[지금은 과학] 가상 핵융합로·암흑에너지·신경망 재건 등 "과학난제도전"

[아이뉴스24 최상국 기자] 작고 안전한 핵융합로를 만들 수는 없을까? 암흑 에너지의 정체를 밝힐 수 있을까? 손상된 신경의 회복은 가능한가?

과학기술정보통신부는 이같은 연구를 계획하고 있는 3개의 연구팀을 2021년도 '과학난제도전 융합연구개발사업' 연구단으로 선정했다고 발표했다.

과기정통부의 과학난제사업은 "그동안 해결하지 못한 과학난제에 대해 기초과학과 공학의 융합연구를 통한 혁신적인 방법으로 접근하는 도전적인 연구개발을 지원"하는 사업으로 세계 최고·최초·유일의 성과 창출을 목표로 한다.

◆고성능 컴퓨터 기술로 작고 안전한 핵융합로를 만들 수는 없을까?

ST핵융합메타웨어 연구단(연구책임자 황용석, 서울대학교)은 GPU병렬 컴퓨팅과 인공지능을 결합한 가상핵융합로 구현으로 핵융합 연구의 패러다임 전환에 도전한다.

지속가능한 지구를 위해 태양의 에너지 생산 원리인 핵융합을 이용해 안전하고 깨끗한 미래 에너지를 개발하는 것은 인류사회의 숙제다. 현재 핵융합연구는 2025년 완공을 목표로 하고 있는 국제핵융합실험로 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)를 중심으로 진행되고 있지만 장치의 대형화로 인한 개발비용과 물리적 한계를 극복할 수 있는 시도가 필요하다.

연구단은 고성능 컴퓨팅 기반 차세대 디지털 트윈을 구축해 구형토카막(Spherical Tokamak, ST) 기반 핵융합로의 난제인 고압 플라즈마 감금과 제어 과정을 과학적으로 규명하고, 발전소 대비 10분의1 용량의 가상 핵융합로 구축할 계획이다.

이를 통해 현재 답보상태에 있거나 병목현상이 나타나고 있는 핵융합 플라즈마 연구개발의 난제를 해결함으로써 인공태양 발전소 구축을 현실화하고 탄소중립 실현의 게임체인저가 되는 것이 연구단의 목표다.

◆다중신호 천문학은 암흑 에너지의 정체를 밝힐 수 있을까?

중력파우주 연구단(이형목, 서울대학교)은 다중신호 천문학과 인공지능 기법을 활용해 아직 풀지 못한 암흑 에너지 규명에 도전한다.

관측 기술의 발달로 우주론이 정밀 과학으로 발전했지만, 정체를 알 수 없는 존재인 암흑 에너지, 허블 상수의 갈등 등에 대해서는 아직까지도 명확히 규명된 바가 없다. 허블상수는 은하의 속도와 거리 사이의 관계를 나타내는 비례상수로, 암흑에너지와 밀접한 상관관계가 있다. 암흑에너지는 우주의 가속팽창을 설명하는 핵심 개념이지만 아직 정체가 밝혀지지 않은 난제의 영역이다.

연구단은 7차원적 망원경(7-Dimensional Telescope 7DT)을 독자적으로 개발해 중성자별과 블랙홀 충돌에서 발생하는 중력파와 다양한 파장의 전자기파를 관측(다중신호 천문학)하고 통계분석(인공지능)함으로써 허블상수를 정밀하게 측정하고 암흑에너지의 성질을 규명한다는 생각이다. 7DT는 광시야 관측을 하면서 시야에 들어오는 모든 픽셀의 스펙트럼을 실시간으로 얻는다는 신개념 망원경이다.

천문·우주 분야의 경우 선진국과의 격차가 작고 본질적으로 국제 융합 연구가 요구되는 분야다. 연구단은 국제적 네트워크를 활용해 우주의 역사 및 진화과정을 설명할 수 있는 새로운 이론 및 과학적 근거를 제시함으로써 우주론 연구의 돌파구를 마련할 것으로 기대하고 있다.

◆손상된 신경의 회복은 가능한가?

표적신경회로재생 연구단(최홍수, DGIST)은 자성의 원리에 기반한 나노 멀티봇을 이용해 파킨슨 운동장애를 극복할 수 있는 신경망 재건 플랫폼 구축에 도전한다.

파킨슨병, 척수손상 등 감각 및 운동장애를 수반하는 신경장애는 대체 또는 재생을 위한 다양한 치료법 개발이 시도되고 있음에도 불구하고 손상된 신경 및 신경망의 완전한 회복은 여전한 난제로 남아있다.

연구단은 도파민 신경망 재건 플랫폼을 구축해 신경세포의 소실로 인한 난치성 신경 질환을 극복하겠다는 목표를 세웠다.

이를 위해 뇌 신경망 형성을 위한 줄기세포 등에 자성을 부여하고 제어가 가능한 멀티봇을 개발, 실제 신경 조직과 동일한 수준의 도파민 신경회로망 재건(1단계), 전임상시험을 통한 안전성·유효성 검증(2단계)을 할 계획이다. 기존의 불완전한 세포치료제 개념을 극복하기 위해 세포 성장, 가이드, 시냅스 형성 등을 위한 요소기술을 통합한 세포치료제 및 신경망 재건 플랫폼을 개발하고, 신경질환 동물모델에서 효능을 검증한다.

연구단은 새로운 선택적 능동 신경망 재건 기술을 통해 난치성 신경 질환 치료의 새로운 패러다임을 주도할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

과기정통부는 이번에 선정된 연구단에 5년 동안 각각 총 90억원의 연구비를 지원한다. 또한 연구단별 전문위원회 운영을 통해 맞춤 멘토링 실시, 연구내용 점검 및 새로운 아이디어 제안을 위한 공개형 토론회 개최 등 기존에 시도하지 않은 난제도전형 연구수행 방식을 도입한다.

과기정통부 이창윤 기초원천연구정책관은 “최근 혁신적인 연구성과는 실패를 두려워하지 않는 과감하고 도전적인 연구에서 창출되고 있다”며 “과학난제사업을 통해 어렵기 때문에 도전할 가치가 있는 과제를 발굴·지원함으로써, 난제 해결을 위한 융·복합 연구가 자연스레 촉발될 수 있는 기반이 조성되었으면 한다”고 밝혔다.

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