교통기반 시설의 혁명이 될 베세토튜브

1. 교통모드의 발전사
2. 제5 교통모드인 관도(管道, Tubeway)
3. 튜브운송의 핵심기술과 전망
4. 베세토튜브/글로벌튜브의 목표


[요약] 인류의 역사와 함께 발전한 교통시스템은 인간이 군집 생활을 하면서 주거와 활동지역을 점차 확대되고 지리적 거리감의 장애를 없애기 위하여 효과적이고 편리한 교통 수단을 찾게 되었다. 기술발달이 가속화된 산업혁명은 사람과 화물의 수송과 전달하는 교통수단의 발전과 맥을 같이 하며 발전하였고 오늘날 교통의 사회적 효용은 사회의 발전방향과 속도를 결정하는 중요한 요소가 되었다.

바퀴는 인류의 가장 뛰어난 발명품 가운데 하나로 기원전 3500년경 메소포타미아 시대에 사용한 흔적이 있으며 마차처럼 바퀴를 이용한 이동수단이 인간의 발을 대체하면서 더 빨리 그리고 더 멀리 이동할 수 있는 교통수단과 마을과 마을을 잇는 길과 시장과 도시가 발달하면서 인류문명이 꽃필 수 있었다.

산업화 이전 보행과 인력의 가장 원초적인 교통수단은 가축을 사육하면서 수레나 마차를 이용한 도로교통이 시작되어 자동차로 발전하였으며, 강이나 바다와 같은 장애물에서는 선박을 발명함으로써 오늘날의 수상. 해운 교통으로 발전하였고, 18세기 증기기관을 이용한 증기기관차는 산업혁명은 견인하는 주요 원동력으로 작용하여 오늘날 고속철도 시스템으로 발전하였다.

석유에너지 고갈에 따른 지속가능성을 고려한 21/22세기형 최상위 교통계층(transport hierarchy) 의 지속가능 교통 시스템(Sustainable transport system)은 제5 교통모드인 “관도(管道, tubeway)” 가 될 것이며 5대양 6대주를 연결하는 삼상궤도(3 Phase Track)방식의 범구관도(汎球管道, Global Tube Way)를 구축함으로써 기존 도로, 수상, 철도와 특히 항공모드 의존을 축소함으로써 지구촌 인구100억명 시대의 교통 인프라를 재구축하여야 한다.

기술은 마치 강물처럼 발전 속도나 발전 방향이 끊임없이 바뀌며 진화해 가며 기술발전 과정에서 나타나는 새로운 전환의 조짐들을 눈여겨보고 유연하게 대응할 필요가 있다. 아울러 산업의 판도 변화에는 항상 기회와 위협이 공존하므로 판도 변화를 예의 주시하고 한국의 입장에서 그 의미를 재해석하여 새로운 돌파구를 모색해가야 할 것이다.


1. 교통모드의 발전사

교통모드(Transportation Mode)란 운송체를 지지하여 이동을 실현할 수 있게 해주는 교통시스템 의 본질적인 요소로서 현대의 주요 교통시스템들은 교통모드로 이용하는 매질에 따라 크게 도로모드(자동차), 해운모드(선박), 철도모드(열차), 항공모드(비행기)로 구분할 수 있다.

현대 교통모드는 산업혁명의 시기 운하를 이용한 수상교통이 가장 먼저 발전하였고, 이후 철도, 도로 및 항공 교통이 각각 일정한 시차를 두고 탄생, 발전하였고 각각의 교통모드들이 때로는 경쟁하고 때로는 서로를 보완하며 사회가 요구하는 교통 수요를 담당하고 있다.

1) 제1모드-도로(자동차)
1769년 프랑스의 공병장교 니콜라스 조셉 퀴뇨가 대포를 견인할 목적으로 발명한 증기 자동차로부터 자동차의 역사는 시작되었으며 1803년 영국의 리처드 트레비딕은 제임스 와트의 증기 기관과 W.머독이 만든 증기 자동차를 본 후 지름 3.3m의 거대한 구동 바퀴를 갖춘 3륜차를 완성하여 런던 시내에서 8명의 사람을 태우고 시속 13km의 속도로 주행하는 데 성공하여, 사람들이 타고 다닐 수 있는 최초의 승용 증기 자동차를 만들었다.

최초로 실용화된 증기 자동차는 1826∼1836년 핸목이 만든 증기 자동차로 22인승에 평균 시속 16∼22km로 런던 시내와 첼트넘 사이를 정기 운행하였으나, 1886년 독일인 카를 벤츠는 세계 최초의 가솔린 내연기관이 달린 가솔린 자동차를 세상에 선보였고 1895년 프랑스의 미쉐린 형제는 더 나은 승차감과 속도 및 정비 편의성을 갖춘 공기압 타이어를 발명하였다.

본격적인 자동차 시대는 1908년 포드가 컨베이어 벨트로 대표되는 대량 생산방식을 도입한 모델T 로 일반 노동자나 서민들이 구매할 수 있을 정도로 낮은 가격으로 당시 부유층의 전유물이었던 자동차를 서민들에게 보급하는데 크게 기여하였으며 그 당시 공장 조립 노동자에게 매우 파격적인 대우였던 하루 8시간 노동에 5달러 임금을 제공하여 미국 중산층 형성에 결정적인 공헌을 했다는 평가를 받는다.

현재 전 세계 차량 보유대수 12억 대로 2035년에는 17억대로 증가할 전망으로 신규수요는 매년 1억대 수준으로 전기자동차나 디지털 기반의 자율주행차의 보급이 확대되는 반면 환경규제는 점점 엄격해 지는 추세와 함께 2030년 전세계 자동차 수요의 40%가 중국시장으로 집중될 수도 있을 것으로 예측된다.

