차세대 수처리기 - 마그네틱바

“아빠! 아빠! 드디어 죽지 않고 영원히 살 수 있는 법을 알아냈어요!!”

과학캠프에서 돌아온 태연. 집에 들어오자마자 벌겋게 흥분된 얼굴로 속사포 같은 말을 쏟아내기 시작한다.

“캠프 선생님이 개구리를 액체질소 통에 넣으니까 냉동실 동태처럼 허옇게 얼어버렸는데요. 그 개구리를 미지근한 물에 넣어주니까 금방 폴짝 뛰어오르는 거에요. 그러니까 이제 사람도, 불치병에 걸리면 꽁꽁 얼렸다가 치료제가 개발되면 녹여서 치료하면 되니까 영원히 살 수 있게 되는 거라고요!”

아빠, 태연의 얘기를 들으며 신기해하기는커녕 답답하고 실망스러운 표정을 짓는다.

“그걸…, 이제 알았어?”
“네에? 그럼 아빠는 알고 있었단 말이에요? 그런데 왜 아직 냉동인간이 있다는 얘기는 뉴스에 안 나오는 거죠?”

“휴~ 제발 책 좀 읽어라. 냉동인간이 만들어진 지 벌써 40년이 넘었다고! 이미 세계적으로 수백 명의 냉동인간이 있고 말이야. 네가 좋아하는 백설공주, 곰돌이 푸를 만든 월트 디즈니도 현재 냉동인간으로 보관되어 있어. 심지어는 몸 전체를 냉동인간으로 만들면 돈이 너무 많이 드니까 머리만 냉동인간으로 보관하는 사람도 있는데, 의학기술이 엄청나게 발달하면 뇌세포만으로도 인간의 몸을 복제할 수 있다고 믿기 때문이라는구나.”

“우... 머리만 꽁꽁 얼려서 보관하다니, 소름이 쫙 돋아요. 아빠.”

“네 말대로 개구리를 얼렸다가 다시 살려내듯 인간도 그렇게 할 수 있다면 아마 병에 걸려 죽는 사람은 없을지도 모르겠다. 암 같은 난치병도 언젠가는 정복될 테니까 말이야. 하지만 개구리나 뱀은 변온동물이라 온도변화에 강한데다 크기도 작아서 한꺼번에 기능을 정지시켰다 살려내는 게 가능하지만, 인간처럼 커다란 항온동물을 그렇게 하기는 정말 힘든 일이란다.”

“그럼 어떻게 냉동인간을 만들었는데요?”

“일단 냉동인간을 원하는 사람의 심장이 멈추면, 재빨리 심폐소생기로 호흡을 되살려서 산소 부족으로 뇌가 손상되는 것을 막아야 해. 그런 다음 혈액을 모두 제거하고 신체 각 기관의 손상을 막는 특수 액체를 넣지. 그리고 영하 197도의 액체질소로 급속냉동 시켜 보관하는 거야. 되살려낼 때는 이 과정을 거꾸로 반복한 다음 전기 충격으로 심장을 소생시키면 되고 말이다.”

“엥? 생각보다 그렇게 복잡하지는 않은데요? 그런데 왜 아직 깨어난 사람이 없는 거예요?”
“음... 그건 말야. 너, 얼렸다가 녹인 딸기 본 적 있지?”
“예. 허옇게 흐물흐물 거리는 게 징그러워요.”

“딸기 세포가 파괴됐기 때문에 그렇단다. 세포는 약 85%가 물로 구성되어 있어. 그런데 생물을 냉동시키면 이 세포 속의 물이 팽창하면서 마치 바늘이 풍선을 터뜨리듯 주변의 세포막을 손상시켜 버리지. 인체도 마찬가지여서 냉동을 하게 되면 녹인 딸기처럼은 아니더라도 상당히 많은 세포들이 손상돼 버린단다. 그래서 과학자들은 냉동인간을 깨어나게 할 때 세포들, 특히 뇌세포를 완벽하게 소생시키는 방법을 집중적으로 연구하고 있어.”

<현재 기술로는 냉동인간을 해동시킬 때 신체 세포가 파괴되는 것을 완전히 막을 수 없다. 사진은 영화 ‘데몰리션 맨’에서 주인공이 냉동 상태에서 깨어나는 모습. 사진 제공. 동아사이언스>

“그게 정말 가능할까요?”

