마그레브 열차의 속도는?
[질문]
마그레브(MAGLEV) 열차에 관하여 설명하여 주십시오.
매스컴 에 간혹 소개되는 것을 보면 비행기 만큼 빠른 속도로 날아가듯 달린다는데 어떻게 이것이 가능합니까? 우리나라에도 마그레브 열차가 있습니까?
[답변]
지금까지의 열차는 레일위를 바퀴가 굴러가는 소위 바퀴식 열차입니다.
바퀴와 레일 사이의 마찰력으로 전진하기 때문에 엔진이나 전동기의 힘이 아무리 좋아도 마찰력(축중 X마찰계수)보다 더 큰 견인력을 낼 수는 없습니다.
한편 공기 저항은 속도의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에(가령 속도 100kph로 달리는 열차에 비해 300kph로 달리는 열차의 공기 저항은 9배가 됨)이 공기 저항을 포함한 열차의 주행 저항과 축중과 마찰계수에 의해 제한된 견인력(마찰력)이 같게 되는 속도 즉 균형속도 보다 더 빠른 속도로는 달릴 수 없는 것입니다.
혹시 마찰력을 키우면 될 것 아니냐고 반문 할지 몰라도 축중을 높이려고 동력차를 무겁게 하면 선로나 교량을 더 튼튼하게 건설하여야 할 뿐 아니라 보수비도 많이 소요되므로 무작정 무겁게 할 수는 없고 마찰계수도 날씨나 오물의 부착 여부에 따라 변화의 폭이 커서 마찰력을 키우는 것은 생각보다 쉽지 않습니다. 지금까지 철도 기술자들이 생각하기에는 대략 400kph 미만이 바퀴식 열차의 속도 한계이고 실제 운행을 위한 속도는 350kph가 최고속도라고 생각되고 있습니다.
따라서 이보다 더 빠른 속도로 열차가 달리기를 원한다면 바퀴식으로는 어렵고 바퀴와 레일 사이의 마찰력에 의존할 필요가 없는 방식으로 나가야 하는데 지금까지의 여러 연구 결과 전자석을 이용한 자기 부상식이 차세대 고속열차로는 적합하다고 생각되고 있습니다.
자기부상 방식을 고속열차 에 이용하려는 대표적인 나라가 일본과 독일입니다. 일본은 초전도 자석을, 또 독일은 상전도 자석을 이용한 자기부상 열차를 오래전부터 연구하여 지금은 실용화 단계에까지 와 있지요.
어떤 금속의 온도를 계속 낮추어 가면 어떤 온도 (가령 -267.7℃)에서 그 금속의 전기 저항이 0까지 떨어진다는 초전도 현상(즉, 한번 전기를 통해주면 저항이 없으므로 열로 소모되지 않고 영구히 전기가 흐르게 됨)을 이용하여 제작한 초전도 자석을 차량측에 설치하고 차량을 빠른 속도로 움직이면 지상에 설치된 코일과의 사이에서 발생되는 전자유도에 의한 반발력으로 떠오르고(부상하고) 추진은 동기모터를 펼쳐 놓은 것과 같은 리니어 동기모터의 원리에 의해 전진하게 됩니다.
한편 독일의 Transrapid에 이용되는 방식은 차량측에 초전도가 아닌 보통의 전자석을 설치하고 지상측은 강(鋼)판으로 하여 서로 끌어 당기는 힘을 이용하여 옆그림처럼 부상시키는 방식입니다. 추진은 동기 리니어 동기모터의 원리에 의한 것임은 일본식과 같습니다.
선진국보다 늦었지만 우리나라에서도 한국 기계 연구원, 전기 연구소 등의 과학자들이 자기 흡인력에 의한 부상식 철도를 활발히 연구하고 있는데 이미 상당한 성과를 거두어 실용화 단계에까지 와 있습니다.
<이 자료는 철도시스템 의 저자이며 철도청 고속철도운영담당 관 김선호과장이 제공합니다.>
출처 : 철도신문, 1999년3월20일
* 점착식철도, 즉 차륜이 레일위를 굴러 가는 방식의 철도에서는 점착력(차륜과 레일간에 작용하는 마찰계수와 중량과의 상관관계)이 한계입니다. 다시말하면 견인력이나 제동력은 어떤 경우에도 점착력보다 커서는 안된다는 한계에 봉착하게 됩니다.
이 한계를 극복하기 위한 철도시스템이 차륜이 레일위를 떠서 달리는 방식의 철도(마그레브 시스템, 트랜스 래피드, 호버 크래프트 등)가 대안으로 제시됩니다.
열차가 고속으로 달리면 공기와의 마찰이 또 문제가 되겠지요!
즉 속도가 커지면 공기저항도 문제지만 공기저항에 의한 마찰열도 문제가 됩니다.
이 문제를 극복하기 위한 대안으로서 Planet Run(진공튜브속을 주행하는 열차)이 대두되고 있습니다. 현재 연구중인 이 열차는 보통열차의 속도는 시속 9600km, 특급열차의 경우 22400km/h까지 가능한 것으로 나타나 인천에서 샌프란시스코까지 불과 45분만에 주파할 수 있다는 놀라운 장래의 철도시스템입니다.