일본 자기부상열차: 세계에서 가장 빠른 열차, 시험선에 발이 묶이다

짧은 시험선에서 기록을 세우다

야마나시현의 한적한 시골 풍경 속에서 은빛 바늘처럼 생긴 열차가 선로 위를 달리며, 인간이 열차에서 경험한 적이 드문 속도로 시야를 스쳐 지나간다. 승객을 태운 열차의 세계 최고 속도 기록인 시속 603km(시속 375마일)를 보유한 일본의 초전도 자기부상열차는 길이 42.8km의 시험선을 오가며 하루를 보낸다. 전망대와 능선에는 구경꾼들이 모이고, 초청을 받거나 추첨에 당첨된 소수의 사람들은 시범 운행에 탑승한다. 현재 지구상에서 가장 앞선 여객 열차가 보여주는 것은 여기까지다.

이 운행 뒤에 담긴 야망은 원대하다. 이 열차는 도쿄 시나가와역과 나고야를 잇고 이후 오사카까지 연장할 계획인 새로운 고속철도 노선, 주오 신칸센의 핵심이다. 일본 중앙철도회사(JR 도카이)는 이 노선의 건설을 추진하고 있다. 1단계 구간이 개통되면 최고 시속 약 500km로 도쿄에서 나고야까지 40분이면 이동할 수 있고, 이후 오사카까지 연장되면 도쿄~오사카 운행 시간은 1시간 남짓으로 계획돼 있다. 기술과 열차는 수십 년간 시험을 거치며 성숙해 왔다. 하지만 노선 건설은 환경 승인, 터널 공사 난관, 정치적 쟁점, 비용 문제 등이 겹치면서 지연되고 있다.

열차가 뜨고 가속하는 원리

일본의 초전도 자기부상열차는 초전도 자기부상 시스템을 사용한다. 열차에 장착된 초전도 자석이 차량의 움직임에 따라 궤도에 설치된 코일에 전류를 유도한다. 이 전류가 자기장을 만들어 열차를 띄우고 방향을 잡아 주는데, 이를 전자기 현가 방식이라고 한다. 자기부상열차는 시속 약 150km를 넘으면 선로와 물리적으로 접촉하지 않는다. 궤도 위 약 10cm 높이로 떠서 달린다. 추진력은 선형 동기 모터에서 나온다. 선로를 따라 전환되는 자기장에 열차의 자석을 끌어당겨 앞으로 나아가게 하는 방식이다.

저속에서는 접이식 고무 타이어로 주행한다. 속도가 올라가면 타이어가 궤도에서 떨어지고, 열차는 자기장으로 완충된 상태로 달린다. 객실 안에서 느끼는 감각은 기존 신칸센과 다르다. 바퀴와 레일이 맞닿으며 생기는 덜컹거림은 줄고, 공기를 가르는 소리가 커지며, 더 일정한 낮은 진동음이 들린다. 엔지니어들은 진동을 줄이고 객실 소음을 낮추며 극한 속도에 맞춰 공기역학 성능을 미세 조정하는 등 승차감을 다듬는 데 수년을 들였다.

나고야 노선 개통이 계속 늦어지는 이유

당초 2027년으로 잡혔던 도쿄~나고야 구간 개통 목표는 미뤄졌다. JR 도카이는 이제 1단계 구간이 빨라도 2035년쯤 운행을 시작할 것으로 보고 있다. 8년이 늦어진 셈이다. 일본 중부를 가로지르는 터널 공사의 범위와 복잡성이 드러나면서 예산은 약 11조 엔으로 불어났다. 당장의 걸림돌은 시즈오카현에 있다. 철도회사는 남알프스 산맥 아래로 약 8.9km의 터널을 뚫어야 한다. 지역 지도자들은 공사로 오이강에 공급되는 물이 다른 곳으로 흘러갈 수 있다며 반대해 왔다. 이 강은 하류 지역 주민과 농업에 중요한 수자원이어서 반대가 계속되고 있으며, 해당 터널 구간 공사는 시작되지 못했다.

