21세기의 과학
by 처사2121세기의 과학
20세기를 과학 기술 시대라 부르는 데 어느 누구도 반대하지 않을 것이다. 그럼에도 20세기를 10년도 못 남긴 이 시점까지 아직도 해결하지 못한 과학 기술계의 난제들이 수북이 쌓여 있다. 이 중에는 이미 핵심 기술이 개발돼 실용화 시기만을 기다리는 것도 있고, 개념만 존재할뿐 실질적인 기술이 전혀 밑받침 안되고 있는 것도 있다. 기존이 컴퓨터 기술을 한 차원 뛰어넘는 광컴퓨터, 20세기 과학 기술을 비웃고 있는 암을 정복할 수 있는 암 치료제, 무한이 에너지원으로 각광받는 핵융합로, 스스로 판단해 일할 수 있는 지능 로봇, 본격적인 우주시대를 열 달 기지 건설 등은 20세기 안에 실현되기는 어려운 과제들이다. 과연 이들은 언제 실용화될 수 있을까?
정보·전자 분야
정보·전자 분야에서 대표적인 것은 메모리 반도체다. 현재 판매 중인 메모리 반도체로 가장 고성능인 것은 4M(Mega,백만)비트이며, 몇 년 후에는 64M비트 메모리가 판매될 예정이다. 현재 실리콘 기술이 연장선상에서 살펴보면 1G D램이 1천 배 능력을 갖는 1T(Tera,1조) D램이 기대된다. 하자만 이것은 실리콘으로는 불가능하고 저전도 장치 등 새로운 기술이 밑받침 돼야만 가능하다. 그렇다면 테라 비트 메모리 반도체는 언제쯤 실용화될 것인가. 실용화단계를 1백으로 볼 때 현단계는 5이며 실용화 시기는 2030년경으로 예측하고 잇다. 이를 실현하기 위해서 필요한 핵심 기술은 초전도 디바이스와 초고밀도 회로 집적화 기술이다.
테라 비트 메모리가 출현한다면 어느 정도 판단 능력을 가준 고성능 컴퓨터, 지능화 가전 제품 등이 가능해지며 자동차 산업, 우주산업 , 군사 산업에 크게 영향을 미칠 것이다. 부정적 영향으로는 인간과 기계의 역할 분담이 모호해짐으로써 인간의 존엄성이 훼손될 위험이 크다는 점 21세기에는 메모리 반도체와는 성격이 다른 새로운 개념의 칩들이 등장할 것이다. 그 중에 대표적인 것이 슈퍼 인텔리전트 칩이다. 현재 음성 인식용 칩, 추론 기능을 가진 칩, 퍼지(fuzzy)칩 등 개별적으로는 인텔리전트 칩이 개발되고 있지만 이러한 능력을 동시에 갖는 슈퍼 인텔리전트 칩의 개발은 앞으로의 과제다. 이 칩의 실용화 시기는 2010년으로 예상되고 있다.
또 다른 개념으로는 자기 증식 칩을 들 수 있다. 현재 반도체 칩은 '외부 지령'으로 기능이 정의되고 동작이 제어되지만 자기증식 칩은 기능과 동작이 칩 내부에서 결정되고 제어되는. 말하자면 '자기 조직화' 기능을 갖는다. 그러려면 내부 구조물로서 뉴럴 컴퓨팅이 고려돼야 할 것이다. 이 칩은 현재 가장 기능이 뛰어난 칩에 비해 지능화 기능이 1천∼1천만 배 정도 강화돼 있다고 생각하면 된다. 실용화 시기는 2050년으로 예측되고 있다. 이의 실현을 위해서 반드시 돌파해야 할 핵심 기술은 자기 조직화 기술, 지식 획득에 의한 자기 학습 기술 등이다. 이러한 소프트웨어를 하드웨어에 구현하려면 초병렬 컴퓨터 등이 선행돼야 한다. 자기 증식 칩이 실현된다면 '판단하는 컴퓨터'의 등장은 어렵지 않은 일이 될 것이다.
뉴럴 컴퓨터란 뇌를 구성하고 있는 신경 세포와 신경회로망의 구조와 정보처리 기능을 모형으로 해 고도의 정보처리를 수행하는 컴퓨터를 말한다 .인간의 사고와 행동에가까운 판단, 추론 예측, 전체 파악 등이 가능한 컴퓨터를 만들자는 얘기다. 실용화 시기는 2030년대로 예상하고 있다. 유럽과 미국에서 대학이나 민간 연구소를 중심으로 연구를 진행하고 있지만, 아직 이론적인 단계이고, 일본에서는 일부 소프트웨어를 개발해 놓고 있다.
