| 양자 엔진의 피스톤 작동 원리[1] |
1. 개요
한국어: 양자 엔진영어: Quantum Engine
원자의 상태 변화에 따른 고•저압의 차이를 생성하여 피스톤을 구동하며, 별도의 연료가 필요 없는 차세대 엔진으로서 자동차용 엔진, 양자 컴퓨터의 냉각기, 전력원의 용도로 사용하기 위해 연구 중에 있다.
2. 원리
양자 엔진의 구동 방식을 쉽게 이해하기 위해서는 내연기관의 작동 방식을 간단히 살펴볼 필요가 있다. 엔진은 내부에 있는 피스톤을 움직여서 출력을 만든다. 엔진에 연료와 산소를 넣고 폭발시키면 일시적으로 강한 압력이 발생하게 되는데, 이 강한 압력에 의해서 엔진 내부의 피스톤은 빠르게 반대쪽으로 밀려나게 된다. 그리고 압력이 떨어지게 되면 피스톤은 다시 원래의 자리로 돌아가는 형식이다. 엔진은 이러한 과정을 빠르게 반복하면서 출력을 만들 수 있게 되며 고압과 저압 상태를 반복할 수만 있다면 무엇이든 엔진이 될 수 있다.양자 엔진은 이러한 내연기관의 구조에서 압력의 차이를 만드는데 필요한 연료와 산소를 원자로 바꾼 것으로 원자의 상태 변화를 이용해서 에너지의 차이를 만들어 내는 것이다. 일반적으로 원자들은 입자의 구성 상태에 따라서 보손과 페르미온으로 크게 나눌 수가 있는데, 예시로 헬륨-3과 리튬-6 등의 원자들은 페르미온으로 헬륨-4와 탄소-12 등은 보손으로 분류된다. 이러한 분류의 기준은 원자를 구성하고 있는 양성자와 중성자, 전자들을 모두 합한 수로 결정되며 만약에 모든 구성 요소를 합한 수가 홀수라면 페르미온이 되고, 짝수라면 보손으로 분류된다.
원자들은 이러한 홀수, 짝수의 차이에 따라서 원자의 안정성 등 다양한 차이가 발생될 수 있는데, 예를 들어, 매우 낮은 온도일 경우 보손 원자들은 서로 뭉쳐져 서 마치 하나의 원자처럼 움직이게 된다. 이는 서로 밀착돼서 마치 붙어있는 것처럼 보이는 것이 아니라, 진짜 하나의 원자처럼 변하게 되는 것이다. 하지만 페르미온 원자의 경우는 이와 반대로 에너지의 양에 따라서 하나씩 쌓이게 되는 모습을 볼 수 있다. 이러한 차이는 극저온 상태에서 보손과 페르미온 간의 매우 큰 에너지의 차이를 만들게 되는데, 페르미온 원자들은 서로 쌓이게 되면서 에너지도 같이 쌓이게 되지만, 보손 원자들은 서로 뭉쳐지면서 에너지가 상쇄되게 된다. 결국 보손 원자들의 경우 에너지가 매우 낮아지게 되고 페르미온 원자들은 훨씬 더 큰 에너지를 갖게 되는 것이다. 그리고 이 두 상태를 빠르게 변화시킬 수 있다면 엔진처럼 압력의 차이를 만들어 낼 수도 있다는 것이다.
| 양자 엔진의 4행정 주기 |
이러한 양자 엔진을 만들기 위해 연구진들은 먼저 리튬-6을 준비해서 극저온으로 냉각시켰다. 상기된 내용처럼 리튬-6은 페르미온 원자로, 양성자 3개, 중성자 3개, 전자 3개의 총 9개 입자로 구성되어 있다. 이후 극저온으로 냉각된 리튬-6에다가 다른 리튬-6을 하나 더 가져와서 결합시켰는데, 두 개의 리튬-6의 결합은 기존 9개의 구성 요소가 18개로 늘어나게 되는 결과로 이어지게 된다. 즉, 구성 요소의 개수가 홀수에서 짝수로 변화되어 입자의 특성도 헤르미온에서 보손으로 변하게 된 것이다. 그리고 결합된 리튬-6을 다시 분리시키면 구성 요소의 개수가 9개가 되면서 다시 페르미온으로 돌아가게 되는 것이다. 연구진들은 자기장을 이용해서 이러한 과정을 빠르게 반복적으로 수행해 봤는데, 그 결과 기존의 연료를 이용한 내연기관 엔진의 출력 대비 약 25%의 출력을 만들어 내는데 성공할 수 있었다. 이는 어떠한 연료도 없이, 오직 양자의 상태 변화만을 이용해 실제 출력을 만들어 낸 것이다.