노선 대부분은 지하를 지난다. 도쿄~나고야 구간의 약 5분의 4가 터널로 이뤄지며, 인구 밀집 도시 지역의 깊은 지하 구간과 산악 지대의 긴 터널도 포함된다. 이 정도 규모의 터널 공사에는 대규모 환기와 굴착 잔토 반출, 지하수 관리가 필요하다. 어디서든 비용이 많이 드는 작업이지만, 이 사업에서는 특히 큰 비용이 발생하고 있다. 정부 관계자들은 중재에 나서고 있고, JR 도카이는 공사가 가능한 구간과 야마나시현 시험 운행을 이어가며 향후 개통을 준비하고 있다.

회사 엔지니어들은 열차 편성 자체는 상업 운행에 투입할 준비가 됐다고 말한다. 장거리 운행의 시스템 신뢰성, 초고속 주행 시 터널 내 공기역학, 초전도 장비의 유지보수 전략에 초점이 옮겨갔다. 인허가를 둘러싼 교착 상태가 풀릴 때까지 야마나시 노선은 이런 과제를 검증하는 시험장으로 남는다.

야마나시 시험선이 보여주는 것

야마나시 자기부상열차 시험선은 1997년에 문을 열었다. 이후 열차는 수백만 킬로미터의 시험 주행을 거쳤고 여러 속도 기록을 세웠으며, 마침내 시속 603km 기록에 도달했다. 일반적인 운행일에는 시험 주행 거리가 약 2,000km에 이른다. 시험장에서는 두 열차가 상대 속도 시속 1,000km를 넘겨 서로 지나갈 때의 상황부터 긴 터널과 횡풍 속에서 열차가 어떻게 움직이는지까지 살펴볼 수 있다.

일반인 탑승일의 운영 방식은 작은 공항과 비슷하다. 방문객은 체크인하고 보안 검색을 거친 뒤 순서에 따라 탑승한다. 열차가 역을 떠나면 빠르게 가속한다. 약 1분 만에 시속 320km에 도달하고, 3분 안에 시속 500km까지 속도를 높인 뒤 짧은 구간 동안 순항한다. 42.8km 전 구간을 달리는 데는 약 8분이 걸린다. 탑승객들은 흔치 않은 속도감을 느꼈다고 말하는 경우가 많고, 일부는 일반 신칸센보다 승차감이 거칠다고 느낀다. 이런 반응을 확인하는 것이 시험의 목적이다. 회사는 서스펜션 조정과 좌석 설계, 공기역학 성능을 반복 개선해 철도 물리학의 한계에 도전하는 속도에서도 객실을 더 조용하고 부드럽게 만들고 있다.

탑승권을 구하지 못한 방문객도 시험선 옆에 있는 야마나시현립 자기부상열차 전시관에서 기술과 역사를 둘러볼 수 있다. 박물관에서는 체험형 전시로 초전도 현상을 소개하고, 퇴역한 자기부상열차를 전시하며, 열차가 전속력으로 지나가는 모습을 높은 곳에서 볼 수 있다. 방문 방법과 운영 시간은 공식 사이트의 자기부상열차 전시관에서 확인할 수 있다.

L0 개량과 승차감 개선

MLX01 같은 초기 시제품에서 출발한 개발 사업은 L0 계열을 거쳐 시험선에서 얻은 수년간의 경험을 반영한 개량형 L0로 이어졌다. 최신 시험 차량에는 상어 피부 같은 질감의 필름을 입힌 도색되지 않은 외장이 적용됐다. 이 필름은 미세한 수준에서 공기 흐름을 조절해 항력을 줄인다. 개발진은 공기역학적 개선으로 이전 모델보다 공기 저항이 낮아져 에너지 사용과 객실 소음 모두 줄어든다고 설명한다. 객실에는 구조를 단순화하고 무게를 줄이기 위해 고정식 등받이 좌석을 설치했고, 최고 속도에서 진동이 전달되는 것을 줄이도록 내장재도 바꿨다.