일반 사람들이 컴퓨터 과학자들에게 가장 많이 바라고 잇는 것은 아마 자동 번역(통역) 시스템의 개발일 것이다 영어, 러시아 어, 프랑스 어를 척척 우리말로 통역해 주는 기계가 있다면 얼마나 좋을까? 이 자동 번역(통역) 시스템은 기술적인 측면에서 보면 소프트웨어인 것이 분명하지만, 실제로 실용화된 제품을 상상해 보면 고성능 칩과 소형이면서도 대용량을 가진 파일에 많은 양의 소프트웨어를 탑재한 시스템일 것이다.
실용화 시기는 2020년으로 예상되며 현재까지는 영어·일어 번역 시스템이 가장 활발하다고 할 수 있다. 미국 카네기 멜론 대학에서는 지식 획득과 자기 학습 등 기본적인 연구가 진행되고 있다. 상품화에 탁월한 능력을 보이는 일본에서는 첨단 전자 메이커들이 일부 제품을 상품화하고 있다. 앞으로 주력해서 해결해야 돨 과제로는 문장의의미를 파악하는 언어 변환 기술, 지식 베이스 전문가 시스템, 온라인으로 처리할 수 있는 고속 실시간 처리 시스템 등이다.
이 외에도 정보·전자 분야에서 미래 기술로 뽑힌 것은 오래된 테이터를 없애고 새로운 테이터를 스스로 추가시키는 자기 증식 데이터 베이스 시스템, 광컴퓨터, 바이오 컴퓨터 등이다. 이들의 실용화 예상 연도는 모두 2020년이다.
신소재 분야 - 2030년에는 전기 통조림이?
21세기 초반에 주목받을 신소재로 우선 손꼽히는 것은 초전도체이다. 상온에서도 전기 저항이 없어지는 새로운 합금을 개발해 에너지 혁명을 일으키려는 과학자들의 노력은 이미 20세기에 시작됐다.
현재 전기 저항이 없어지는 온도는 실험실에서 100K(영하 173℃) 정도를 기록하고 있다. 이 온도를 250K(영하 23℃) 이상으로 끌어올리게 되는 시점은 언제가 될까? 실용화 시기는 2030년으로 예상된다. 만약 이 정도에서 전기 저항이 없어진다면 전기를 오랫동안 저장할 수 있는 전기 통조림이 가능해지면 발전소의 전기를 손실 없이 공장이나 가정에 전달할 수 있는 획기적인 송전 시스템이 개발될 수 있다. 그 밖에도 자기 부상 열차, 조셉슨 사자 등의 실용화를 앞당길 것이다.
도자기, 유리 등 종래의 세라믹에 비해 전자적 특성과 열적·기계적·광학적 특성이 대폭 향상된 것이 판인 세라믹스다. 이를 이용한 엔진이이 상품화된다면 산업 분야에 큰 영향을 미칠 것이다. 세라믹 가스 터빈 엔진은 종래 엔진과는 동작 원리가 다른 새로운 타입의 엔진이다. 가스 터빈 엔진을 세라믹화한다면 고효율 저공해를 실현할 수 있고 연료도 다양하게 사용할 수 있는(메탄올도 연료화될 수 있음) 이상적인 엔진이 된다.
실용화 시기는 2000년경이다. 21세기에는 유리의 개념도 바뀐다. 깨지지 않는 유리, 탄성을 가진 유리도 등장할지 모른다. 이른바 '뉴글래스'가 탄생할 것이다 이 중에서도 비선형 광학 유리는 2010년에 실용화될 뉴글래스 중의 선두 주자다. 이 신소재는 빛으로 작동되는 고속의 광 스위치로 광컴퓨터의 실현을 앞당길 핵심 부품이다.
금속에 필적할 만큼 열에 강하고 높은 탄성을 가지며 성형 가공이 쉬운 경량 유기고 분자 재료가 열 가소성 분자 복합체다. 이는 수지 성분 내에 보강 분자 골격을 가지고 있기 때문에 FRP(Fiberglass Reinforced Plastics, 유리 섬유로 다시 강화된 플라스틱)와는 다르게 강화 섬유와 매트릭스 수지와이 사이에 취약한 경계면이 없다는 점이 특징이다. 이 제품이 실용화되면 경금속과 FRP 시장을 휩쓸 것으로 예상된다. 공업적으로 실용화 시기는 2040년경으로 예측된다. 이 분야의 선두는 미국이다.
