자기부상열차
1. 개요
磁氣浮上列車 / Maglev[2]
자기부상열차란 궤도와 열차 사이를 전자기력에 의한 반발력으로 띄우고 추진력을 이용하는 방식의 차량을 말한다.
2. 장점
이름에서도 알 수 있듯, 지면에서 떠올라있는 상태기 때문에 구름저항/마찰저항이 극히 적어진다. 따라서 공기저항이 크지 않은 중저속역의 운전에 있어서 큰 이점을 가진다. 또한, 지면과의 마찰이 없다는 이야기는 승차감 및 소음과도 직결된다. 기존 도로 및 철도 시스템에서는 노면/노반의 보수 상태에 따라 승차감이 확연히 차이가 나고, 속도가 증가할수록 마찰에 의한 소음이 크게 발생된다. 그러나 자기부상철도는 부양력을 이용하는 것이니만큼, 기존의 교통수단 대비 승차감 및 소음의 우위성을 갖는다. 이외에 저항이 적어지면서 갖는 가장 큰 이점으로는 궤도 및 차륜 보수의 필요성이 크게 줄어든다는 점이 있다.
또 다른 특징으로는, 열차를 부상하기 위해 전자기력을 내도록 노반/궤도 설비를 갖추고 있기 때문에, 기존 전동기보다 효율이 훨씬 높은 선형 전동기를 사용할 수 있다는 점이 있다. 덕분에 위 장점들과 합쳐져 기존 철차륜 고속철도에서 차륜과 철로의 답면 마찰 문제로 어려움을 겪는 초고속도 운용을 돌파하려는 연구들이 많이 이루어지고 있다. 트랜스래피드 시스템 기반으로 최초 상업운전을 시작한 상하이 자기부상열차[3]을 필두로, 일본의 야마나시 시험선-츄오 신칸센[4] 등 기본적으로 시속 400km 이상의 초고속 운전이 가능한 지상 교통 시스템은 현재로썬 자기부상열차밖에 없다.
3. 단점
하지만 위와 같은 장점을 갖고 있음에도, 자기부상열차가 널리 도입되지 못하고 있는 것은 여러 문제점이 발목을 잡고 있기 때문이다.
먼저 전용 궤도의 부설 필요성이 가장 큰 문제점으로 언급된다. 상전도식 LIM 방식이더라도 추가되는 노반/궤도 설비는 꽤 많이 들어가며, 기존 철차륜식 철도에 비해서 보수성으로는 유리해도 초기 투자비용이 늘어난다는 점[5]이 지적된다. 또한 보수 주기가 길다는 이점은 있으나, 시스템의 표준화가 덜 되어있다는 특성상 보수 소요가 발생할 경우 공급 확보 등이 문제가 될 소지가 있어, 마냥 보수성이 좋다고만 평가하기도 어렵다.
자기부상열차는 부양력을 얻기 위해 차량을 가볍게 만들 수 밖에 없다. 이렇게 되면 효율성이 올라갈 것 같지만, 실제로는 중량의 감소로 인한 공기저항이 훨씬 커진다. 특히 속도의 제곱에 비례해 커지므로 마찰저항과 구름저항을 줄인 것보다 영향을 크게 받는데, 초고속 운전을 목표로 하는 시스템들에서는 공기저항을 줄이기 위해 기존 철차륜식 차량들보다도 차량의 공간손해를 크게 볼 수 밖에 없다. 비록 전기 에너지를 쓴다고 하나 소모 에너지의 증가로 유지 비용 자체가 크게 증가한다는 점은 부담으로 다가올 수 밖에 없다. 많은 자기부상열차의 연구가 초고속 운전보다 도시철도에 맞는 중저속역(100km/h 내외)[6]에 초점이 맞춰지는 것도 이러한 문제점이 매우 크기 때문이다. 괜히 진공 유지의 위험성 및 비효율성을 감안하고도 하이퍼루프/튜브트레인 같은 극단적인 공력감소 설계를 고려하는 것이 아니다.