“과학자들은 세포수복 나노 로봇을 만들면 가능할 거라고 생각하고 있어. 바이러스 크기의 나노로봇이 세포막 안팎을 들락거리면서 손상된 세포들을 수리하는 거지. 현재의 나노 기술 발달 속도라면 2040년경에는 나노로봇 덕분에 냉동인간의 부활이 가능하게 될 거라고 과학자들은 예상하고 있단다. 하지만 그런 방법으로 인간의 생명을 연장하는 것이 과연 옳은 것인지에 대한 논란은 아직까지도 계속되고 있어.”

아빠의 얘기를 듣고 있던 태연의 눈에서 갑자기 눈물이 주르륵 흐른다.

“이런 기술이 좀 더 빨리 발전됐다면, 작년 봄에 죽은 병아리 두 마리와 지난주에 죽은 달팽이 여섯 마리도 살려낼 수 있었을 텐데. 너무 속상해요.”

눈물을 훔치며 급히 밖으로 나간 태연. 잠시 후 목에 구렁이를 두르고 개구리가 가득 들어있는 커다란 유리병을 들고 나타난다. 경악스럽기 그지없다.

“태연아! 이게 다 뭐야!?”

“요 앞 건강원에 좀 다녀왔어요. 변온동물이 아주 많더라고요. 아까 아빠가 변온동물이 냉동상태를 잘 견딘다고 하셨잖아요. 이 동물들로 열심히 연구해서 제 손으로 꼭 냉동인간을 부활시키겠어요. 아빠에게도 영원한 생명을 선물로 드리죠.”

“그런데 태연아, 영원한 생명 대신에 구렁이를 푹 고아서 뱀탕을 해먹는 게 낫지 않을까? 내가 요즘 늙는지 기운이 없어서 다리가 후덜덜 떨리고….”

“아빠!!!”

글 : 심우 과학칼럼니스트     (제공:SCI-FUN)

모형 비행기의 날개를 꺾어버리면 어떻게 될까? 엄마한테 혼날 게 틀림없다. 아이의 장난감을 부러뜨린 아빠라면 아이의 울음을 견뎌내야 한다. 하지만 항공기를 개발하기 위해서는 종종 날개를 꺾기도 해야 한다.

비행기의 날개를 ‘꺾는다’는 표현이 조금 이상하게 들리겠지만 비행기의 날개 모양을 살펴보면 대부분 앞뒤로 조금씩 ‘꺾인 형태’인 것을 알 수 있다. 속도를 빨리 내기 위해서는 비행기의 날개를 뒤로 젖히는 모양을 가지는 것이 유리하기 때문이다.

비행기가 처음 나왔을 때 날개 모양은 위에서 봤을 때 직사각형이었다. 직사각형 날개는 공기 역학적인 구조로는 비효율적인 부분이 많지만 제작이 쉽고 비용이 많이 들지 않기 때문에 오늘날에도 초경량 비행기나 저속 항공기 등에 많이 사용되고 있다.

비행기의 속도가 빨라지면서 점차 타원형 날개, 긴 사다리꼴 모양의 테이퍼 날개, 삼각 날개(Delta Wing) 등이 등장하였다. 이후 음속을 돌파하기 적합한 형태인 뒤로 젖힌 날개 ‘후퇴익’과 앞으로 젖힌 날개 ‘전직익’이 탄생하는 등 다양한 날개로 발전되었다.

<다양한 날개의 모습>

고속비행에 적합한 새로운 날개 형태는 제트기의 등장과 함께 나타났다. 날개가 뒤로 꺾어진 형태의 후퇴익이었는데, 이는 가급적이면 충격파가 덜 생기면서도 음속에 가깝게 날기 위해서 날개를 젖히는 아이디어였다. 후퇴익은 날개가 곧게 펴진 직선형태의 날개보다 공기의 압력을 적게 받고, 압축된 공기를 날개의 길이 방향으로 흘러가게 했기 때문에 고속비행에 적합했던 것이다.

비행기가 날고 있을 때 공기의 흐름은 날개 위에서 계속 빨라지게 되는데, 비행기가 음속에 가까워지면 날개 위에 음속보다 빠른 공기의 흐름이 생길 수 있다. 따라서 날개 위에 공기가 불안정한 지점이 나타나고, 이 때 충격파가 생기면 비행기가 잘 날 수 없는 상태에 빠질 수 있다.

또 비행기가 음속에 가깝게 빨라지면 공기가 압축되어 날개에 부딪히게 되는데, 이 때 비행기의 입장에서 보면 비행기 몸체가 공기의 벽을 뚫고 지나는 형태가 된다. 따라서 비행기 날개는 공기의 압력을 견딜 수 있을 만큼 강하게 제작돼야 하며 공기의 저항을 효과적으로 줄일 수 있는 형태가 필요하다.

