음파발광 (sonoluminescence)

sonoluminescence 현상은 1930년대에 이미 발견된 것입니다만 현상이 매우 복잡하고 버블의 수명이 너무 짧아서 연구가 거의 불가능했습니다.

그런데 1989년에 Felipe Gaitan, Lawrence Crum 이 single bubble을 정상파를 이용하 가두어 single bubble sonoluminescence(SBSL) 라는 기술을 개발함으로써 다시 학계의 주목을 받았습니다. 이 SBSL은 복잡한 외부계와의 상호작용을 배재할 수있어서 이론적 모델을 세울수 있는 가능성을 보여준것입니다.

 

그래서 이론적 모델을 세운 몇몇의 물리학자들은 SBSL에서 버블의 온도를 계산했는데 어떤 그룹에서는 몇백만도 까지 가능하다는 모델을 주장함으로써 새로운 논쟁의 중심이 됩니다. 왜냐면 이 온도는 바로 핵융합이 일어날 수 있는 온도이기 때문입니다.
버블의 온도는 몇백만도까지 올라갈 수 있지만 전체 시스템의 온도는 높지 않기 때문에 상온에서 핵융합이 발생할 수 있는 모델로 제안됩니다.

실제로 2002년 R. P. Taleyarkhan라는 사람은 SBSL현상을 이용한 핵융합현상을 관찰했다고 주장했습니다만 2004년에 다른 그룹이 그 실험의 오류를 지적하면서 핵융합현상을 부정했습니다.

현재 SL 현상을 설명하는 가장 유력한 이론은 Andrea Prosperetti가 주장한 것으로 SL을 마찰발광(triboluminescence)의 일종으로 보는 것입니다. 마찰발광은 결정을 이루고 있는 물질의 결정구조가 부서지면서 빛을 내는 현상인데 대표적인 예가 다이아몬드끼리 서로 비비면 붉은 색 혹은 푸른 색의 빛을 냅니다.

SL 에서는 초음파에 의한 물의 진동이 물을 얼음과 유사한 원자구조로 만들고 이것이 깨어지면서 빛을 내는 현상이라고 설명합니다. 이 이론은 버블의 온도가 기껏해야 수만도 정도라고 추정하기 때문에 만일 이 이론이 옳다면 상온 핵융합은 불가능하게 됩니다.

2002년 3월 5일 아침, 세계적인 과학전문지 〈사이언스〉를 발행하는 미국 과학진흥협회(AAAS)가 전 세계 과학기자들에게 긴급 메일을 보냈다. 〈사이언스〉 8일자에 게재될 어느 논문에 대한 엠바고(보도 일자 제한)를 4일자로 해제했으며 해당 논문과 관련 자료를 인터넷 웹사이트에 공개했다는 것이다.

〈사이언스〉가 논문을 정식 출판하기 전에 미리 내용을 공개하는 것은 새로운 일이 아니지만, 엠바고를 걸어둔 논문을 다시 해제하는 것은 극히 드문 일이었다. 이는 그만큼 중대한 사안이었다는 것을 의미한다. 그 중대한 사안이란 무엇일까?

그 논문은 미국 에너지성 산하 오크리지국립연구소 루시 테일야칸 박사와 렌슬리어 폴리테크닉대학의 리처드 레이 교수, 러시아 과학아카데미의 로버트 니그마툴린 박사 공동연구팀이 발표한 것으로 ‘상온에서 비커에 든 용액에 기포를 만들어 터뜨리면 핵융합을 일으킬 수 있다’는 내용이었다.

아세톤 용액을 초음파로 진동시키면서 고속의 중성자를 쏘았더니 작은 기포가 생성됐다가 터졌는데, 거기서 핵융합반응으로 생성되는 고에너지 중성자가 검출됐다는 것이다. 연구팀은 이 과정에서 기포의 내부 온도는 태양의 핵과 맞먹는 1000만℃까지 올라갈 것으로 추정했다.

연구팀은 보통 수소 대신 중수소를 넣어 만든 아세톤에 초음파 진동과 1400만eV(전자볼트)의 고에너지 중성자를 고속으로 쏘면 기포가 생겨나 지름이 nm(10억분의 1m)에서 최대 1mm 크기까지 자랐다가 터졌다고 밝혔다. 중수소 두 개를 핵융합시키면 헬륨과 중성자, 또는 삼중수소와 양성자가 만들어지는데, 바로 이 실험에서 삼중수소와 250만eV의 에너지를 가진 중성자가 검출됐다는 것이다. 연구팀은 기포가 터지면서 핵융합이 일어났다고 주장했다.

기포 핵융합은 상온핵융합과 달리 널리 알려진 물리현상을 이용한 것이어서 더 큰 주목을 받고 있다. 테일야칸 박사팀이 핵융합에 필요한 고온을 얻기 위해 이용한 것은 ‘음파발광(sonoluminescence)’ 현상이다. 음파발광이란 초음파를 용액에 쏘면 미세한 기포가 생겨나 점점 더 자라다가 결국 빛을 내며 터지는 현상이다. 테일야칸 박사팀은 음파발광으로 높은 온도가 생성될 것으로 추정하고 아세톤 내의 중수소 사이의 핵융합을 조사해 본 것이었다. 기포 핵융합에 회의적인 반응을 보였던 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대학교 세스 푸터맨 교수 역시 “워낙 순식간에 일어나는 일이라 이제까지 기포의 온도가 어느 정도인지 알 수 없었지만 태양의 온도와 맞먹지 않을까 추정한다”고 밝힌 적이 있다.

