세 가지 중요한 사실
1 레이저 무기는 목표물의 연료나 폭탄을 가열하거나 폭발시키는 기능을 한다.
2 자유전자레이저와 고체레이저가 최적의 음속공격 기술로 떠오르고 있다.
3 무기 분석가들은 2015년쯤이면 무기용 레이저를 실험하기 시작할 것으로 전망한다.
미래의 전쟁을 보면 멋지기까지 하다. 연기와 코를 찌르는 냄새와 귀가 멍멍해 질 듯 한 탄약이 터지는 소리 대신 눈에 보이지 않는 목표에 초점을 맞춘 빛 광선이 등장하게 될 것이기 때문이다.
레이저 무기를 장착해 개조한 747 제트기는 수백 마일 떨어진 곳에 있는 탄도 미사일을 폭파시킬 것이다. 에너지 유도 대포는 공격해 오는 로켓의 폭발물을 가열시켜 공중에서 폭발하게 만들 것이다. 그리고 이것은 레이건 재임시절의 ‘스타워즈 계획’의 잔상이 아니다.
이는 겨우 10여 년 전에 시작된 최근의 계획들이며, 아주 먼 미래가 아닌 곧 실현될 일들이다. 뉴멕시코의 사막에 있는 화이트 샌드 마사일 기지에서는 미 국방부의 전술형 고에너지 레이저가 카츄사 로켓 수십 개와 박격포를 쏘아 떨어뜨렸다. 2004년에는 미 공군과 계약을 맺은 이들이 개조한 747 에어본 레이저에 쓰일 화학적으로 작동되는 빔 무기 시험 발사를 시작했다.
그리고는 현실에 부닥치게 되었는데, 전장에서 레이저를 휘두르고자 쏟은 최근의 이 모든 노력들이 스타워즈 계획만큼 가망이 없어 보이기 시작한 것이었다.
미사일 하나를 폭파하기 위해 필요한 메가와트급 레이저 동력을 양산해 내기 위해서는 에틸렌, 질소 트리플로라이드와 같은 유독성 화학물질이 수백 갤런씩 필요했던 것이다. 이 무기는 점점 그 덩치가 커져 갔다.
더욱 심각한 문제는 레이저 빔을 몇 번 쏘고 나면 새로운 물질을 채워 넣어줘야 한다는 것으로 이 유독성 물질을 전장을 거쳐 또는 항공으로 운반해 가는 군사 작전은 군 장성들이 생각만 해도 오싹한 일이다. 또한 광선이 얼마나 효과적으로 먼지와 비를 뚫고 갈 것인가에 대한 의문도 남아 있다.
지난해 미 국방부는 전술 고에너지 레이저 프로젝트를 취소했으며, 일부에서는 이미 예산을 크게 초과한 747계획도 취소될 것이라고 생각했다.
하지만 아직은 레이저 무기를 열외로 두지는 말라. 엄청난 거리에서 정확하게 발사하는 광선 무기가 가진 잠재력은 군사적으로는 아주 매력적으로 보이는데, 보이지 않는 곳으로 재빨리 자취를 감추는 게릴라와 미국 병사들이 대적하고 있는 현 시점에서 보면 더더욱 그러하다.
“먼지를 일으키거나 총을 발사하는 소음을 내지 않고 목표하는 한 두 사람을 맞출 수 있다면, 재 장전하지 않고 장기간 동안 발사할 수 있다면, 그건 바로 미 해군에서 아주 큰 관심을 가지고 해볼 만한 거죠.”라고 해군의 대령 브래들리 로트가 말한다.
그러나 화학 레이저가 해낼 수 없다면, 무엇이 빔으로 하는 전쟁을 현실로 만들 수 있을까? 이에 대한 답은 두 가지가 있다.
먼저, 미 국방부는 어떤 결과물을 얻기 위해서는 기대치를 낮춰야 한다는 사실을 서서히 깨닫고 있다. 예를 들어, 우선은 박격포부터 쏘아 떨어뜨리고 그 후에 미사일을 공략하는 것처럼 말이다.
이보다 더 중요한 것은 스타워즈 계획 시절의 기술인 고체및 자유 전자 레이저가 전 직장 동료 두 명에 의해 한 실험실에 다시 등장했다는 사실이다.
