더 높고 더 멀리까지 지으려면 자원들을 매우 효율적으로 관리해야 한다. 최고의 공학 프로젝트들은 실제든 이론이든 이에 착수한 단체들의 집단적 열망을 잘 보여 준다.
“두바이에 세계 최고층 빌딩이 꼭 필요할까요?”라고 페트로스키가 묻는다. “이런 건축물은 엄청난 의지가 필요하기 때문에 왜 그런 건물을 지어야 하는지 자문해 봐야 합니다.” 한 가지 이유가 있다. 이런 프로젝트에 착수한 국가들이 그럴만한 능력이 있기 때문이다. 그런데 초고층 건축물의 오랜 역사는 계속 바뀌어 왔다. 과거에 미국은 초고층 건물들과 최장 교량들로 유명했다.
이제 미국은 세계 최대 규모의 생태계 복원과 세계 최장 핵폐기물 저장 시설 건설에 착수했다. 물론 실제 시공되기 보다는 구상만 된 대규모 프로젝트들이다. 다음은 대규모 공학 프로젝트들로 일부는 진행중이고, 일부는 구상 단계이다. 칼 호프만은 파퓰러사이언스지 고정 기고가로 워싱턴 D.C에 거주하고 있다.
우주공간 엘리베이터
대상 : 수중 해양 터널과 초음속 열차
장소 : 뉴욕 - 런던
비용 : 880억 달러 - 1천750억 달러
특징 : 대서양 해저 45~90미터에 띄워진 채 해저에 닻으로 고정된 수중부양 진공 터널로 자기부상 열차가 최고 시속 6천400㎞로 통과할 수 있다.
● 신기하면서도 대담한 이 아이디어는 뉴욕시 펜 기차역에서 열차를 타고 한 시간 후에 파리와 런던, 또는 브뤼셀에 도착하는 것이다. “공학적 관점에서만 본다면 크게 걸림돌이 될 만한 것은 없다”고 MIT 해양공학 교수를 지낸 언스트 프랑켈이 말한다.
프랑켈과 전직 MIT 연구원이자 영국해협 터널 스터디 그룹 초기 멤버였던 프랭크 데이빗슨의 구상대로 수중부상 터널 구간들을 대서양 해저 45~90미터에 가라앉힌 채 해저에 닻으로 고정시킴으로써 깊은 해저에서의 높은 압력을 피할 수 있었다. 그런 다음 공기를 빼내 진공을 만든 후 자기 펄스를 교차시킴으로써 자기부양된 열차를 시속 6천400㎞까지 가속시켜 한 시간만에 대서양 횡단이 가능하도록 한다.
프랑켈과 데이빗슨의 말처럼 가능한 얘기다. “매일 대서양을 가로질러 파이프와 케이블이 설치되고 있습니다”라고 프랑켈이 말한다. “최근 노르웨이에서는 깊숙한 피오르드를 횡단용 잠수부양형 터널을 검토해 봤는데 비용 때문에 취소했습니다.”
비용 얘기를 하자면 터널 1마일당 추산되는 시공 비용이 2천500만 달러에서 5천만 달러까지 다양하다. 또 다른 장애물은 안전이다. 하지만 시범을 보여주면 우려가 줄어들 거라고 데이빗슨은 믿는다.
“온타리오호 횡단 터널 정도면 역동적인 상황에 터널이 어떻게 반응하는지 알 수 있어 비용을 좀 더 확실하게 산정할 수 있을 겁니다”라고 그가 말한다. “대서양 횡단 터널은 시공이 될 겁니다. 달에 가는 것만큼 이런 터널 건설에도 관심을 가져야 합니다.”
야자수·세계지도 인공섬 건설
대상 : 세계 최대 인조 연안 섬들
장소 : 두바이, 아랍 에미레이트 연맹
비용 : 35억 달러
특징 : 거대한 야자수 모양으로 건설되는 두 섬. “둥치” 부분은 길이가 8㎞이고, 17갈래로 갈라진 잎은 최장 100미터에 달한다. 세 번째 섬은 평평한 세계지도 모양이다. 재료는 42억 입방 피트의 모래와 5천만 톤의 바위이다.
