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자기부상열차
자기부상열차(磁氣浮上列車, maglev levitation train, magnetic levitation)는 전기로 발생된 자기력으로 레일에서 낮은 높이로 부상해서 바퀴를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시켜 달리는 열차를 말한다. 기존 전기철도는 바퀴와 레일의 마찰을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문에 속도가 빨라질 경우 차륜(바퀴)이 레일에 밀착되지 않고 공회전하는 경향이 있어, 그보다 더 빠르게 주행하기가 힘들어 더 빠른 속도를 내기 위해 개발한 것이 자기부상열차이다.
독일이 1969년부터 개발을 시작하여 1971년 Prinzipfahrzeug이 처음으로 유인 주행에 성공했고, 이후 일본, 대한민국 순으로 개발을 시작했다.
장점으로는 바퀴가 없기 때문에 마찰 저항이 거의 없고 그로 인해 낮은 동력으로 높은 속도를 얻을 수 있고 진동과 소음이 거의 없어 승차감이 쾌적하다. 또한 곡선 주행 시 안전하며 차체가 궤도를 감싸는 안전한 구조이므로 일반적으로 탈선 가능성이 거의 없다.
그러나, 강력한 자기장이 탑승객에게 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다는 주장도 제기되었으나, 아직 명확한 연구결과는 나오지 않았고 가능성을 암시하는 수준의 보고에 그치고 있다.
세계에서 개발 중인 자기부상열차에는 트란스라피드, HSST, 시험주행단계인 초전도 리니어 등이 있으며, 유인 시운전의 세계 최고속도는 2015년에 일본의 초전도 리니어가 기록한 603 km/h이다.
현재 상하이 트란스라피드와 HSST의 아이치 고속 교통 100L형(리니모)이 실용 노선에서 영업운전을 하고 있으며, 일본의 초전도 리니어에 의한 주오 신칸센이 도쿄-나고야 간에서 2027년의 개업, 또 도쿄-신오사카 간에서 2045년 전 노선 개업을 목표로 계획이 진행되고 있다.
장점
지면에서 떠서 운행하므로 구름저항/마찰저항이 극히 작아진다. 이에 따라 공기저항이 크지 않은 중저속역의 운전에서 이점이 크다.
마찰이 적다는 점은 승차감을 우수하게 하며 소음 역시 적게 발생하게끔 한다. 기존 도로 및 철도 시스템에서는 노면/노반의 보수 상태에 따라 승차감 차이가 확연하고, 속력이 증가할수록 마찰에 의한 소음이 크게 발생한다. 궤도 및 차륜 보수의 필요성이 크게 줄어든다는 장점도 있다.
기존 전동기보다 효율이 훨씬 높은 선형 전동기를 사용할 수 있다. 열차를 부상하는 전자기력을 내도록 노반/궤도 설비를 갖추므로, 초고속도 운용을 돌파하려는 연구들이 많이 이루어지고 있다. 기존 철차륜 고속철도은 차륜과 철로의 답면 마찰 문제로 300km/h 이상의 상업 운전은 어려운 상황이다.
트랜스래피드 시스템 기반으로 최초 상업운전을 시작한 상하이 자기부상열차은 상전도식으로 설계최고 430km/h에 달한다. 일본의 야마나시 시험선-츄오 신칸센 초전도식으로 상업운전 505km/h 계획을 계획하고 있다. 이렇게 시속 400km 이상의 초고속 운전이 가능한 지상 교통 시스템은 현재로썬 자기부상열차밖에 없다.
단점
주로 비용이나 운용상 문제가 상용화에 발목을 잡는다.
전용 궤도의 부설 필요성이 가장 큰 문제점이다. 상전도식 LIM 방식이더라도 추가되는 노반/궤도 설비는 꽤 많이 들어가며, 기존 철차륜식 철도에 비해서 보수성으로는 유리해도 초기 투자비용이 늘어난다. 기존 철차륜식 철도에 들어가는 노반 부속들은 표준화가 아주 잘 되어있고, 세계에서 범용적으로 사용되므로 공급선 확보 및 보수 소요에서 이점이 크다.
