시간과 중력을 바꾸는 기계
항저우 저장대 캠퍼스 지하 깊숙한 곳에서 엔지니어들이 실험물리학의 한계를 새롭게 정의하는 설비를 완성했다. 일상의 진동을 차단하기 위해 지하 15m에 설치된 CHIEF1900 원심기는 지금까지 건설된 초중력 장치 가운데 가장 강력하다. 용량은 1,900 g·톤으로, 최대 1톤의 시료에 지구 자연 중력의 1,900배에 달하는 힘을 가할 수 있다. 이 성과를 이해하려면 일반 가정용 세탁기가 가장 강한 탈수 과정에서 발생시키는 힘이 2 g·톤을 넘지 않는다는 점을 떠올리면 된다. CHIEF1900은 그 강도의 거의 1,000배에 달하는 힘으로 작동해 물리적 과정이 크게 빨라지면서도 통제와 관찰이 가능한 환경을 만든다.
2025년 12월 말 완공된 이 지하 장치는 불과 몇 달 전 자매 장치인 CHIEF1300이 세운 1,300 g·톤의 종전 세계 기록을 경신했다. CHIEF1300의 성과는 이미 오랜 기간 기록을 보유해 온 미국 육군 공병대 미시시피주 빅스버그 시설의 용량인 약 1,200 g·톤을 넘어선 바 있다. 잇따른 돌파구는 세계 연구 인프라에 큰 변화가 일어나고 있음을 보여준다. 이제 중국은 지구상에서 가장 강력한 초중력 시설 두 곳을 운영하고 있다.
CHIEF1900의 핵심 기능은 공간과 시간을 압축하는 것이다. 극한의 원심력을 만들어 수십 년에서 수백 년, 심지어 수천 년에 걸친 지질학적·구조적 과정을 실험실에서 다룰 수 있는 시간 안에 재현한다. 100 g의 원심력으로 회전하는 3m 규모의 댐 모형은 실제 300m 높이의 댐과 같은 구조적 응력을 받는다. 이에 따라 과학자들은 수십 년이 아니라 몇 시간 만에 균열 발생과 기초 침하를 관찰할 수 있다. 이 기술은 엔지니어들이 인프라 안전, 환경 위험 평가, 재료 과학에 접근하는 방식을 바꾼다.
캠퍼스 지하의 공학적 걸작
CHIEF1900은 중공업과 원자력 시스템 분야의 전문성을 갖춘 상하이전기 원자력그룹이 건설했다. 2025년 12월 22일 저장대에 인도된 이 장치는 2021년 승인된 20억 위안, 약 2억8,500만 달러 규모 사업의 결실이다. 이번 투자로 설립된 원심 초중력 및 학제간 실험시설은 CHIEF라는 약칭으로 불리며, 극한의 중력 조건에서 실제 지진을 모사할 수 있는 세계 4대 대형 동적 원심기 시설 중 하나로 자리매김했다.
시설을 지하 15m에 설치한 것은 미관상의 선택이 아니라 중요한 과학적 목적 때문이다. 1,900 g·톤을 내는 데 필요한 회전 속도에서는 교통, 공사, 자연 지진 활동으로 생기는 미세한 진동조차 실험 데이터를 왜곡할 수 있다. 지하 입지는 극한의 힘이 작용할 때 발생하는 미세한 변형을 측정하는 데 필요한 안정성을 제공해, 측정값이 외부 간섭이 아니라 시험 대상 재료의 거동을 반영하도록 한다. 이런 안정성은 지진 때의 지반 액상화나 콘크리트 구조물이 파손되기 전에 발생하는 미세 균열 같은 현상을 연구할 때 필수적이다.
2025년 9월 가동을 시작한 전작과 달리 CHIEF1900은 과학자들이 모사할 수 있는 범위를 넓힌다. CHIEF1300은 상당한 수심의 해저 압력을 재현하고 해저에 미치는 20m 쓰나미의 영향을 모사하는 역량을 입증했다. 새 장치는 용량을 46% 늘렸다. 이에 따라 더 큰 규모의 모형을 다루고, 더 가혹한 하중을 가하며, 민감한 측정에서 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다. 시설에는 여러 원심기와 함께 사면 안정성부터 심해 공학까지 각기 다른 연구 분야에 맞게 설계된 시험실 6곳이 들어서 있다.
극한 회전의 과학
초중력 연구는 아인슈타인의 일반상대성이론에 뿌리를 둔 물리학의 기본 원리, 즉 중력 가속도와 관성 가속도의 등가성에 기반한다. CHIEF1900의 거대한 회전 팔이 고속으로 돌면 회전자에 부착된 시료는 매우 강한 중력을 모사하는 바깥쪽 힘을 받는다. 이 역량은 시험 시료의 질량과 중력 가속도 배수를 결합한 단위인 g·톤으로 측정한다. 원심기 안의 물체는 강한 중력장 안에 있는 것과 회전을 통해 가속되는 것을 구별하지 못한다. 따라서 연구자들은 지구 표면에서는 자연적으로 찾아볼 수 없는 조건을 재현할 수 있다.