음파발광장치

커피 잔 2개 크기의 비커에서 핵융합반응을 일으키는 데 성공했다는 연구결과를 두고 전 세계 과학계는 또다시 논란에 빠졌다. 핵시대 이후 최대의 발견이라는 찬사에서부터, 지난 1989년의 팔라듐 핵융합반응 소동과 다를 게 없다는 비판에 이르기까지 다양한 의견이 제시됐다.

그러나 기포 핵융합반응은 1989년 팔라듐 핵융합반응 소동과 큰 차이점이 있었다. 언론을 통해 먼저 발표된 것이 아니라 〈사이언스〉라는 저명한 과학학술지에 먼저 발표됐다는 것이다. 그래서 오크리지국립연구소는 연구 결과가 불러올 논란을 의식해 논문 게재 이전에 연구소의 사피라 박사팀에게 같은 실험을 해 보이도록 했다.

그 결과 테일야칸 박사팀이 측정한 중성자 값이 나오지는 않았다. 오크리지국립연구소는 이를 근거로 〈사이언스〉 발행인에게 테일야칸 박사팀의 논문 게재를 보류하거나 아니면 사피라 박사팀의 실험결과도 함께 실어줄 것을 요청하기도 했다.

논문 심사 과정에서도 논란은 계속되었다. 미국 로렌스 리버모어 국립연구소의 윌리엄 모스는 “2년 전에 기포 핵융합이 가능할 것이라 예견한 바 있다”며 “이 실험이 노벨상감”이라고 주장했고, 미국 워싱턴대학교의 로렌스 크럼 교수 역시 “핵융합이 일어났다는 것이 검증되면 수많은 기업들이 기포 핵융합에 매달릴 것”으로 예견했다. 그러나 캘리포니아대학교의 푸터맨 교수를 비롯한 많은 과학자들은 “이 논문에서 제시된 데이터를 신뢰할 수 없다”며 논문 게재를 미뤄달라고 요청했다.

하지만 〈사이언스〉의 편집자인 돈 케네디 박사는 이례적으로 논문 게재에 대한 편집자의 글을 실어 “우리의 임무는 엄밀한 검토를 거쳐 중요한 과학적 성과를 대중들에게 전달하는 것이며 실험의 재현이나 해석은 과학자의 몫”이라며 이를 거부했다.

음파발광은 액체 내에 특정 주파수의 음파를 발생시키면, 음파의 압력으로 발생한 공기 방울이 터지면서 순간 엄청난 에너지로 인해 빛이 발생하는 현상이다.

그러나 미국 일리노이대학교의 케니스 수스릭, 유리 디덴코 박사 연구팀은 음파발광 현상으로 발생한 기포의 온도가 테일야칸 박사팀이 추정한 1000만℃에 한참 못 미치는 1만 5000~2만℃에 지나지 않는다는 것을 실험적으로 밝혀냈다. 공교롭게도 수스릭 박사팀의 연구결과는 〈사이언스〉의 경쟁지라 할 수 있는 영국의 과학전문지 〈네이처〉 2002년 7월 25일자에 발표됐다.

수스릭 박사는 형광염료를 이용해 물에서 일어나는 음파발광 현상을 실험했다. 액체에 초음파를 쏘면 μm(100만분의 1m) 크기의 기포가 생겨나 1000배 이상으로 팽창한다. 압력이 점점 증가하면 팽창된 기포가 갑자기 고체와 같은 밀도로 수축하면서 터지게 되는데, 이때 기포 내부의 온도가 급속도로 높아지게 된다.

그런데 수스릭 박사는 이때 액체에 녹아 있던 기체들이 기포 안으로 들어와 서로 반응하여 생성된 에너지의 상당 부분을 빼앗는다는 사실을 확인했다. 예를 들어 질소 기체가 기포 안으로 들어와 산소와 수소 등과 결합한다. 그 결과 이제까지 예측된 것보다 발생하는 빛의 에너지가 작은 것으로 나타났다. 게다가 아세톤과 같은 휘발성 용액은 음파발광으로 인한 에너지 발생이 더욱 작기 때문에 핵융합이 일어났다는 것은 실험의 오류로 볼 수밖에 없다고 주장했다.

과학자들은 기포 핵융합이 사실로 증명된다 하더라도 당장 에너지 생산에 이용되지는 않을 것으로 전망하고 있다. 대신 핵융합으로 생성되는 고온은 식품을 살균하거나 화학 반응을 일으키는 데 이용할 수 있을 것으로 기대한다.

수스릭 박사는 액화 금속에 초음파를 가하면 기포 내 화학반응이 훨씬 적게 일어나 온도가 더욱 높아질 수 있다며 가능성의 여지를 남겼다. 또한 핵융합이 일어날 정도의 온도가 아니라 하더라도 음파발광으로 발생하는 에너지는 산업에서 화학반응을 촉진시키거나 휘발유에서 유황을 제거하는 데 충분하다고 밝혔다. 산업적으로 응용될 가능성은 여전히 존재하는 것이다.

 

자료 출처

http://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=11&dirId=1114&docId=50244121&qb=7J2M7YyM67Cc6rSR&enc=utf8&section=kin&rank=1&search_sort=0&spq=0&pid=TvqXCdpySoCsssR/OTwsssssss8-242165&sid=F7Q7SZS1SezUT4dHd1nCvg%3D%3D

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3339158&cid=58139&categoryId=58139

https://en.wikipedia.org/wiki/Sonoluminescence