상전도식의 경우 저속역에서는 부양 유지가 사실상 불가능하다는 점이 있어, 비행기가 활주로에서 랜딩기어를 사용하듯 저속역에서 안내/지지궤도와 마찰차륜을 활용하는 방법을 고안했지만, 이렇게 되면 위 장점에서 말하는 구름저항/마찰저항의 이점이 크게 사라지게 된다[7].
이러한 점으로 자기부상열차는 항공기나 자동차 교통 등에 비해서는 에너지 효율이 높지만, 재래식 철차륜 철도에 비해서는 낮은 편으로 평가된다. 심지어 일본이 시도하는 초전도식 시스템의 경우, 궤도의 초전도성을 유지하기 위해 액체헬륨 등을 투입해야 하는 등 궤도의 보수부담과 유지비용마저 크게 늘어난다는 문제점이 있어, 비용적으로 훨씬 부담이 크다.
고중량 수송에도 부적합하다는 점 역시 다른 문제점으로 지적된다. 애초에 부양력에 맞춰 차까지 가볍게 만들어야 할 정도로 중량에 민감한 시스템이므로 화물 수송은 처음부터 불가능하다. 현행 철차륜 고속철도 역시 여객용으로만 사용된다는 지적도 있는 만큼 어디까지나 제한적이라지만, 고밀도 여객 수송[8]에 있어서 불리점이 있다는 것은 성수기 운용에 있어 제한요소가 될 수밖에 없다.
4. 현실
흔히 미래의 탈것 어쩌고 하는 오버 테크놀러지스러운 이미지로 종종 등장하지만, 그 컨셉 자체는 의외로 20세기 초에 처음 등장했다. 하지만 당시에는 말 그대로 컨셉이었고 실제 개발에 나선 건 1969년의 독일이 최초. 아직까지 상용화 자기부상노선을 운영 중인 나라는 중국, 일본과 한국 등 자기부상열차에 관심을 갖고 있는 국가들은 많지만 그중에서 고속형 자기부상열차를 개발할 능력이 있는 국가는 일본과 독일, 한국밖에 없다. 20세기 초 자기부상열차의 기초를 닦는 아이디어를 낸 사람들은 독일인이었고, 국가적 차원에서도 1969년부터 오늘날의 Transrapid로 이어지는 연구개발을 하고 있다. 한편 일본의 경우, 이미 1962년부터 관련 연구를 시작하여, 거의 50년에 가까운 기간의 안목을 갖고 고속 자기부상열차 개발을 진행하여, 현재에 들어서는 독일보다 한 수 위의 자기부상 열차 관련 기술을 갖게 되었으며 이미 자기부상 신칸센의 최종 완성품의 개발 및 검증이 완료되어 2015년에 리니어 츄오 신칸센 가운데 도쿄~나고야 구간의 선로 부설을 시작했다. 자세한 건 신칸센 L0계 리니어 모터카 항목 참조.
현재의 기술력이면 어느 정도 열차를 운행할 수 있고 이미 1980년대부터 상업운전을 하는 노선들이 만들어졌다. 한국은 1989년에 연구가 시작되어 1991년에는 시제차가, 1993년에는 1993 대전 엑스포에서 일반인이 승차하는 시범운행까지 했다. 자기부상'열차' 기술임에도 불구하고 특이하게 한국철도기술연구원이 아닌 한국기계연구원에서 개발했는데, 이는 당연한 것이 철도기술연구원 자체가 1996년에 발족한 기관이기 때문(...).[9] 현재 엑스포과학공원과 국립중앙과학관을 운행하는 차량은 현대로템에서 제작했다. 국내의 자기부상열차 기술은 최고속도가 110km/h 정도인 경전철 종류의 도시형 자기부상열차는 인천공항 자기부상철도로 상용화되었으며 최고 시속 550km의 초고속 자기부상열차 개발도 진행 중이다. 2014년 한국기계연구원에서는 초고속 자기부상열차 시험 차량 SUMA 550(개발명)을 제작하고 충북 오송에 간이 시험노선을 구축하여 시험 운행을 하였다. 상전도 흡입식 차량으로 추후 25km 장거리 시험선로를 건설 및 테스트 할 계획이다.