자유 전자 레이저(FEL) 내부
자유 전자 레이저는 현재 개발 중인 레이저 중 가장 조화로운 레이저이다. 그 광선을 만들어 내기 위해 과학자들은 작은 레이저에서 나오는 빛을 사용하여 분사기 안에 있는 초전도체를 맞춘다[1].
이때 일어나는 상호작용으로 빔의 전자가 발생하여 증폭기로 들어가게 된다[2]. 여기서는 극초단파로 빔을 증폭시켜 전자의 에너지를 늘리게 된다. 광속에 가까운 속력으로 에너지를 받은 빔은 ‘교번자장기(wiggler)’로 들어간다[3].
여기서는 바뀌는 자기장을 사용하여 전자를 흔들게 된다. 전자는 방향을 바꾸면서 광자를 내놓게 되는데 이는 아주 가벼운 입자들로 바로 레이저 빔이 된다. 교번자장기(wiggler)를 일단 통과한 전자들은 ‘전자 배출구’로 폐기된다[4].
그리고 반사경이 모인 곳[5]과 교번자장기(wiggler)를 여러 번 통과하면서 증폭된 광자는 응집된 빔으로[6] 나오는데, 이는 금속 표면을 녹이기에 충분한 위력을 지닌다.
레이저 생성과정 토마스 제퍼슨 국립 증폭 설비에 있는 자유 전자 레이저 구성 요소들은 전투시 사용 가능한 크기로 축소될 것이다.
10키로 와트의 레이저를 만들어 내기 위해 증폭기(맞은 페이지 맨 위)에서는 전자 빔에 115메가 볼트의 극초단파를 가해야 하며, 이렇게 하면 전자 빔의 속도와 위력이 높여진다.
교번자장기[위]는 빔의 1퍼센트를 빛으로 바꾸게 되며, 이는 반사경[사진 좌]이 모인 곳으로 들어가게 된다. 이곳에서 광자의 10퍼센트가 레이저 빔이 되면 남은 90퍼센트는 교번자장기로 들어가 이 과정을 계속하게 된다.
광속으로 도약
레이저는 모두 거의 똑같은 방식으로 작용한다. 어떤 종류의 원자를 자극하면 가벼운 입자, 즉 광자가 발산된다.
그 빛을 다시 자극을 가한 원자에 비추면 더 많은 광자가 나온다. 그러나 모든 방향으로 빛을 비추는 전등과 달리 이 두번째 광자 그룹은 첫번째 그룹과 일렬로 이루어 한 방향으로 움직인다. 초점을 맞춘 빛을 충분히 비춰주면 물체들은 타기 시작한다.
1960년대 최초의 레이저 실험에서는 매개로 루비 결정을 사용했었다. 그러나 이 같은 고체 레이저는 기껏해야 몇 백 와트의 위력밖에 내지 못했다.
그 정도면 눈 수술을 하기에는 충분하다. 군 당국에서 시작 당시 해내리라 기대에 찼던, 미사일을 쏘아 떨어뜨리는 일에는 수백만 와트의 동력이 필요하며, 이러한 이유로 연구자들은 결국은 실패하고 말았다.
하지만, 레이저 종류에는 유독성 화학물질 수십 통이나 크리스털 등 없이도 빔을 낼 수 있는 것이 있다. 이는 자유 전자 레이저(FEL)로, 터보차저(turbocharged)된 전자들의 흐름만 있으면 그 작용을 시작할 수 있다.
바로 이러한 형태의 레이저가 스타워즈 계획의 미사일 방어 프로그램에서 우세를 보이고 있었으며, 이는 다름 아닌 과학자 조지 닐과 밥 야마모또가 방위산업체인 TRW를 위해 극비리에 진행해온 일이였다.
이는 고위층의 기대로 인해 완전히 망가져 있었다. 그러나 이 계획의 수석 과학자인 닐과 프로젝트의 엔지니어였던 야마모토 둘은 모두 이에 대해 확신을 가지고 있었다.
이들은 충분한 연구만 이루어진다면 자유 전자 레이저가 고약한 미사일을 막아낼 수 있으리라 생각했다. 또한 원자 물리학, 광학, 초반도체에서 필요로 하고 있던 그 획기적인 발견은 비록 대륙 탄도 미사일을 하나도 공격하지는 못하더라도 광범위한 범위에서 혜택을 가져오게 될 것이다.
