순식간에 태양 중심부보다 더 뜨겁게 - 새로운 레이저 기술 개발

(NASA/SDO/AIA/Goddard Space Flight Center)​

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 레이저는 보통 물질을 뜨겁게 달구는 성질을 가지고 있습니다. 이런 점 때문에 무기로 사용하기도 하고 수술용으로 사용되기도 하죠. 그리고 핵융합 연구에서는 매우 강력한 레이저 여러 개를 한 점에 집중시키는 형태로 초고온 상태를 만들어낼 수 있습니다. 이전에 소개한 미국의 국립 점화시설(NIF)이 그것이죠.

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 그런데 영국 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 과학자들이 2경분의 1초(20 quadrillionths of a second)라는 극도로 짧은 시간 동안 태양 중심부보다 더 뜨거운 물질을 가열할 수 있는 방법을 저널 네이처 커뮤니케이션즈에 발표했습니다.

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 이 놀라운 가열 속도는 현재 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)에 있는 초강력 레이저보다 100배는 빠른 것입니다. 연구의 주저자인 아서 터렐 박사(Dr Arthur Turrell)에 의하면, 이들은 이온에 직접 에너지를 넣는 방식(This method puts energy straight into the ions)​을 이용했다고 합니다.

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 본래 짧은 시간 동안 출력을 집중해서 잠시간 초고온 상태를 만드는 일은 이전부터 가능했습니다. 문제는 이렇게 물질을 가열하면 계속 열이 오르는 대신 이온이나 플라즈마 입자가 가속되어 흩어진다는 점입니다.

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 연구팀은 이론적인 분석과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 특정 배열의 이온들이 정전기 충격파(electrostatic shockwaves)를 통해 서로를 마찰시켜 더 높은 온도를 기록할 수 있음을 알아냈습니다. 그 결과 이온들이 서로 흩어지는 대신 빠르게 온도를 높일 수 있었던 것이죠. 즉, 레이저를 특수한 배열의 이온을 향해 발사하면 아주 짧은 시간동안 초고온의 상태를 만들 수 있다는 것입니다.

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 이 연구는 앞으로 고온 물리학에서 여러 가지 응용과 연구를 가능하게 하겠지만, 가장 기대되는 응용분야는 역시 핵융합입니다. 레이저를 이용한 핵융합 연구는 아주 짧은 시간동안 핵융합이 가능한 온도와 압력을 만드는 것이 핵심입니다.

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 문제는 약간의 핵융합 반응을 위해서 거대하고 값비싼 장치가 필요하다는 것이죠. 과연 이것이 경제적인 상업 발전으로 이어질 수 있는지는 회의적인 시각이 있는 것도 사실입니다. 더 간단한 방법으로 고온 핵융합 반응을 이끌어 낼 수 있다면 핵융합 연구에도 앞으로 큰 도움이 될 것으로 기대합니다.

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 참고

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A. E. Turrell et al. Ultrafast collisional ion heating by electrostatic shocks, Nature Communications(2015). DOI: 10.1038/ncomms9905                                        

  http://phys.org/news/2015-11-lasers-rapidly-materials-hotter-sun.html#jCp