● 1975년만 해도 두바이의 한가로운 어촌에는 고층 건물이 한 개도 없었다. 하지만 오일 달러와 원대한 야심에 찬 아랍 에미레이트 연맹의 사업 자본이 쏟아져 들어와 중동의 오즈로 거듭나는 데 아낌없는 투자를 하고 있다. 첫 번째 작품은 5㎞연안에 건설되고 있는 거대한 야자수 모양의 두 섬이다. 각각 8㎞의 둥치로부터 길이가 최대 100미터에 달하는 잎이 뻗쳐 나와 있고, 각 잎 부분에는 현란한 빌라와 호텔, 해상공원과 쇼핑시설들이 건설된다.
첫 번째 섬은 2년간의 공사 끝에 2003년 말에 완공되었다. 엔지니어들은 이 섬의 모양을 GPS 조사를 통해 2㎝의 오차로 작성했다. 7척의 준설기가 30㎞ 원안까지 나가 5천200-2만2천입방 야드짜리 운반선을 매시간 가득 채운다. 이 운반선들은 20억 입방피트가 넘는 모래를 실어서 지정된 지역에 가져다 붓는다. “방파제로부터 보호도 받지 못한 채 일을 시작해야 했기 때문에 해수면으로부터 4미터 아래에 섬을 건설했습니다”라고 네덜란드 해양 계약 회사 반 우드 ACZ 기술 소장인 마크 린도가 말한다. 한 개에 5톤짜리 바위 900만톤으로 야자수를 만든 다음 린도는 최종 높이를 해수면보다 4미터 높이까지 올렸다.
린도에게 야자수 섬은 두 번째 작품이지만 그는 이보다 훨씬 규모가 큰 섬 250개짜리 군도 건설 프로젝트에 착수했는데, 세계라고 불리는 이 군도는 지구의 대륙들 모양를 본따 만들어진다. 폭이 8㎞로 2억 입방 피트의 모래와 3천만 톤의 바위가 필요하다. “엄청납니다”라고 린도가 말한다. “유럽이나 미국에서도 그런 프로젝트 연구와 설계에만 10년이 걸릴 겁니다. 하지만 두바이에서는 얘기가 다릅니다. 우리는 계획과 동시에 작업을 진행하거든요.”
세계 최고층 버제이 두바이
대상 : 세계 최고층 건물
장소 : 두바이, 아랍 에미레이트 연맹
비용 : 10억-20억 달러
특징 : 시속 190㎞의 강풍에도 견딜 수 있는 600미터짜리 건물
● 야자수나 세계 지도 모양의 섬들이 있어도 높이서 내려다 볼 수 없다면 무슨 소용이 있을까? 두바이에 세계 최고층 건물을 지으려는 열망은 대단해서 버제이 두바이의 개발업체들은 건물의 높이와 층수, 그리고 추정 가격을 일체 비밀에 붙인 채 잠재적인 경쟁자들을 제압하려 하고 있다. 좀 더 자세히 말하자면 버제이는 “현존하거나 설계중인 어떤 건물보다도 훨씬 높은 건물이 될 것”이라고 스키드 모어, 오윙스 & 메릴사의 동업자이자 버제이의 구조설계 책임자인 윌리엄 베이커가 말한다.
초기 설계도상에서는 이 대규모 주거 및 호텔용 건물의 높이가 600미터가 넘었다. 그 정도 높이면 보트 뒤에서 발생하는 것과 같은 소용돌이 현상이 최고층에서 발생한다. 공기가 시속 180㎞ 정도의 속도로 타워 주변을 스치면 저기압 지역이 한쪽에 형성되고 다른 쪽에서는 공명파라는 진동이 발생해 구조물을 정신없이 흔들어 댈 수도 있다. 이같은 현상이 1940년 워싱턴주의 수치스런 타코마 내로우즈 교량에서 발생했었다.
가웅으로 케이블 한 개가 끊어지면서 세계에서 세 번째로 긴 현수교가 요란한 소리를 내며 무너졌던 것이다. 엠파이어 스테이트 빌딩과 같이 오래된 초고층 건물들이 상대적으로 안전한 이유는 강철로 지어졌기 때문이다. 하지만 이보다 두배나 더 높은 건물을 지으려면 충격 흡수력이 훨씬 높은 구조가 필요하다. 버제이는 고로 슬래그 시멘트와 고밀도실리카제를 포함한 타설 콘크리트로 시공된다. 이 재료는 주철만큼 강하지만 콘크리트 내의 자연스런 균열로 에너지를 분산시키는 변성 때문에 파손에 대한 저항력이 더 강하다.