자동차로 대표되는 수송용 원료가 14%로 발전소와 공업배출가스에 이어 세 번째를 차지하고 있어 질소산화물과 이산화탄소(CO₂) 발생량 증가는 지구온난화 현상 등 기후변화를 일으켜 생태계 변화 및 대기질 악화로 인류건강에 직·간접적인 영향을 끼쳐 세계 각국은 각종 규제를 시행하고 있다.

열효율성이 20% 안팎인 내연기관 자동차는 “바퀴달린 굴뚝”인 지속가능하지 않는 산업으로 엄격해지는 배기가스 규제강화에 궁극적인 해결책은 “바퀴달린 컴퓨터”인 전기자동차 전환이 불가피하다.

노르웨이와 네덜란드는 2025년, 영국과 프랑스는 2040년 화석 연료차 시장 퇴출을 결정했고 ‘클린디젤’이라는 가면을 쓰고 배기가스 배출량을 조작한 폭스바겐의 ‘디젤게이트’에 대응하여 독일 상원에서도 2030년부터 내연기관차 판매 중지를 예고하였다,

인도는 2030년 판매되는 모든 차량이 100% 전기차가 되도록 목표로 세웠으며 중국 정부도 2020년까지 500만개 전기자동차 충전소 건설을 필두로 전 세계 전기차 시장을 주도하겠다는 정책목표로 2040년부터 내연기관 차량 판매 중단을 검토하고 있다.

바퀴달린 굴뚝(내연기관차) vs 바퀴달린 검퓨터(전기차)로 전환
전기자동차는 내연기관 자동차보다 부품의 수가 많게는 1/10로 축소되어 후방 부품제조 생태계가 급격히 축소되고 배터리 가격이 하락하면, 지금의 자동차보다 그 가격이 낮아지며, 자율주행차와 우버와 집카 (ZipCar)와 같은 자동차 공유서비스는 더욱 확대될 전망이다.

공유서비스는 자동차를 소유할 필요성을 감소시켜 자동차 수요가 현재의 1/5로 축소되어 오히려 GDP감소와 운송.교통과 관련한 많은 직업군이 사라지는 한편 산업화 시대의 도시구조가 인터넷과 센서 네트워크로 교통신호등이 하나도 없는 스마트도시(Smart City)로 진화할 것이다.

전기자동차와 인공지능(AI)기반의 자율주행자동차 시장이 성숙기로 접어들면 쓸모없이 주차된 자동차가 줄어들고 공유된 자동차만 도로를 주행하기 때문에 도로와 주차장 면적을 대폭으로 축소할 수 있어 공원이나 시민편의 공간 전용 등이 가능할 전망이다.

4차산업혁명기의 자동차는 더 이상 기계가 아니라 ‘바퀴달린 컴퓨터’로 진화할 것이 명백하므로 현재의 스마트폰 시장과 같이 자동차 산업의 중심이 제조나 생산 보다 기술, 소프트웨어 중심으로 전환되고 극소수의 브랜드만 생존할 것으로 예측되고 있다.

2) 제2모드-해운(선박)
수상교통의 증기선은 1807년 미국의 로버트 풀턴(Robert Fulton, 1765∼1815)은 와트와 볼튼(Matthew Bolton)의 증기기관을 장착한 최초의 증기선을 진수시켰다. ‘클러몬트 호’(일명 ‘풀턴의 바보’)’는 양쪽 뱃전에 물레방아처럼 생긴 수차를 돌려 강을 헤쳐나가는 방식(외차선)이다.

길이 40.5m, 너비 5.5m, 깊이 2.7m의 크기와 약 4노트의 속도로 뉴욕과 올바니(Albany) 사이를 운항하였으며, 풀턴에게는 ‘기선의 상업적 이용 개척자’로 뉴욕주는 기선항행 독점권을 주어 그의 사업을 보호해주었다.

현재 해상운송은 먼저 저렴한 비용으로 대량운송의 장점으로 세계 무역과 환경에서 큰 의미를 갖고 있으며 유엔 국제해사기구(IMO)에 따르면 세계 무역의 90% 이상이 해상운송으로 이뤄지고 있으며 세계 3대 항로는 아시아와 북미 대륙 간의 태평양항로, 유럽과 아시아 대륙 간의 유라시아항로, 유럽과 북미 대륙 간의 대서양 항로를 말한다.

해운은 기본적으로 국제교역을 지원하는 역할을 담당하며, 19세기 산업화로 국력을 신장한 서구 열강들의 제국주의와 식민주의에 입각한 강압적인 외교통상으로 아시아와 아프리카, 중남미 지역은 무력에 굴복하여 공정하지 않은 국제교역이 이루어 졌다.

군사력을 앞세운 서구 열강들의 압력으로 문호를 개방한 약소국들이 수탈에 가까운 일방적인 통상교역을 강요로 자원과 원자재를 싼 값에 강대국에 공급하고 강대국으로부터 소비재를 비싼 값에 공급 받는 경제구조로 강대국과 약소국 간에는 부익부빈익빈(富益富貧益貧)의 현상이 심화되었다.

현시점에서 문제는 선박에서 엄청난 오염물질이 배출된다는 점이다. 국제해사기구(IMO)에 따르면 해상 운송은 매년 약 10억톤의 이산화탄소(CO₂)를 배출하며 이는 전세계 온실 가스 배출량의 2.5 %에 해당한다.

이런 추세가 지속될 경우 2050년까지 최고 250%까지 온실가스 배출량이 늘어날 전망으로 독일 환경단체 나부(Nabu)는 중형 디젤 크루즈선에서 배출되는 미세먼지는 하루 150톤에 이르며 이는 자동차 1백만대가 내뿜는 미세먼지와 같은 수준이라고 보고했다.

또한, 영국 일간 < 가디언>이 보도한 대외비 자료에 따르면 세계에서 가장 큰 선박 15척이 배출하는 오염물질의 양은 전세계 자동차 7억6천만대가 내뿜는 양과 비슷하다고 한다. ‘바다위 초대형 굴뚝’인 선박의 오명은 선박유의 황 함유량이 매우 높은 데 주로 기인한다.

