튜브트레인

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1 개요

진공 혹은 아(亞)진공 상태의 튜브 속을 달리는 자기부상열차. 공기에 의한 마찰이 없어져 에너지 손실이 적으므로 고속을 달성하기 쉬워진다. 한마디로 지하철의 고속화 버전이라 할 수 있다. 물론 튜브를 지상에 고가로 건설할 수 없는 건 아니지만 논의되고 있는 건 거의 지하에 건설하는 것이 대부분이다.

시속 700km/h를 초기 목표로 삼고, 상상하고 있는 건 마하 3에 해당하는 속력인 시속 3000km 이상을 보고 있는 꿈의 운송수단이다. 열차의 수송력을 생각해 보면 항공기를 직접적으로 위협할 만하다.

일반 바퀴식 열차도 진공 터널 속을 달리면 700km/h의 속력을 내긴 낼 수 있지만, 자기부상열차가 논의되고 있는 이유는 아무래도 바퀴식 열차의 점착력(마찰력) 한계로 마하 단위까지 가속하는 게 무리이기 때문. 자기부상열차는 마찰력으로 달리는 물건이 아니라 일종의 매스 드라이버(코일건)이므로 에너지 손실이 적다.

2013년 현재, 테슬라 모터스의 창업주 엘론 머스크가 구상하는 하이퍼루프가 이 튜브트레인의 아이디어에 가장 근접해있다. 참고자료1참고자료2 보통 지하에 건설하는 걸 논의하는 것과 달리 그의 하이퍼루프는 지상에 고가로 건설되며 전력 문제는 튜브 지붕에 설치한 태양광 패널을 사용해 충당한다. 1량짜리 열차(?)를 사용하고 따로 기관사가 없이 자동운전된다. 현재 공개된 컨셉아트 등을 보면 완전한 진공 튜브를 사용하는 건 아니고 단지 기압이 낮은 관을 사용하며 기존 자기부상열차처럼 열차가 레일 위를 추진하는 게 아니라 튜브가 열차를 추진시킨다. 지붕에 덮는 태양광 패널은 튜브 내 기압을 낮추기 위한 진공펌프를 돌리고 튜브 내의 차량을 가속시키는데 주로 사용되는 것으로 보인다.

2015년 10월 미국 언론 보도에 따르면 2개 회사에서 캘리포니아 지역에 시험주행 시설을 건설하려는 계획이 있다고 한다.기사

2 장점

열차는 수송력이 다른 지상, 항공 운송수단에 비해 매우 좋다. KTX 한편성도 950명 가량을 한 번에 수송한다. 현존 항공기 중 가장 크다는 A380도 800명 이상은 힘든데 고속열차는 이보다 더 많은 승객을 실어나를 수 있다. 게다가 국내의 KTX를 보면 알듯이 맘만 먹으면 배차간격을 30분이나 그 이하로 촘촘하게 할 수 있다. 항공기로는 운항 스케줄을 상황에 맞춰 임의로 변경하기 쉽지 않다.

그리고 비행기는 기본적으로 포인트 투 포인트. 즉 출발지와 도착지 중간에 중간 기착지가 없다. 중간 기착 항공기라도 일단 한 번 내렸으면 승객들이 모두 하기해야 하는 게 원칙이다. 하지만 열차는 그냥 계속 자리에 앉아있어도 상관없다. 항공기는 일단 한 번 내릴 때마다 최소한 주유는 해야 하므로 다시 뜰 때까지 시간이 꽤 걸리는 편이지만 열차는 정차 시간이 1분 내외이다. 즉 중간 기착지로 인한 표정속도 감소가 항공기에 비해 현저히 낮다는 얘기. 표정속도 자체도 항공기와 맞먹거나 오히려 더 높은 지경이니 튜브트레인은 사실상 가장 빠른 속도의 국제 여객운송수단이 될 수 있다.

또한 진공이나 아진공에서 달리기 때문에 일반 고속철도를 달릴 때 외부로 나는 소음이 거의 없어서 소음공해로부터 어느정도 자유로운 편이다. 물론 내부의 소음은 어찌할 수 없겠지만, 통상적으로 철도의 소음이 외부의 소음과 내부의 소음이 같이 섞여 들리는 경우가 많은 만큼(공기저항에 따른 소음도 무시할 수 없다), 자기부상열차+(아)진공인 튜브트레인은 소음이 많이 줄어든다고 볼 수 있다.

