스위스 연구팀 세계 최초 레이저빔으로 번개 방향 조종과 레이저빔 피뢰침 개발중

2023년 1월 스위스 과학자들이 레이저빔을 이용해 번개의 방향을 바꾸는 실험에 성공했다. 피뢰침 대신에 레이저를 이용하는 아이디어는 50여 년 전에 나왔으나 성공은 이번이 처음이다. 레이저 빔 피뢰침 개발은 비용이 많이 든다.

인공위성이 보내온 자료에 의하면 전세계에 걸쳐 매일 하늘에 수백만 개의 번개가 친다. 번개는 구름내부, 구름사이, 구름과 지면 사이에서 음전하와 양전하 영역이 충돌하는 자연적인 전기현상이다.

낙뢰는 번개중에서 구름 하부의 음전하가 지상의 양전하와 결합할 때 발생하며 지상에 떨어지는 것이다. 세계적으로 낙뢰를 맞아 사망하는 건수가 4천 건수가 넘는다. 건물 손괴등 피해비용은 미국에서 연간 30억 달러가 넘는다.

그래서 낙뢰피해를 막고자 건물 꼭대기에 피로침을 설치한다. 피뢰침은 1752년 미국의 1대 대통령인 벤자민 플랭클린이 최초로 발명했고 지구 곳곳에서 사용하고 있다.

피뢰침의 원리는 건물 꼭대기에 기다란 금속막대를 설치해 하늘에서 떨어지는 번개를 땅속으로 흘려보낸다. 문제는 피뢰침이 보호하는 영역이 제한된다는 점이다.

피뢰침이 길이가 10미터이면 반지름 10미터 내의 지역만 낙뢰에서 보호된다. 피뢰침 길이를 늘리는데는 한계가 있어서 규모가 큰 공항이나 발전소는 피뢰침으로 낙뢰 피해를 막기가 어렵다.

레이저는 전도성이 있는데다 증폭된 빛이 일직선으로 뻗어나간다. 레이저의 이 성질에 주목해 과학자들은 피뢰침의 대안으로 연구를 시작했다.

레이저 빔은 전도성이 있어서 공기를 가열해 저밀도의 플라즈마 통로를 만든다. 즉, 레이저 빔이 번개를 유인해 금속막대보다 훨씬 더 긴 피뢰침 역할을 해냈다.

지난 20여 년 동안의 실험은 모두 실험실 차원이었고 실제로 현장 성공은 없다가 이번이 처음이다. 연구원 25명으로 구성된 스위스 제네바대학교 연구진의 이번 실험은 개념 증명을 넘어 실증단계로 레이저빔의 피뢰침 역할을 격상시켰다.

2021년 7월부터 9월까지 연구팀은 번개가 자주 치는 알프스산맥의 해발 2500m 센티스산(Santis mountain) 정상의 송신탑 옆에서 실험을 했다.

이 송신탑은 높이 124m이고 매년 100번 번개가 떨어진다. 연구자들은 송신탑 옆에 초당 100번을 쏘는 대형 자동차 크기의 레이저 발생장치를 설치했다.

연구자들은 여름동안 이 지역에 폭풍우 예보가 내려질 때마다 이 장치를 가동하며 관찰했다. 그 결과 이 기간에 발생한 4번의 번개에서 레이저 피뢰침이 효과를 발휘했다.

번개는 레이저 빔이 만든 통로로 들어와 50m를 따라서 이동했다. 성공의 열쇠는 이전에 시도한 것보다 100배 더 많은 펄스를 쏜 것이라고 한다.

연구책임자 응용물리학교수 장 피에르 울프는 번개가 송신탑에 닿기 60m 전부터 레이저빔을 따로오는 것을 확인했다. 이는 피뢰침의 낙뢰보호반경이 120m에서 180m로 늘어났다는 의미이다.

연구진의 다음 과제는 레이저 피뢰침의 도달거리를 500m로 늘리는 것이다. 레이저 피뢰침은 앞으로 발전소, 공항, 로켓발사대 등 주요 시설을 낙뢰로부터 보호할 수 있다.

그러나 비용문제가 크다. 이번 연구에 사용한 레이저 장치의 가격이 200만 달러나 된다. 상용화 되려면 최소 10년을 더 연구해야 한다고 한다. 이참에 번개가 가진 전기를 실생활에 활용할 기술도 기대한다. (참조 nature)