자기부상열차

磁氣浮上列車 / Magnetic levitation(Maglev)
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마우스 상하이 자기부상열차.[1]

1 개요

자석의 반발을 이용한 열차. 자석이 다른극을 만나면 붙고 같은 극끼리 만나면 떨어지려는 이런 성질을 이용하여 철로에서 떠서 고속으로 달리는 기술로, 철로와 바퀴 사이의 마찰력이 없어져 기존 바퀴식 열차에 비해 비교적 고속을 낼 수가 있다는 장점을 가지고 있다.

2 장단점

2.1 장점

이름이 자기부상철도가 아닌 자기부상열차임에 주목. 철로가 필요가 없다. 철차륜 열차는 선로와 대차(바퀴)사이에 마찰력이 너무 적어서 (쇠와 쇠끼리니까) 기관차의 무게도 무거워야 하고 (고속주행을 위해)가벼운 고속열차의 경우는 구배가 크면 차륜이 헛돌기 일쑤며 초고속 주행시 바퀴가 헛돌며 이를 극복하려면 더욱더 큰 힘이 필요하게 되니 여러가지로 비효율적인 셈.

철로가 없으니 당연히 철로와 마찰이 없고 + 전자석을 이용해서 효율적인 가감속이 가능하고 + 급구배라도 등판능력이 우수하니 극복할 수 있다. 덕분에 시속 300km~500km 이상의 초고속 주행이 가능하다. 현재 영업운전중인 상하이 자기부상열차도 430km/h고, 일본의 야마나시 실험선에서는 최고시속 603km/h[2]라는 기록도 나온 적이 있다. 사실 철차륜식 일반 고속철도도 시험주행기록으로 치면 TGV로 내리막길에서 풀로 땡겨서 575km/h를 찍은 적이 있긴 하지만 이건 말 그대로 SNCF에서 작정하고 돌+I짓을 한 거니까(...).무슨 마약 하시길래 저런 속도를 내셨어요.

아직 먼 미래의 이야기이기는 하지만 진공 또는 아진공 상태의 터널을 자기부상열차로 달려 시속 700km/h~1000km/h 급의 속력을 낼 수 있는 튜브트레인도 연구되고 있다. 이쯤 되면 국제선 항공기 수준으로, 열차의 수송 능력을 생각하면 전세계 1일 생활권을 실현할 수도 있는 꿈의 교통수단이다.

2.2 단점

기존 철도 선로가 아닌 전용 선로를 깔아야 한다는 점에서 비용이 발목을 잡는다. 원거리 항공기 대체 수요가 받쳐주거나 도심 내 신규 도시철도와 같은 궤도차량의 수요가 있을 경우에나 도입을 고려해 볼 수 있고, 도시 간 연결에서는 기존 열차 선로가 깔려 있어 굳이 신규 노선을 신설할 이유가 미미해진다. 특히 대한민국에선 고속철도 사업을 추진할 때, 고속철도 전용선을 설치하는 대신에 자기부상열차 궤도를 설치하는 것이 어떠냐는 반론이 나왔지만, 그 역시 비용 효율에서 KTX 철로를 앞지르지 못했다. 게다가 외환위기 이후에 KTX는 기존선과 전용선을 넘나들며 차근차근 전용선 비율을 높이기라도 할 수 있었는데, 자기부상열차는 그마저도 불가능하다.

기술 개발 단계이며 시험선과 소수의 상용선이 제작되는 단계이므로 안전에 우려가 있다.탈선되면 그대로 레일건이 된다. 자기부상열차가 위험하다란 얘기라기보다는 예상하지 못한 문제점이 발생하지 않을까 하는 우려에 가깝다. 가장 큰 걸림돌으로서는 전자파에 의한 자기장이 인체에 끼치는 영향. 만드는 측에서는 일반 지하철 내의 자기장과 다를 바 없다 주장하지만, 허리높이에서 측정하면 어린아이들은 어찌하느냐, 측정 기준치 역시 단기간 고노출 기준이라 장시간 저노출 상황과는 다르다 등등의 논쟁이 지속해서 이루어지고 있는 실정이다. 자기장이 결국 인체에 영향을 끼치지 않는다는 결론이 난다 하더라도 이렇듯 자기장에 대한 논란이 해소되지 않는게 현재 자기부상열차의 단점이다. 그래놓고 와이파이나 휴대폰이 안터지면 난리친다. TV도....

