우주는 거의 전부가 플라즈머

물리학에서 물질은 그들의 상태에 따라 고체, 액체, 기체, 플라즈머(plasma 플라스마) 4가지로 나눈다. 이를 ‘물질의 제4 형태’라고 말한다. 예를 들어 수소(기체)의 온도를 매우 높이면 (에너지를 주면), 수소 핵(H+)과 전자(-)로 분리되어 섞여 있게 된다. 이것은 ‘전하를 가진 수소의 기체 상태’ 즉 ‘수소 플라즈머’가 된 것이다. 그래서 플라즈머는 일반적으로 ‘전하를 가진 기체’라고 말한다.

세상의 모든 물질(원자나 분자)은 수소만 아니라 어떤 것이든 플라즈머가 될 수 있다. 플라즈머는 기체가 변형된 상태이지만 기체일 때와는 전혀 다른 ‘제4의 물질’이 된다. 플라즈머는 전하를 가지고 있기 때문에 전기를 통할 수 있고, 자기력(磁氣力)에 반응하여 이끌리기도 한다.

우리가 자연계에서 흔히 접할 수 있는 플라즈머는 고온의 번개와 오로라(극광)이다. 그리고 쉽게 볼 수 있는 인공적인 플라즈머는 형광등과 네온사인 그리고 벽걸이 텔레비전(LCDs, OLED)의 모니터(PDP, plasma display pannel) 속에서 빛을 내고 있다. 인공적으로 플라즈머를 형성할 때는 고온을 사용하기도 하고(고온 플라즈머), 저온으로(저온 프라즈머) 만들기도 한다. 인공적인 프라즈머로 가장 유명한 것은 아마도 KSTAR로 불리는 한국형 핵융합로 내부의 고온 플라즈머일 것이다. 핵융합로에서는 내부 온도를 1억도 이상으로 높이고 있다.

태양풍(solar wind) 플라즈머

초고온의 태양으로부터 비처럼 사방으로 쏟아져 나가는 ‘전하를 가진 입자의 흐름’을 태양풍이라 한다. 태양의 중심부 온도는 약 1,500만℃이다. 이런 고온은 수소와 헬륨의 핵융합반응에서 나온다. 그런데 내부와 달리 태양 표면의 온도는 약 6,000℃(흑점은 4,000℃)이고, 신비스럽게도 태양 주변의 대기(코로나)는 1,000만℃나 된다. 이 때문에 수소와 헬륨은 고에너지를 가진 이온(플라즈머, 태양풍)이 되어 태양의 중력을 벗어나 태양계 전체로 방사되는 것이다. 북극지방 하늘에서 볼 수 있는 극광은 태양풍의 영향으로 생겨난다.

태양 주변의 대기(코로나)가 왜 그렇게 뜨거운지 그 이유는 아직 확실히 모른다. 태양을 탐사하는 우주선들의 임무 중에는 그 이유를 밝히는 것도 포함되어 있다.

프라즈머로 추진하는 이온엔진(이온로켓)

로켓의 연료를 초고온으로 가열하여 플라즈머 상태로 분사하면, 훨씬 고속으로 달리는 이온로켓이 된다. 이온엔진, 이온로켓, 이온추진체(ion thruster)는 모두 같은 의미이다. 미래의 장거리 비행 우주선에서는 이온추진체를 사용하게 될 전망이다.

이온로켓은 초속 90km로 추진될 수 있다. 이는 지금 사용되는 우주선 로켓보다 10배 이상 빠른 속도이다. 이온엔진의 연료로는 원자번호 54번인 지논(xenon, 크세논)을 사용한다. 지논은 무색무취하며 화학적으로 안전한 기체로서, 대기 중에 극소량 존재한다.

NASA가 소행성 탐사를 목적으로 1998년과 1999년에 발사한 딥스페이스 1과 2 우주선은 이온로켓이었다. 딥스페이스 우주선은 초속 20-50km로 비행했다.

지구상에서 접촉하는 모든 물질은 거의 전부가 고체, 액체, 기체 상태로 존재한다. 그러나 태양과 수많은 별은 수소와 헬륨으로 구성되어 있고, 핵융합반응이 일어나고 있으므로 모두가 플라즈머 상태로 존재하는 것이다. 그래서 우주를 구성하는 물질의 99%는 플라즈머인 것이다. 그런데 과학자들은 이론적으로 설명되고 있는 암흑물질(dark matter)과 암흑에너지(dark energy)도 플라즈머라고 한다. – YS