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백트레인

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목차

1. 개요

백트레인은 튜브 내부를 진공 또는 저기압 상태로 만들어 공기 저항을 줄여 고속 이동을 가능하게 하는 운송 시스템이다. 19세기부터 아이디어가 제시되었으며, 자기 부상 기술 등을 활용하여 열차를 운행하는 방식을 포함한다. 20세기에는 기술적 발전과 실험이 이루어졌으며, 21세기에는 하이퍼루프와 같은 형태로 발전하여 미래 교통 수단으로 주목받고 있다. 주요 기술적 과제는 튜브의 강도, 진공 유지, 안전성 확보, 건설 및 유지 보수 비용 절감 등이다.

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    하이퍼루프는 진공 튜브 안에서 캡슐을 이동시켜 최고 속도 1280km/h로 운송하는 친환경 고속 운송 시스템으로, 일론 머스크의 제안 이후 여러 기관에서 개발 중이며 대한민국을 포함한 여러 국가에서 도입을 추진하고 있다.
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백트레인
개요
명칭진공튜브열차
다른 이름진공열차
진공 자기부상 열차
영어 명칭Vactrain
일본어 명칭真空チューブ列車 (Shinkū chūbu ressha)
기술적 정보
작동 원리진공 튜브 안에서 자기 부상 기술을 이용
예상 속도4000–5000 mph (6400–8000 km/h)
개념 및 역사
최초 제안1900년대 초
주요 특징공기 저항 최소화
고속 이동 가능
관련 기술
주요 기술자기 부상
진공 펌프
튜브 건설 기술
미래 전망
잠재적 이점빠른 운송 속도
에너지 효율성 향상
환경 영향 감소
해결 과제기술적 난제
막대한 초기 투자 비용
안전 문제
미디어
관련 다큐멘터리익스트림 엔지니어링: 대서양 횡단 터널

2. 역사

영국에서는 이잠바드 킹덤 브루넬의 지도 아래 1847년부터 진공 튜브 열차 시험을 실시하여 1848년 2월부터 9월까지 운행했지만, 튜브의 밀봉 및 기타 문제로 인해 일반 증기 기관의 3배에 가까운 비용이 들어 성공하지 못했다[20].

19세기 후반 이전부터, 아메리카 대륙과 브리튼 섬을 잇는 대서양 터널 건설에 대한 제안이 존재했다. 이 아이디어는 독일의 소설가 베른하르트 켈러만/Bernhard Kellermann영어(Bernhard Kellermann)이 쓴 『』에서 제안되었다. 이 작품은 1933년 독일에서 영화화되었으며, 더 나아가 1935년 영국에서 『Transatlantic Tunnel』이라는 제목으로 리메이크되었다.

1870년대, 미국의 맨해튼에서 워렌가에서 머레이가까지 공기압식 진공관을 사용한 유인 운송 수단으로 연결하는 시도가 있었다[21].

현재의 진공 열차 개념은 공중에 설치된 튜브 내를 자기 부상식 리니어 모터가 달리는 것으로, 미국의 기술자 로버트 고다드가 대학생 시절에 상세한 시안을 1910년대에 창시한 것이다. 고다드는 1945년 사망했지만, 사후 발견된 그의 안건에 따르면 이 열차는 보스턴에서 뉴욕까지 시속 1,600km로 달려 12분 만에 도착하는 것이었다[22][23]

=== 18세기 - 19세기: 초기 개념 ===

1799년, 런던의 조지 메드허스트는 가압 또는 진공 튜브를 통해 사람이나 화물을 운송할 수 있는 대기 철도를 구상하고 특허를 받았다.[2] 초기 대기 철도 및 공기 수송관 시스템은 추진을 위해 증기 동력에 의존했다.[2]

1888년, 쥘 베른의 아들인 미셸 베른은 단편 소설 "미래의 특급열차"에서 대서양 해저를 대서양 횡단 터널로 하여 승객 캡슐을 1800 km/h의 속도로 추진할 수 있는 잠수함 공기압 튜브 운송 시스템을 상상했다.[2]

