알아두면 쓸데있는 미래 철도 상식

19세기 증기기관차의 개발 이후 인류의 가장 주요한 육상교통수단으로 자리매김한 철도교통. 철도는 지금도 짧고 먼 거리를 잇는 안전한 교통수단으로 그 역할을 다하고 있습니다. 한편, 현재의 철도교통을 대체할 수 있을 정도로 매력적인 미래 철도에 대한 연구개발도 진행 중입니다. 과연 가까운 미래에 우리는 어떤 철도교통을 이용하게 될까요? 오늘 현대로템 블로그에서는 '미래 철도'로 언급되는 주요 기술과 대표적인 사례를 살펴봅니다.

미래 철도가 갖춰야 할 요건

미래 철도로 불리는 기술에도 여러 종류가 있는데요. 먼저 어떤 요건을 갖춰야 '미래 철도'라 불릴 수 있을지 살펴보겠습니다.

 

첫째는 친환경 기술입니다. 전 지구가 기후위기에 봉착해 있는 만큼, 탄소 배출량을 줄이고자 하는 노력이 선진국을 중심으로 이루어지고 있습니다. 미래 세대를 위해 '탄소 배출 0'을 선언하고 지속 가능한 발전을 추구하는 기업들도 점점 늘어나고 있죠. 미래 철도 역시 태양광, 수소와 같은 친환경 에너지를 주원료로 사용해 유해 물질 배출량을 최소화해야 할 것입니다. 열차가 달리는 과정에서 발생하는 분진과 미세먼지 등의 발생량을 줄이는 과정도 필수적입니다. 

둘째는 속도입니다. 최근 대두된 미래 철도 기술은 비행기와 경쟁할 수 있을 정도로 빠른 속도를 자랑하는 경우가 많습니다. 열차가 빨라지려면 더욱 많은 에너지와 기술력이 요구됩니다. 속도가 2배로 늘어났을 때 공기저항력은 4배, 이 저항을 이겨내고 달리기 위해서는 8배의 에너지가 필요하죠. 초고속 미래 철도에 자기부상열차와 튜브 기술을 활용하는 것도 속도 문제와 관련이 있습니다.

셋째는 경제성입니다. 아무리 빠르고 편리한 기술이라고 해도 일반 시민들이 이용할 수 없을 정도의 높은 비용을 지불해야 한다면 상용화는 어렵습니다. 엘론 머스크의 하이퍼루프가 주목받는 이유도 이 때문인데요. 엘론 머스크는 지속적인 전기 공급을 필요로 하지 않고 태양광 발전을 활용하는 하이퍼루프의 건설 비용과 요금이 고속철도보다 현저히 낮을 것으로 예측했습니다. LA와 라스베이거스를 왕복하기 위해 기존 고속철 이용에는 약 $90을 지불해야 했지만, LA와 샌프란시스코를 오가는 하이퍼루프 요금은 약 $60로 책정될 예정입니다.

자기 반발력을 이용하는 자기부상열차

▲세계 2번째로 상용화된 현대로템 제작 인천공항 자기부상열차

그렇다면 주요 미래 철도 기술을 적용한 철도차량에는 무엇이 있을까요? 먼저 소개해 드릴 차량은 바로 자기부상열차입니다. 이미 국내에서도 세계 2번째로 상용화된 자기부상열차가 인천공항에서 용유역까지의 구간을 운행하고 있죠. 바퀴가 없고 자기력을 이용해 부상하여 달리는 자기부상열차는 1960년대부터 개발이 시작되었는데요. 바퀴와 레일의 마찰을 이용해 움직이는 기존의 열차는 속도에 제한이 있지만, 자기부상열차는 마찰 저항이 거의 없어 더 높은 속도를 낼 수 있다는 장점을 지닙니다. 또한 바퀴 없이 비접촉으로 운행되어 소음과 진동이 적고 분진이 발생하지 않아 친환경적입니다.

이러한 자기부상열차의 장점 때문에 미래 철도의 대표주자인 튜브트레인과 하이퍼루프 등 초고속 열차는 모두 자기부상 기술을 기반으로 개발되고 있습니다.

▲시속 600km로 주행할 수 있는 중국 고속 자기부상열차 프로토타입(이미지 출처: CRRC)

지난 2019년에 중국이 공개한 최대 600km/h의 고속열차 프로토타입 역시 자기부상열차입니다. 이 프로토타입 열차는 지난 6월 시험 주행에 성공하며 성능을 인정받은 바 있죠. 일본은 2015년 603km/h의 자기부상열차를 공개하며 세계 최고 속도를 기록하기도 했습니다.

자기부상열차는 전용 선로를 필요로 한다는 점에서 초기 비용 문제와 수송 능력이 낮다는 단점도 지적됩니다. 하지만 기존 철도의 속도 한계를 극복할 수 있는 자기부상열차는 '시간이 곧 돈'인 사회에서 대표적인 미래 철도 기술로 꼽힙니다.

튜브트레인과 하이퍼루프

국내에서 최고속도 430km/h의 HEMU-430X 개발에 성공하며 400km대 고속열차의 시대가 열렸습니다. 하지만 초고속열차 개발은 시작일 뿐, '서울에서 부산까지 16분'으로 대표되는 초고속 튜브트레인 기술이 국내에서 연구되고 있습니다.

