, 달에 풍부하게 존재하고 화산암에서 흔히 발견되는 일메나이트라는 티타늄-산화철 광물이 어떻게 자화 효과를 낼 수 있는지 조사했다. 그들의 실험은 적절한 조건에서 일메나이트의 느린 냉각이 달의 지각과 상부 맨틀 내의 금속 철 및 철-니켈 합금 입자를 자극해 강력한 자기장을 생성할 수 있음을 보여준다. 팀은 "이 효과가 달 소용돌이와 관련된 강한 자기 영역을 설명할 수 있다"고 결론지었다. 이 결론이 입증되기 위해서는 지하 마그마에 티타늄 함량이 충분해야 한다. 그러나 지금까지 달의 국지적 자기장에 대해 알려진 대부분은 공중을 도는 우주선의 레이더를 사용해 얻은 데이터 측정에서 얻어진 것이다. 실제로 정확히 이해하려면 달 표면을 직접 시추해야 한다. 나사(NASA)는 이를 구체적으로 규명하기 위해 2025년 루나 버텍스(Lunar Vertex) 임무의 일환으로 라이너 감마 소용돌이에 탐사선을 직접 보낸다. 향후 수 년 안에 이 수수께끼를 해결할 증거가 수집될 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-07-05 14:36:00