수심 600미터의 수압, 잠수함은 어떻게 버틸까?

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출처: https://richcat.tistory.com/307253 [리치캣의 현재 그리고 미래:티스토리]

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수심 600미터의 수압, 잠수함은 어떻게 버틸까?

 

2023년 6월 전 세계가 한 잠수정을 찾기 위해 바다를 주시했습니다. 타이타니코의 자네를 보러 떠났던 오션 게이트의 타이탄호였죠. 하지만 시세 끝에 들려온 소식은 비극적이었습니다. 수심 3,800m에 엄청난 압력을 견디지 못한 잠수정이 순식간에 안으로 붕괴되는 내폭 사고가 발생한 겁니다.이 사고는 우리에게 한 가지 서늘한 진실을 일깨워 주었습니다.

 

바다 깊은 곳은 인간이 만든 가장 튼튼한 구조물조차 단 0.1초만에 1초만에 찢어버릴 수 있는 극한의 공간이라는 사실입니다.이 사건은 단순한 사고가 아니었습니다. 바다 깊은 곳이 어떤 공간인지를 그리고 그곳에는 절대로 넘지 말아야 할 선이 존재한다는 사실을 분명하게 보여준 사례였죠. 사실 수심 300m만 내려가도 바닷속 상황은 가혹합니다. 1제곱cm당 약 30kg의 힘이 내리누르죠.

 

손톱만 한 면적에 30kg짜리 아령이 올라앉은 수준입니다.이 정도 압력이면 빈 깡통은 순식간에 납작하게 찌그러지고 사람의 몸은 그보다 훨씬 먼저 무너집니다. 그런데 놀랍게도 그 지옥 같은 압력 속에서 수십명의 사람들이 숨을 쉬고 식사를 하고 심지어 잠을 자는 기계가 있습니다. 오늘은 바다 깊은 곳에서 작동하는 가장 극단적인 기계, 잠수함의 비밀을 파헤쳐 보겠습니다. 일반적인 배는 물에 뜨도록 설계됩니다.

 

선체에 구멍이 뚫려 물이 차오르면 그건 사고이고 그 배는 침몰하죠. 그런데 잠수함은 정반대입니다.이 배는 물을 일부러 받아들이고 스스로 가라앉습니다. 그것도 수백m 아래까지 말이죠. 그리고 임무를 마치면 다시 수면 위로 떠오릅니다.이 모든 과정이 사고가 아니라 계획된 동작이라는 점이 핵심입니다.

 

잠수함은 침몰하는게 아니라 잠수하는 겁니다.이 차이를 만드는 건 단 하나. 부력을 자유자재로 조절할 수 있느냐 없느냐의 문제거든요. 부력이라는 건 물체를 물 위로 밀어올리는 힘을 말합니다. 당신이 수영장에 들어가면 몸이 가벼워지는 느낌을 받는 이유가 바로이 부력 때문이죠.

 

물속에 잠긴 물체는 자신이 밀어낸 물의 무게만큼 위로 떠오르려는 힘을 받습니다. 만약 물체가 밀어낸 물보다 가볍다면 그 물체는 뜨고 무겁다면 가라앉습니다. 아주 단순한 원리죠. 그런데 잠수함은이 원리를 역으로 이용합니다.

 

뜨고 싶을 때는 가볍게 만들고 가라앉고 싶을 때는 무겁게 만드는 겁니다. 그것도 버튼 몇 개만 누르면 말이에요.이 마법 같은 일을 가능하게 하는 장치가 바로 벨러스트 탱크입니다. 잠수함의 외부 선체 안쪽에는 여러 개의 큰 탱크가 설치되어 있는데이 탱크들은 물을 받아들이거나 배출할 수 있도록 설계되어 있거든요. 잠수함이 수면 위에 떠 있을 때는이 탱크들이 공기로 가득 차 있습니다.