3 단점

문제는 초기 인프라 구축비용이 심각하게 비싸다는 것. 일개 국가 단위 프로젝트로는 어림도 없고 최소 대륙별로 연합해야 그나마 가능성이 있다. 어차피 이런 물건은 초장거리 여객운송 수요를 바라보고 짓는 것이므로 국제선이 될 수밖에 없는데 여러 국가의 합의 및 공동투자를 이끌어내는 것도 어렵고 이 기술이 검증된 게 아니기 때문에 대규모 투자를 하기에도 무리가 있다. 즉 지르려면 크게 질러야 의미가 있는데 검증이 안 된 물건이라 실패하면 리스크가 너무 크다는 것.

그리고 튜브를 유지하는 비용 문제로 운임이 현실적이지 않을 수 있다. 공항보다 압도적으로 큰 인프라 유지비용이 들어가기 때문이다. 게다가 사고나면 해당 활주로 정도만 폐쇄되는 항공기와 달리 열차는 사고나면 해당 노선 전체가 올스톱한다는 치명적인 문제가 있다.

4 기술적 난점

가장 큰 난점은 바로 튜브의 진공 상태를 유지할 밀폐기술 및 진공펌프 기술. 자기부상열차 자체는 이미 실용화단계에 와있으므로 큰 문제가 아니다. 진공 실링은 언제든 깨질 수 있으므로 각 폐색 구간별로 차단막 같은 걸 만들어둘 필요가 있는데 열차의 운행에 지장을 주지 않으면서 이런 걸 장치하는 방법을 고민해야 한다. 또 700km 이상 고속으로 달리므로 기존 고속열차에서 사용하는 가공전차선 집전방식을 사용하기 어렵고 일종의 무선 송전 방식을 취해야 한다. 열차 자체적으로 전력을 생산할 수 있다면 좋겠지만 현재 기술로는 원자력이라도 도입하지 않는 한 그게 불가능하므로 무선 송전 기술도 연구가 필요하다. 무선 송전이래봐야 송전거리가 30cm내외이니 현재 기술로 얼마든지 실현 가능하긴 하지만 문제는 그 기술로 구현된 전력량이 아직 와트 단위도 힘들다는거. 최소 수백 킬로와트 이상을 무선으로 송전할 수 있어야 한다.

그리고 터널이 진공이라 하더라도 완벽한 진공상태를 유지할 수는 없기 때문에 터널 내 발생하는 충격파 문제도 해결해야 한다. 터널 자체는 완전히 폐쇄 루프로 구성될 가능성이 높으므로 터널 입구나 출구에서 발생하는 충격파 문제는 없다고 하더라도 일단 마하 1을 넘어가는 속도로 달리는 열차이니 소닉붐 같은 게 터널에 손상을 가할 수 있다.

그리고 승객들은 숨을 쉬어야 하니까(...) 열차 내 이산화탄소 정화시설 및 산소공급장치 등의 설치가 필요하다. 역사와 튜브 사이를 연결하는 부분도 신경써야 한다. 여압장치를 이용하여 외부로 부터 산소를 공급받는 항공기와는 달리 튜브트레인은 산소를 자체적으로 발생가능해야 한다. 산소 공급 문제는 굳이 전기분해장치를 도입할 필요 없이 중간중간 역에 정차할 때마다 압축공기를 공급받거나 해서 극복할 수 있으나 1분 내외의 짧은 정차 시간 사이에 그걸 해내야 하므로 이것도 나름 난제. 물론 무인 화물 전용 열차로 만든다면 이건 고민할 필요가 없을 수도 있지만...

5 vs.

5.1 항공기

튜브트레인의 가장 직접적인 경쟁자는 바로 항공기, 그 중에서도 장거리 대형 여객기이다. 항공기는 알다시피 공항에만 뜨고 내릴 수 있다. 운행 간격도 많아야 하루에 몇 편, 거기에 날씨가 안좋으면 지연에 결항크리, 그리고 경우에 따라서는 환승도 해야 한다. 그럴 때마다 매번 보안검사니 뭐니 승객을 짜증나게 할 요소가 많이 있다. 하지만 튜브트레인은 일단 기본이 열차다. 기본적으로 실어나를 수 있는 승객수는 현존하는 가장 큰 여객용 항공기인 A380을 올 이코노미로 채운 것과 동등하거나 더 많다. 거기다 배차간격을 거의 분 단위로 잡을 수도 있고 열차니까 중간중간 멈출 수 있다.