이 기술은 대규모 토목 공학과 환경 연구에 대한 접근 방식을 바꾼다. 축소 모형을 원심기에 넣고 높은 g값으로 회전시키면 과학자들은 대형 인프라가 수십 년간 사용되면서 겪을 구조적 응력을 재현할 수 있다. 확립된 상사 법칙에 따라 초중력 환경은 공간과 시간을 모두 압축해, 지질학적 과정이 느리게 진행되는 탓에 기존에는 관찰하기 어려웠던 현상을 연구할 수 있게 한다.
이러한 시간 압축은 환경 오염 연구에도 적용된다. 연구자들은 오염 물질이 수천 년에 걸친 지질학적 시간 동안 토양층을 통과해 이동하는 과정을 추적할 수 있다. 며칠 만에 화학 물질의 확산대가 대수층을 지나 수십 년 뒤 식수원을 위협할 수 있는 경로를 관찰할 수 있다는 뜻이다. 시설에서는 고속철도 선로가 수백만 회의 하중을 받은 뒤 주변 지반과 어떻게 상호작용하는지도 살펴볼 수 있다. 이는 승객의 승차감과 장기 유지보수 일정에 영향을 주는 진동과 침하 문제를 다루는 데 도움이 된다. 이런 실험은 기존의 현장 관찰로는 수집할 수 없는 실증 데이터를 제공해, 컴퓨터 모델만으로는 검증하기 어려운 장기 위험을 파악하게 해준다.
재난을 모사해 예방하다
CHIEF 시설에는 사면·댐 공학, 지진 지반공학, 심해 공학, 심부 지구 환경 연구, 지질 과정, 재료 처리 등 각기 다른 연구 분야에 맞춘 시험실 6곳이 있다. 각 시험실에서 과학자들은 실제 관찰로는 위험하거나 연구가 불가능한 재난 시나리오를 모사할 수 있다. 엔지니어들은 대형 지진에 댐이 어떻게 반응하는지, 집중호우 때 가파른 사면이 어떻게 무너지는지, 지하 구조물이 지진파에 어떻게 반응하는지 평가할 수 있다. 이러한 역량은 잠재적 재난을 통제된 실험으로 바꾸고, 기존에는 얻기 어려웠던 파괴 메커니즘과 안전 여유도 데이터를 제공한다.
토목 엔지니어들은 원심기에서 건설 전 인프라의 회복력을 통제된 환경에서 시험할 수 있다. 터널, 산악 고속도로, 해안 방어시설 모형에 수십 년간의 사용 조건과 극한 기상 현상 또는 지진 활동을 결합한 스트레스 테스트를 실시한다. 시설에서는 천연가스 하이드레이트가 심해 압력 아래에서 어떻게 거동하는지, 지하 공동이 수천 년 동안 핵폐기물 저장시설로 기능할 수 있는지도 살펴볼 수 있다. 이러한 응용은 실패할 경우 인명과 환경에 막대한 피해를 초래할 수 있는 핵심 인프라 문제를 다룬다.
환경 분야의 활용도 그에 못지않게 중요하다. 초중력 조건에서는 유체와 고체의 분리가 빨라져, 매립된 오염 물질이 서로 다른 토양에서 어떻게 확산되는지, 오염 정화 전략이 수백 년 동안 어떤 효과를 낼지 연구할 수 있다. 이를 통해 이론적 모델에만 의존하지 않고 오염 확산대의 이동에 관한 실증 데이터를 바탕으로 규제 결정과 정화 전략을 마련할 수 있다. 에너지 연구에서는 메탄 하이드레이트 채굴 방식과 지질학적 탄소 저장 부지의 안정성을 평가할 수 있다. 이는 에너지 전환과 기후변화 완화에 중요한 기술을 다루는 데 도움이 된다.
공학적 난제 극복
1,900 g·톤을 발생시키는 속도로 수 톤 규모의 시료를 회전시킬 수 있는 장치를 만드는 일은 여러 분야에 걸친 맞춤형 해결책이 필요한 중대한 기술적 도전이었다. 이 사업에는 토목 공학, 자동화, 열역학, 환경과학 분야의 전문성이 요구됐으며, 저장대는 초고속 회전 시스템의 특수한 요구를 해결하기 위해 전문팀을 꾸렸다. 통상적인 공학 접근법만으로는 이 규모의 요구를 충족하기 어려웠고, 고속 운동과 복잡한 작동 조건을 견딜 수 있는 새로운 부품 설계가 필요했다.