=== 20세기: 발전과 실험 ===

1904년, 로버트 H. 고다드(Robert H. Goddard)가 우스터 폴리텍닉 연구소(Worcester Polytechnic Institute) 신입생 시절 진공 튜브 열차 아이디어를 제안하고, 1906년 "고속 내기"라는 단편 소설에서 이 아이디어를 다듬었다. 1909년 ''사이언티픽 아메리칸''(Scientific American) 사설인 "고속 수송의 한계"에서 요약 및 출판되었고, 1950년 그의 아내 에스더가 백트레인에 대한 미국 특허를 받았다.[4]

1909년, 러시아의 보리스 바인베르크(Boris Weinberg) 교수는 톰스크 폴리텍닉 대학교(Tomsk Polytechnic University)에서 제안된 백트레인 버전에 대한 세계 최초의 모델을 제작했다.[5][6] 그는 1914년 저서 ''마찰 없는 운동(무공기 전기 방식)''에서 백트레인 개념을 발표했다.

1949년에는 "음속 활주체"라고 명명된 구상이 발표되었고, 전시 중 4식 중폭격기 개발을 담당했으며, 당시 메이조 대학 이공학부 교수였던 오자와 히사노조에 의해, 진공 튜브 내에 로켓을 달리게 하는 "'''로켓 열차'''"의 실험이 1959년부터 10년 이상 실시되었다.[26] 1970년의 실험에서는 미드리가메(일본 늪거북)와 개구리를 태우고 1,600m를 3초 만에 활주하여, 계산상 시속 2,500km라는 기록을 세웠다.[19][26]

1955년, 폴란드 SF 작가 스타니스와프 렘(Stanisław Lem)은 소설 ''마젤란 성운''에서 "organowiec"라는 대륙간 백트레인에 대해 썼는데, 이 기차는 1666 km/h 이상의 속도로 투명한 튜브에서 움직였다. 1962년 4월, 백트레인은 맥 레이놀즈(Mack Reynolds)의 "용병"이라는 소설에 등장하여 진공 튜브 수송에 대해 언급했다.[7]

1970년대에는 RAND 코퍼레이션(RAND Corporation)의 로버트 M. 살터(Robert M. Salter)가 백트레인 기술을 연구하고, 미국 대륙 횡단 튜브 셔틀 시스템을 제안했다.[8][9] 그는 당시 사용 가능한 기술을 사용하여 미국 정부(U.S. government)가 튜브 셔틀 시스템을 건설할 수 있다고 보았다. 당시 자기 부상 열차(maglev)가 제대로 개발되지 않았기 때문에 그는 강철 바퀴를 제안했다. 그는 이러한 시스템이 항공 및 지상 운송으로 인해 대기에 가해지는 환경 피해를 줄이는 데 도움이 될 것이라고 지적했다. 이러한 보고서가 발표될 당시, 일본이 몇 년 동안 자국의 신칸센을 운행하고 있었고 자기 부상 열차 연구가 뜨거운 기술이었기 때문에 국가적 위신이 문제가 되었다.

1970년대 후반과 1980년대 초부터 스위스메트로(Swissmetro)는 실험적인 독일 트란스라피트 자기 부상 열차의 발명을 활용하고 콩코드 초음속 여객기가 비행하도록 인증된 고도에서 운행하도록 제안되었다.

1980년대에 채널 터널(Channel Tunnel) 프로젝트의 설립자이자 회장이었던 프랭크 P. 데이비슨(Frank P. Davidson)과 일본 엔지니어 교타니 요시히로/京谷好泰일본어는 케이블로 고정된 튜브를 해저 위에 띄우는 방안으로 대양 횡단 문제를 해결했다.