 

공기는 물보다 훨씬 가볍기 때문에 잠수함 전체의 밀도가 낮아지고 부력이 생겨서 뜨는 거죠. 반대로 잠수함이 잠수하려면 밸러스트 탱크 바닥에 있는 밸브를 열어서 바닷물을 들여보냅니다. 물이 차오르면서 공기는 위쪽 통풍구로 빠져나가고 탱크가 물로 가득 차면 잠수함의 무게가 증가하면서 자연스럽게 가라앉기 시작합니다. 그런데 여기서 중요한 건 벨러스트 탱크가 완전히 차거나 완전히 비는 것만 가능한게 아니라는 점입니다.

 

물과 공기의 비율을 정밀하게 조절할 수 있거든요. 예를 들어 탱크의 절반만 물을 채우고 나머지는 공기로 남겨 두면 잠수함은 물속에서 중성 불력 상태가 됩니다.이 상태에서는 잠수함이 뜨지도 가라앉지도 않고 정해진 깊이에 그대로 머물 수 있죠. 마치 물속에서 정지해 있는 것처럼 보이는 겁니다. 여기에 트림 탱크라는 작은 탱크들이 잠수함의 앞뒤 무게 균형을 미세하게 조절해서 수평을 완벽하게 맞춥니다.이 능력 덕분에 잠수함은 원하는 깊이에서 오랜 시간 동안 작전을 수행할 수 있습니다.

 

다시 수면으로 올라오고 싶을 때는 어떻게 할까요? 간단합니다. 압축 공기 탱크에서 고압의 공기를 밸러스트 탱크로 불어 넣으면 됩니다. 공기가 들어오면 그 압력으로 물이 탱크 바닥에 밸브를 통해 밭이 바다로 빠져나가고 탱크가 공기로 채워지면서 잠수함은 다시 가벼워져서 수면 위로 떠오릅니다.이 모든 과정이 자동으로 이루어지는 건 아니고 숙련된 승무원들이 밸브와 펌프를 조작하면서 정밀하게 제어하는 거죠. 한 번의 실수로도 잠수함이 예상보다 빨리 가라앉거나 갑자기 떠오를 수 있기 때문에이 작업은 매우 신중하게 진행됩니다.

 

그런데 벨러스트 탱크만으로는 잠수함의 움직임을 완전히 설명할 수 없습니다. 물속에서 수평으로 이동하면서 깊이를 조절하려면 또 다른 장치가 필요하거든요. 그게 바로 자망판입니다. 사망파는 잠수함의 앞쪽과 뒤쪽에 달려 있는 날개 같은 구조물인데 비행기의 날개나 물고기의 지느러미와 비슷한 원리로 작동합니다.

 

잠수함이 앞으로 나아가면 물 흐름이 자망판 위쪽과 아래쪽에 압력 차이를 만들어 내고이 압력 차이가 잠수함을 위나 아래로 밀어 올립니다. 자판의 각도를 조절하면이 힘의 방향이 바뀌면서 잠수함이 올라가거나 내려가죠. 비행기가 날개 각도를 바꿔서 상승하거나 하강하는 것과 정확히 같은 메커니즘입니다. 다만 비행기는 공기 속을 날고 잠수함은 물속을 움직인다는 차이만 있을 뿐이죠.

 

자망판과 밸러스트 탱크가 함께 작동하면 잠수함은 원하는 깊이로 정확하게 이동할 수 있고 그 깊이를 계속 유지할 수도 있습니다. 하지만 여기서 한 가지 중요한 문제가 남아 있습니다. 바로 압력입니다. 물속으로 내려갈수록 물의 무게가 위에서 아래로 눌러대는 힘이 엄청나게 증가하거든요.

 

수면에서는 대기압만 받지만 수심 10m마다 1기압씩 압력이 추가됩니다. 수심 100m에서는 약 11 기압, 300m에서는 약 30일 기압이 되는 거죠.이 이 정도 압력이면 일반적인 물체는 견디지 못하고 찌그러집니다. 잠수함 전체로 보면 압력이 걸리는 면적이 워낙 커서 선체가 버텨야 하는 힘은 상상을 초월합니다. 사람의 몸도 마찬가지로이 압력을 견딜 수 없습니다.