우주 계획, 초음속 항공기, 미사일, 핵융합로 등에는 극히 높은 온도에 견뎌야 하는 소재가 필요하다. 탄소 100℃의 C/C콤포지트(composite) 표면을 플라자마로 가공해, 1700℃ 정도의 초고온에서도 사용할 수 있게 만든 것이 고성능 C/C콤포지트로서, 현재 연구 개발은 더디지만 본격적인 실용화는 2010년 내에 이루어질 전망이다.
우주 군수 산업이 발달한 미국과 프랑스에서 연구를 이끌어가고 있으며, 시범적으로 항공기용 브레이크 등에 활용될 예정이다. 이 외에도 신소재 분야의 미래 기술로는 고성능 탄소 강화 플라스틱(본격실용화 시기 2000년), 아모르퍼스 합금(2010년) 등이 있다.
생명 과학 분야-암 정복 언제 가능한가
DNA를 작용점으로 하는 다양한 약제가 항암제 또는 제암제로 개발돼 있지만, 암 유전자와 암 억제 유전자 연구, 세포 내 정보 전달 기구와 발암 기전 연구, 면역 감시 기구의 해명 등이 밑받침된 새로운 암 치료제의 개발이 절실히 요청되고 있다. 그렇다고 모든 종류의 암이나 특히 암의 말기 때에도 효과가 있는 '만능약'을 개발하자는 것은 아니다 다만 암 종류에 따라 좀더 효과가 있는 것을 한 단계씩 높여개발해야 할 것으로 예상된다. 실제로 암과 관련된 기초 연구가 어느 정도 진전돼 새로운 개념의 암 치료제가 개발되려면 2030년은 돼야 할 것이다.
이미 인터페론이나 인플루엔자 바이러스 백신, B형 간염 백신 등 바이러스 병 치료 예방약이 개발되고 있지만, AIDS(후천성 면역 결핍증)로 대표되는 레트로바이러스(retrovirus) 계열의 백신이나 치료제는 아직 요원하다. 바이러스의 감염 메커니즘이라든가 , 증식 메커니즘에 기초해 항 바이러스제나 백신의 연구 개발이 진행되고 있다.
바이러스 병의 치료예방제로는 AZT로 대표되는 합성제, 인터페론으로 대표되는 BRM제제, 백신 제제 등이 있는데, 이 중에서 가장 효과가 기대되는 것은 백신이다. 따라서 바이러스 치료약은 백신 개발중심이 될 것디다. 항원성이 약한 바이러스, 격렬한 변이를 일으키는 바이러스에 대해 효과있는 백신을 만드는 것이 주요 과제이다. AIDS와C형 간염 등 현재 문제가 되는 레트로바이러스 백신 개발은 언제쯤 이루어질까? 2020년경에는 예방약과 치료약이 모두 개발될 것으로 보고 있다. 이 분야에 관한 연구는 미국이 단연 선두이며 유럽과 일본이 엇비슷한 수준이다.
이 외에도 노인성 치매(일명 노망) 치료제는 2050년에 실용화돼 인간의 평균 수명을 더욱 연장시킬 것이며,각종 알레르기는 2030년경에 정복될 예상이다.
에너지ㆍ자동화 분야
21세기 에너지원으로 가장 주목받는 것은 핵응합이다.핵분열을 이용한 원자력과는 달리 인체에 유해한 방사선을 방출하지 않으며, 원료인 중수소가 바닷물 속에 무한정(바닷물 1㎥당 34g) 존재하기 때문이다. 실용화 시기는 2050년경으로 예상되고 있다. 해결해야 될 과제로는 초전도 자석의 개발, 높은 온도를 유지하는 데 필요한 플라즈마 가열 장치의 개발 ,강한 중성자 조사(照射)에도 견딜 수 있는 핵융합로 구조재의 개발. 방사성 물질인 삼중수소(트리튬)의 취급기술 등을 들 수 있다.
핵융합으로 못지않게 관심을 끄는 것이 고속 증식로이다.아는 발전하면서 소비한 만큼의 핵원료를 재생산하는 획기적인 원자로다. 실용화 예상 연도는 2025년경이다.
