지진 피해 최소화하는 지진 투명 망토 개발 중

▲ (사진제공=KISTI 미리안)지진 투명 망토는 지면에서 5 미터 깊이의 구멍을 파서 만들은 후 진동 센서를 이용하여 이 구조의 성능을 테스트을 하였다.

(서울=기술사신문) 이태진기자 = 지진에 취약한 빌딩들이 언젠가 지진 투명 망토를 빌딩 주위로 감싸서 지진으로부터 발생하는 손실을 막을 수 있을 것으로 보인다. 

이와 같은 지진 망토는 아직 초기 연구 단계이지만 프랑스의 연구진에 의해서 실험을 통해 검증되고 있다. 원칙적으로 이 개념은 핵 발전소와 같은 지진에 민감한 시설로부터 지진파 에너지 방향을 바꾸는 보호 장벽을 설치하는 것이다. 전통적인 지진 공학은 건물이 충격파를 흡수할 때 발생하는 에너지를 감쇠하거나 소멸시키는 것에 기반하고 있다.

이제 프랑스 프레넬(Fresnel) 연구소 및 Menard 연구소의 과학자들은 건물 주위의 지형을 변경시킴으로써 지진파를 효율적으로 다른 방향으로 유도하는 새로운 방법을 고안하였다. 즉, 지진의 파괴 에너지로부터 건물을 가리는 것이다. 

이들 연구진은 또한 실제 테스트를 통해서 지진 보호를 위한 디자인의 효율성을 연구하였다. 그들의 디자인은 메타물질 개념의 확장이다. 메타 물질은 1968년 소비에트 연방 공화국의 물리학자인 Victor Veselago에 의해서 처음으로 전자기파에 대해서 제안되었다.

첫 번째 메타물질은 2006년 영국 임페리얼 칼리지 런던과 미국 노스 캐롤라이나에 위치한 듀크 대학의 연구진에 의해서 제작되었다. 이들 연구진은 음의 굴절률을 가진 인위적인 물질을 제작하였다. 이 물질은 자연에서 보통 발생하지 않는 특성을 가지고 있다. 이들 연구진은 또한 변환 광학(transformation optics)이라고 불리는 수학적 방법을 개발하였다. 이 방법은 메타물질이 원하는 특성을 가지기 위해서는 어떤 구조를 가져야 하는지를 기술한다.

변환 광학의 가장 유명한 응용은 투명 망토이다. 이것은 물체 주위의 전자기파를 유도하여 그 물체가 마치 안보이는 것처럼 만드는 것이다. 이전의 연구에서, 프레넬 연구소의 계산 물리학자인 Sebastien Guenneau는 변환 광학이 쉽게 지진학에 응용될 수 있다는 것을 보여주었다. 전자기파는 전기장과 자기장 사이에서 서로 에너지를 전달할 수 있는 반면에, 지진파는 지구 지층의 변형으로 저장된 포텐셜 에너지와 지층의 움직임에 포함된 동역학 에너지 사이에 에너지를 전달할 수 있다. 전기적 유전율 항이 토양 밀도와 그것의 탄성률에 의한 자기적 투자율로 치환된다면, 변환 광학은 변환 지진학(transformation seismology)이 되는 것이다.

이것은 이론이지만, 실제로 모든 파괴적인 지진파에 대해서 작동하는 실질적인 투명 망토 건물을 만드는 것은 매우 어려운 일이다. 이렇게 어려운 이유는 토양 밀도와 주위의 탄성률이 모두 동시에 조절되어야만 하기 때문이다. 더구나, 탄성률은 다른 방향의 변형에 대해서 달라야 할 필요가 있다. 비슷한 어려움이 이런 문제를 우회하기 위해 3차원이 아닌 2차원에서 작동하는 첫 전자기 투명 망토를 제작하는 과정에서도 있었다. 이렇게 단순화된 시스템은 대부분의 손상이 지구 표면을 직접적으로 거쳐 전파하는 파에 의해 야기되기 때문에 작동한다는 것이 밝혀졌다.

간단한 가설의 테스트로서, 이들 연구진은 50 Hz에서 진동하는 진동 소스를 퇴적 분지 표면 바로 밑에 심어 놓았다. 50Hz 주파수는 지구 표면파 주파수의 상단 끝에 해당한다. 몇 미터 떨어진 곳에서, 센서는 강한 진동을 하는 표면파의 속도를 측정하고 기록하였다. 연구진은 그 다음, 토양의 탄성률과 밀도를 변경하기 위해 5미터 깊이의 구멍을 팠다. 이 실험은 계산값과 비교하기 위해 필요하였다. 여러 구멍 중에서 일부는 진동 진폭이 다른 곳보다 20% 더 감소되어 기록되었다. 이것은 변경된 토양이 실제로 지진파 에너지의 많은 부분을 중지시켰다는 것을 보여주는 것이다.

연구진은 그들의 연구를 완전히 새로운 접근법이라고 말하였다. 그러나 연구진은 지진 투명 망토가 가려지는 부분과 비슷한 공간을 필요로 한다고 덧붙였다. 그것은 맨해튼과 같은 대도시에 적용될 수 있는 것이 아니라, 핵 발전소와 같이 매우 전략적으로 중요한 구조를 지진으로부터 보호하기 위해 적용할 수 있는 것이라고 연구진은 말하였다. 투명망토 전문가인 Andrea Alu는 이 새로운 방법이 참신하기는 하지만, 지진파 전달을 막게 되면 반사가 되어 다른 건축물에 손상이 발생될 수도 있다고 지적하였다. 연구진은 이런 한계를 인정하고 있으며, 그들은 현재 지진파의 흐름을 완전히 조절할 수 있는 완전한 지진 투명 망토를 연구하고 있다. 이런 투명 망토는 이웃 구조물에 손상을 입히지 않게 할 것이다. 연구진은 그들의 연구가 실제로 적용될 수 있기를 희망하고 있다. 

(자료 출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-03-31)