그러나 후퇴익은 저속에서 오히려 비행기를 뜨게 하는 힘(양력)을 손해 보게 만드는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 고속 비행 때 후퇴익이었다가 이착륙 때의 저속에서는 직사각형 날개에 가까운 형태가 되는 새로운 형태의 날개가 개발됐다. 뒤로 꺾였다 펴졌다 하며 모양이 변한다고 해서 ‘가변익기’라 한다.

<가변익 모델(왼쪽)과 F-111 전투기의 실제 가변익 모습. 사진 제공. 한국항공우주연구원>

후퇴익 이외에도 비행기의 날개를 아래, 위, 양쪽 옆 등 다양한 방향으로 젖힌 모양도 이미 만들어져 활용되고 있다. 아래위로 날개를 꺾는 ‘상반각(Dihedral)’과 날개 길이 방향으로 비트는 ‘비틀림각(Twist Angle)’ 등이 그것이다. 이들은 비행기 조종석에 앉았을 때 시계 방향이나 반시계 방향으로 비행기가 흔들리는 것을 막아주는 효과가 있다.

앞으로 꺾는 ‘전진익(Swept Forward Wing)’은 특히 고속에서 빠른 기동을 가능하게 해 준다. 전직익기는 우주전쟁 영화에 나올 법하게 멋있게 생겼지만 구조적으로 만들기가 어렵고 조종하기도 까다로워 그 동안 시험적으로만 제작돼 왔다. 최근 복합재료 등 신소재 개발과 컴퓨터 발달로 머지않아 좀 더 많은 전진익기를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

최근에는 날개에서만 양력을 얻을게 아니라, 동체에서도 양력을 얻으면 어떨까하는 생각에서 플라잉 윙(Flying Wing)이나 블랜디드 윙 바디(Blended Wing Body) 같은 비행기도 생겨났다.

<왼쪽부터 ①일반적인 항공기, ②블랜디드 윙 바디, ③하이브리드 플라잉 윙, ④플라잉 윙>

비행기 날개를 만들기 위해 우리의 상상력이 많이 적용된다. 다만 하나가 좋아지면 뭔가 손해를 보게 되는데, 가장 적게 손해 보면서 많은 이익을 추구하고자 비행기를 설계하는 과학자들은 오늘도 컴퓨터와 씨름하고 실험실에서 밤을 지샌다.

글 : 안석민 한국항공우주연구원 항공연구본부 공력구조팀장

SF영화 ‘매트릭스’에서 기계는 인간을 전력생산도구로 활용한다. 영화에서 인간은 그저 살아있는 배터리에 불과할 뿐 가상세계인 매트릭스에서 빠져나오지 못하고 소모품으로 쓰인다. 생각만 해도 소름이 오싹 돋겠지만 실제로 사람 몸에서 전기를 뽑아내는 생체연료전지 연구가 꾸준히 이어지고 있다. 당연하지만 기계를 위한 배터리로 쓰려는 것이 아니라 더 나은 삶을 위해서다.

사람 몸에서 어떻게 전기를 만들어낼까? 비슷한 원리는 우리가 흔히 쓰는 배터리에서 찾아볼 수 있다. 배터리는 주로 화학전지다. 즉 화학물질이 산화와 환원 반응을 일으키면서 전자가 이동하고 이 과정을 통해 전기가 생산된다.

생체연료전지도 기본적인 틀은 화학전지와 다르지 않다. 피 속에 들어있는 포도당을 산화시켜 전자의 흐름을 만들어 내고 이를 나노배터리에 저장하는 것이 핵심이다. 말은 간단한데 생각보다 쉬운 일이 아니다.

포도당을 산화시키려면 매개체가 필요한데 흔히 사용하는 것이 곰팡이와 같은 미생물이다. 그런데 미생물을 사용한 생체연료전지는 덩치가 크다는 점이 가장 큰 문제다. 가뜩이나 포도당에서 만들어 낼 수 있는 전기량이 적은데, 배터리의 크기가 만만치 않으니 사람 몸에 이식하는 것은 고사하고 MP3 플레이어 하나 작동시키는데 최소한 6~7개의 생체연료전지가 필요하다.

이런 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 효소를 활용해 생체연료전지의 크기를 줄이는 것이다. 현재까지 적용한 효소는 수명이 불과 3일밖에 되지 않아 한계가 있어 앞으로 생체연료전지 연구는 효소의 수명을 늘리는 데 집중할 것으로 보인다.