핵융합이 무한정의 애너지를 생산하는 기술인 반면, 에너지를 오랫동안 저장하기도하고 손실 없이 사용자에게 공급할수 있으려면 초전도 전력 저장 장치와 초전도 송전 시스템이 필요하다. 살용화 예상 연도는 2020년경이다. 이 분야 연구는 미국이 단연 앞서고 있으며 그 뒤를 일본이 따르고 있다.
현재 실용화된 로봇은 대부분 산업용이다.이들 로봇은 할 일이 상세히 프로그램 시켜야만이 작동한다. 이들은 산업 현장의 조립 라인에서 단순작업을 반복할수 있어 고 그 이상의 일은 불가능하다. 로봇 사회가 구현되기 위해서는 인간이 대강의 작업 개요만 지시하고 나머지는 로봇이 스스로 해결하는 채제가 필요하다. 이를 지능 로봇이라 부른다. 이 로봇이 등장하면 TV를 만드는 공장에서 일하다가 자동차를 만드는 공장에서 일할 수 있는, 또 용접을 하다가도 조립도 할 수 있는 다목적 로봇이 탄생하는 셈이다.
자동 로봇은 인공 지능(AI)연구가 활발이 이루어지고 있으므로 2010년 정도는 실용화될 수 있을 것으로 예상된다. 이 분야에 미국이 전통적으로 앞서 있었으나 최근에는 일본이 추월하고 있는 상태이다.
교통ㆍ환경ㆍ공간 이용
초전도 자석을 이용해 떠서 달리는 자기 부상 열차는 언제쯤 실용화될 수 있을까. 소음과 전동이 없어 무공해 연차라고도 불리는 자기 부상 열차는 21세기의 주요 교통 수단이 될 것이다. 현재 개발중인 자기 부상 열차는 시속 5백 ㎞가 목표이지만, 고온 초전도 자석을 이용한 차세대 자기 부상 열차는 시속 7백 ㎞를 넘보고 있다. 재발 진척 상황을 살펴보면 완성 단계를 100으로 할 때 80까지 진전돼 있다. 완전 실용화 시기는 2010년경으로 예상된다. 차세데 자기 부상 열차는 이보다는 20년 정도 늦게 등장 할 것으로 보인다. 해결해야 할 기술적 과제로는 상온에 가까운 고온 초전도체를 개발하는 것이 가장 시급하며 터널 돌입시의 공기 역학 특성에 관한 연구도 병행돼야 한다.
(1) 서울-로스앤젤레스를 두 시간에
마하수 4~6의 초음속으로 비행해 서울과 로스앤젤레스 간을 2,3 시간 내에 주파할수 있는 극초음속 여객기도 2020년에도 등장할 것이다. 숭객수는 3 백 명까지 가능하다. 돌파해야 할 기술적 난제로는 열에 견디는 엔진 소재의 개발과 기체를 초경량화시킬 수 있는 소재를 개발하는 일이다.
항공 기술로 최근에 주목받는 것은 소형 수직 이착륙 제트기이다. 이 비행기는 넓은 공간 없이도 이용할수 있어 비스니스용으로 최격적이다. 승객수는 10연 내외로 잡고 있다. 실용화시기는 2010년경이며, 문제가 되는 것은 제트 엔진의 소음 처리이다.
인간이 우주공간으로 활동 영역을 넓히려 할 때 해결해야 할 일이 무중력 상태에서 활동하는 일이다. 이를 위해 필요한 것이 무중력 실험 지하 시설이다. 보통 지하 5백m정도에 갱을 만들어 갱 속을 낙하하는 캡슐을 선형(線型) 모터로 제어한다. 여기서는 우주에서 사용하는 모든기기의 점검, 물리 현상의 관찰, 재료의 응고ㆍ용해 실험등이 이루어진다. 실용화 예상 연도는 2005년이다.
우주 관측과 자원 개발 또는 여러 가지 과학 실험이 이루어지는 달 기지는 언제쯤 이루어질까. 달 기지의 주요 구조는 원형 돔과 원통형 통로 인데 이는 주로 알루미늄 계합금으로 이루어진다. 기지 내부는 1기압이 유지되어야 한다. 사람이 거주하면서 활동하는 유인 달 기지를 건설하기 위해서는 위해서는 먼저 무인 월면차나 로봇에 의한 기지 건설이 이루어져야 하며, 그 후 단기적으로 사람이 거주한 다음에 사람이 상주하는 달 기지가 완성될 것이다.