엔지니어들이 드문 상황까지 점검하면서 시험 계획은 더 까다로워졌다. 연구팀은 압력 변화와 충격파를 살피기 위해 열차 두 대를 상대 속도 시속 1,026km로 서로 지나가게 했다. 사고가 발생하기 전에 장비 피로를 암시할 수 있는 미세한 진동 변화를 감지하도록 센서도 추가했다. 초전도 자석의 수명을 늘리고 유지보수를 간소화해 시스템이 수십 년간 안정적으로 운행되도록 하는 작업도 진행 중이다. 이런 변화는 새 열차 앞부분만큼 눈에 띄지는 않지만, 시험선에서 일상 운행 노선으로 넘어갈 때 중요하다.

비용과 전력 사용, 환경

속도를 높이려면 돈과 에너지가 든다. 주오 신칸센은 일본 역사상 최대 규모의 인프라 사업 가운데 하나이며, 터널 비중이 높은 설계가 주요 비용 요인이다. 에너지 사용량도 거듭 논쟁의 대상이 되고 있다. 이 시스템을 연구한 학자들은 일반적인 운행 속도에서 자기부상열차가 현재의 도카이도 신칸센보다 훨씬 많은 전력을 쓰며, 일부 추산에서는 4~5배에 달한다고 주장한다. 그중 일부는 물리 법칙에 따른 것이다. 공기 저항은 속도의 제곱에 비례해 커지므로 시속 300km를 넘으면 주요 저항 요인이 된다. 산악 터널의 긴 구간에 설치된 궤도 코일에 전력을 공급하고 환기하는 데 필요한 전력도 영향을 미친다.

지지자들은 일본의 전력망이 청정해지는 가운데 단거리 항공편 이용객을 철도로 옮기면 배출량을 줄일 수 있다고 반박한다. 자기부상열차 노선은 혼슈 중부에 예비 수송 능력도 더한다. 이는 단순한 편의 차원의 예비 노선이 아니다. 대형 지진이나 해안 폭풍 이후에도 운행을 이어갈 수 있는 내륙의 두 번째 고속철도 노선을 계획하는 것이다. 특히 강의 유량이 걸려 있는 시즈오카현을 중심으로 환경 문제는 여전히 남아 있다. 엔지니어들은 야마나시 시험장에서 공력 소음과 전자기장, 진동을 계속 시험해 시스템의 영향을 측정하고 가능한 부분은 줄이고 있다.

강철과 자석을 앞세운 경쟁국들의 질주

일본의 차세대 열차만 경주에 나선 것은 아니다. 중국은 강철 레일을 달리는 기존 방식의 고속열차를 더 빠르게 만들고 자체 자기부상 기술도 개발하고 있다. CR450 사업의 최근 시험에서는 바퀴와 레일을 사용하는 여객 열차가 시속 약 280마일(약 450km)로 주행했다. 기존 노선의 이동 시간을 줄이고 철도 차량과 제어 시스템 분야의 국내 산업을 강화하는 것이 목표다.

시험 당시 중국철도과학연구원의 자오훙웨이는 이 사업이 얼마나 오랫동안 추진돼 왔는지 설명했다. 그는 계획이 수년 전에 시작됐고 핵심 사양이 확정된 뒤 진척됐다고 말했다.

2018년에 CR450 계획을 시작했습니다. 최고 수준의 기술 사양을 확정하는 데 3년이 걸렸고, 2021년에 사업을 공식적으로 시작했습니다.

교통 경제와 정책을 연구하는 학계 전문가들은 자기부상열차 자체에 가능성과 위험이 모두 있다고 본다. 전 세계 고속철도를 연구하는 오하이오주립대의 젠화 천 교수는 일본의 자기부상열차와 기존 고속열차의 핵심적인 차이를 짚었다.

일본의 열차는 초전도 자기부상 시스템을 기반으로 합니다.

그는 비용을 통제할 수 있는지, 그리고 초고속·고신뢰성 철도 선택지가 이동 양상을 바꿀 수 있는지가 이점의 관건이라고 본다.

훨씬 빠르고, 훨씬 신뢰할 수 있으며, 훨씬 친환경적이기 때문에 큰 변화가 일어날 것입니다.