그러나 10년이 지나고 50억 달러가 투자되었지만, TRW 실험실에 있는 자유 전자 레이저가 내놓은 최고치는 11와트에 불과했다. 이는 전등의 10분의 1정도 수준이다.
그 후 10, 20 메가와트의 위력을 내겠다는 약속이 계속되는 가운데 수년이 흐른 후, 미 국방부는 1989년 마침내 계획을 취소하기로 결정을 내렸고 스타워즈 계획은 터무니없는 형태로 중지되어 막을 내리게 되었다.
닐은 특히나 터무니없는 계획이 프로그램의 실패를 가져왔고, 그의 유도 에너지 웃음거리로 만들었다고 분노하였다. 그 후 수년간 과학 학술 대회에서 닐은 자유 전자 연구를 다시 부활시킬 것을 주장하였다.
“사람들은 저희가 제정신이 아니며 이 기술은 실현 불가능한 것이라 생각했죠. 그리고 사실 그대로의 증거만 보자면 그들이 옳았다.”라고 그는 말한다.
한편 밥 야마모토는 스타워즈 계획 소동이 있고 난 이후, 15년간 군사 계획과는 아예 거리를 두고 살았다. 그는 자유 전자 레이저 분야에서 TRW의 협력업체인 로렌스 리버모어 연구소에 일자리를 얻어 에너지 실험을 위한 자석을 만들었다.
이 연구소는 그가 자라고 대학을 마친 캘리포니아 버클리와 가까운 거리에 있어, 그가 교대근무를 하면서 친구들과 함께 자동차 경주와 도요타와 대트선과 같은 수입차를 개조하는 일을 계속할 수 있는 기회를 주었다.
바로 이 사실과 그의 이전 레이저 경력 덕분에 그는 2003년에는 미 국방부가 5천만 달러를 지원하는 고체 레이저 프로젝트를 이끄는 임무를 맡게 된다.
야마모토는 자유 전자 레이저만큼이나 고체 기술에 대해서도 편하게 느꼈으며, 이는 그 분야로의 흥미로운 재진입임을 의미했다.
“유도 에너지 무기에 대한 공약은 30년 넘게 있어왔습니다. 저는 이 구역에서 처음으로 ‘우리가 해냈습니다’라고 말하는 사람이 되고 싶습니다.”라고 그는 말했다.
토마스 제퍼슨 국립 증폭 설비에 있는 자유 전자 레이저 구성 요소들은 전투시 사용 가능한 크기로 축소될 것이다.
10키로와트의 레이저를 만들어 내기 위해 증폭기(맞은 페이지 맨 위)에서는 전자빔에 115메가 볼트의 극초단파를 가해야 하며, 이렇게 하면 전자 빔의 속도와 위력이 높여진다.
교번자장기는 빔의 1퍼센트를 빛으로 바꾸게 되며, 이는 반사경 이 모인곳으로 들어가게 된다. 이곳에서 광자의 10퍼센트가 레이저 빔이 되면 남은 90퍼센트는 교번자장기로 들어가 이 과정을 계속하게 된다.
총구 아래에서
야마모토의 새로운 고체 레이저 무기는 자줏빛을 띤 4인치 크기의 사각 투명 석판들로 이루어져있다. 엔터프라이즈호나 밀레니엄 팔콘에 장착된 대포에 동력을 공급하는 것이 바로 이렇게 생겼을 법 하다.
야마모또가 탄 흔적 또는 타서 구멍이 난 탄소강 조각들을
자랑스럽게 보여준다. “마치 섬광을 비추는 것 같은데, 물질이
녹아요!”라고 그는 말한다.
그러나 이 투명 석판들에 장전된 것은 무한히 나오지는 않는다. 왜냐하면 발사 10초마다 최소한 1분은 식혀줘야 하기 때문이다. 그러나 원소 니오디뮴과, 레이저 빔이 되는 광자를 발생시키는 원소로 구성된 이 판들의 위력은 절대 소진되지 않는다.
그리고 이들은 덩치 큰 화학통보다 훨씬 다루기가 편하다. 바로 이 판들 덕분에 야마모토의 장치가 30피트 길이의 연구실 안에 들어갈 수 있는 것이다. 소형 트럭에 실린 이 장치가 유도탄을 쏘아 하늘에서 떨어트리는 것을 어렵지 않게 상상해 볼 수 있다.