중국과 일본이 공동으로 자기부상열차 개발 중이라고 한다.# 일본은 2027년에 리니어 츄오 신칸센 상용운행을 시작할 예정이다.
중국은 베이징-상하이 간 자기부상열차 노선을 개발 중이다.# 상하이∼항저우, 광저우∼선전 구간의 자기부상 노선 계획이 공개되었다.#
4.1. 노선
개통일순
- (1984년 ~ 1995년): 세계 최초로 상업운전을 실시한 자기부상열차. 버밍엄 국제공항의 철도 액세스를 위해 건설되었지만, 시설 노후화로 철거되고 피플무버가 설치되었다.
- (1989년 ~ 1991년): 두 번째로 상업운전을 실시한 자기부상열차. 분단으로 고자가 된 베를린 U반의 수송대체로 설치되었으나 통일 이후 철거되었다.
- : 1993 대전 엑스포 당시에 잠시 일반에 공개한 후 한동안 운행이 중지되었다가 2008년부터 다시 운행 중[10]이었다. 원래는 1993년 노선 그대로 과학관에서 엑스포 과학공원을 왕복하는 노선이었고 2015년 11월부터 노선단축과 리모델링 작업을 하고 2016년 1월 12일에 재개통했는데 궁극의 창렬을 보여준다. 2018년 기준 기초과학연구원 공사 때문에 운행중단이지만 앞으로 재개통될지는 미지수. 2020년 12월 31일 영업을 종료하였다가 급기야 철거 추진중.
- 상하이 자기부상 시범운영선 (2004년): 2015년까지만 해도 유일하게 운영되던 고속 자기부상열차. 하지만 시민들의 반발과 경제성 문제로 시범운영선으로만 운영 중. 독일에서 수입했다. 자세한 내용은 문서 참고.
- 리니모 (2005년 ~ ): 아이치 엑스포 행사장 연계교통편으로 건설한 후 도시철도로 전환되었다. 설계최고속력 100km/h의 도시형 자기부상열차.
- 인천공항 자기부상철도 (2016년 ~ ): 인천공항1터미널역과 용유역 사이를 잇는 도시형 자기부상열차이다. 설계최고속력 110km/h, 영업최고속력 80km.
- 창사 자기부상 고속선 (2016년 ~ ): 중국에서 2번째로 개통된 자기부상열차.
- 베이징 지하철 S1선 (2017년 ~ ): 중국에서 세번째로 운영중인 자기부상열차. 상하이와는 달리 이쪽은 자체기술이다.
- : 대전광역시의 두 번째 도시철도로 대한민국의 두 번째 도시형 자기부상열차로 될 뻔했으나... 권선택 시장의 독단으로 노면전차로 계획 중에 있다. 이미 자기부상열차로 예타까지 마친 걸 엎으면서까지(...).
- 리니어 츄오 신칸센 (2027년): 일본의 도카이도 신칸센을 보완할 자기부상 신칸센 노선이다.
5. 종류
- 궤도 방식
- 초전도식(반발식, 전기역학적[11]): 초전도 자석을 이용해 열차를 지면으로부터 띄우는 방식이다. 대략 10cm 정도 위로 뜨며, 제어하기도 쉽고 고속화에도 유리하지만 대량수송에는 불리하고 결정적으로 선로를 초전도 상태로 유지해야 한다는 문제가 다른 장점을 무의미하게 만든다. 초전도 상태를 유지하려면 극저온 상태를 유지해야 하는데, 때문에 액체헬륨을 계속 들이부어야 해서 유지 비용이 많이 드는 것이 최대 단점이다. 일본에서 연구되는 방식으로, 상용화 계획은 JR 도카이가 자비를 들여 만드는 츄오 신칸센이 유일하다.