하지만 건물이 높을수록 유연성은 높아지면서 균열점에서 휘어질 가능성이 증가한다. 광범위한 컴퓨터 및 풍동 시험의 지원을 받아 SOM은 바람을 분산시키기 위해 수많은 후퇴부와 연결부로 구성된 건물을 설계했다. “이 건물에는 18가지의 서로 다른 측면이 존재하는데, 각 면마다 와류 진동수가 서로 다릅니다. 만약 그렇게 하지 않으면 이물은 그냥 한쪽으로 쓰러져 버릴 것입니다.”라고 베이커가 말한다. 건물이 서 있도록 하는 것은 초고층 건물이 안고 있는 여러 가지 문제들 중 첫 번째 문제에 불과하다. 버제이는 토대가 비교적 작기 때문에 단 한 개의 1만1천볼트짜리 전력선이 건물 전체에 분산되어 있는 변압기들을 거쳐가야만 한다.
두바이에 비치는 직사광선 때문에 창문을 특수 코팅해야 한다. 수압 문제 때문에 몇 군데로 펌프 지역을 분산시켜야 한다. 이동 시간을 최소화하기 위해 엘리베이터들은 분당 100미터로 움직여야 한다. 올라갈 때만 그렇다. “내려올 때는 훨신 더 천천히 움직여야 합니다. 그렇지 않으면 사람들 고막이 모두 터져버리기 때문입니다”라고 기계 및 전기 설비를 담당하는 SOM의 동업자인 레이몬드 클락이 말한다.
우주공간 엘리베이터
대상 : 무거운 짐을 우주로 운반하는 엘리베이터
장소 : 적도 지역 태평양
비용 : 100억 달러
특징 : 10만 킬로미터짜리 케이블 한 쪽을 우주에 “고정”하고 다른 한 쪽은 태평양의 플랫폼에 부착해 레이저 추진 승강기로 최대 5톤까지의 화물을 운반한다.
● 인간이 최초로 달에 발을 디딘 후 34년이 지난 지금도 저렴하고 신뢰할 만한 지구궤도 진입 기술은 요원해 보인다. 우주왕복선의 1회 비행 비용은 5억 달러이고, 무인 화물을 쏘아올리는 비용은 1㎏당 2만4천달러에 달한다. 공상과학 소설 작가들은 오랫동안 하늘로 올라가는 엘리베이터를 상상해왔지만 까다로운 물리적 문제가 항상 걸림돌이 되었다. 지구 궤도 높이까지 뻗칠 정도로 가볍고 튼튼하면서 자중으로 떨어져 내리지 않을 만한 물질은 지구상에 존재하지 않기 때문이다.
로스 알라모스 국립 천문대에서 연구중이던 물리학자 브래드 에드워즈는 90년대 말 한 동료가 그런 엘리베이터는 300년이 지나도 못 만들거라는 얘기를 지나가며 들었다.
하지만 에드워즈는 가얼보다 60배나 강한 초미세 탄소 구조물인 탄소섬유에 대해 잘 알고 있었다. 그는 간단한 계산을 몇 가지 해보고는 왜 우주 엘리베이터 제작이 불가능한지 이유를 알 수가 없었다. 작년에 에드워즈는 웨스트 버지니아 페어몬트 소재 과학 연구소의 연구소장이 된 후 NASA의 첨단 기술 연구소로부터 계획안 작성 지원금으로 50만 달러를 받았다.
에드워즈의 설계에 따르면 로켓이 3만5천㎞ 상공까지 올라가 “닻” 위성을 발사하면 이 위성이 10만 킬로미터 상공까지 올라가면서 탄소 나노튜브 합성섬유 리본을 풀어낸다. 이 리본이 지상에 떨어지면 기술자들이 이것을 적도에 떠있는 플랫폼에 고정시킨다. 우주에서 작용하는 원심력이 밧줄을 팽팽하게 한 채 지구에서 볼 때 정지한 것처럼 유지된다. 지상에서 발사되는 레이저로 추진되어 최대 5톤의 화물 운송이 가능한 전기식 엘리베이터들이 이 케이블을 따라 오르내린다. 최대 난제는 현재까지 생산된 가장 긴 나노튜브의 길이가 수 마이크론에 불과하다는 점이다.