1991년, 제라드 K. 오닐(Gerard K. O'Neill)이 자기 비행 시스템 특허를 출원했다.[11] 그는 자신이 설립하려는 회사를 ''VSE 인터내셔널''(VSE International)이라고 불렀다.[11] 차량은 한 쌍의 트랙 위를 달리는 대신 튜브 내의 단일 트랙을 사용하여 전자기력으로 들어 올려지고, 터널을 통해 전자기력으로 추진될 것이다. 그는 터널에서 공기가 제거되면 열차가 최대 4,000 km/h의 속도에 도달할 수 있다고 추정했다.[12]

=== 21세기: 하이퍼루프와 미래 ===

2001년, 제임스 R. 파월은 자기 부상 진공 열차를 우주 발사에 사용하는 시스템인 스타트램을 제안했다. 스타트램은 차량이 긴 가속 터널 내에서 시속 8900~19600 km까지 속도에 도달하게 한다.[13]

하이퍼루프 시스템의 제안된 시스템 이미지


2013년 8월, 테슬라와 스페이스X의 CEO인 일론 머스크는 하이퍼루프 알파 논문을 발표하여 로스앤젤레스 지역에서 샌프란시스코 베이 에어리어로 이어지는 노선을 제안했다.[16] 하이퍼루프 개념은 머스크와 스페이스X에 의해 "오픈 소스"로 공개되었으며, 다른 사람들이 이 아이디어를 가져와 더 발전시키도록 권장되었다. 이를 위해 몇몇 회사가 설립되었고, 여러 학제 간 학생 주도 팀이 기술 발전을 위해 노력하고 있다.[17] 스페이스X는 호손에 있는 본사에서 하이퍼루프 팟 경연을 위해 약 1.6km 길이의 축소 트랙을 건설했다.[18]

중국에서는 최고 시속 4000km의 진공 리니어 열차 "초고속 비차"를 2020~2030년 실용화를 목표로 개발 중이다.[25]

2. 1. 18세기 - 19세기: 초기 개념

1799년, 런던의 조지 메드허스트는 가압 또는 진공 튜브를 통해 사람이나 화물을 운송할 수 있는 대기 철도를 구상하고 특허를 받았다.[2] 초기 대기 철도 및 공기 수송관 시스템은 추진을 위해 증기 동력에 의존했다.[2]

1888년, 쥘 베른의 아들인 미셸 베른은 단편 소설 "미래의 특급열차"에서 대서양 해저를 대서양 횡단 터널로 하여 승객 캡슐을 1800 km/h의 속도로 추진할 수 있는 잠수함 공기압 튜브 운송 시스템을 상상했다.[2]

2. 2. 20세기: 발전과 실험

1904년, 로버트 H. 고다드(Robert H. Goddard)가 우스터 폴리텍닉 연구소(Worcester Polytechnic Institute) 신입생 시절 진공 튜브 열차 아이디어를 제안하고, 1906년 "고속 내기"라는 단편 소설에서 이 아이디어를 다듬었다. 1909년 ''사이언티픽 아메리칸''(Scientific American) 사설인 "고속 수송의 한계"에서 요약 및 출판되었고, 1950년 그의 아내 에스더가 백트레인에 대한 미국 특허를 받았다.[4]

1909년, 러시아의 보리스 바인베르크(Boris Weinberg) 교수는 톰스크 폴리텍닉 대학교(Tomsk Polytechnic University)에서 제안된 백트레인 버전에 대한 세계 최초의 모델을 제작했다.[5][6] 그는 1914년 저서 ''마찰 없는 운동(무공기 전기 방식)''에서 백트레인 개념을 발표했다.

1949년에는 "음속 활주체"라고 명명된 구상이 발표되었고, 전시 중 4식 중폭격기 개발을 담당했으며, 당시 메이조 대학 이공학부 교수였던 오자와 히사노조에 의해, 진공 튜브 내에 로켓을 달리게 하는 "'''로켓 열차'''"의 실험이 1959년부터 10년 이상 실시되었다.[26] 1970년의 실험에서는 미드리가메(일본 늪거북)와 개구리를 태우고 1,600m를 3초 만에 활주하여, 계산상 시속 2,500km라는 기록을 세웠다.[19][26]

1955년, 폴란드 SF 작가 스타니스와프 렘(Stanisław Lem)은 소설 ''마젤란 성운''에서 "organowiec"라는 대륙간 백트레인에 대해 썼는데, 이 기차는 1666 km/h 이상의 속도로 투명한 튜브에서 움직였다. 1962년 4월, 백트레인은 맥 레이놀즈(Mack Reynolds)의 "용병"이라는 소설에 등장하여 진공 튜브 수송에 대해 언급했다.[7]

