중국 초유체 헬륨 시스템, 2켈빈에서 킬로와트급 냉각 달성

섭씨 약 영하 271도, 절대영도보다 겨우 2도 높은 지점에서 헬륨은 평범한 액체처럼 행동하기를 멈춘다. 초유체가 되는 것이다. 점도는 0이고, 열전도율은 극도로 높으며, 가장 좁은 틈새도 스며 나간다. 이 기묘한 상태는 세계에서 가장 까다로운 과학 장비 일부가 차갑게 유지되기 위해 바로 필요로 하는 것이다.

중국과학원 산하 이화학기술연구소는 자체 개발한 고출력 냉동 압축기가 여러 차례의 저온 시험을 거쳐 성능 검수를 통과했다고 발표했다. 초유체 헬륨 시스템에 장착되어 중국 최초로 2켈빈 영역에서 킬로와트급 냉각을 달성했으며, 이로써 현재까지 가장 큰 용량의 국산 초유체 헬륨 시스템이 되었다.

대부분의 독자에게 2켈빈은 추상적인 개념이다. 실제로는 실험실과 대형 시설을 가르는 문턱이다. 초전도 가속기 자석, 핵융합 장치, 첨단 싱크로트론 광원은 모두 부품을 극저온에 깊이 유지하는 데 의존한다. 전기 저항이 사라지고 자기장이 폐열 없이 유지될 수 있기 때문이다.

어려운 점은 극한의 추위에 한 번 도달하는 것이 아니다. 섬세한 실험을 방해할 진동이나 불안정성 없이 대규모로 열을 연속적으로 제거하는 것이다. 냉동 압축기는 그 순환의 심장부에 있다. 국산 제작이 중요한 이유는 이런 기계가 오랫동안 소수의 해외 공급업체에서 조달되었고, 납기가 길며 맞춤화의 여지가 거의 없었기 때문이다.

팀에 따르면 압축기는 검수를 통과하기 전 여러 시험 주기에 걸쳐 안정적으로 작동했다. 이 결과는 단일한 돌파구라기보다 이를 가능하게 하는 인프라의 한 조각이다. 미래의 대형 과학 프로젝트를 위한 극저온 기반에 대한 중국산 선택지인 것이다.

중국은 이미 혜택을 볼 여러 시설을 운영하고 건설하고 있다. 핵융합 연구 장치는 초전도 코일을 냉각하기 위해 대규모 극저온 플랜트가 필요하다. 차세대 광원과 입자 가속기는 자석과 공동을 최고 성능으로 운영하기 위해 안정적인 2켈빈 환경이 필요하다. 이들 프로젝트 각각은 헬륨, 전력, 정밀 공학을 산업 규모로 소비한다.

초유체 헬륨에는 또 다른 장점이 있다. 막대한 열전도율 덕분에 일반 액체 냉각으로는 닿을 수 없는 빽빽하게 밀집된 장비에서 열을 빼낼 수 있다. 그래서 고자기장 자석 설계와 우주 시뮬레이션 챔버 모두에 등장하는 것이다.

발표에서는 어떤 시설이 새 시스템을 가장 먼저 도입할지는 명시하지 않았고, 상용화 일정도 여전히 불분명하다. 그러나 방향성은 중국 연구 정책의 더 넓은 추진과 일치한다. 수입 초저온 장비에 대한 의존을 줄이고, 이를 국가 프로젝트를 위해 확장하는 것이다.

과학자들에게 실질적 이득이 있다. 더 저렴하고 더 쉽게 구할 수 있는 극저온 기술은 한때 냉각 체인 전체를 수입해야 했던 기기를 구축하는 장벽을 낮춘다. 일반 대중에게 이것은 가장 중요한 연구 일부가 헤드라인에서 멀리 떨어진, 거의 아무것도 움직이지 않는 온도에서 이루어진다는 것을 상기시켜 준다.