그가 만든 것과 같은 고체 레이저는 이제 전쟁지역으로 어느 정도는 보내질 수 있다. 에너지 무기에 장애 요소가 많이 낮아졌기 때문이다. 대륙 간 탄두 미사일을 100마일 떨어진 곳에서 폭파시키려면 메가와트의 빛이 필요하다.
반도체 레이저는 절대 그 정도로 막강해 질 수는 없을 수도 있다. 그러나 1마일 떨어진 곳에서 유도탄에 열을 가해 안에 든 폭발물이 터지도록 하는 데는 100킬로 와트면 충분하다.
야마모토는 이에 근접해 가고 있다. 그는 수십 개의 길이 2인치, 두께 1인치의 탄소강과 알루미늄 덩어리를 자랑스럽게 내보였다. 이들 전부에는 모두 탄 흔적과 구멍이 나 있었다. ‘6-6-05’라고 표시된 한 덩어리는 1달러 지폐 절반 크기의 구멍이 난 채로 완전히 뒤틀려 있었다.
밑으로는 이전에 녹은 금속 더미가 삐죽이 나와 있었다. “믿겨 지십니까?” 야마모토씨는 호탕한 목소리로 활짝 소년 같은 웃음을 띠며 말했다.
“이건 마치 손전등을 비추는 것과 같은데, 물질이 녹는답니다! 정말 믿기지 않을 정도에요!”라고 그는 말했다. 리버모어 연구소에서 만든 레이저는 좀 더 큰 증폭 매개 판과 증가된 박동 속도의 힘을 받아 2005년에는 45키로 와트의 힘을 기록한다. 그건 3년 전 레이저가 보여준 것보다 3배 더 큰 힘이었다.
그러나 내가 방문한 날 실험실에는 긴장감이 감돌고 있었다.
각각의 석판들은 시계 라디오 안에서 흔히 볼 수 있는 이극 관 2,880개에 둘러 싸여 있었다. 이들이 빛을 내면 투명한 세라믹 혼합체에 들어 있는 원자들을 자극하게 되어 레이저 연쇄 반응이 일어나게 된다.
여기서 문제는 이극관이 빛을 더 내면 낼수록 온도 차로 인한 빔의 질 저하가 더욱 심해진다는 것이다. 맨 눈으로는 보이지 않는 적외선은 그 질이 조금씩 나빠지기 시작한다.
이는 나쁜 소식인데, 미 국방부에서 원하는 것은 근사하고 빈틈없으며 동시에 위력 있는 빔이기 때문이다. 또한 국방부의 조사단이 다음 주에 내방하기로 되어 있다.
따라서 야마모토씨의 팀은 적응 제어 광학에 최종적으로 조정을 가하고 있다. 이 적응 제어 광학은 200개의 발동장치가 장착된 거울들로 이 거울들을 구부려 빔의 뒤틀린 상을 상쇄시켜 준다.
“유감이지만, 저희들이 지금 무장 감시 하에 있어서요.”야마모토씨는 우리의 만남이 끝나갈 무렵 아주 깍듯하게 유감을 표명하며 이렇게 말했다.
꿈틀꿈틀 헤쳐 나가다
며칠 후 만난 조지 닐은 그렇게 성급해 하지 않았다.
58세의 마른 체구의 “죽음의 레이스”의 주자(최근 그는 캐나다의 로키 산맥을 통과하는 78마일 거리의 울트라마라톤을 완주했다)인 그는 25년이 넘는 세월 동안 자유 전자 레이저를 꾸준히 추진해 왔다.
앞으로 몇 년 후면 야마모토씨의 고체 레이저 기계만큼 강한 레이저 기계가 나올 것이다. 따라서 버지니아의 뉴포트에 있는 에너지 자원부의 제퍼슨 내셔널 증폭 설비 내의 그의 실험실을 구경시켜 줄 말한 시간적 여유가 그에게는 있었다.
그는 자기장으로 닫힌 몇 개의 문을 열었다. 그 안에는 길이 240피트의 동관과 고무호스와 수십 개의 다른 크기의 철재 튜브가 뒤엉켜 있었다.
이들 대부분은 모두 한 가지 일을 수행하도록 고안되어 있는데, 바로 광속의99.999% 속도로 움직이는 아주 막강한 전자 박동을 만들어 내는 것이었다.