하지만 나노튜브를 에폭시 접착제와 섞어 이 혼합물을 낚싯줄처럼 뽑아내 “원하는 길이만큼 만들어낼 수 있다”고 에드워즈는 주장한다. 또다른 두 가지 큰 장애물은 허리케인이나 운석, 부식성 산소 원자에 이 케이블이 견딜 수 있도록 하는 것과 레이저 추진기를 개발하는 일이다. “공학적으로 만만치 않은 과제입니다”라고 에드워즈는 말한다. “곤란한 점들이 있겠지만 물리적으로 못 만들 이유도 없습니다.”
최장 현수교 메시나 다리
대상 : 세계 최장 현수교
장소 : 시실리 섬과 이태리 본토 연결
비용 : 50억 달러
특징 : 3.2㎞짜리 단일 스팬. 10차선 교량으로 리히터 스케일로 최고 7.1의 강진 발생시 90㎝까지 휘어질 수 있다.
● 포에니 전쟁동안 로마 집정관인 가이우스 세실리오 메텔로는 코끼리들이 나무 교량을 건너 시실리로 진군하도록 하고 싶었다. 1870년에 3.2㎞짜리 터널로 섬과 본토를 연결하자는 제안이 있었다. 1971년에는 섬과 본토를 영구히 연결하는 방안이 “전반적인 국민들의 관심사”라고 발표되었다. 하지만 이 지역의 100군데나 되는 지진학적 진원지, 그중에서도 메시나 해협을 바로 관통하고 있는 네 곳과 강풍 및 해류 때문에 오랫동안 공사에 많은 장애가 따랐다.
이탈리아 수상 실비오 버루소니는 2002년 마침내 교량을 건설하겠다고 선언했지만 대공사가 될 전망이다. 컴퓨터 모델링 기술의 발달로 가볍고 강한 구조를 설계할 수 있어 본토와 섬에 세워진 300미터 높이의 타워들에 걸친 직경 1.2미터짜리 케이블에 길이 3.2㎞짜리 10차선 단일 스팬 교량 건설이 가능하다. 이 스팬은 현재 세계 최장 스팬 기록을 보유하고 있는 일본 아카시 가이쿄 현수교보다 66퍼센트가 더 길다. 지상에 타워를 설치함으로써 거센 물살 속에 토대를 세우는 문제를 해결할 수 있다. 더구나 현수교는 지진 발생시 스팬이 10미터까지 신축적으로 변화할 수 있다.
하지만 현수교는 바람과 다리 위를 지나는 대형 트럭 및 열차에 취약하다고 카레드 마무드가 말한다. 그는 뉴욕 소재 엔지니어링 회사인 하디스티 & 하노버사의 롱스팬 교량 설계소장으로 1969년 메시나 교량 설계를 처음 시작했었다. 컴퓨터와 풍동 모델을 이용해 엔지니어들은 강철 상자 교량 단면도를 설계했는데, 이것은 바람을 굴절시켜 고층 건물을 붕괴시키는 것과 같은 와류의 흐름을 완화시킨다.
대규모 인조 운하
대상 : 해안 침식을 막는 인조 운하
장소 : 루지애나 해변
비용 : 20억-30억 달러
특징 : 미시시피강 연안의 폭 300미터, 깊이 180미터의 운하. 160㎞에 걸쳐 초당 20만 입방 피트의 물 운반 가능.
● 수년간의 개발로 파괴된 것을 엔지니어들이 다시금 복구하거나 치유할 것이다. 오랜 세월 동안 거대한 미시시피 강은 삼각주에 퇴적물을 쌓으면서 침식된 지역을 복원하고 새우와 조개가 번식하는 만과 섬들을 형성하며 해안 저지대를 태풍과 홍수로부터 보호해 주었다. 하지만 석유 및 천연가스 발굴 회사들이 삼각주 전역에 운하를 파 송유관을 매설하고 미 공병대에서 강물의 수위 조절을 위해 강변을 따라 제방을 쌓았다. 운하들로 인해 자연적인 속도보다 침식이 더 잦아졌고 제방으로 인해 강의 모래 대부분이 한 곳으로만 빠져 나가면서 침식지 복원 기회가 제약을 받게 되었다.