가장 큰 결점으로 화물용으로는 그다지 적당하지 않다. 에너지의 대부분을 부양시키는데 써버리는 바람에 수송능력이 1/100로 추락한다. 애초에 기존 철도의 에너지 효율이 대단히 높은편이라 선박에 비해 2.5배, 화물차량에 비해 13.4배나 높다.

그리고 노선을 깔 필요가 없는 비행기라는 것이 존재한다.

3 현실

흔히 미래의 탈것 어쩌고 하는 오버 테크놀러지스러운 이미지로 종종 등장하지만, 그 컨셉 자체는 의외로 20세기 초에 처음 등장했다. 하지만 당시에는 말 그대로 컨셉이었고 실제 개발에 나선 건 1969년의 독일이 최초. 아직까지 상용화 자기부상노선을 운영 중인 나라는 중국, 일본과 대한민국 밖에 없다.[3][4] 자기부상열차에 관심을 갖고 있는 국가들은 많지만 그 중에서 고속형 자기부상열차를 개발할 능력이 있는 국가는 일본과 독일, 대한민국 밖에 없다.[5][6]

현재의 기술력이면 어느정도 열차를 운행할 수 있고 이미 1980년대부터 상업운전을 하는 노선들이 만들어졌다. 한국은 1989년에 연구가 시작되어 1991년에는 시제차가, 1993년에는 1993 대전 엑스포에서 일반인이 승차하는 시범운행까지 했다. 자기부상'열차' 기술임에도 불구하고 특이하게 한국철도기술연구원이 아닌 한국기계연구원에서 개발했는데, 이는 당연한 것이 철도기술연구원 자체가 1996년에 발족한 기관이기 때문(...).[7] 현재 엑스포과학공원과 국립중앙과학관을 운행하는 차량은 현대로템에서 제작했다. 국내의 자기부상열차 기술은 최고속도가 110km/h 정도인 경전철 종류의 도시형 자기부상열차는 인천공항 자기부상철도로 상용화되었으며 최고 시속 550km의 초고속 자기부상열차 개발도 진행 중이다. 2014년 한국기계연구원에서는 초고속 자기부상열차 시험 차량 SUMA 550(개발명)을 제작하고 충북 오송에 간이 시험노선을 구축 중이다.

중국도 독자개발에 나선다고 한다.

3.1 노선

대전광역시에 가면 국립중앙과학관의 처음과 끝을 왔다갔다하는 시험선을 탈 수 있다. 1993 대전 엑스포 당시에 잠시 일반에 공개한 후 한동안 운행이 중지되었다가 2008년부터 다시 운행 중이며 시험선이지만 1회 탑승 성인 기준 2000원을 받고 국립중앙과학관 유료회원은 무료탑승이 가능하다고 한다. 한 시간에 한 번꼴로 운행하며 44석 밖에 없으므로 가능하면 국립중앙과학관 홈페이지에서 예약하고 탑승하는 것을 추천한다. 원래는 1993년 노선 그대로 과학관에서 엑스포 과학공원을 왕복하는 노선이었고 2015년 11월부터 노선단축과 리모델링 작업을 하고 2016년 1월 12일에 재개통했는데 궁극의 창렬을 보여준다.

4 종류

종류가 몇 가지로 나뉘는데, 띄우는 방법에 따라 크게 상전도흡인식, 초전도반발식, 인덕트랙식으로 나뉘고, 주행방법에 따라서는 동기전동기식과 유도전동기식으로 나뉜다. 저 중에 어떤 걸 선택하느냐에 따라 컨셉이 완전히 달라지는데, 흔히 생각하는 X나게 빠른 자기부상열차는 보통 초전도반발식+동기전동기방식이다. 인덕트랙식은 비교적 최근(1995년)에 개발되어 아직 실용화된 노선은 없으나, SF영화 마이너리티 리포트의 자기부상트랙이 설정상 이 방식을 따르는 것으로 알려져있다.