전자는 정확하게 시간이 재어진 초극파 필드를 통해 빠르게 가게 되는데 이 과정에서 힘과 속도가 붙게 된다. 그리고 나서 전자는 “교번자장기 ”를 거치게 되는데 여기에서는 29개의 일련의 자석이 전자의 흐름을 아래위로 굽이치게 한다.
이 과정에서 전자는 광자를 발산하게 되고 레이저 연쇄반응이 일어나게 된다. 이것이 닐의 ‘증폭 매개’로서 야마모토씨의 판과 화학적 레이저의 유독 가스에 대한 그의 답이며, 이 전자 광선의 힘과 질을 향상시키는 동시에 그의 기술이 발전해 나가는 것이다.
군부에서 자유전자레이져(FEL)에 관심을 갖게 된 계기는 다음과 같다. 대부분의 레이저는 움직이면서 그 힘을 잃거나 공기 중으로 흡수된다. 약간의 비만 내려도 상황이 아주 악화될 수 있는 것이다.
그러나 FEL은 공기 중에 흐르는 파장은 어떤 것이건 최상으로 활용할 수 있었다. 그리고 “무한의 탄약”이 고갈될 일도 없다. 로스 알라모스 굴립 연구원의 부소장인 도그 비슨씨가 이를 두고 레이저의 “성배”라고 부른 것도 그리 놀랍지 않은 일이다. 하지만 이걸 누군가가 성공시킬 수는 있을까?
스타워즈 계획 후 닐은 기술이 따라올 때까지 시간을 두고 기다리며 스스로 속도를 조절했다. 그는 제퍼슨 연구소에서 5년간 일하면서 대입자 증폭기에 대한 연구를 했다. 연구소장은 나중에 FEL을 만들 수 있게 해 주겠노라고 그에게 약속했다.
마침내 1995년 기계를 만들어볼 때가 오자 그와 그의 팀은 1킬로와트의 빛을 낼 신형 FEL을 고안해냈다. 이는 지난 1980년대에 만들 것이라 장담했던 막강한 힘을 가진 것은 아니었다.
1999년에는 그들은 스타워즈 계획 당시 FEL 모델의 최고 위력을 100배나 증가 시키며 최고 기록을 깼다. 2003년에는 새로운 FEL은 10키로 와트를 기록하여 또 다른 기록을 세우게 된다.
이제 닐은 다시 군부의 주목을 받고 있다. 국방부에서는 그 기계에 한 해에 1천4백만 달러를 투자하고 있다. 해군의 차세대 구축함에 궁극적으로는 자유 전자 레이저를 장착시키자는 이야기도 나오고 있다.
현재 함대에는 로켓을 막고 지난 2000년 알케다에서 U.S.S 콜을 상대로 써 먹은 것과 같은 소형 보트의 공격을 막을 수 있는 정밀한 무기를 갖추고 있지 않다. 레이저라면 이 같은 임무를 수행해 낼 수 있을 것이다. 그리고 유일하게 자유 전자 레이저만이 소금기가 있는 바다 공기를 가르고 갈 수 있도록 조율될 수 있다.
12월에 닐은 반가운 소식을 접했다. 해군 측에서 대대적으로 8년간 여러 팀의 협력에 의한 향상된 FEL에 1억 8천만 달러를 투자하기로 하였다. “앞으로 해결해야 할 과제는 많습니다, 하지만 최소한 우린 시작했습니다.”라고 그는 강조했다.
그러나 닐의 심정은 다소 착잡하다. 미 국방부의 고체 레이저 경합의 결과 역시 알려졌는데, 그의 오랜 친구이자 동료인 밥 야마모토가 여기에서 떨어진 것이다. 무기용 고체 레이저를 구축할 자금은 대신 노스롭 그루맨에 있는 연구소로 보내질 것이다.
노스롭의 디자인은 아먀모토씨의 디자인과 그리 다르지 않았으나, 야마모토씨의 장치 중앙에 있던 4개의 투명 석판 대신 노스롭의 장치는 더 작은 크기의 크리스털에 의존하고 있어 결과적으로 빔에 결함이 더 적었다.
“껌 하나 크기의 유리조각에서 얼마나 큰 힘을 얻어내는 지를 보면 놀라울 따름입니다.”라고 노스곱의 프로그램 담당자 제프 솔리는 말한다. 그는 30세의 유도 에너지 전문가로 가장 최근에는 방어 산업의 마지막 최대 화학 레이저 프로그램인 전술 고 에너지 레이저 계약 건에 참여한 바 있다.
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