1970년대에는 RAND 코퍼레이션(RAND Corporation)의 로버트 M. 살터(Robert M. Salter)가 백트레인 기술을 연구하고, 미국 대륙 횡단 튜브 셔틀 시스템을 제안했다.[8][9] 그는 당시 사용 가능한 기술을 사용하여 미국 정부(U.S. government)가 튜브 셔틀 시스템을 건설할 수 있다고 보았다. 당시 자기 부상 열차(maglev)가 제대로 개발되지 않았기 때문에 그는 강철 바퀴를 제안했다. 그는 이러한 시스템이 항공 및 지상 운송으로 인해 대기에 가해지는 환경 피해를 줄이는 데 도움이 될 것이라고 지적했다. 이러한 보고서가 발표될 당시, 일본이 몇 년 동안 자국의 신칸센을 운행하고 있었고 자기 부상 열차 연구가 뜨거운 기술이었기 때문에 국가적 위신이 문제가 되었다.

1970년대 후반과 1980년대 초부터 스위스메트로(Swissmetro)는 실험적인 독일 트란스라피트 자기 부상 열차의 발명을 활용하고 콩코드 초음속 여객기가 비행하도록 인증된 고도에서 운행하도록 제안되었다.

1980년대에 채널 터널(Channel Tunnel) 프로젝트의 설립자이자 회장이었던 프랭크 P. 데이비슨(Frank P. Davidson)과 일본 엔지니어 교타니 요시히로/京谷好泰일본어는 케이블로 고정된 튜브를 해저 위에 띄우는 방안으로 대양 횡단 문제를 해결했다.

1991년, 제라드 K. 오닐(Gerard K. O'Neill)이 자기 비행 시스템 특허를 출원했다.[11] 그는 자신이 설립하려는 회사를 ''VSE 인터내셔널''(VSE International)이라고 불렀다.[11] 차량은 한 쌍의 트랙 위를 달리는 대신 튜브 내의 단일 트랙을 사용하여 전자기력으로 들어 올려지고, 터널을 통해 전자기력으로 추진될 것이다. 그는 터널에서 공기가 제거되면 열차가 최대 4,000 km/h의 속도에 도달할 수 있다고 추정했다.[12]

2. 3. 21세기: 하이퍼루프와 미래

2001년, 제임스 R. 파월은 자기 부상 진공 열차를 우주 발사에 사용하는 시스템인 스타트램을 제안했다. 스타트램은 차량이 긴 가속 터널 내에서 시속 8900~19600 km까지 속도에 도달하게 한다.[13]

2013년 8월, 테슬라와 스페이스X의 CEO인 일론 머스크는 하이퍼루프 알파 논문을 발표하여 로스앤젤레스 지역에서 샌프란시스코 베이 에어리어로 이어지는 노선을 제안했다.[16] 하이퍼루프 개념은 머스크와 스페이스X에 의해 "오픈 소스"로 공개되었으며, 다른 사람들이 이 아이디어를 가져와 더 발전시키도록 권장되었다. 이를 위해 몇몇 회사가 설립되었고, 여러 학제 간 학생 주도 팀이 기술 발전을 위해 노력하고 있다.[17] 스페이스X는 호손에 있는 본사에서 하이퍼루프 팟 경연을 위해 약 1.6km 길이의 축소 트랙을 건설했다.[18]

중국에서는 최고 시속 4000km의 진공 리니어 열차 "초고속 비차"를 2020~2030년 실용화를 목표로 개발 중이다.[25]

3. 작동 원리

3. 1. 기본 원리

백트레인은 튜브 내부를 진공 또는 저기압 상태로 유지하여 공기 저항을 최소화한다.[29] 마찰력을 줄이기 위해 자기 부상 기술을 사용하거나, 공기 부상 방식을 적용할 수 있다. 추진 방식으로는 리니어 모터, 압축 공기, 중력 등 다양한 방식을 활용할 수 있다. 일본에서는 2000년경과 2014년경에 터널 내부를 0.5기압 정도로 감압하는 방안이 검토되었다.[29] 설치 비용과 운용 비용 모두 절감 효과가 있는 것으로 추산되었으며, 60km 거리를 중간역 없이 3량 연결 열차를 5분 간격으로 운행하는 조건에서 시속 450km의 경우 철륜 리니어가, 시속 700km의 경우 자기 부상 리니어가 검토되었다.[29]