▲진공관을 빠르게 달리는 튜브트레인

한국철도기술연구원은 2009년부터 진공에 가까운 튜브 터널에서 초고속 상태로 달리는 자기부상열차, 튜브트레인 HTX(하이퍼튜브 익스프레스)를 개발 중입니다. 이 튜브트레인이 움직이는 방식은 진공 상태의 튜브에서 캡슐이 초고속으로 날아가는 ‘전자기-에어 하이브리드 부상’으로 알려져 있습니다. 

진공에 가까운 튜브 속에서는 공기에 의한 마찰이 없어 에너지 손실이 적고 속력을 높이기가 쉬워집니다. 물리적 마찰이 없기 때문에 최대 속력 1000km/h 이상의 초고속열차가 가능해지는 것이죠. 이를 실현하기 위해 HTX는 경량 고강도 신소재로 제작되며, 선형 유도 전동 모터(Linear Induction Motor)가 장착될 예정입니다. 

▲엘론 머스크가 2013년 공개하며 큰 이슈가 되었던 하이퍼루프 개념도(출처: 테슬라)

한편, 미국 전기차 회사인 테슬라의 CEO이자 우주 탐사기업 스페이스X의 설립자인 엘론 머스크가 2013년 공개한 하이퍼루프 역시 튜브트레인의 일종입니다. 하이퍼루프는 낮은 기압의 밀폐형 튜브에 열차를 쏘아 보내는 개념으로 음속보다 빠른 속도로 달리는 초고속열차를 지칭하는 용어이며, 이 역시 선형 유도 전동 모터로 가속하며 태양광 발전을 활용하는 것이 특징입니다. 

▲ 버진 하이퍼루프 원이 진행 중인 ‘DP월드 카고스피드’ 소개 영상(출처: DP월드 유튜브)

하이퍼루프 개념을 활용한 실제 개발도 진행되고 있습니다. 영국의 ‘버진 하이퍼루프 원’은 영국의 버진그룹과 아랍에미리트 국영 항만 운영사인 DP월드가 추진하고 있는 하이퍼루프 프로젝트로, 2016년 미국의 네바다 사막에서 주행 시험을 성공리에 진행하며 하이퍼루프의 상용화를 추진 중입니다. 버진 하이퍼루프 원 프로젝트를 통해 2025년까지 두바이에 ‘DP월드 카고스피드’라는 이름의 화물운송용 하이퍼루프를 구축할 계획인데요. 이 프로젝트를 통해 시속 1000km로 화물을 운송하는 세계 최초의 화물 운송용 하이퍼루프가 탄생하게 될 전망입니다. 

ONLY 물만 배출하는 친환경 수소전기열차

한편, 환경친화적이고 경제적인 미래 교통수단으로 꼽히는 수소전기열차의 개발 역시 빠르게 진행되고 있습니다. 수소전기열차는 수소를 연료로 전기를 발생시켜 동력을 얻는 열차로, 물을 제외한 오염물질을 배출하지 않아 대표적인 친환경 차세대 교통수단으로 꼽힙니다.

▲현대로템이 현대자동차와 협업해 개발 중인 수소전기트램

국내에서는 현대로템이 현대자동차와의 협업을 통해 수소전기열차를 개발하고 있습니다. 수소자동차 개발로 다져진 현대자동차의 수소연료전지 기술과 현대로템의 철도차량 제작 기술의 시너지를 통해, 1번 충전으로 200km까지 주행 가능한 수소전기트램을 출시할 계획입니다. 또, 현대로템은 8월 울산시와 수소전기트램 실증사업 MOU를 체결하며 수소전기트램의 국내 첫 도입을 예고했는데요. 이는 기존 철도인 태화강역에서 울산항역까지 총 4.6km 구간에 수소전기트램과 수소충전소 등을 적용 가능할지 검토하는 사업입니다. 

현대로템의 수소전기트램은 1시간 운행으로 성인 107.4명이 1시간 호흡할 수 있는 청정 공기를 생산 가능해 ‘달리는 공기청정기’로 불립니다. 수소 하이브리드 시스템과 배터리 등의 수소전기 관련 기술은 이후 현대로템의 수소전기전동차, 수소전기기관차 등의 차량 개발로 이어질 예정입니다. 현대로템의 수소전기트램이 쏘아 올린 작은 공이 미래 친환경 철도 기술에 어떤 영향을 미치게 될지 기대됩니다. 

이번 알쓸신철에서는 알아두면 유익한 미래 철도 기술에 대해 소개해 드렸습니다. 이 기술들은 모두 현재 진행형으로 개발 중이며, 가까운 미래에 교통의 패러다임을 변화시킬 것으로 예상됩니다. 빠른 속도 또는 친환경성, 경제성으로 지속가능한 미래 철도교통에 기여할 기술들에 많은 관심 부탁드립니다.

 

참고자료

▲한국철도기술연구원

▲Virgin Hyperloop One

▲ZDNET

▲공학저널