피뢰침이 발명된 것은 18세기의 일이다. 벤자민 프랭클린은 연의 머리 위로 길쭉한 막대가 튀어나오도록 만들어 하늘로 날렸고 번개가 연줄을 타고 벤자민의 손에 도달했을 때 그의 뇌리에 피뢰침의 아이디어가 번뜩였다. 그러나 피뢰침은 처음 발명된 그때로부터 거의 변화하지 않았다. 성능이 좋기 때문이다. 피뢰침은 일반적으로 금속 케이블과 금속 막대를 땅에 직접 고정하는 형태이다. 이 간단하고 확장 가능한 장치는 종종 태양 표면보다 5배 더 뜨거운 번개를 전하가 안전하게 소멸될 수 있는 대지로 유도한다.

그럼에도 불구하고 낙뢰는 매년 기반 시설에 수십억 달러의 손상을 일으킨다. 낙뢰가 피뢰침에 떨어지더라도 미세한 전류는 다른 곳으로 흐를 수 있고 대지로 흡수된 전류가 다시 퍼질 수 있기 때문이다.

스위스의 한 연구팀은 최근 민감한 구조물로부터 전류 방전을 멀어지게 하는 획기적인 방법을 개발했다. 연구자들은 이 방법의 핵심이 매우 강력한 레이저 광선을 뇌우의 중심에 발사하는 것이라고 말한다.

16일(현지시간) 가디언 등의 조사 결과와 함께 네이처 포토닉스(Nature Photonics) 저널에 발표된 연구에 따르면 이 과학자들은 스위스의 산티스 산 정상에 있는 124m 통신탑 근처에 레이저 어레이(laser array)를 설치했다. 이 구조물은 매년 100번 이상 떨어지는 번개의 수신체로 이것을 실험의 주요 유인물로 삼았다. 작년 7월에서 9월 사이에는 총 6시간에 걸쳐 수많은 폭풍 전선에 레이저가 발사되었다. 연구팀은 고속 카메라로 충분히 선명한 사진을 찍을 수 있는 기회는 한 번뿐이었지만 레이저 펄스가 4번의 상향 방전 과정에 영향을 미쳤다고 전했다. 상향 방전은 아래를 향하는 일반적인 번개와 다르게 선도가 지상 구조물에서 발생하여 구름 속 전하가 쌓여 있는 부분을 향해 위로 뻗어나가는 현상이다. 이 실험에서 번개의 경로는 레이저 광선 주변으로 약 50m 정도 우회한 것으로 측정되었다.

이 시스템은 레이저가 빛이 지구를 향해 더 편하게 여행할 수 있는 길을 만들어 주기 때문에 작동한다. 펄스가 초당 1000회 이상의 속도로 적란운 속으로 발사됨에 따라 주변 공기의 굴절률이 변화하며 이는 주변 공기 분자를 이온화할 정도로 수축하고 강화시킨다. 이온화된 저밀도 공기의 통로는 초음속으로 빠르게 가열되고 확산되는 공기 분자로부터 생성된다. 연구자들이 “필라멘트”라고 묘사한 이 현상은 비록 단 몇 밀리초 동안 지속되지만 그 전도성은 주변 공기에 비해 번개가 휘어지기 쉬운 경로를 만든다. 레이저 피뢰침의 번개 방향 전환 범위는 막대 높이의 약 2배의 표면적을 커버하는 전통적인 금속 막대 피뢰침보다 더 넓다.

그러나 이 새로운 시스템에는 눈에 띄는 단점이 있다. 한 가지 예로, 레이저 펄스는 당연하게도 굉장히 밝으며 근처에 비행 중인 조종사가 있다면 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 실험 중에는 주변 지역에서 비행을 금지해야 했다. 그리고 5년간의 실험 개발 기간 동안 약 2백만 달러가 들었고 산티스 산 정상에 레이저 시스템 건물을 짓기 위해 스위스에서 가장 큰 헬리콥터 도움을 요청해야 했다. 이러한 이유들 때문에 비교적 매우 저렴한 지면 기반 금속 막대를 사용하는 교외의 집 지붕에서 레이저 피뢰침을 볼 가능성은 매우 낮다.

다만 이 시스템은 군사 기지, 극도로 높은 곳에 지어진 구조물, 우주정거장 등 일반적인 집보다 번개 피해 복구에 훨씬 많은 비용이 발생하는 장소에서 효율적으로 사용할 수 있을 것이다.

※이 기사는 popsci.com 원문을 바탕으로 작성됐으며, 번역은 파퓰러사이언스코리아 소속 기자가 도왔습니다. 

/글 ANDREW PAUL & 이가영 기자