  • 초전도반발식: 흔히 생각하는 자석을 이용해 열차를 밑으로 띄우는 방식이 이거. 대략 10cm정도 위로 뜨며, 제어하기도 쉽고 고속화에도 유리하지만 대량수송에는 불리하고 결정적으로 돈이 많이 드는 방식이라 아직까지 상용화 노선은 만들고 있는 중이다. 일본의 JR 도카이가 자비를 들여 만드는 츄오 신칸센이 이 방식. 하지만 이것도 2027년에나 개통예정이다.
  • 상전도흡인식: 초전도반발식과는 반대로 일반 전자석을 사용하며 ㄴㄱ형태로 엇갈리게 만든 레일을 사용해 열차를 잡아당겨 살짝 띄우는 형태. 초전도자석을 못 쓰는건 아니지만 돈이 많이 드니 굳이 쓸 이유는 없다. 10~20mm정도 뜨며, 기본적으로는 저속주행에 적합한 방식이며 상하이의 트랜스래피드도 이 방식이다. 일본에서 현재 영업운전중인 자기부상열차인 리니모도 이거고, 대전에서 탈 수 있는 자기부상열차도 이 방식이다.
  • 인덕트랙식 : 특수하게 배열된(Halbach array) 영구자석이 와이어루프 위를 이동하면서 유도전류를 생성해 그 자기장을 이용하여 부상하는 형태로, 열차에 영구자석을 설치하고 트랙에 와이어루프를 넣는다. 여기에 세부적으로 3가지 타입으로 나뉘게 되어 각각 고속주행, 저속주행, 대량수송에 특화된다. 이 방식은, 열차를 부상시키기 위해 처음부터 능동적으로 자기장을 형성하는 다른 방식들과 달리, 먼저 이동을 시작하면 그 이동에 의해 수동적으로 자기장이 형성되어 열차를 띄우는 점이 특징이다.[9] 따라서 자기부상을 위한 전자기제어장치 등이 아예 필요없고 그냥 적절한 차량과 트랙만 있으면 되므로 시스템이 비교적 간단하며, 가장 최근에 고안된 방식답게 이론상으로는 안정성이나 비용 면에서 타 방식보다 유리하지만 아직은 시험단계이다. 훗날 하이퍼루프(HTT가 개발한 방식)에 쓰일 가능성이 높다.