가장 큰 과제는 열 관리였다. 최대 작동 속도에서는 마찰과 공기 저항으로 상당한 열이 발생해 시스템을 불안정하게 만들거나 시료의 특성을 바꿀 수 있다. 엔지니어들은 액체 냉각재 순환과 강제 공기 환기를 결합한 정교한 진공 기반 온도 제어 시스템을 개발했다. 여기에는 이러한 용도로 사용된 것 가운데 가장 큰 플랜지 직경과 특수 빙결 냉매가 적용돼 고속 회전 중에도 작동 온도를 안정적으로 유지한다. 이 정도의 냉각 성능이 없으면 발생한 열이 원심기의 기계적 안정성과 실험 결과의 신뢰성을 모두 훼손할 수 있다.
진동 제어에도 마찬가지로 혁신적인 해결책이 필요했다. 지하 설치 외에도 원심기 설계에는 정밀한 균형 조정 장치가 적용돼 시료의 미세한 비대칭이 파괴적인 진동을 일으키지 않도록 한다. 이러한 시스템은 실험의 신뢰성과 시설의 물리적 안전을 모두 지킨다. 이처럼 빠른 회전 속도에서는 불균형이 치명적인 기계 고장으로 이어질 수 있기 때문이다. 여러 분야의 전문가가 참여한 협업은 시설의 성공적인 개발과 가동에 핵심적이었으며, 대규모 정밀 공학의 실질적인 성과를 보여준다.
국제 협력과 과학적 포부
CHIEF 사업의 수석 과학자이자 저장대 교수인 천윈민은 시설의 과학적 범위에 대한 야심 찬 비전을 제시했다. 그는 언론 인터뷰에서 연구팀의 목표를 폭넓게 설명했다.
우리는 정상 또는 극한의 온도와 압력 조건에서 밀리초부터 수만 년까지, 원자 규모부터 킬로미터 규모까지 아우르는 실험 환경을 조성하고자 합니다. 이를 통해 완전히 새로운 현상이나 이론을 발견할 기회를 얻을 수 있습니다.
시설은 국내외 대학과 연구기관, 산업계 연구자들이 실험을 수행할 수 있도록 개방형 공동 이용 방식으로 운영된다. 이러한 협력 방식은 CHIEF 단지를 대형 망원경이나 입자 가속기가 국제 물리학계에 기여하는 것처럼 초중력 연구의 세계적 거점으로 자리매김시킨다. 중국 연구팀은 국제 협력을 적극적으로 장려해 왔다. 초중력 연구가 세계 엔지니어링계의 인프라 시험과 위험 관리 방식을 바꿀 수 있다는 기대에서다.
그러나 공학적 완성에서 과학적 검증으로 넘어가는 과정은 아직 진행 중이다. 장치는 설치돼 가동 중인 것으로 알려졌지만, CHIEF1900을 활용한 동료 심사 실험 결과는 아직 발표되지 않았다. 과학계는 장치가 이론적으로 가능한 성능을 실제로 구현한다는 실증 데이터를 기다리고 있다. 뛰어난 기계를 만드는 것과 연구 발표를 통해 그 약속한 성능을 모두 입증하는 일은 다르다. 현재로서는 공학적 성취가 분명하지만, 전체적인 과학적 영향은 향후 실험이 실제 응용과 축소 모형 예측의 정확성에 대해 무엇을 밝혀낼지에 달려 있다.
핵심 내용
- 저장대의 CHIEF1900 원심기는 1,900 g·톤의 힘을 발생시킨다. 2025년 앞서 자매 장치가 세운 1,300 g·톤 기록을 넘어선 세계 최강의 초중력 연구 장치다
- 상하이전기 원자력그룹이 건설했으며 진동을 줄이기 위해 지하 15m에 매설됐다. 2021년 승인 후 완공까지 5년이 걸렸고, 사업비는 약 2억8,500만 달러다
- 최대 1톤 시료에 지구 자연 중력의 1,900배에 달하는 힘을 가할 수 있다. 일반 가정용 세탁기의 힘은 약 2 g·톤이다
- 댐 붕괴, 지진 피해, 산사태, 수천 년에 걸친 토양 내 오염 물질 이동, 핵폐기물 저장 거동, 고속철도 선로 공진 등을 모사하는 데 활용된다
- 사면 공학, 지진 지반공학, 심해 공학, 심부 지구 환경 연구 등을 다루는 특수 시험실 6곳을 갖췄다
- 특수 냉각재를 사용하는 진공 기반 냉각 시스템과 이 같은 용도로 제작된 것 가운데 가장 큰 플랜지가 고속 회전 중 발생하는 극심한 열을 관리한다
- 세계 각국의 대학, 연구기관, 산업계 연구자에게 시설을 개방해 대형 입자 가속기나 망원경과 유사한 공동 연구 플랫폼으로 운영한다
- 건설은 완료됐고 장치도 가동 중이지만, CHIEF1900의 동료 심사 과학 연구 결과는 아직 발표되지 않았다. 전체 성능에 대한 검증은 향후 실험을 통해 이뤄질 예정이다