초대형 유조선 1척에서 나오는 오염물질은 5천 만대의 자동차에서 내뿜는 암, 천식 유발 위험물질의 양과 같고 저급한 선박 벙커유에 있는 황 함유량이 유럽과 미국의 자동차에서 쓰는 디젤보다 최대 2000배나 많이 대기에 배출하고 있다.

9만척에 이르는 세계 화물선으로 인한 오염으로 연간 6만명의 사망자가 발생하고 있으며 폐와 심장 질환 치료를 위한 비용이 연간 최대 3300억달러에 이른다는 연구 결과도 있으나 2015년 체결된 파리의 기후변화협정에는 선박 배출 가스 규제 조항이 없으나 지속가능한 해운업의 발전을 위해서는 선박들의 동력원을 전기와 같은 친환경 스마트 선박으로 전환할 필요성이 제기된다.

3) 제3모드-철도(열차)
1814년 조지 스티븐슨에 의해서 최초의 증기기관차가 제작되었으며 세계 최초의 공공철도는 1825년 9월 석탄과 화물수송을 목적으로 영국의 스톡톤과 다링톤 사이의 43Km 구간에 놓여진 시속 16Km의 단선철도로 이 연철 레일과 자신이 개발한 증기기관차 로코모션(Locomotion)호를 이용하여 스톡턴과 달링턴 사이에 화물열차를 운행하여 세계 최초로 증기기관차의 상용화에 성공하였다.

나아가 조지 스티븐슨은 1830년 리버풀과 맨체스터를 잇는 철도를 부설하고 성능을 크게 높인 로켓(Rocket)호를 선보이면서 여객운송까지 시작하여 근대적인 철도 교통 시스템의 시발점을 만들었다.

1894년 루돌프 디젤이 디젤기관을 발명하자 디젤동력 기관차가 등장하였고 종래 증기기관차가 가지고 있던 한계를 극복함으로써 더 빠르고 힘이 좋은 효율적인 디젤기관차 시대를 앞당겨 증기기관차는 역사의 저편으로 저물어 가는 계기가 되었다.

디젤기관차는 2차 세계대전 이후 많이 쓰이기 시작하였으나 오늘날에도 여전히 많은 나라에서 운영되고 있으며 전철화가 비효율적인 나라나 지역에서는 디젤기관차는 인기를 얻고 있다.

한편 전기기관차는 1895년에 건설된 볼티모어&오하이오 철도의 볼티모어 벨트 선으로 초기에 지하철도, 도시철도에서 많이 쓰이고 다른 기관차보다 에너지효율이 월등히 높을 뿐 아니라 강력한 견인력과 에너지 사용의 유연성이 높아 현재 고속철도의 토대가 되었다.

고속철도는 고속도로와 항공산업에 밀리던 철도사업을 다시 일으켜 세우는 데 큰 역할을 하게 된다. 주요 운영국가로는 1964년 개업한 일본의 신칸센, 프랑스의 TGV(한국 KTX), 독일 이체에(ICE)가 대표적이다.

중국은 중국철로고속(China Railway High-speed, CRH, 和谐号)에서 자동차 분야와 같이 2조 위안의 ‘시장을 주고 기술을 받는다‘는 정책에 따라 고속철도 선진4개국 (일본, 독일, 프랑스, 캐나다)의 기술을 도입하여 2011년 첫 고속철도를 개통한 이후 사종사횡 (四縱四橫)의 격자형 노선으로 단숨에 확장하여 2016년 총 연장거리 2만 Km로 전 세계의 고속철도 노선의 60%를 점유하고 있다.

자기부상열차(maglev levitation train)
한편 전기로 발생된 자기력으로 레일에서 낮은 높이로 부상하여 바퀴를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시켜 달리는 자기부상열차(maglev levitation train)는 기존 전기철도가 바퀴와 레일의 마찰을 통해서 차량을 전진시킴에 따라 속도가 빨라질 경우 차륜(바퀴)이 레일에 밀착되지 않고 공회전하고 직선부를 고속으로 주행할 경우 차체나 대차, 차축 등이 회전진동(yawing)을 일으키는 사행동(蛇行動, snake motion, hunting) 현상으로 일정 속도이상 주행하기가 힘들어 더 빠른 속도를 내기 위해 개발한 것이다.

일반 전자석을 사용한 상전도 흡인식의 시속 110㎞급 한국 도시형 자기부상 열차와 독일 기술인 상하이 트랜스래피드(Transrapid)가 실용노선에서 영업운전을 하고 있으며, 일본은 철도회사인 JR 도카이(東海)에서 초전도 반발식의 주오신칸센(中央新幹線)의 시험선을 개통하였다.

주행시험에서 최고속도 603Km를 기록하였고 설계 최고 속도 시속 505 km로 도쿄-나고야 노선은 2027년에 개업하고 도쿄-오사카 노선을 2045년 전 개업을 목표로 진행되고 있으나 모두 기존 철도기술의 연장선상에서 진행되고 있다.

현재 상하이 자기부상열차는 독일의 자기부상열차인 트랜스래피드 08계(Transrapid 08)기술을 도입하여 푸둥 구의 룽양루역(龙阳路站)과 푸둥국제공항역(浦东国际机场站)을 잇는 노선에서 영업운전 중이며, 일본은 도쿄, 나고야, 오사카를 연결하기 위한 자기부상열차 방식의 주오 신칸센(中央新幹線)의 시험 운행을 위해 건설된 야마나시 시험선(총연장 42.8Km)을 운영중에 있다.

4) 제4모드-항공(비행기)
처음 비행기에 대한 기본적인 원리와 구조를 생각한 사람은 레오나르도 다빈치(Leonardo da Vinci)였다. 다빈치는 1505년 논문을 발표하면서 활공기와 동력비행기 발명자에게 큰 자신감을 심어주었다.