3. 2. 중력 이용 방식 (일본어 문서)

지구상의 모든 물체는 지구의 중력에 의해 위치 에너지를 가지고 있으며, 지구 중심에서 멀어질수록 더 큰 위치 에너지를 가진다. 높은 곳과 낮은 곳의 위치 에너지 차이는 그 사이를 이동하는 운동 에너지와 같다. 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하려면 물체에 그 차이만큼의 운동 에너지를 더해야 한다. 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동할 때는 지구의 중력에 의해 자연스럽게 운동 에너지가 더해진다.[19]

튜브를 V자형으로 만들어 열차가 중력에 의해 가속 및 감속하도록 설계할 수 있다. 가속 시 열차의 무게(지구의 중력)로 언덕을 내려가고, 이로써 얻은 운동 에너지를 사용하여 언덕을 올라 같은 높이로 돌아가는 것을 반복한다. 다만 현실에서는 마찰력을 0으로 만드는 것은 불가능하므로, 언덕을 올라가도 열차가 같은 높이로 돌아갈 수는 없다. 따라서 오르막길을 리니어 모터 등으로 끌어올리는 방법을 활용할수 있다.[19]

4. 기술적 과제

백트레인은 1960년대부터 1970년대 어린이용 도감에 '미래의 철도'로 게재되었지만[19], 현재에 이르기까지 여러 기술적인 과제가 산적해 있어 실현될 전망이 보이지 않고 있다. 주요 기술적 과제로는 대단면 튜브의 강도 및 진공 유지, 안전성 확보 (비상 상황 대처, 승객 보호 등), 역 부분 등 '진공이 아닌 공간'과의 연결 기술, 건설 비용 및 유지 보수 비용 절감 등이 있다.

5. 대한민국에서의 진공 튜브 열차

5. 1. 연구 개발 현황

5. 2. 정치/사회적 관점

5. 2. 1. 더불어민주당 (진보 진영)

더불어민주당은 진공 튜브 열차 기술을 통해 교통 혁신과 환경 문제 해결을 동시에 달성할 수 있다고 본다. 관련 기술 개발 및 인프라 구축에 적극적인 투자를 지지할 가능성이 높다. 특히, 일자리 창출과 지역 경제 활성화 효과를 기대하며, 공공 주도의 대규모 프로젝트로 백트레인을 추진할 가능성도 있다.

5. 2. 2. 국민의힘 (보수 진영)

국민의힘은 진공 튜브 열차 기술의 경제성과 실현 가능성에 대해 신중한 입장을 취하고 있는 것으로 보인다. 대규모 예산 투입에 따른 재정 부담과 기술적 불확실성을 우려하며, 민간 주도의 점진적인 개발을 선호할 가능성이 크다. 특히 문재인 정부에서 추진했던 대규모 국책 사업에 대한 부정적인 인식이 이러한 신중론에 영향을 미쳤을 것으로 예상된다.

6. 기타

6. 1. SF 작품에서의 등장

진공 열차는 여러 SF 소설, 영화, 드라마 등에서 미래 교통 수단으로 묘사되어 왔다.

  • 아서 C. 클라크의 『Rescue Party(국내 제목: 태양계 최후의 날)』(1946년 간행)
  • 피터 F. 해밀턴의 『The Night's Dawn Trilogy(밤의 새벽 3부작)』
  • 조 홀드먼의 『Buying Time(시간 구매)』
  • 래리 니븐의 『A World out of Time(국내 제목: 시간 밖의 세계)』(1976년)
  • 로버트 A. 하인라인의 『Friday(국내 제목: 프라이데이)』(1984년)
  • 제리 유르스만의 『Elleander Morning(국내 제목: 엘리앤더 M의 범죄)』(1985년)
  • 재스퍼 포드의 「Thursday Next(국내 제목: 서즈데이 넥스트) 시리즈」
  • 「플래시 고든 시리즈」(코믹)
  • 『Logan's Run(국내 제목: 2300년 미래 여행)』(영화)
  • 레이 브래드버리의 『Fahrenheit 451 (국내 제목: 화씨 451도)』(1953년)