또한 보수 주기가 길다는 이점은 있으나, 시스템의 표준화가 덜 되었다. 보수 소요가 발생하면 공급 확보 등이 문제가 될 소지가 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 매우 커진다. 속도의 제곱에 비례해 공기저항이 커지므로 마찰저항과 구름저항을 줄였을 때보다 영향을 크게 받는다. 초고속 운전을 목표로 하는 시스템들에서는 공기저항을 줄이려 기존 철차륜식 차량들보다도 차량의 공간손해를 크게 볼 수 밖에 없다. 소모 에너지의 증가에 의한 유지 비용 증가는 부담으로 다가올 수 밖에 없다. 많은 자기부상열차의 연구가 초고속 운전보다 도시철도에 맞는 중저속역(100km/h 내외)[2]에 초점이 맞춰지는 이유도 이 때문이다. 하이퍼루프/튜브트레인 같은 극단적인 공력감소 설계는 진공 유지의 위험성 및 비효율성이 있지만, 경제성을 유지하는 몇 안 되는 방법으로 여겨진다.
상전도식은 저속역에서는 부양 유지가 사실상 불가능하다. 비행기가 활주로에서 랜딩기어를 사용하듯 저속역에서 안내/지지궤도와 마찰차륜을 활용하는 방법을 고안했지만, 이렇게 되면 위 장점에서 말하는 구름저항/마찰저항의 이점이 크게 사라지게 된다. 공기저항과 달리 저속에서도 저항력이 크기 때문이다. 커지는 자체 중량과 이에 의한 에너지 소모의 밸런스를 찾기도 어렵다.
이렇게 자기부상열차의 에너지 효율은 항공기나 자동차 교통 등에 비해서는 높지만, 재래식 철차륜 철도에 비해서는 낮다고 평가된다. 일본이 시도하는 초전도식 시스템은 궤도의 초전도성을 유지하기 위해 액체헬륨 등을 투입한다. 이때는 궤도의 보수부담과 유지비용마저 크게 늘어난다는 문제점이 있어 비용적으로 부담이 더 크다.
고중량 수송에도 부적합하다. 부양력에 맞춰 경량 차량 설계가 필수인 민감한 시스템이므로 화물 수송은 처음부터 어렵다. 현행 철차륜 고속철도 역시 여객용으로만 사용된다는 지적도 있다. 어디까지나 제한적이라지만, 고밀도 여객 수송 (1인당 평균 60kg으로 평가해도 1량당 80명 승차시 5t)에 있어서 불리점이 있어 성수기 운용에 제한요소가 된다.
원리
부상
자기부상열차의 가장 핵심 기술인 부상 방식은 대표적으로 상전도 방식과 초전도 방식 그리고 영구자석 방식으로 나눌 수 있다.
- 탄젠트 전자석 흡인식
일반적인씨 발전자석이 사용되며 전자석에 의한 흡인력에 의해 지상에서 1센티미터정도 레일면으로 끌어당겨 부상한다. 이 때에는 차체에 부착된 센서와 컴퓨터가 수시로 레일과 차체 간의 거리를 조정한다. 고속에서는 정밀하게 조정이 불가능하므로, 중저속형에 주로 사용된다.
- 초전도 전자석 반발식
열차에 초전도 전자석을 설치하여 차량의 지지와 추진에 사용되고 일반적으로 부상 높이는 10센티미터 정도 된다. 제어가 비교적 간단해 초고속형에 주로 사용되지만, 초전도 상태가 유지되기 위해 코일을 지속적으로 초저온상태로 액체 헬륨등으로 냉각시켜 줄 필요가 있다.
- 영구자석 반발식
열차와 레일에 영구자석을 설치하여 부상하는 방식이지만, 반발력이 약해서 초전도 방식을 주로 사용한다.