<생체연료전지의 구조, 손톱만한 크기의 칩에 미니발전소가 들어있다. 사진 제공. 전자신문>

효소 수명을 늘려 원활하게 포도당으로 전기를 만들어 낸다고 하더라고 현재 사용하는 배터리와 비교하면 용량이 부족한 것이 사실이다. 포도당으로 만들어낼 수 있는 전압은 이론적으로 0.8V에 불과해서다. 따라서 이를 효율적으로 증폭시키고 조절하는 기술과 함께 나노배터리에 차곡차곡 쌓아두는 일도 함께 진행해야 한다.

경상대학교 남태현 교수팀이 만들고 있는 융합형 나노배터리와 생체연료전지는 가로세로 5mm, 높이 2mm 정도의 크기에 에너지밀도는 400Wh/ℓ, 효소 수명은 10년 이상을 목표로 하고 있다. 이 시스템에는 포도당에서 전기를 생산하는 생체연료전지, 전기를 증폭시키는 DC컨버터, 만들어낸 전기가 저장되는 나노배터리, 그리고 이 모든 과정을 제어하기 위한 SOC 칩이 들어있다. 새끼손가락 손톱만한 크기의 칩에 초미니 발전소가 들어있다고 보면 이해가 쉽다.

남 교수는 “특히 사람 몸에 이식한 의료기기의 50% 정도가 배터리로 이루어져 있어 환자가 불편한 것은 물론 크기를 줄이는데 한계가 있었다”면서 “융합형 나노배터리와 생체연료전지를 이용하면 외부에서 전원을 공급받을 필요가 없어 편리하다”고 설명했다.

이러한 시스템이 완성되면 기존 휴대폰 배터리의 10%에 불과하면서 성능은 비슷한 수준이 될 것이라고 한다. 배터리를 몸에서 직접 충전할 수 있으니 전기 걱정이 없어지는 것은 물론 휴대용 디지털기기 크기도 크게 줄일 수 있다.

예컨대 전기 자극을 가해 심장 박동을 일정하게 유지시켜 주는 심장 페이스메이커의 경우 본체의 70% 이상이 배터리로 이루어져 있다. 배터리는 재충전이 불가능하며 일정한 시간이 지나면 외과수술을 통해 다시 새로운 심장 페이스메이커를 이식해야 생명을 유지할 수 있다. 환자 입장에서는 큰 부담이다.

또한 전원을 제대로 공급하지 못해 실용화가 어려웠던 나노로봇이나 인공망막, 인공고막 등도 충분히 만들어 낼 수 있다. 연구기간은 오는 2014년까지로 이때쯤이면 실제 생명체에서 전기를 만들어내는 시제품을 만나볼 수 있을 듯하다.

<생체연료전지 시험본, 나노배터리를 크게 만든 모형(좌)과 배터리를 시험하기 위한 테스터 (우)의 모습이다. 사진제공. 전자신문>

넘어야 할 과제도 만만치 않다. 우선 고효율 생체연료전지를 만드는데 적합한 효소를 찾아내야 하고 앞서 설명한 것처럼 낮은 전압을 증폭시켜야 하는 전기기술도 확보돼야 한다. 포도당이 항상 일정하게 피에서 공급되는 것이 아니므로 이를 제어할 미세유동 기술도 확보해야 한다. 사람 몸이 항상 같은 상태로 유지되는 것이 아니기 때문에 컨디션에 따라 전기가 많이 만들어지는 날이 있는 반면 그렇지 못한 날도 있기 마련이다. 또 사람 몸에 들어가는 물건이니 생체적합성 여부도 따져 봐야한다.

현재 융합형 나노배터리와 생체연료전지는 대한민국의 독자적인 기술이다. 아직 다른 나라에서 시도조차 해보지 못한 영역이라는 말이다. 이런 시스템이 만들어 진다면 앞으로 10~15년 뒤에는 몸 속을 구석구석 돌아다니면서 질병을 치료하는 나노 로봇이 등장할 수 있고 인공장기 개발도 활발히 이루어질 것으로 전망된다.

생체연료전지의 2차 목표는 노트북이나 휴대폰과 같은 디지털기기에도 적용하는 것이다. 현재 임플란트를 몸에 심는 것처럼 기계, 전자 부품을 몸에 장착하는 것이 원활해진다. 휴대폰을 머릿속에 심거나 MP3 플레이어를 귀에 내장할 수도 있다. 인조인간이 등장할 날도 멀지 않을 듯하다.

글 : 이수환 전자신문 기자      (제공:SCI-FOCUS)