최초의 동력 비행기는 1903년 12월 27일에 미국의 라이트 형제가 발명하였으며 가솔린 기관을 이용해 만든 플라이어 호가 1903년 미국 노스캐롤라이나(North Carolina)주 키티호크(Kitty Hawk)에서 사상 최초로 12초 동안 36m를 동력 비행하는 데 성공했다.

그리고 에어하트가 태평양 횡단을 하다가 실종된 이후 제1차 세계대전을 거치면서 비행기의 성능이 급속도로 개선되어 미국인 찰스 오거스터스 린드버그 2세가 1927년에 ‘Spirit of Saint Louis’를 타고 뉴욕과 파리 사이의 대서양 무착륙 횡단(거리 5,809Km, 비행 시간 34시간 55분)에 성공한 후 발전을 거듭하여 최대 600명 탑승의 보잉747, 최대 868명이 탑승할 수 있는 에어버스A380가 취역 중에 있으며 오늘날 국제교통과 장거리교통의 중심적 역할을 수행하고 있다.

항공 교통모드의 문제점
1Kg의 항공유는 연소하면서 3.16Kg의 이산화탄소(CO₂)를 배출하여 전세계 배출량 대비 2.5% 정도로 전세계 IT업종과 비슷한 수준이나, 항공기 엔진에서 배출되는 CO₂, H2O, SF6, NOx와 같은 배출물질들은 지상에서 배출되는 오염원과는 다르게 직접적으로 대류권 상층부와 성층권 하부에 영향을 주고 있다.

항공기 배출물들이 고 고도에서 미치는 영향에 대해서는 많은 논란이 있지만, SF6와 같은 배출물질들은 이산화탄소(CO₂)에 비해 더 치명적인 온실가스 효과를 내고 있으며, 이들 효과는 항공부문 에서의 배출량이 타 산업에 비해 적은 양에도 불구하고 대기권 상층부에 직접적인 영향을 미쳐 다른 부문의 온실가스 배출이 점차 줄어드는 2050년이 되면 그 비율이 22%로 크게 늘어날 전망이다.

비행기는 대기를 오염시키는 주범으로 지난 2004년 유럽환경청 조사에 따르면 교통수단 가운데이산화탄소(CO₂)를 가장 많이 배출하는 것은 비행기였다. 비행기 탑승객 한 명이 1Km를 이동할 때 배출되는 이산화탄소(CO₂)의 양은 285g으로, 104g인 자동차보다 두 배, 14g인 기차보다 20배 정도나 높은 수치이다.

대류권과 성층권 사이의 대류 경계면을 날아다니는 경로는 기후변화를 일으키는 이른바 온실가스 존으로 비행기는 온실의 지붕 유리를 더 두껍게 만들고 있는 ‘날아다니는 굴뚝인 셈이다.

주목할 만한 사례로 911사태시 미국 전역의 항공운행이 3일간 금지되자 대기권의 담요역할을 하던 항공기의 배기가스와 비행운이 없어지자 평균 3도 가량 기온이 하강하는 현상이 있었으며 오늘날 항공기가 배출하는 CO₂는 전 세계 CO₂ 배출량의 3.5%를 점하는 것으로 추정되며 1990년 보다 70% 증가해 여타 업종보다 더욱 가파른 상승세를 보이고 있다.

미국의 경우 교통 활동으로 배출되는 온실가스 중 10%가 항공기에서 나오고 있으며, 영국의 경우 현재 항공 분야의 탄소 배출이 6.3%를 차지하고 2050년 21%까지 달할 것으로 예상하고 있어 황사나 미세먼지 문제가 심각한 동북아 지역에서 항공 트래픽이 향후 미국이나 유럽 수준으로 폭증하면 동북아 상공의 대기는 두터운 담요로 뒤덮이는 악몽적인 결과를 초래할 것이다.

 

2. 제5모드-관도(管道, Tubeway)

우리는 생각보다 다양한 기반시설에 둘러 쌓여서 산다. 도로, 항만, 철도, 수도, 전기, 신호체계, 하천, 통신, 문화시설 등이 모두 기반시설이다. 우리의 삶의 방식, 삶의 수준은 이 기반시설이 결정하는 경우가 많다. 기반시설의 중요성은 우리나라의 예를 살펴보면 더 쉽게 알 수 있다.

1970년 완공된 경부고속도로는 그 이후 우리나라의 경제성장기를 이끌 주요한 기반 시설이 되었고 KTX 개통 후 전국은 확실하게 1일 생활권이 되었다. 사업을 하는 사람들이 오전에 부산으로 갔다가 오후에 서울로 다시 돌아오는 것이 가능해 졌고 지방에 사는 사람이 서울의 의료 서비스를 손쉽게 누릴 수 있게 되었으며 전국의 사람들이 더욱 긴밀히 연결되게 된다. 기반시설의 혁신은 우리 삶의 많은 부분에 까지 영향을 미칠 것이다.

1) 미래의 운송 트랜드
‘리처드 플로리다’는 ”창조적 변화를 주도하는 사람들(The Rise of the Creative Class)의 저자로 1850년 미국 운송수단의 평균속도는 시속 약 6.4킬로미터였고 1900년이 되자 자동차와 기차가 등장하면서 이는 두 배로 뛰어 시속 약 12.9킬로미터가 되었다고 하였다.

헨리 포드가 주도한 자동차 시대와 신흥 항공사업 덕분에 1950년에는 세배가 되어 시속 약 38.6킬로미터가 되었다. 2000년이 되자 항공교통이 휠씬 대중적인 것이 되면서 평균속도는 껑충 뛰어 올라 시속 약 120.7킬로미터가 되었다.

다음 번 교통수단이 등장할 경우 평균속도가 시속 약 360킬로미터가 넘을 것으로 예상된다. 그렇다면 완전히 새로운 차원의 속도와 효율성을 가져다 줄 차세대 교통수단은 무엇일까? 정답은 진공관 운송수단인 관도(管道, Tubeway)가 될 것이다.