회의론자들은 이용객이나 자금이 기대에 못 미치면 막대한 비용이 편익을 압도할 수 있다고 경고한다. 고속철도연합의 공동 창립자 릭 하니시는 여러 노선에서 기존의 바퀴식 철도가 더 실용적인 선택일 수 있다고 주장한다.

자기부상열차는 많이 거론됩니다. 하지만 실제로 따져 보면 강철 바퀴와 강철 레일을 사용하는 기존 열차가 가장 좋은 선택입니다.

경쟁은 동아시아에만 국한되지 않는다. 미국은 워싱턴과 볼티모어를 잇는 자기부상열차 노선을 검토했고, 계획 수립을 위한 연방 자금도 배정했다. 국제협력은행을 비롯한 일본 기관들은 자금 조달에 관심을 보였다. JR 도카이는 수년간 해외에서 자사 기술을 홍보하며 야마나시 시험선을 시스템의 성능을 보여주는 전시장으로 내세워 왔다.

승객이 얻게 될 변화

1단계 구간이 개통되면 여행객들은 이동 시간을 크게 줄이고 한층 높은 신뢰성을 누릴 수 있다. 도쿄~나고야 40분 이동은 일본 중부의 도시 간 이동 방식을 바꿔 놓을 것이며, 도쿄~오사카가 1시간 남짓으로 단축되면 당일치기 여행과 업무 일정에도 변화가 생길 것이다. 자기부상열차는 이미 하루 100만 명 이상이 이용하는 도카이도 신칸센의 부담도 덜어줄 수 있다. 내륙의 두 번째 고속철도 노선은 해안 폭풍과 쓰나미, 지진에 대비한 회복력을 높인다.

문화적 의미도 있다. 신칸센은 1964년 이래 일본 정체성의 일부였다. 강철 바퀴에서 자기부상으로 옮겨가는 것은 수십 년의 실험실 연구와 현장 시험을 거쳐 탄생한 새로운 기술에 대한 도약이다. 야마나시의 산비탈에서는 L0가 초당 시속 0.5km의 가속도로 질주한 뒤 산을 가로지르는 터널 속으로 사라질 때마다 그 도약이 눈앞에 펼쳐진다. 시험선은 이 시스템이 실제로 작동하고 반복 운행도 가능하다는 점을 보여준다. 이제 남은 과제는 갈 곳 없는 열차를 넘어, 승객들이 매일 이용할 수 있는 노선을 개통하는 것이다.

핵심 내용

• 일본의 초전도 자기부상열차는 승객을 태운 열차의 속도 기록인 시속 603km를 보유하고 있으며, 현재는 길이 42.8km의 야마나시 시험선에서만 운행한다.
• 계획 중인 주오 신칸센은 최고 시속 약 500km로 도쿄와 나고야를 40분 만에 연결하고, 이후 오사카까지 연장될 예정이다.
• JR 도카이는 시즈오카현 터널 공사 반대와 전반적인 건설 난관을 이유로 개통 시점을 빨라도 2035년쯤으로 미뤘다.
• 산악 지대의 긴 터널과 도심 지하의 깊은 구간 공사로 사업비는 약 11조 엔까지 늘었다.
• 열차는 전자기 현가 방식으로 떠서 달리며, 시속 약 150km를 넘으면 궤도 위 약 10cm 높이로 올라간다.
• 최근 시험 차량에는 공기역학 개선, 객실 소음 저감, 장비 피로를 조기에 감지하는 모니터링 기능이 적용됐다.
• 비판론자들은 기존 신칸센보다 높은 전력 사용량을 지적하는 반면, 지지자들은 항공 이용객이 철도로 옮겨오면 배출량을 줄일 수 있다고 말한다.
• 중국은 더 빠른 바퀴식 열차와 자기부상 기술을 모두 개발하며 역내 경쟁이 치열해지고 있음을 보여주고 있다.
• 사업이 완전한 건설 허가를 기다리는 동안 일반인 탑승과 야마나시 자기부상열차 전시관이 관심을 이어가고 있다.
• 관계자와 엔지니어들은 열차는 준비됐으며, 남은 과제는 인허가 문제를 풀고 가장 어려운 터널 구간의 공사를 마치는 것이라고 말한다.