달은 초진공이며 중력은 지구의 6분의 1로 약하다. 온도는 영하 170℃에서 영상 120℃로 급변한다. 우주 공간에서 내리쬐는 각종 전파가 아무런 h호 장치도 거치지 않고 그대로 내리쬐는 거친 환경이다. 이런 곳에 기지를 건설하기 위해서는 성능이 우수한 로봇과 극한 상황애도 상황애도 끄덕엇는 자재가 필요하다. 달 기지가 완성되는 연도는 2020년경으로 예측된다.
(2) 해양 목장은 2000년에, 수직도시는 2050년에
대도시가 과밀화되고 토지가 부족해지면서, 또 환경 문제가 심각해지면서 인간이 눈을 돌릴 수 있는 곳은 해양이다. 풍부한 해양 자원을 효과적으로 이용한 인공 섬 건설이 추진되고 있다. 종래의 매립 방식이 아닌 물에 떠 있는 구조를 가진 새로운 형태의 인공섬이 주목받고 있다. 실용화 시기로는 의외로 빨라 2000년 정도면 가능할 것으로 예상된다. 이 외에도 `잡는 어업`이 아니라 `기르는 어업`을 목표로 하는 해양 목장도 2000년이면 실용화될 것으로 보인다. 해양 목장이란 일정한 바다 공간을 확보하고 생태학적으로 안정된 조건을 만들어 바다 어류를 기르는 곳을 말한다.
높이 3,4천m, 건평 6,7천 ha(핵타르) 규모의 초고층 빌딩에서는 수십만 명이 집과 직장을 오가며 일할 수 있다. 이 정도 되면 빌딩이라기보다는 하나의 도시다. 높이가 5 백 m (1 백 층) 정도되는 고층 빌딩은 2000년에는 세워지겠지만, 높이가 4 천 m (8 백 층)나 되는 일종의 수직 도시는 2050년에나 가서야 선보일 것으로 예상된다.
지구를 보호하는 기술
화석 연료가 연소되면 내뿜은 이산화탄소(co₂) 는 지구 온난화를 가속화시키고 있다. 지구가 온난화되면 일부 지역의 이하가 녹아 해면이 상승한다. 최근 보고서에 따르면 대책 없이 지금 추세대로 가면 지구의 평균 기온은 다음 세기 말까지 약 3℃가 상승해 최대 1m에서 65m 까지 해면 상승이 일어날 것으로 예산된다. 결국 수천만 명의 사람이 새로운 거주 지역을 찾아 이동해야 한다.
따라서 촉매를 이용해 co₂를 연료와 쓸모 있는 화학 물질로 바뀌는 기술이 필요하다. 이를 co₂촉매 고정화 기술이라 부른다. 8족 금속 원소를 이용해 메탄이나 에탄올 등을 생성하는 접촉 수소 화법, 수은납으로 co₂를 환원하는 전기 화학 반응법, 루테늄이나 납을 콜로이드화한 것을 촉매를 사용하는 광화학적 고정법, 포피린 등을 사용해 천연 광합성을 모방한 인공 광합성법 등이 주목되고 있다.
실용화 시기는 2010년경으로 예상된다. 넘어야 할 핵심 기술로는 촉매의 반응 효율 향상, 인공 합성법의 반응 기구 해명 등이 있다. 이 기술이 게발되기 위해서는 우선 co₂촉매 고정화 기술로 생성되는 물질의 이용을 넓혀야 한다. 경제적으로는 촉매제를 싼 가격으로 확보해야 하는 어려움이 있다. 이 기술은, 지구를 살리지 않으면 안 되는 절실한 공감대가 형성되어 국제적인 협조 체제가 구축된다면 의외로 개발이 앞당겨 질수도 있다.
환경 기술로는 최근에 주목받는 염화불화탄소(CFC)대체 가스를 개발하는 일이다.
CFC는 오존층 파괴의 주범이기 때문에 국제 협약 (몬트리올 협약)으로 사용이 규제되고 있다. 현재 개발할 예정이다.
완전한 것은 아니지만 어느 정도 효과가 있는 대체 가스는 1995년쯤이면 실용화될 것으로 예상된다.이 분야의 기술 수준은 미국이 앞서 있으며 일본, 유럽의 순이다. 대체 가스가 개발되면 전자 산업이나 냉동기 산업에 대변화가 올 것으로 예상된다.
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