 

그래서 잠수함은 특별한 구조로 설계되어야 합니다. 잠수함에는 두 개의 껍데기가 있습니다. 바깥쪽에 있는 외부 선체와 안쪽에 있는 압력 선체죠. 외부 선체는 유선형 모양을 만들어서 물에 저항을 줄이는 역할을 하고 그 사이 공간에 벨러스트 탱크나 각종 장비들이 들어갑니다.

 

하지만 진짜 중요한 건 압력 선체입니다.이 선체는 두꺼운 강철이나 특수 합금으로 만들어지며 사람이 실제로 생활하는 공간을 감싸고 있거든요. 압력 선체는 원통형으로 설계되는데이 모양이 압력을 가장 균등하게 분산시키기 때문입니다. 구형이 더 좋긴 하지만 내부 공간 활용이 어렵기 때문에 대부분 원통형을 선택합니다. 압력 선체의 두께는 잠수함의 설계 깊이에 따라 달라집니다.

 

일반적인 군용 잠수함은 수심 200m에서 400m 정도까지 잠수할 수 있도록 설계되는데이 정도 깊이를 버티려면 압력 선체는 두꺼운 고장력강으로 만들어지고 설계 깊이에 따라 두께가 크게 달라집니다. 연구용 심의 잠수정은 훨씬 더 두껍고 강한 재질를 사용하죠. 하지만 아무리 튼튼하게 만들어도 모든 잠수함에는 반드시 최대 잠수 깊이라는 한계가 있습니다. 타이탄 잠수 사고가 보여줬듯 압력이라는 자연의 한계는 어떤 재료와 설계도 가리지 않습니다.

 

그 넘지 말아야 할 선을 넘으면 같은 결말이 기다립니다. 반면 현대 군용 잠수함은 검증된 고장력감과 완벽한 원통형 설계로 계산된 한계 안에서이 압력을 견뎌냅니다. 그래서 잠수함 승무원들은 절대로이 한 개선을 넘지 않도록 훈련받습니다. 압력 선체 안쪽은 평범한 대기압이 유지됩니다.

 

그래서 승무원들은 특별한 장비 없이도 숨을 쉬고 움직일 수 있죠. 하지만 바깥은 수십 기압의 압력이 걸려 있고 안쪽은 1기압만 유지되기 때문에 선체에는 엄청난 응력이 걸립니다. 마치 풍선을 물속 깊이 밀어 넣는 것과 비슷한 상황이죠. 풍선은 순식간에 쪼그라들지만 잠수함의 압력 선체는 그 힘을 버텨냅니다.

 

이게 가능한 이유는 재료의 강도와 설계의 정밀함 덕분입니다. 선체의 모든 부분이 균일한 강도를 가지도록 제작되고 용접 부위나 해치 같은 취약한 지점들은 특히 더 신경 써서 보강됩니다. 이제 잠수함이 어떻게 움직이는지 알아봅시다. 대부분의 잠수함은 디젤 엔진과 전기 배터리를 함께 사용합니다.

 

수면 위나 수면 가까이 있을 때는 디젤 엔진을 가동해서 프로펠러를 돌리고 대형 배터리를 충전하죠. 그런데 디젤 엔진은 공기가 필요하기 때문에 완전히 잠수한 상태에서는 사용할 수 없습니다. 그래서 잠수 중에는 배터리에 저장된 전기로 모터를 돌려서 움직이는데 문제는 배터리 용량이 제한적이라는 점입니다. 보통 며칠에서 일주일 정도 사용하면 배터리가 바닥 나기 때문에 다시 수면 근처로 올라와야 합니다.