2) 캡슐-파이프라인(氣送管)
튜브운송의 원조격인 기송관(氣送管, Pneumatic Tube)인 캡슐-파이프라인 시스템은 19세기 중반 런던에서 전보 운송용으로 처음 실용화되었다. 작은 직경을 갖는 캡슐-파이프라인은 도시 내의 중요 지점간의 통신수단으로 20세기 중반까지 사용되었으나 다른 통신수단의 급속한 발전으로 사라졌으나 건물내의 현금, 소화물의 배달이나 쓰레기 집하 등의 용도로 현재까지 일부 이용되고 있다.

20세기 들어 캡슐-파이프라인의 직경을 크게 확장하여 화물운송에 활용하려는 시도가 이루어져 1971년 미국의 TubeExpress나 러시아와 일본의 경우 공압추진 방식을 이용하여 광물이나 곡물들을 산지에서 집하 시설까지 운송하는 목적으로 사용된 사례가 있다.

그러나 캡슐-파이프라인(氣送管)은 캡슐 자체가 추력이 없어 주로 파이프 라인 내의 공기압력을 조절하여 캡슐 전후방의 압력차를 이용하여 추진하는 공압추진(Pneumatic Propulsion)방식을 채택하고 있다. 공압추진 방식은 좁은 파이프 내의 공기저항 문제를 해결하는 데는 효율적이나 신속한 제어와 복잡한 망구조에서는 적용이 어려운 원천적인 여러 가지 기술적 난제로 더 이상 발전이 불가능하여 소형화물 운송분야의 틈새시장에서 이용되고 있다.

3) 진공관 열차의 초기 역사
기송관(氣送管)의 원리와 진공튜브를 활용한 미래 교통수단은 거의 한 세기 동안 ‘진공관 열차’라고 불렀다. 보리스 와인버그 러시아 교수는 1914년 저서인 “마찰 없는 움직임(Motion without friction)”에서 이 개념을 제안했으며 1909년에는 톰스크 대학에서 초창기 모형을 만들기도 했다.

미국 항공우주의 개척자인 로버트 고다드 역시 “진공관 열차”를 연구하였고 대학생들과 구체적인 시제품을 만들기도 했으며 이 열차가 보스톤에서 뉴욕까지 평균시속 1,609킬로미터로 12분 만에 주파하도록 설계했다.

1945년 고더드가 사망한 다음에 이 열차의 설계도가 발견되었는데 얼마 안 있어 그의 아내가 특허를 신청했으며 진공관 열차는 국제과학 기술정책을 논의하기 위해 민간차원에서 설립한 싱크탱크인 랜드 연구소에서 일하던 로버트 M. 살터가 1972년과 1978년에 이를 다룬 구체적인 기사를 쓴 후 다시 화제가 되었다.

진공관 열차는 과학소설에도 등장했다. 아서 C. 클라크의 “구조대(Rescue Party), 레이 브래드버리의 “화씨 451(Fahrenheit 451)”, 로버트 A. 하인라인의 “금요일(Friday)”가 유명하다

한편 데릴 오스터는 1980년대부터 수십 년 동안 진공터널과 자기부상 철로를 설계하기 위해 노력했고 마찰 없는 이동의 큰 장점을 활용할 수 있는 방법을 연구했다. 1997년에는 ET3의 전신에 해당하는 기업을 설립하였으며 2012년 인허가 컨소시움으로 ET3 글로벌 얼라이언스를 창립해 전 세계의 핵심기업과 인재가 참여할 수 있는 기회를 제공했다.

ET3 덕분에 기술과 지적자산을 쉽게 모을 수 있게 되었을 뿐만 아니라 기술의 인허가도 용이해 져다. ET3가 구상하는 진공튜브 운송기술에는 3가지 차별점이 있다.

첫째, 무게를 줄이고 진공 효율성을 극대화하기 위해 좁은 튜브를 사용한다. 진공관 열차는 좁은 튜브 덕분에 진공 펌프량이 적으며 철탑과 교량 지지대가 가벼울 뿐 아니라 지하로 내려가거나 산맥을 관통할 때 천공 작업량 역시 적다.

둘째, 캡슐이 상당히 작다. 진공튜브 운송에 사용되는 캡슐은 중형차량 정도의 크기로 높이는 약 1.3미터, 길이는 약 5미터밖에 되지 않는다. 덕분에 초전도성을 유지하기 위해 장착하는 이트륨 바륨 구리 산화물 같은 재료와 생명유지 장치에 드는 비용이 적다.

캡슐 하나당 6명 혹은 수화물 3개를 실을 수 있는데 승객과 수화물을 포함한 최대 무게는 약550킬로그램이다. 작은 캡슐덕분에 전체 시스템에 부담되는 비용이 줄어들어 초고속 철도를 건설하는데 드는 비용의 10분의 1, 고속도로를 건설하는데 드는 비용의 4분의 1에 불과하다.

셋째, 차별점은 고온 초전도 자기부상을 사용하는 것으로 ET3의 실시권자인 야오핑 양이 중국 서남교통대학교에서 개발한 기술로 액체 헬륨 대신 액체질소를 냉각제로 사용해 시스템이 63K(-321도시)에서 77K(-346도시)로 운영되도록 하는 것이다. 질소가 끓지도 얼지도 않는 온도이다. 기존의 자기부상은 훨씬 더 비싼 헬륨을 사용한다. 이 캡슐에는 초전도 물질이 장착될 것이다.

2003 년 4월 디스커버리 채널의 쇼 익스트림 엔지니어링 “대서양 횡단 터널(Transatlantic tunnel)”라는 제목의 프로그램에 출연한 Ernst Frankel(전 MIT 해양공학 교수)과 Frank Davidson(영국채널터널 연구그룹 멤버)은 심해의 높은 압력을 피하기 위해 대서양 해수면에서 46∼91m 깊이에 케이블로 고정한 터널을 제안한다.

