병 속에서 번개가 치네…입자 가속기 실험 '화제'

한 유튜버가 입자 가속기를 사용해 투명한 아크릴 원통 속에서 번개를 만드는 실험을 진행해 화제가 되고 있다고 과학매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다. 이 야심찬 실험을 진행한 이는 일렉트론 임프레션스(Electron Impressions)라는 유튜버다. 그는 아크릴과 같은 절연체 재료에 고에너지 전자를 주입해 방전이 일어난 경로에 따라 발생하는 이온의 분포를 나타내는 '리히텐베르크(Lichtenberg)' 무늬를 만드는 것으로 유명한 유튜버다. 공개된 영상에서는 병 속에서 나무 모양의 화려한 무늬가 빛나는 모습을 볼 수 있다. 전자들은 재료 내부 깊숙이 침투해 전하를 축적시키고 이후 전하가 방출되면 재료 내부에서 균열이 발생하는데 이 과정에서 나무 모양의 독특한 패턴을 만든다. 언뜻 보면 번개가 병 속에 갇힌 것 같은 모양이다. 지금까지 일렉트론 임프레션스는 주로 평평한 판이나 원반 형태에서 실험했다. 하지만 이번에는 실험 과정을 완전한 원통형 형태로 확장시켰다. 원통 속에서 번개 만든 것은 이번이 처음 원통형 구조에서 균형 잡힌 무늬를 만드는 것이 어려운 이유는 전자가 고체 물질 내부로 침투하는 방식 때문이다. 평평한 아크릴 조각의 경우 전하를 비교적 쉽게 중심부에 집중시킬 수 있지만, 원통형 구조에서는 한 방향에서만 전자를 조사할 경우 무늬가 한쪽 면에만 형성돼 불균형한 결과가 나타난다. 입자 가속기 자체를 회전시킬 수 없었던 만큼, 제작자는 대신 아크릴 원통을 회전시키는 방식을 택했다. 이를 통해 전자들이 중심 축을 기준으로 모든 방향에서 재료 내부로 유입되며, 전하가 방사형으로 고르게 분포되도록 했다. 회전 속도 조절 역시 중요한 변수였다. 원통이 너무 느리게 회전하면 전하가 균일하게 축적되지 않았고, 반대로 너무 빠르게 회전하면 전자 노출량이 부족해졌다. 이에 따라 그는 분당 약 150회 회전 속도로 원통을 돌리며 1~2초의 짧은 노출 시간 동안 전자를 여러 차례 조사하는 방식을 선택했다. 극한 방사선 환경을 고려한 회전 장치 설계 입자 가속기 내부에서 사용할 회전 장치를 설계하는 것도 큰 과제였다. 가속기 내부의 방사선 강도는 최신 전자 장치를 손상시킬 만큼 강하기 때문이다. 제작자는 이를 해결하기 위해 회전 장치의 구조를 최대한 단순화하고, 방사선에 견딜 수 있는 부품으로 시스템을 구성했다. 구동 장치로는 12볼트 납축 배터리(lead-acid battery)로 작동하는 브러시드 DC 모터가 사용됐다. 납축 배터리는 고에너지 리튬 배터리에 비해 방사선 내성이 뛰어난 것이 장점이다. 또한 구조 부품 대부분은 고방사선 환경에서도 안정성이 검증된 검은색 PETG 플라스틱으로 3D 프린팅해 제작됐다. 충전에서 방전까지 실험에 사용된 투명 아크릴 원통은 직경 2인치 크기로, CAD 소프트웨어를 이용해 설계됐다. 실험 도중 파손에 대비해 동일한 원통 두 개를 제작했다. 이후 가속기 챔버에 장착한 뒤, 방사선 차폐 처리가 된 고프로 카메라로 전자가 아크릴에 충돌하며 발생하는 발광 현상을 촬영했다. 원통의 곡면을 통해 내부를 관찰하면 빛의 굴절로 인해 패턴이 실제보다 더 크고 극적으로 보인다. 완성된 작품은 전기 현상이 어떻게 강렬한 3차원 구조로 변모할 수 있는지를 보여주며, 어려운 위업을 뜻하는 '병 속의 번개(lightning in a bottle)'라는 관용 표현이 단순한 비유에 그치지 않음을 잘 보여준다고 해당 매체는 평가했다. ▶ 영상 링크 https://www.youtube.com/watch?v=8a3GfozsU0s