 

바로이 순간이 가장 위험한 순간이죠. 수면 가까이 올라오면 레이더나 항공기에 포착될 가능성이 급격히 높아지거든요. 스노클로 수면 바로 아래에서 디젤 엔진을 가동해 배터리를 재충전하는 방법도 있지만 스노클 자체가 레이더에 잡힐 수 있어서 완벽한 해결책은 아닙니다. 그래서 등장한게 원자력 잠수함입니다.

 

소형 원자로가 핵분열로 열을 만들고 그 열로 물을 끓여서 증기 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이죠. 원자로는 외부 공기가 전혀 필요 없기 때문에 이론적으로 무한정 잠수 상태를 유지할 수 있습니다. 실제로는 식량과 승무원의 체력 때문에 몇 달에 한 번씩 한구로 돌아가지만 디젤 전기 잠수함처럼 며칠마다 수면 근처로 올라가 적에게 노출될 위험을 감수할 필요가 없다는게 핵심입니다. 물속은 깜깜합니다.

 

햇빛은 수십 수십만 내려가도 거의 사라지고 수백m 아래는 완전한 어둠이죠. 그래서 잠수함은 눈으로 주변을 볼 수 없습니다. 대신 소화라는 장치를 사용합니다. 소화는 음파를 이용해서 주변 환경을 파악하는 장비인데 크게 두 가지 방식이 있습니다.

 

능동 소화와 수동 소화죠. 능동 소화는 소리를 직접 발사해서 그 소리가 물체에 부딪혀 돌아오는 시간을 측정합니다. 돌아온 신호의 시간 차이와 방향을 분석하면 물체의 위치와 거리를 알 수 있죠. 하지만 능동화는 소리를 적극적으로 발사하기 때문에 상대방도 그 소리를 듣고 잠수함의 위치를 알아챌 수 있습니다.

 

그래서 군용 잠수함은 주로 수동 소화를 사용합니다. 수동 소화는 주변에서 들리는 소리를 조용히 듣기만 합니다. 다른 선박의 엔진 소리, 프로펠로 소리, 심지어 바다 생물들이내는 소리까지 모두 감지하죠. 숙련된 소나 담당 승무원은이 소리들을 분석해서 어떤 종류의 배가 얼마나 멀리 있는지, 어느 방향으로 움직이는지까지 파악할 수 있습니다.

 

마치 어두운 방안에서 상대방의 숨소리만으로 위치를 찾아내는 것처럼 긴장감 넘치는 작업이죠. 그래서 잠수함 승무원들은 극도로 조용하게 행동하도록 훈련받습니다. 무거운 물건을 떨어뜨리거나 큰 소리로 말하는 것도 금지되죠. 그 소리가 선체를 통해 밖으로 전달되면 적의 손하에 잡힐 수 있기 때문입니다.

 

물속에서 오랜 시간 생활하려면 산소와 물이 필요합니다. 육지에서는 당연한 것들이 잠수함 안에서는 매우 소중한 자원이 되죠. 먼저 산소부터 봅시다. 사람은 숨을 쉴 때 산소를 들이마시고 이산화 탄소를 내뱉습니다.

 

밀폐된 공간에서는 시간이 지날수록 산소가 줄어들고 이산화 탄소가 쌓이겠죠. 그래서 잠수함에는 산소를 만들어내는 장치가 필요합니다. 가장 일반적인 방법은 전기 분해입니다. 전기로 물을 분해하면 수소와 산소로 나뉘는데 이때 나온 산소를 승무원들이 호흡하는 거죠.

 

수소는 따로 모아서 안전하게 처리하거나 바깥으로 배출합니다. 또 다른 방법은 화학적 산소 발생기를 사용하는 겁니다. 과산화 칼륨 같은 화합물은 물과 반응하면 산소를 방출하는 성질이 있거든요.이 물질을 담은 통에 물을 뿌리면 화학 반응이 일어나면서 산소가 나옵니다. 비상시에 사용하기 좋은 방법이죠.