터널 내부를 진공을 유지하여 자기부상열차를 운행하면 6,400km/h까지 주파할 수 있어 뉴욕과 1시간에 주파하는 초음속 자기부상 열차인 대서양 횡단 초음속 자기부상 진공 튜브 트레인을 소개하여 널리 알려지게 되었다.

4) 하이퍼루프(Hyperloop)의 탄생배경
전기차 회사 ‘테슬라’의 CEO 일론 머스크(Elon Musk)는 “교통체증은 영혼을 파괴한다”라고 말한 적이 있을 정도로 운송수단에 대해 관심이 많다.

그의 사업영역도 그의 철학과 일치한다. ‘스페이스X’라는 로켓회사를 만들어 우주왕복선을 개발하고 있고, 테슬라로 전기차 혁명을 일으켰다. 최근에는 지하터널로 교통체증을 해결하는 ‘보링 컴퍼니(Boring Company)’를 설립하기도 했다.

일론 머스크는 날씨에 구애받지 않고 절대 부서지지 않으며 평균속도가 제트기의 2배이며 24시간 운영 가능한 초고속열차로 하이퍼루프를 제안했다. 그는 초음속 여객기인 콩코드와 전기의 힘을 이용해 탄환을 발사하는 무기인 레일건을 합친 것과 같이 선로가 필요없는 운송수단으로 지상과 지하에서 운영 가능한 교통수단으로 일반 고속철도 구축이 예정된 샌프란시스코(SF)와 로스앤젤레스(LA)간에 시설할 것을 주장했다.

초음속 자기부상열차 ‘하이퍼루프’는 우선 진공에 가까운 거대한 튜브를 구축하고 튜브 안에 자기부상열차를 띄워 공기의 힘으로 빠르게 이동한다. 자기부상열차는 마찰력이 없고, 튜브 안에는 공기 저항이 없어 엄청난 속도로 운행이 가능하다.

이론상 하이퍼루프의 속도는 음속(1,224km/h)보다 빠른 1,300km/h 이상의 속도로 달릴 수 있다. LA에서 샌프란시스코까지 30분에 주파가 가능하고, 서울에서 부산까지는 20분이면 도달한다. 튜브는 고도 45.7킬로미터에서의 공기압력에 맞먹는 진공압을 유지하게 되어 있다.

이는 상당히 희박한 공기이나 ET3에서 제안한 진공보다는 천 배나 높은 압력이기 때문에 공기의 누출과 에어록(airlock)을 통한 캡슐의 유출입을 쉽게 관리할 수 있다. 하지만 이 극소량의 공기조차 캡슐에 큰 부담이 될 수 있기에 캡슐에는 436마력의 모터가 장착된 진공엔진이 탑재되어 있다.

2013년 8월 12일 테슬라사와 스페이스엑스 블로그에 올라온 백서를 통해 이 시스템의 알파 디자인이 공개되었다. 머스크는 이 오픈 소스 디자인 프로젝트에 대한 피드백을 유도하여 테슬라의 투자없이 관련 전문가들이 자신의 아이디어를 개선시킬 수 있는 방법을 제안할 수 있는지 보기 위해서였다.

일론 머스크가 하이퍼루프를 구상한 이유는 캘리포니아 주가 2029년까지 70조 달러를 들여 고속열차를 만든다는 발표를 듣고 한심하게 생각했다고 한다. 천문학적인 돈이 들지만 지금의 고속열차에 비해 약간 빠를 뿐, 완공 기간도 오래 걸리며, 미래적이지 않아 일론 머스크는 이 계획을 저지하기 위해 하이퍼루프 아이디어를 제시했다.

단순한 아이디어에 불과했던 하이퍼루프는 머스크의 명성에 힘입어 언론과 사람들의 관심을 불러 모았고, 하이퍼루프 기술을 개발하는 회사들이 설립되고 시험 운행을 위한 기초실험을 진행하였다. 오바마 대통령도 이 프로젝트에 관심을 보여 일론 머스크와 백악관에서 만남을 가졌고, 세계 각국에서 하이퍼루프에 대한 관심이 고조되어 한때 화제를 불러 일으켰으나 그 후 구체적 결과는 없는 상태이다.

하이퍼루프의 비전은 샌프란시스코(SF)와 로스앤젤레스(LA) 구간에서 2022년부터 매년 1500만 명의 승객이 탑승료 5만 원으로 40분의 이동 시간을 제시하였다. 또한 하이퍼루프의 지붕에는 태양광 패널을 설치하여 구동전력으로 활용하는 아이디어를 제시하였다.

친환경성을 강조하고 있으나 현실성은 극히 낮은 것으로 평가된다. 하이퍼루프가 현실화되기까지는 많은 난관이 있으며 기술적인 어려움과 경제성, 지진 안정성, 승객 안정성 등 여러 가지 문제가 산적해 있다.

5) 기존의 제안된 시스템의 문제점과 평가
데릴 오스터와 엘론 머그크가 제안한 차세대 운송시스템은 특수 제작된 차량을 진공관에 넣은 뒤 로켓처럼 목적지까지 발사시키는 방법이다. 초고속 열차의 속도는 현재 추오 신간센의 경우 500키로미터에 이르지만 진공열차의 속도는 6,400킬로미터를 제시하여 데릴 오스터는 이를 가리켜 ‘지구에서의 우주여행’으로 홍보하고 있다.

비교적 오래된 캡슐-파이프라인 시스템(기송관, 氣送管)은 공압 펌프(Pneumatic pump)를 이용하여 캡슐 전후에 압력 차이를 발생시켜 추진력을 얻기 때문에 파이프라인과 캡슐은 매우 간단한 구조를 가지며, 제작 및 유지보수가 간편하므로 초기의 전보시스템에 이용되었으며, 현재에는 빌딩 내 현금, 서류 운송이나 아파트 등의 쓰레기 자동 집하 등 비교적 소량의 화물 운송에 이용된다.

