금속 수소(Metallic Hydrogen)는 극한의 고온·고압 환경에서만 존재하는 특수한 물질이다. 1935년 유진 위그너(Eugene Wigner)와 힐러드 헌팅턴(Hillard Huntington)에 의해 처음 이론적으로 예측되었다. 이후 과학자들은 실험을 통해 금속 수소의 존재를 증명하고, 그 성질을 규명하는 연구를 지속해 왔으며, 다이아몬드 앤빌 셀(Diamond Anvil Cell, DAC)과 같은 초고압 실험 장비가 발전하면서 금속 수소의 성질을 연구할 수 있는 기회가 증가하게 되었다. 이번 글에서는 고온·고압 실험을 통해 밝혀진 금속 수소의 주요 특성과, 이를 활용할 수 있는 가능성에 대해 알아보고자 한다.
금속 수소의 주요 성질
금속 수소는 일반적인 금속과 마찬가지로 자유 전자를 가지고 있으며, 전기 전도성이 뛰어나다. 일부 연구에서는 금속 수소가 상온 초전도체로 작용할 가능성도 있다고 주장하기도 한다. 2020년에는 일부 실험에서는 금속 수소가 섭씨 15도에서도 초전도성을 보일 수 있다는 결과를 발표한 바도 있었다. 만약 금속 수소가 상온 초전도체라면, 이는 에너지 전송 및 저장 기술에 혁신을 가져올 수 있을 것이다. 그러나 아직은 기대 사항이다. 금속 수소는 일반적인 분자 수소보다 훨씬 많은 에너지를 저장할 수 있어서 높은 에너지 밀도를 가진다는 특성이 있다. 이는 차세대 로켓 연료로 활용될 수 있으며, 기존 연료보다 훨씬 높은 추진력을 낼 수 있을 것으로 기대한다. 금속 수소가 안정적으로 저장 되거나 활용될 경우, 미래의 에너지 저장 시스템에도 매우 중요한 역할을 할 수 있다. 금속 수소는 현재까지 극한의 압력(약 400~500 GPa)에서만 존재할 수 있는 것으로 알려져 있다. 두 개의 다이아몬드로 초고압을 생성하여 물질의 변화를 연구하는 장치인 다이아몬드 앤빌 셀(DAC) 실험에서는 495 GPa(약 500만 기압)에서 금속 수소가 생성된 사례가 보고되었다. 하지만 압력이 낮아지면 원래의 분자 상태로 되돌아가는 성질이 있어, 이를 더 낮은 압력에서도 안정적으로 유지하는 기술이 필요한 상태이다.
고온·고압 실험을 통해 밝혀진 사실들
2017년, 하버드 대학교의 아이작 실베라(Isaac Silvera) 교수 연구팀은 495 GPa(500만 기압)에서 금속 수소를 생성하는 데 성공했다고 발표했다. 하버드대 연구진은 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)을 이용해 초고압을 가한 후, 금속 특성을 가진 수소를 관찰했다고 주장했다. 하지만 이후 다른 연구팀에서 이 실험을 재현하지 못하면서 논란이 되고 있는 상태이다. 금속 수소는 전기 저항이 없는 상태(초전도성)를 가질 가능성이 높아서 차세대 전력망 기술에 혁신을 가져올 수 있다. 초전도체는 전력 손실 없이 전류를 전달할 수 있어, 초전도 케이블, 양자 컴퓨팅, 자기부상열차 등에 충분히 잘 활용될 가능성이 있다. 금속 수소가 실온에서 초전도성을 가지게 된다면, 냉각 장치 없이도 초전도체를 사용할 수 있어 전력망 및 에너지 산업에 획기적인 변화를 가져올 수 있을 것으로 기대한다. 과학자들은 금속 수소 연구를 통해 목성, 토성 같은 가스 행성 내부의 물리적 특성을 이해하려 하고 있다. 목성의 내부는 수천 GPa의 압력과 수만 도의 온도에 달하며, 내부가 금속 수소로 이루어져 있을 가능성을 충분히 예상해 볼 수 있다. 이를 실험실에서 재현하면, 행성 자기장의 형성 과정과 구조를 분석하는 데 도움이 될 수 있다.
금속 수소의 활용 가능성
금속 수소가 안정적으로 생성되어 유지된다면, 초전도 분야, 로켓 연료 및 에너지 분야 그리고 행성 연구 및 신소재 분야 등 다양한 분야에서 획기적인 변화를 가져올 수 있다. 앤빌셀로 연구되었던 금속 수소가 상온에서 초전도성을 가지게 된다면, 전력 손실이 거의 없는 전력망 구축이 가능해진다. 이것은 초고속 컴퓨팅, 자기부상 열차, MRI 장비 등에서 획기적인 기술 발전이 이루어질 수 있을 것으로 기대되는 부분이다. 그리고 금속 수소의 경우 일반적인 수소보다 훨씬 높은 에너지를 저장할 수 있기 때문에, 로켓 연료로 활용될 경우 항공우주 산업에 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한, 재생 가능한 에너지원으로도 활용될 가능성이 높으며, 차세대 에너지 저장 기술의 핵심이 될 수 있다. 더불어 고압 물리학 및 지구과학과 행성 연구 분야에서도 활용될 수 있다. 특히 목성과 같은 거대 행성 내부의 조건을 실험실에서 재현하는 데 기여할 수 있으며, 이를 통해 우주 탐사와 천체 물리학의 발전에 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다. 초고압 환경에서는 새로운 물질이 발견될 가능성이 충분하기 때문에 이를 통해 차세대 신소재가 개발될 수 있을 것으로 기대된다. 금속 수소의 연구 과정에서 고압·고온 환경에서만 생성되는 새로운 형태의 물질을 발견할 가능성도 충분하다.
정리해 보면, 금속 수소는 고온·고압 환경에서만 존재하는 특수한 물질로, 전도성, 초전도성, 높은 에너지 밀도 등의 특징을 가지고 있다. 2017년 이후 일부 실험에서 금속 수소의 존재 가능성이 확인되었지만, 이를 안정적으로 유지하고 활용하는 데는 여전히 많은 기술적 과제가 남아 있다. 현재 과학자들은 금속 수소의 초전도성 검증, 안정적인 보관 방법 연구, 행성 연구와의 연관성 분석을 위해 다양한 실험을 진행하고 있다. 만약 금속 수소가 상온에서 초전도성을 가지게 된다면, 이는 에너지 산업과 전력망 기술에 혁신을 가져올 가능성이 크며, 로켓 연료, 신소재 개발, 우주 탐사 등 다양한 분야에서 활용될 가능성이 매우 높다. 금속 수소에 대한 앞으로의 연구가 어떻게 전개될지 기대하면서 글을 마친다.