그리고 항공기는 자력으로 움직여야 하기 때문에 연료 무게가 추가된다. 딱 목적지까지 날아가는 양이 아닌 그 인접공항까지 날아갈 양의 연료를 채워야 하고 잘 알다시피 기름값은 비싸다. 열차(자기부상열차)는 외부에서 에너지를 공급받아 움직이므로 연료를 실어나르는 에너지를 아낄 수 있고 이는 운임을 떨어뜨린다. 그리고 열차는 수틀리면 그 자리에 정차해서 대기하고 있으면 되므로 보험료라든지 정비수요라든지 이런저런데서 또 지출이 줄어든다.

그러나 그놈의 진공 터널이 돈을 자비없이 퍼먹기 때문에 여기서 지출이 확 늘어나게 되며 이거 하나 때문에 운임이 항공기 요금보다도 비싸질 수 있다는 주장이 제기되고 있다. 이렇게 되면 도심 진입이 원활하다는 장점 하나만을 믿고 건설해야 하는데 공항은 수익이 없으면 폐쇄라도 하지 튜브트레인은 그것도 난감해진다. 게다가 워낙 속도가 빠른 열차다보니 선형이 아주 곧아야 하며 항공기처럼 수요에 맞춰 유연하게 노선을 바꿀 수도 없다. 운영 방식도 독점식이 될 수밖에 없어 항공사간의 자율경쟁 뭐 이런 것도 생각하기 어려운 데다가 국제 철도망이기 때문에 운영권 등을 놓고 국가간 갈등이 생길 우려도 있다.

그리고 사소한 거지만 튜브트레인은 바깥 경치를 감상할 수가 없다(!). 여행의 낭만을 즐기려는 사람들에게는 항공기가 훨씬 더 어필한다는 얘기다.

5.2 고속열차

튜브트레인 자체가 고속열차이지만 여기서 말하는 고속열차는 KTX 같은 일반 바퀴식 고속열차를 말한다. 직접적인 경쟁이 되지는 않을 공산이 큰데 왜냐면 튜브트레인은 아무래도 운송 단가가 비싸게 나올 것이기 때문이다. 즉 기존의 고속철도는 1000킬로미터 내외의 중거리 수요에 집중하는 형태가 될 것이다.

5.3 도시철도, 지하철

논의할 필요가 있는지? 튜브트레인으로 1킬로미터 내외의 단거리를 주행하겠다는 건 항공기로 치자면 인천공항 제 1활주로를 이륙해서 제 2활주로에 착륙하는 여정과 똑같다. 돈지랄을 한다쳐도 금전적으로도 시간적으로도 손해가 나므로 이런 단거리 수요를 흡수하지는 못한다. 무슨 열차가 트론의 라이트사이클도 아니고 정지상태에서 0초만에 시속 700km로 가속할거라 생각하진 않을 것이다.
인류가 스테이시스를 사용할 날이 오기 전까지 이건 무리다.

5.4 자동차

비교할 가치가 없다. 초기 버전조차 자동차가 고속도로에서 달리는 속도의 최소 일곱 배를 찍는다. 그리고 자동차로는 장거리 지하터널을 뚫을 수 없다. 자동차 매연 문제, 화재발생시 대피 문제이건 튜브트레인도 그런데? 등 해결해야 하는 문제가 너무 많다. 그리고 뭣보다 이런 초장거리 여행에서는 자동차의 경우 중간 휴게 및 주유시설은 필수다. 이런 것들은 사실상 해결이 불가능하다. 유일한 장점은 거점 정차가 아닌 정확한 목적지에 데려다준다는 건데 장거리 여행은 대개 환승으로 인한 시간손실의 영향이 크지 않으므로 정해진 노선의 단점은 크지 않다. 자동차와의 비교에서 현재 운송수단에서 튜브트레인과 같은 위치인 것이 바로 비행기. 수천 km의 장거리 여행을 단순히 항공노선이 한정되어 있다고 자동차로 하는 사람은 없다.