이를 확대하여 초고속의 교통시스템으로 구현하기 위해서는 상대적으로 매우 강력한 팬을 이용해서 튜브 내부에 공기를 불어주어야 하는데, 이때 튜브 내의 모든 공기는 운송체의 속도로 이동하게 되며, 이는 흡사 튜브 내의 거대한 공기 기둥이 음속에 가까운 속도로 이동하며 튜브와 마찰을 일으키는 것과 같기 때문에 막대한 에너지가 소모되므로 현실적으로 불가능한 시스템이다.

고속철도의 지속적인 성과에도 불구하고, 속도 향상의 가장 큰 장애물인 ‘공기저항’과 기차 바퀴의 마찰은 완전히 해결되지 않은 숙제로 진공관 열차는 속도, 전력소모량, 오염, 안전 면에서 다른 교통수단을 능가할지 모른다.

하지만 현재 관련 기술의 확보가 경제적으로 불가능하고 기반시설이라는 가장 큰 요소가 없는 상태로 아이디어 마케팅 단계로 볼 수 있다.

이에 반해 철도부문은 고속전철과 자기부상열차 등의 신기술 개발로 기술적 진보가 이루어져 오늘날 고속철도의 상용화가 전세계적으로 이루어지고 있고 자기부상열차의 실용화도 일본, 중국, 유럽을 중심으로 진행되고 있다.

그러나 튜브운송 기술은 기존의 소형 화물운송 위주의 “기송관”에서 벗어나 기존의 도로교통, 철도교통, 항공교통이 담당하는 여객 및 화물운송을 대체하기 위한 신교통 수단으로 자리매김해야 한다.

튜브운송 기술의 가장 큰 특성은 도로, 철도, 항공에 비해 캡슐단면에 근접하는 최적화된 튜브를 인프라로 활용하는 점이다. 이는 튜브운송기술의 본질적인 특성으로 안정성, 친환경성, 편의성, 경제성을 갖게 된다.

안정성 측면은 튜브구조가 외부환경과 운송체를 완전히 격리하기 때문에 강우, 강설, 안개, 강풍 등의 기상조건을 배제하여 전천후의 교통수단으로 자리매김하고 시스템의 외부에 존재하는 인명과 동물 등의 안전을 완벽하게 보호할 수 있다.

튜브가 지상이나 지하 혹은 해저에 설치되기 때문에 외부인의 접근이 어려우므로 점점 심각해지는 보안문제에 있어 타 교통수단에 비해 유리한 위치를 갖게 된다.

환경측면은 인프라라 이용되는 튜브가 최소한의 공간을 점유하므로 토지와 재료의 이용을 최소화할 수 있고 외부로 방사되는 소음을 완벽히 차단하여 소음공해를 예방할 수 있게 된다.

편의성에 있어 튜브운송기술은 수도, 가스관, 인터넷과 같이 수많은 터미널을 직접 연결할 수 있는 확장성으로 출발지와 도착지를 직접 연결할 수 있는 Door-to-Door 서비스를 제공할 수 있는 구조의 Point to Point의 토폴로지를 구현할 수 있다.

경제성의 경우 튜브운송은 도로나 철도에 비해 획기적으로 집약적인 튜브구조를 사용하므로 토지 수용비와 자재비 절감과 건설비를 저감할 수 있는 최적 교통 시스템으로 시현할 수 있어 높은 경쟁력 확보가 가능하다.

 

3. 튜브운송의 핵심기술과 전망

근대 교통모드의 발전을 살펴보면 새로운 교통수단의 출현은 핵심기술의 발명이 전제되었다. 철도의 경우 고압증기기관, 도로의 경우 내연기관, 항공의 경우 제트터빈이 등장하여 보편화되는 과정을 거치게 된다.

제5모드인 튜브운송의 경우 튜브내의 공기저항을 효율적으로 극복할 수 있는 진공유지 시스템과 튜브내 추진기술이 튜브운송 기술의 성패를 좌우하게 될 것이다. 튜브운송 시스템은 밀폐된 튜브 내를 캡슐이 이동하게 되므로 기존의 교통수단과 다른 추진 시스템이 필요하게 된다.

공기중에 이동하는 모든 물체는 속도의 제곱에 비례하는 공기저항을 받게 되고 밀폐된 튜브 내는 개활지에 비해 공기저항이 훨씬 더 커지게 되어 튜브운송 시스템의 이전형태인 기송관(氣送管) 혹은 캡슐-파이프라인 시스템에서는 주로 공압추진(Pneumatic Propulsion)방식을 이용하여 운송체(캡슐 등)를 이동시켰다.

공압추진 방식은 튜브 내에서 발생하는 높은 공기 저항의 문제의 원천적 해결과 에너지 효율 향상 등을 기대할 수 있고 운송체인 캡슐에 별도의 추진기관이 필요 없어 구조가 간단하며 제작비용이 저렴한 여러 가지 특성이 있다.

그러나 공압추진 방식은 고속주행과 캡슐의 정밀한 제어가 힘든 문제점 등으로 초기 건물 내와 한정된 지역을 대상으로 하는 우편물 수송용의 기송관(氣送管)에 잠시 적용되었으나 도로, 철도, 항공 등 타 교통모드의 발전에 따라 쇠퇴하였다.

최근의 튜브운송 시스템은 기존 철도의 휠-레일 시스템에서 진화한 리니어 모터와 자기부상 추진 기술을 튜브운송에 적용하여 효율적이고 안전한 시스템을 개발하는 방향으로 진행되고 있다. 진공기술을 튜브운송에 적용하는 것은 새롭고 혁신적인 시도로 튜브 내를 진공으로 유지하게 되면 이론적으로 공기저항은 0이 되므로 아주 작은 에너지로 운송체(캡슐)의 추진이 가능하다.