 

산소를 만드는 것만큼 중요한게 이산화 탄소를 제거하는 일입니다. 이산화 탄소가 공기 중에 너무 많이 쌓이면 사람이 의식을 잃거나 심하면 사망할 수도 있거든요. 그래서 잠수함에는 스크러버라는 장치가 있습니다. 스크러버는 소다 라임 같은 흡수제로 이산화 탄소를 잡아내 공기를 다시 숨쉴 수 있게 만듭니다.

 

이렇게 산소 공급과 이산화 탄소 제거가 계속 반복되면서 잠수함 내부 공기는 숨쉴 수 있는 상태로 유지됩니다. 물도 중요합니다. 사람은 하루에 몇 리터씩 물을 마셔야 하고 씻거나 요리할 때도 물이 필요하죠. 하지만 바닷물은 연분이 많아서 그대로 마실 수 없습니다.

 

그래서 잠수함에는 담수와 장치가 설치되어 있습니다. 바닷물을 끓여서 수중기로 만든 다음 다시 시키면 염부는 남고 깨끗한 물만 얻을 수 있거든요. 또는 역삼 투합 방식을 사용하기도 합니다. 특수한 막을 통해 바닷물을 강하게 압력을 가해 통과시키면 염부는 걸러지고 깨끗한 물만 반대편으로 넘어가는 원리죠.

 

이렇게 만들어진 물은 식수로 사용하거나 요리, 세면 등에 쓰입니다. 물론 물 사용량은 엄격하게 통제됩니다. 승무원 한 명당 하루에 사용할 수 있는 물의 양이 정해져 있고 불필요한 낭비는 허용되지 않죠. 잠수함이 수면 가까이 있을 때는 잠만경을 올려서 밖을 볼 수 있습니다.

 

잠만경은 프리즘과 렌즈를 이용해서 수면 위에 모습을 수면 아래에 있는 사람에게 보여주는 광학 장치입니다. 과거의 잠수함들은 긴 금속 튜브 형태에 전통 광학 잠만경을 사용했지만 최신 잠수함들은 광전자 센서와 카메라를 탑재한 디지털 포토닉 마스터를 사용합니다.이 이 장비는 주변 환경을 촬영해서 내부 모니터에 띄워주고 야간 투시 기능이나 열화상 기능까지 갖추고 있어서 밤에도 주변을 관찰할 수 있죠. 잔망경이 있는 구조물을 세일이라고 부르는데이 세일 안에는 통신 안테나, GPS 수신기, 각종 센서들이 함께 들어 있습니다. 잠수함은 극한의 환경에서 작동하는 기계입니다.

 

수백m 깊이의 어둠 속에서 엄청난 압력을 견디며 산소도 물도 스스로 만들어내고 소리만으로 주변을 파악하면서 조용히 움직이죠.이 이 모든게 가능한 이유는 자연의 법칙을 거스르는게 아니라 자연의 법칙을 정확히 이해하고 그 안에서 움직이기 때문입니다. 부력을 조절해서 가라앉고 강철 선체로 압력을 견디며 전기와 화학 반응으로 생명을 유지합니다. 잠수함이 보여주는 건 인간이 얼마나 적대적인 환경에서도 살아남을 방법을 찾아낼 수 있는지에 대한 증거입니다. 다음에 바다를 바라볼 때 한 번쯤 생각해 보세요.

 

저 깊은 곳 어딘가에서 지금이 순간에도 잠수함이 조용히 움직이고 있을지도 모릅니다. 아무도 보지 못하고 아무도 듣지 못하는 곳에서 말이죠. 그리고 그 안에는 사람들이 있습니다. 숨을 쉬고 일을 하고 임무를 수행하면서요.

 

그들이 안전한 이유는 잠수함이라는 기계가 자연을 이겨서가 아니라 자연과 정확히 계산된 균형을 유지하고 있기 때문입니다. 과학은 그렇게 작동합니다. 위험해 보이는 상황이 반드시 위험한 건 아닙니다. 제대로 이해하고 제대로 준비하면 그 안에서도 우리는 살아남을 수.

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