- 상전도식(흡인식, 전자기력적[12]): 초전도가 필요없기 때문에 초전도반발식과는 반대로 일반 전자석을 사용하며 ㄴㄱ형태로 엇갈리게 배치하고, 열차를 잡아당겨 살짝 띄우는 형태다. 초전도식에 비해서 유지비용을 낮출 수 있는 것이 장점이나, 저속역에선 지상지지가 필요하므로 지지궤도/안내궤도 등을 추가로 부설해야 한다. 또한 자기저항으로 부양력의 한계가 있어 10~20mm 정도 뜨는 것이 한계며, 이 때문에 고속제어에 불리한 점을 많이 갖는다. 독일에서 개발된 트랜스래피드 시스템이 예외적으로, 430km/h까지도 상전도식으로 운전 가능하며 상업영업 사례(상하이 자기부상 시범운영선)까지 갖추고 있다. 이외에는 도시철도에 맞는 중저속도 운전이 대부분으로, 대한민국에서도 국립중앙과학관과 인천공항 자기부상철도 등에 설치되어 있다. 국제적으로도 일본에서 현재 영업운전 중인 자기부상열차인 리니모 등이 이 방식을 사용한다.
- 인덕트랙식: 하이퍼루프 연구에서 등장한 방식으로, 영구자석을 할바흐 배열(Halbach array)로 배치해 부양력을 확보하는 방식이다. 초전도식 및 상전도식은 전자기력을 활용하는 능동적(active) 시스템인 반면, 인덕트랙은 영구자석을 활용하는 수동적(passive) 시스템으로 이론적으로는 부양력에 드는 에너지가 거의 없게 된다. 다만 이는 어디까지나 이론적으로, 연구가 충분히 진행되어 데이터가 쌓인 기존 시스템과 달리 인덕트랙은 이제 연구가 진행되고 있어서 확실하지조차 않은 방식이라는 점이 지적된다.
- 동력 방식(선형전동기의 고정자의 위치에 따라)
- 지상식(동기전동기, LSM[13]): 지상에 고정자, 차상에 회전자가 들어가는 구조다. 트랜스래피드나 츄오 신칸센 등 초고속 운전에서 사용하는 방식이다. 궤도의 전자석 코일 설비에 자속 동기화 제어가 필요하며, 요구되는 기술력 및 유지 부담이 큰 편이나, 추진력 및 효율성면에서는 큰 장점을 갖는다.
- 차상식(유도전동기, LIM[14]): 차상에 고정자가 들어가는 구조다. 지상에는 회전자격인 리액션 플레이트만 갖추면 되기 때문에 설비가 간단해지는 장점 뿐만 아니라 동기화 필요가 없는 등 제어의 편의성이 있으나, 효율이 떨어진다. 기존 철도차량에서 IM/SM의 채용과 상당히 유사한 맥락[15]이 있다.
5.1. 세부 기술적 특징
이 중에서 특히 잘 알려진 초전도반발식에 대해 부연설명을 하면, 초전도반발식은 부상용 전자석과 주행용 전자석이 있으며, 부상용 전자석에는 다시 단극형과 양극형이 있다. 부상용 전자석의 단극형과 양극형의 차이는 단순히 주행하는 동안 차체를 부양하는 자기장의 방향이 한 방향이냐 바뀌는 거냐의 차이인데 양극형 방식을 사용하면 저속에서 효율이 높지만 고속에선 솔레노이드의 리액턴스로 인해 자기장이 약해지는 문제가 있으며, 차량주행 시 바닥의 전자석을 제어하는 시스템과 동기화가 잘 되어야 한다. 만약에 동기화가 삐끗하면 차체와 바닥 사이에 인력이 작용해 철푸덕 붙어버릴 것이다. 반면 단극형 전자석의 경우 비록 자기력의 반쪽밖에 사용할 수 없지만 제어가 편리하며 주행속도에 관계없이 안정적인 자기장을 형성해준다.
주행용 전자석은 위에서 적혀있듯이 빨리 달리기 위하여 리니어 모터가 동기전동기 방식을 사용한다. 유도전동기 방식을 쓰면 당연히 공사가 편하지만 주행 속도를 올리기 위해 효율을 포기해야 하기에 이 방법을 안 쓴다. 단, 저속에선 유도전동기 방식이 훨 나은 선택일 수 있다. 부산지하철 4호선에 보면 콘크리트 레일 사이에 주석도금이 된 철판이 보이는데, 저거 히타치 리니어모터의 계자부와 규격이 거의 똑같다. 필요하다면 비동기식 리니어모터를 다는 마개조를 통해 자기부상은 아니더라도 자기주행열차는 만들 수 있는데, 동기전동기 제어와 달리 뛰어난 감속에는 유도전동방식이 아주 편리하므로[16] 좋은 경전철로 개조 가능하다. 물론 부산 4호선은 차량 하부에 3상 전동기가 달린 일반적인 전동차다.