현재 수백만 톤의 퇴적물이 대륙으로부터 멕시코만 깊은 곳으로 쓸려 나가 사라지면서 잘 보존되었던 루지애나의 유명한 만들이 지구상의 어떤 생태계 지역보다도 빠르게 사라지고 있다. 그런데 제시된 해결책은 역설적이게도 또 다른 운하를 파는 것이다. 세 번째 델타 컨베이언스 운하는 1~1.2미터 깊이에 폭 100미터, 길이 160㎞에 이르는 운하로 초당 2만 입방 피트의 물을 걸프만으로 흘려 보낸다.
20~60년에 걸쳐 이 운하는 폭 300미터, 깊이 1.5~1.8미터가 될 때까지 침식을 계속해 초당 20만 입방 피트의 물이 흘러 루지애나의 방벽 섬들 둘레에 충분한 퇴적물을 공급해 늪지대가 형성되도록 한다. “대부분의 유도 운하에서는 퇴적물이 목적한 지역에 도달하기 보다는 중간에 모두 유실됩니다”라고 이 프로젝트 관리 소장인 루지애나 주립 자원관리국의 밥 로버트는 말한다. 이 운하가 우리가 원하는 대로 침식이 되어 관리가 가능해질까요? 아직은 모르죠.”
핵 폐기물 저장고
대상 : 방사능 핵폐기물을 1만년간 저장하는 시설
장소 : 네바다주 유카산
비용 : 580억 달러
특징 : 약 100㎞의 터널에 접근로와 스테인리스 스틸 폐기물 관을 보관하는 터널로 구성. 문형탑과 크레인, 궤도차량들로 이루어진 로봇에 의한 수송 시스템.
● 방사능이 강한 핵폐기물 7만 메트릭 톤을 1만년 동안 처분하는 일은 어떤 문제보다도 어려운 공학적 과제라 할 수 있다. 이미 이 위험한 폐기물들 중 4만3천메트릭 톤은 잠정 보관중인데, 미국 전역의 103개 핵발전소에서 매년 3천 메트릭 톤의 폐기물이 추가로 발생한다.
그런데다 듣기만 해도 움찔한 1만년이라는 숫자는 보수적으로 잡은 수치이다. 플루토늄의 반감기는 2만4천년이므로 방사능에 오염되지 않고 이 덩어리를 만지려면 실제로는 24만년이 지나야 한다. 20년 전에 미국 과학자들은 핵 폐기물 저장에 딱 알맞은 장소인 유카 산을 발견했다. 라스베가스 북서쪽으로 160㎞ 떨어진 곳에 있는 건조하고 외진 유카산은 지정학적으로도 안정적인데다 정부 소유였다.
하지만 그 이후 몇년 동안 과학자들과 엔지니어들은 굴착하고 조사하며 이 산의 모든 지질학적 성분을 분석하면서 50달러를 소모했는데 수수께끼는 점점 더 커져만 갔고 정치적 반대도 점차 거세졌다. 한 가지 중요한 발견 사실은 이 산에 원래 생각했던 것보다 더 많은 물이 존재할 가능성이 있어, 이 물에 침식된 폐기물이 수표에까지 도달할 위험이 있다는 점이었다. 즉, 유카산의 자연적 보루만큼이나 인공적인 차단벽 설치 공사가 중요하다는 의미였다. 만약 핵규제 위원회에서 2009년에 유카산을 폐기물 저장소로 인가해 주면 300년짜리 프로젝트의 첫 단계가 2010년에 시작된다.
먼저 100㎞짜리 진입구와 매설 터널을 75미터 간격에 최대 직경 7.5미터로 300미터 지하에 굴착해야 한다. 폐기물이 트럭이나 열차로 도착하면 길이 5.7미터, 폭 2.1미터짜리 스테인리스 스틸 관에 담겨 C22라는 부식 방지용 고농도 니켈 합금으로 코팅 처리된다. 하지만 입관이 되어도 80톤짜리 “폐기물 포장용기”는 방사능이 강해 82 가량 된다. 이 때문에 로봇이 입관하고 크레인으로 조작해 터널 아래 최종 안치 장소로 보낸다.
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