이 중에서 특히 잘 알려진 초전도반발식에 대해 부연설명을 하면,

  • 초전도반발식은 부상용 전자석과 주행용 전자석이 있으며, 부상용 전자석에는 다시 단극형과 양극형이 있다. 부상용 전자석의 단극형과 양극형의 차이는 단순히 주행하는 동안 차체를 부양하는 자기장의 방향이 한방향이냐 바뀌는거냐의 차이인데 양극형 방식을 사용하면 저속에서 효율이 높지만 고속에선 솔레노이드의 리액턴스로 인해 자기장이 약해지는 문제가 있으며, 차량주행 시 바닥의 전자석을 제어하는 시스템과 동기화가 잘 되어야 한다. 만약에 동기화가 삐끗하면 차체와 바닥 사이에 인력이 작용해 철푸덕 붙어버릴 것이다. 반면 단극형 전자석의 경우 비록 자기력의 반쪽밖에 사용할 수 없지만 제어가 편리하며 주행속도에 관계없이 안정적인 자기장을 형성해준다.
  • 주행용 전자석은 위에서 적혀있듯이 X나게 빨리 달리기 위하여 리니어 모터가 동기전동기 방식을 사용한다. 유도전동기 방식을 쓰면 당연히 공사가 편하지만 주행 속도를 올리기 위해 효율을 포기해야 하기에 이 방법을 안 쓴다. 단, 저속에선 유도전동기 방식이 훨 나은 선택일 수 있다. 부산지하철 4호선에 보면 콘크리트 레일 사이에 주석도금이 된 철판이 보이는데, 저거 히타치 리니어모터의 계자부와 규격이 거의 똑같다. 필요하다면 비동기식 리니어모터를 다는 마개조를 통해 자기부상은 아니더라도 자기주행열차는 만들 수 있는데, 동기전동기 제어와 달리 뛰어난 감속에는 유도전동방식이 아주 편리하므로[10] 좋은 경전철로 개조 가능하다. 물론 부산 4호선은 차량 하부에 3상 전동기가 달린 일반적인 전동차다.
고속 주행에 필요한 리니어모터의 전기자는 궤도의 옆면에 붙이는데, 이렇게 하면 하부에선 열차를 띄우고 양 옆의 전기자 자기장을 제어해 주행하는 안정적인 포메이션이 나온다. 전기자 코일들은 자극이 교반되도록 설계되나, 이것이 굳이 열차와 동기화되는 일은 잘 없다. 실제로 어떤 프로토타입의 경우 열차와 궤도가 동기화되어 밀어내고 끌어당기는 극을 열차와 궤도가 동시에 변경하나, 역시나 같은 이유에서 싱크가 풀리면 드르르르르르르르르르르르륵![11] 거리며 열차가 멈추게 되므로 열차의 리니어 모터만 자극을 바꾸도록 설계하는 것이 현재의 트렌드.
  1. ↑ 원 모델은 독일의 자기부상열차인 트랜스래피드 08계(Transrapid 08)이며 실제로 독일에서 기술을 제공했다.
  2. ↑ 2차 대전 때, 전투기 정도의 속도다. 그리고 일부 터보프롭 여객기가 날아다니는 속도 정도다.
  3. ↑ 이 중에서 중국의 상용화 노선은 독일 기술로 지어진 것이기 때문에 별 의미가 없다. 다만, 창사에 중국 자체기술로 만든 도시형 자기부상열차가…
  4. ↑ 밑의 노선 항목에서 보듯, 이전에 운영되던 노선은 꽤 있다.
  5. ↑ 애초에 20세기 초 자기부상열차의 기초를 닦는 아이디어를 낸 사람들도 독일인이었고, 국가적 차원에서도 1969년 부터 오늘날의 Transrapid로 이어지는 연구개발을 하고있었다.
  6. ↑ 한편 일본의 경우, 이미 1962년 부터 관련 연구를 시작하여, 거의 100년에 가까운 기간의 안목을 갖고 고속 자기부상열차 개발을 진행하여, 현재에 들어서는 독일과 대등 내지 우위의 자기부상 열차 관련 기술을 갖게 되었다. 자세한건 신칸센 L0계 리니어 모터카 항목 참조.
  7. ↑ 그만큼 우리나라가 철도교통에 무관심했다는 반증이기도 하다. 1960년대 경부고속도로 개통 이후 자동차 산업의 발전과 맞물려서 도로교통에 올인해왔으며, 철도는 기존 선로를 유지보수 하는 수준에서 정체되버렸다. 그러다가 경부고속철도 사업을 추진하면서 다시금 철도교통에 투자를 하기 시작한 것이다. 그 일환으로 철도기술연구원도 발족.
  8. ↑ 그것도 이미 자기부상열차로 예타까지 마친 걸 엎었다(...)
  9. ↑ 시험차량은 시속 35km에서 부상이 이루어졌는데, 시스템이 완전할 경우 이론적으로는 시속 1.6~3.2km 정도만 되어도 열차를 부상시킬 수 있다고 한다.
  10. ↑ 동기전동기 방식의 리니어모터는 주행속도 감소를 위해 역방향의 자기장을 발생하기 위해 회생제동을 하는데, 이 때 제동을 위해 인버터를 면밀하게 제어해야 하나 유도전동기는 그냥 정류기와 캐퍼시터 달면 바로 회생제동이 된다. 일반 유도전동기 차량의 회생제동이나 엘리베이터, 산업용 기계가 이렇게 멈춘다.
  11. ↑ 코킹 토크에 의해 뚝 뚝 짧고 강한 힘이 작용한다.