TV 시리즈 『SPACE:1999(국내 제목: 우주 1999)』에서는 달의 진공 열차를 묘사하고 있으며, 영화 『Star Trek: The Motion Picture(국내 제목: 스타 트렉)』(1979년)에서는 23세기의 샌프란시스코에 있는 진공 열차를 묘사하고 있다. 진 로덴베리가 초기에 제작한 TV 프로그램 『Genesis II』, 『Planet Earth』에서도 진공 열차가 등장한다. 도널드 페이건이 1982년에 제작한 앨범 『The Nightfly(나이트플라이)』의 "I.G.Y.(International Geophysical Year, 국제 지구 관측년)"가 1950년대의 기술적 이상적 유토피아를 집약하는 중에도 유사한 수송 시스템이 등장한다.

참조

[1] episode Transatlantic Tunnel http://dsc.discovery[...]
[2] 웹사이트 An Express of the Future http://gutenberg.net[...]
[3] 웹사이트 The SciFi Story Robert H. Goddard Published 100 Years Ago http://io9.gizmodo.c[...]
[4] 웹사이트 Vacuum tube transportation system https://patents.goog[...]
[5] 웹사이트 Движение без трения. pre-α http://veinberg.o7.r[...] 2015-11-24
[6] 간행물 Five Hundred Miles an Hour https://en.wikisourc[...]
[7] 잡지 Mercenary http://www.gutenberg[...] 2015-01-19
[8] 간행물 The Very High Speed Transit System https://www.rand.org[...] RAND Corporation 2011-09-28
[9] 간행물 Trans-Planetary Subway Systems: A Burgeoning Capability https://www.rand.org[...] RAND Corporation 2011-09-28
[10] 간행물 Trans-Planetary Subway Systems = A Burgeoning Capability https://www.rand.org[...] RAND Corporation 2021-05-09
[11] 간행물 Gerard Kitchen O'Neill 1993-02
[12] 뉴스 Gerard K. O'Neill, Professor, 69; Led Studies on Physics and Space https://query.nytime[...] 1992-04-29
[13] 웹사이트 StarTram2010 http://www.startram.[...] startram.com 2011-04-28
[14] 뉴스 Why ET3? http://www.et3.com ET3 2017-10-09
[15] AV media Speedy Travel in a Vacuum Tube http://www.ideacity.[...] 2017-10-09
[16] 웹사이트 Hyperloop Alpha https://www.spacex.c[...] 2019-11-03
[17] 웹사이트 Here are the Hyperloop pods competing in Elon Musk's big race later this year https://www.theverge[...] 2016-10-19
[18] 뉴스 Here's a first look at the SpaceX Hyperloop test track https://techcrunch.c[...] 2016-09-02
[19] 도서 学研の図鑑『機関車・電車』1973年版
[20] 서적 ブルネルの偉大なる挑戦 日刊工業新聞社
[21] 웹사이트 【超高速輸送】その後「ハイパーループ」ってどうなった？ https://newspicks.co[...] 2023-04-29
[22] 웹사이트 "Vactrain" idea no longer a myth, plans are underway by et3.net http://www.apparentl[...]
[23] 웹사이트 The SciFi Story Robert H. Goddard Published 100 Years Ago http://io9.gizmodo.c[...]
[24] 웹사이트 Feasibility and Economic Aspects of Vactrains https://www.wpi.edu/[...]
[25] 뉴스 時速4000キロのリニアモーターカー、20年の実用化を目指す―中国 https://www.recordch[...] 2010-05-28
[26] 서적 トリビアの泉〜へぇの本〜 3 講談社
[27] 웹사이트 【魚拓】asahi.com（朝日新聞社）：東京―大阪16分の「夢」の名残・超音速滑走体 名城大 - お宝発見 - 大学 - 教育 https://megalodon.jp[...]
[28] 웹사이트 空想的交通論 https://www.gakushik[...] 2023-04-30
[29] 문서 未来の減圧トンネル超高速鉄道技術の可能性 ~総 論~ http://koseki.t.u-to[...]


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