또한 속도가 증가하여도 공기저항은 증가하지 않고 음속을 돌파하여도 음속폭음(音速爆音, sonic boom)이 발생하지 않으므로 초음속 여객기와 같은 속도로 운행이 가능하게 된다. 따라서 저렴한 비용으로 튜브를 진공 혹은 아진공으로 유지할 수 있는 진공관리 시스템이 도입되면 음속 이상의 초고속 운행이 가능하므로 대륙간 극(極)초고속 운송시스템의 실현이 가능해질 것이다.

 

4. 베세토튜브/글로벌튜브의 목표-삼상궤도(3 Phase Track)방식

산업혁명기 증기기관의 발명으로 촉발된 근대 육상, 해상, 항공 교통시스템은 모두 화석연료에 의존하고 있어 다량의 온실 가스를 배출할 뿐만 아니라 석유고갈에 따라 지속 가능하지 않는 교통 시스템이다.

탈산업화시대(Post-industrial society)와 생태사회(Eco Society)에 대비한 새로운 운송체제의 개발과 구축은 석유로 파티를 즐길 수 있는 우리 세대에서 반드시 준비하여야 하는 시대적 과업으로 새로이 등장할 교통수단은 반드시 석유고갈 이후에도 지속 가능한 교통모드일 수 밖에 없다.

현재 ET3, 하이퍼루프 등 여러 진공튜브방식 운송 시스템이 제안되고 있으나 모두 아이디어와 기술의 실용 가능성을 검증하기 위한 기초 요소기술의 시험단계로 아직까지 성공적인 실용화 사례는 전무한 단계이다. 아이디어를 실용화하기 위해서는 집중적인 기술투자와 함께 제도적인 뒷받침이 필요하다.

진공튜브 운송기술은 우리 후손들이 완성해야 하는 장기 프로젝트로 그 성격상 1000킬로미터 이상의 장거리인 국제간 교통수단에 적합한 시스템으로 장기적인 비전으로 추진하여야 한다. 

베세토튜브, 아시아튜브, 태평양튜브, 북극해튜브, 대서양 등으로 연장될 글로벌튜브는 5대양 6대주를 연결하는 지구공학적 차원의 사상 최대규모 프로젝트이다.

베세토튜브연구회가 추진하는 기술표준은 하이퍼루프 등 기존 방식과는 달리 다중튜브(Multi tube)와 삼상궤도(3 Phase Track)기술방식을 특징으로 한다.

이 프로젝트를 완성하는데 대략 100년의 기간이 걸릴 것이며 1억명이 넘는 노동자가 필요할 것이다. 많은 사람들이 불가능하다고 판단하겠지만 여기에는 큰 기회가 잠재되어 있다.

삼상궤도(Three Phase Track) 와 다중튜브(Multi tube)기술이 새로운 기준과 표준으로 자리잡으면 모두가 참여하고 싶어할 것이다.

최첨단 기술이 그러하듯이 베세토튜브 역시 공평한 경쟁의 장에서 시작된다. 땅끝마을과 제주도간 시범 프로젝트가 실행되면 관련 기술의 확보와 검증이 이루어지고 이 프로젝트가 성공하면 한중일 수도인 베이징-서울-도쿄 구간을 연결하는 베세토튜브 프로젝트는 탄력을 받을 것이다.

국가를 이어주는 간선을 구축하기 위해 글로벌 컨소시엄이 성립되고 개별 국가는 대륙을 이어주는 노선에 접속하는 지선을 계획하기 시작할 것이다. 몇 년 내에 가시적 결과가 나타나고 과거 도로와 철도를 건설할 때와 같이 전세계적으로 관련 기술개발과 교육 프로그램이 등장하여 더욱 더 경제성을 확보하게 될 것이다.

기술적 실업이 증가하면서 각국은 현재와 미래의 젊은이들을 계속해서 고용할 수 있는 대형 프로젝트를 찾을 것이다. 신흥 기술과 자동화는 미래의 대형 프로젝트를 저렴하면서도 실현 가능하도록 만들어줄 것이다. 베세토튜브범구관도(汎球管道, Global Tube)라는 새로운 교통수단을 구축한 데는 2~3조 달러가 넘게 소요될 것이며 약 1억명 이상의 고용이 창출될 것이다.

선박은 너무 느리고 비행기는 과다한 온실가스를 지구상공에 배출하여 자연을 통한 회복보다 빠른 속도로 바다와 대기를 오염시키고 있다. 석유정점을 맞이하는 21세기 한정된 화석연료를 흥청망청 낭비해서는 안되며 결국 22세기 탈 석유사회시대에는 항공 교통모드는 종말을 고하게 되고 신재생 에너지를 사용하는 관도(管道, Tubeway)모드의 교통수단이 최상위 교통모드로 등장하게 될 것이다.

빠르고 저렴한 운송수단은 오염을 낮추고 이산화탄소 배출량을 급격히 줄여줄 뿐만 아니라 고도로 연결된 사회(Hyper-connected society)를 낳을 것이다. 혁신적인 발상의 전환과 진지한 지구 공학적 접근이 필요하ek.

관건은 최소의 비용으로 5대양 6대륙을 연결하는 진공 튜브를 건설하고 유지하는 것과 함께 음속에 가까운 속도를 최소 에너지로 구현하는 것이 될 것이다.

새로운 교통 매체인 베세토튜브와 글로벌튜브망은 화석연료의 고갈에 대비한 혁신적인 교통 시스템으로 세계를 일일 생활권으로 만들어 진정한 글로벌 시대를 열어줄 것이다.

기술의 속도와 역량이 자본과 결합하여 인간과 노동을 구축(驅逐)하는 기술적 실업이 증가하면서 전세계 각 국은 현재와 미래의 젊은이들을 계속해서 고용할 수 있는 대형 프로젝트를 찾아야 한다. 신흥기술과 자동화는 미래의 대형 프로젝트를 저렴하면서도 실현 가능하도록 만들어 줄 것이다.

Post Author: besetotube

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