가속
자기부상열차는 직선운동을 통해 가속을 하며, 이러한 직선운동을 하는 전동기를 직선형 전동기(Linear Motor)라고 부른다. 직선형 전동기는 두가지 종류가 있지만 직선형 전동기도 원리적으로는 회전형전동기와 다를 바가 없다. 지상코일에 보낸 전류의 방향을 계속 반전시키면 차량에 내장된 자석을 끌고 가듯 한쪽 방향으로 움직이게 된다.
- 선형동기 전동기(LSM, Linear Synchronous Motor)
동기형 직선형 전동기 라고도 부르며, 회전형전동기의 동기기, 직류기와 같다. 빠른 속도를 요구할 때 주로 사용된다.
- 선형유도 전동기(LIM, Linear Induction Motor)
비동기형 직선형 전동기라고도 부르며, 회전형전동기의 유도전동기와 같다. 중저속형에 주로 사용된다.
감속
자기부상열차의 감속은 일반 열차와 크게 다른것은 없다.
- 전기브레이크
운동에너지를 전기형태로 흡수하는 방식의 브레이크이다. 가장 간단한 방식이면서 자기부상열차에 적합한 형태의 브레이크이다.
- 에어브레이크
공기저항력을 이용해 감속하는 형태의 브레이크이다.
- 마찰브레이크
땅과의 마찰력을 이용해 감속하는 형태의 브레이크이다.
현황
오버 테크놀러지스러운 이미지지만, 그 컨셉은 20세기 초에 등장했다. 실제 개발은 1969년 독일서부터 유래한다. 현재의 기술력이면 어느 정도 열차를 운행할 수 있다. 이미 1980년대부터 상업운전을 하는 노선들이 만들어졌다. 상용화 자기부상노선을 운영 중인 나라는 중국, 일본과 한국 등 소수다.
고속형 자기부상열차를 개발할 능력이 있는 국가는 일본과 독일, 한국, 중국밖에 없다. 20세기 초 자기부상열차의 기초를 닦는 아이디어를 낸 사람들은 독일인이었고, 국가적 차원에서도 1969년부터 오늘날의 Transrapid로 이어지는 연구개발이 이루어지고 있다. 일본은 1962년부터 관련 연구를 시작하여, 거의 50년에 가까운 기간의 안목을 갖고 고속 자기부상열차 개발을 진행했다. 현재에 들어서는 독일보다 한 수 위의 자기부상 열차 관련 기술을 갖게 되었다. 자기부상 신칸센의 최종 완성품의 개발 및 검증이 완료되어 2015년에 리니어 츄오 신칸센 가운데 도쿄~나고야 구간의 선로 부설을 시작했다.
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 때문이다. 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. 2021년에 자기부상 열차 시스템을 공개했다. 또, 영구 부유 기술을 적용한 자기부상 공중궤도 열차를 자체 개발하는 중이다.
노선
개통일순
- 버밍엄 (1984년 ~ 1995년): 세계 최초로 상업운전을 실시한 자기부상열차. 버밍엄 국제공항의 철도 액세스를 위해 건설되었지만, 시설 노후화로 철거되고 피플무버가 설치되었다.
- 베를린 M반 (1989년 ~ 1991년): 두 번째로 상업운전을 실시한 자기부상열차. 분단으로 고자가 된 베를린 U반의 수송대체로 설치되었으나 통일 이후 철거되었다.
- 국립중앙과학관 자기부상열차: 1993 대전 엑스포 당시에 잠시 일반에 공개한 후 한동안 운행이 중지되었다가 2008년부터 다시 운행 중[4]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.
- 리니모 (2005년 ~ ): 아이치 엑스포 행사장 연계교통편으로 건설한 후 도시철도로 전환되었다. 설계최고속력 100km/h의 도시형 자기부상열차. 나가쿠테의 환승을 책임진다.
- 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.
- 대전 도시철도 2호선 (노면전차로 전환): 대전광역시의 두 번째 도시철도로 대한민국의 두 번째 도시형 자기부상열차로 될 뻔했으나 권선택 시장의 독단으로 노면전차로 계획 중에 있다.
- 리니어 츄오 신칸센 (2027년): 일본의 도카이도 신칸센을 보완할 자기부상 신칸센 노선이다.
참고자료
같이 보기