5.5 선박

여객용, 특히 해외여행으로 선박을 사용하는 건 현재 크루즈 관광수요 말고는 없다. 운임 자체는 무척 싸지만 배 위에서 아무 것도 못 하고 날려야 하는 시간을 생각하면 가성비는 최악. 튜브트레인 버전의 화물열차를 운용할 수도 있겠지만 초고속 특송화물에만 적용될 것이고 이런 화물을 나르는 주체는 비행기다.

6 오해

튜브트레인은 진공 튜브 속을 자기부상열차가 달리는 것이다. 진공튜브라는 말을 오해해 마치 공기수송처럼 공기압으로 열차를 밀어낸다고 착각하는 사람도 일부 있는데 기술적인 난이도는 둘째치고 그렇게 추진시킨 열차를 다시 제동시킬때는 어떻게 하려고?

밀폐를 위한 튜브는 투명한 재질을 사용할 가능성은 거의 없다. 지하철과 달리 튜브 안은 진공이라 사람이 들어가 유지보수하기 매우 곤란하므로 조명 시설 같은것도 설치하기 어렵고 따라서 튜브트레인 내부에는 창문이 없을 가능성이 높다. 전방에 대한 주시도 차창을 보면서 달릴 확률은 낮고 그보다는 센서를 이용하게 될 것이다. 애초에 속도가 마하 단위인데 인간의 동체시력으로 뭔가를 발견해봤자 이미 늦는다.

진공터널 속에는 공기저항이 거의 없으므로 열차를 추진시키는데 들어가는 에너지는 의외로 적다. 역학적 에너지 보존을 생각하면 한 번 가속해 놓으면 그 운동에너지는 궤도에 경사가 있지 않는 한은 보존된다.대부분의 에너지는 진공펌프를 돌리는 데 투입되게 된다.

그리고 극단적인 고속이 아니라면 진공터널의 밀폐에 실패해서 갑자기 터널 내 공기가 들어찬다고 열차가 뻥 터져버린다거나 하지는 않는다. 급격히 속력이 줄어들 뿐이다. 마하 3 정도 된다면 진공상태가 갑자기 깨져버릴 경우 차량 파손 및 승객 부상이 일어날 정도의 가속력 변화가 충분히 오고도 남겠지만 여기서 얘기하는 건 압력차 때문에 차량이 터져버리진 않는다는 것이다.

다만 터널이 아니라 객차의 밀폐에 실패하는 사고가 나는 경우 심각해 질 수는 있다. 객실의 부피보다는 터널의 부피가 압도적으로 크기 때문에 객차에 균열이라도 발생하면 승객들이 아진공 상태에 노출되어 버린다. 우주공간에 맨몸으로 나가면 터져 죽는다항목을 보면 알겠지만 끔살까지는 아니더라도 수분내에 전원 사망하는 사태는 막기 어려울 것으로 보인다. 사고를 감지한 즉시 진공펌프의 작동을 중지하거나 역으로 공기를 넣어 1기압 상태로 되돌리는 형태의 안전장치가 필요한데, 주어진 시간이 워낙 짧아 쉽지 않을것으로 예상된다.

자기부상열차는 궤도가 기존 철도와는 완전히 다르기 때문에 당연히 기존 철도와의 연계는 불가능하다. 따라서 TSR 같은 노선을 재활용하는 건 당연히 꿈도 꿀 수 없다. 일반 철제 선로를 자화시켜서 떠오르는 자기부상열차를 개발하면 모를까.

현재의 터널 굴착 기술로는 대륙을 횡단하는 크고 아름다운 스케일의 지하터널 건설 자체가 불가능하다. 정말 울릉도와 하와이를 잇는 태평양 횡단 고가도로를 건설하는 시간과 돈에 맞먹는다. 따라서 현재로선 그냥 공상의 영역. 뭐 3만 6천 킬로미터짜리 우주 엘리베이터를 진지하게 고민하는 집단도 있는데 지하터널 10만 킬로미터 굴착도 현재 불가능하다는 거지 미래에도 못한다고 할 수는 없을 것이다.

7 한국

똑같은 것은 아니지만 이와 비슷한 아음속 캡슐 트레인을 개발하고 있다.