고속 주행에 필요한 리니어모터의 전기자는 궤도의 옆면에 붙이는데, 이렇게 하면 하부에선 열차를 띄우고 양 옆의 전기자 자기장을 제어해 주행하는 안정적인 포메이션이 나온다. 전기자 코일들은 자극이 교반되도록 설계되나, 이것이 굳이 열차와 동기화되는 일은 잘 없다. 실제로 어떤 프로토타입의 경우 열차와 궤도가 동기화되어 밀어내고 끌어당기는 극을 열차와 궤도가 동시에 변경하나, 역시나 같은 이유에서 싱크가 풀리면 드르르르르르르르르르르르륵![17] 거리며 열차가 멈추게 되므로 열차의 리니어 모터만 자극을 바꾸도록 설계하는 것이 현재의 트렌드.
6. 같이보기
[1] 차량 모델은 한국기계연구원과 현대로템에서 만들어진 자기부상열차인 에코비이다.[2] Magnetic levitation의 약자로, 보통 영어권에서 'magnetic levitation'이라 한다면 자기부상열차라는 뜻도 있지만 '자석으로 물체를 띄우는 것' 자체를 의미하기도 한다.[3] 상전도식, 설계최고 430km/h[4] 초전도식, 상업운전 505km/h 계획[5] 실제로 기존 철차륜식 철도에 들어가는 노반 부속들은 표준화가 아주 잘 되어있고, 세계에서 범용적으로 사용되므로 공급선 확보 및 보수 소요에서 큰 이점을 갖고 있다.[6] 공기저항 증가에 의한 손해보다 구름저항/마찰저항 감소에 의한 이득이 크다 평가되는 속도역이기 때문이다.[7] 공기저항과 달리 저속에서도 저항력이 크기 때문에 문제가 된다.[8] 1인당 평균 60kg으로 평가해도 1량당 80명 승차시 5t이라는 적지 않은 중량이 추가된다.[9] 그만큼 한국 철도교통에 무관심했다는 반증이기도 하다. 1960년대 경부고속도로 개통 이후 자동차 산업의 발전과 맞물려서 도로교통에 올인해왔으며, 철도는 기존 선로를 유지보수 하는 수준에서 정체되어버렸다. 그러다가 경부고속철도 사업을 추진하면서 다시금 철도교통에 투자를 하기 시작한 것이다. 그 일환으로 철도기술연구원도 발족.[10] 시험선이지만 1회 탑승 성인 기준 2000원을 받고 국립중앙과학관 유료회원은 무료탑승이 가능하다고 한다. 한 시간에 한 번꼴로 운행하며 44석밖에 없으므로 가능하면 국립중앙과학관 홈페이지에서 예약하고 탑승하는 것을 추천한다.[11] EDS (Electrodynamic suspension)[12] EMS (Electromagnetic suspension)[13] Linear Synchronous motor[14] Linear Induction Motor[15] 실제로 TGV 계열은 동기전동기를 오랫동안 사용해왔고, 유도전동기의 효율이 개선되고 나서야 IM으로 갈아탄 전력도 있다.[16] 동기전동기 방식의 리니어모터는 주행속도 감소를 위해 역방향의 자기장을 발생하기 위해 회생제동을 하는데, 이 때 제동을 위해 인버터를 면밀하게 제어해야 하나 유도전동기는 그냥 정류기와 캐퍼시터 달면 바로 회생제동이 된다. 일반 유도전동기 차량의 회생제동이나 엘리베이터, 산업용 기계가 이렇게 멈춘다.[17] 코킹 토크에 의해 뚝 뚝 짧고 강한 힘이 작용한다.