🚄"떠서 가는 기차?" 자기 부상열차 뜨는 원리/선형 모터&KTX와의 차이

독자님들 안녕하세요? 🍎Macultist입니다! 어릴 적 공상과학 영화를 보면 바퀴도 없이 공중에 붕 떠서 소리 없이 미끄러지듯 달리는 미래의 기차를 보며 가슴 뛰었던 기억이 있습니다. 그런데 이 상상 속의 기차는 더 이상 영화 속 이야기가 아닙니다. 인천공항이나 대전 등에서 실제로 운행되고 있는 '자기 부상열차' 이야기입니다. 수백 톤이나 되는 무거운 쇳덩어리가 어떻게 중력을 거스르고 공중에 둥둥 떠서 달릴 수 있는 걸까요? "지금까지 독자님들은 기차가 당연히 바퀴로 굴러간다고만 생각하셨다면, 마찰 없는 속도의 혁명을 놓치고 계셨던 겁니다!" 자기 부상열차는 바퀴와 레일의 마찰을 없애기 위해 자석의 힘을 극한으로 이용한 첨단 공학의 결정체입니다. 오늘 이 포스팅을 통해 자석이 열차를 들어 올리는 척력과 인력의 비밀부터, 바퀴를 돌리는 대신 선로 자체를 모터로 쓰는 '선형 모터'의 기발한 추진 원리, 그리고 우리가 자주 타는 KTX와는 무엇이 근본적으로 다른지 명쾌하게 파헤쳐 드리겠습니다. 이 원리를 알면 자기 부상열차가 단순한 탈것이 아니라, 거대한 자석 위를 서핑하는 과학 기술의 파도처럼 보이게 될 것입니다.

 

자기 부상열차가 선로에 떠서 가는 원리

자기 부상열차(Maglev)가 공중에 뜨는 원리는 우리가 초등학교 때 자석을 가지고 놀며 배웠던 아주 기본적인 성질, 바로 '같은 극끼리는 밀어내고(척력), 다른 극끼리는 당기는(인력)' 힘을 이용합니다. 부상 방식은 크게 두 가지로 나뉩니다. 첫 번째는 '반발식'입니다. 열차 바닥과 선로에 같은 극(예: N극과 N극)의 자석을 배치하여 서로 밀어내는 힘으로 열차를 띄우는 방식입니다. 주로 일본의 초고속 자기 부상열차가 이 방식을 쓰는데, 이때 강력한 자석의 힘을 얻기 위해 영하 269도까지 냉각된 '초전도체' 자석을 사용합니다. 두 번째는 '흡인식'입니다. 의외로 많은 상용 열차가 이 방식을 씁니다. 열차의 'ㄷ'자 모양 하부가 선로 아래를 감싸고 있는데, 선로 밑부분에 있는 자석이 선로(철판)를 위로 잡아당기는 힘(인력)을 이용해 열차를 들어 올립니다. 딱 붙어버리면 안 되기 때문에, 컴퓨터가 초당 수천 번씩 전류를 조절하여 자석과 선로 사이에 약 1cm 정도의 미세한 간격을 항상 유지합니다. 마치 보이지 않는 자석의 쿠션 위에 열차가 올라타 있는 셈입니다.

열차를 앞으로 밀어내는 선형 모터 원리

열차를 공중에 띄웠으니 이제 앞으로 나아가게 해야 합니다. 바퀴가 없으니 엔진이나 모터로 바퀴를 굴릴 수는 없겠죠? 여기서 등장하는 것이 바로 '선형 모터(Linear Motor)'입니다. 일반적인 모터는 둥근 원통형으로 생겨서 회전력을 만들어내지만, 선형 모터는 이 둥근 모터를 칼로 잘라서 바닥에 쫙 펼쳐놓은 것과 같다고 생각하시면 됩니다. 열차 바닥에는 자석(또는 코일)이 달려있고, 선로 바닥에는 길게 이어진 코일(또는 자석)이 깔려 있습니다. 선로에 전기를 흘려주면 선로 바닥의 코일이 순차적으로 N극과 S극으로 빠르게 바뀝니다. 이때 열차 앞쪽에 있는 선로 자석은 열차를 당겨주고(인력), 열차 뒤쪽에 있는 선로 자석은 열차를 밀어주면서(척력) 열차를 앞으로 슝하고 쏘아 보냅니다. 마치 자석의 힘으로 파도를 만들어 그 파도를 타고 서핑하듯 열차를 이동시키는 것입니다. 이 방식은 바퀴를 굴리는 마찰력이 필요 없기 때문에 미끄러짐 없이 엄청난 가속력을 얻을 수 있습니다.

KTX(고속철도)와의 근본적 차이점

우리가 흔히 타는 KTX나 SRT 같은 고속철도와 자기부상열차의 가장 큰 차이점은 바로 '접촉'과 '마찰'입니다. KTX는 쇠로 만든 바퀴가 쇠로 만든 레일 위를 굴러가는 '점착 구동' 방식을 사용합니다. 바퀴와 레일 사이의 마찰력을 이용해 달리기 때문에, 속도가 빨라지면 엄청난 소음(쇠 깎는 소리)과 진동이 발생하고, 바퀴와 선로가 계속 마모되어 주기적으로 교체하고 깎아내는 유지보수가 필요합니다. 반면, 자기 부상열차는 선로와 물리적으로 닿지 않은 채 '비접촉' 상태로 달립니다. 마찰이 없으니 소음과 진동이 획기적으로 적어 승차감이 구름 위를 걷는 듯 부드럽습니다. 또한 부품 마모가 거의 없어 유지보수 비용이 적게 들고, 마찰 저항이 없어 이론상으로는 KTX보다 훨씬 빠른 시속 600km 이상의 속도를 낼 수도 있습니다. 다만, 선로 전체에 코일을 깔아야 하므로 초기 건설 비용이 KTX보다 훨씬 비싸다는 것이 상용화의 걸림돌이 되기도 합니다.

 

결론

오늘 우리는 바퀴를 버리고 자석의 힘을 빌려 하늘을 나는 기차, 자기부상열차의 원리에 대해 알아보았습니다. 초전도체와 전자석을 이용해 중력을 이기는 부상의 비밀, 둥근 모터를 바닥에 펼쳐놓은 선형 모터의 추진력, 그리고 마찰과의 전쟁에서 승리한 비접촉 주행의 장점까지 확인했습니다. 자기 부상열차는 단순한 교통수단을 넘어, 재료 공학(초전도체)과 전력 제어 기술이 융합된 미래 과학의 집약체입니다. 독자님들께서 언젠가 자기 부상열차에 오르실 때, 보이지 않는 자석의 힘이 여러분을 든든하게 받치고 있다는 사실을 기억하며 그 신비로운 승차감을 만끽해 보시기를 바랍니다! 더욱 빠르고 쾌적한 미래의 여행을 꿈꾸며 이번 포스팅을 마치겠습니다.