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Dyneema®로 중성미자 찾기

이상적인 솔루션으로 입증된 Dyneema® 소재의 합성 로프

우주 중성미자에 대해 자세히 알기 위한 야심찬 프로젝트인 KM3NeT이 점점 더 실현에 가까워지고 있습니다. 강도, 항력 및 크리프 저항성이 완벽하게 조화를 이루는 Dyneema® DM20 소재의 로프가 여기에 큰 도움이 되었습니다.

우주의 신비

중성미자는 빛 입자 다음으로 우주에서 가장 일반적인 입자인 것으로 여겨지고 있습니다. 이것은 초신성 또는 은하수 중심부에 있는 블랙홀을 해명할 수 있는 열쇠를 쥐고 있을지도 모릅니다. 하지만 아직 우리는 중성미자에 대해 사실상 아무 것도 모르겠습니다.

중성미자의 문제점은 발견하기가 극도로 어렵다는 사실입니다. 중성미자는 대부분의 물질을 마치 아무 것도 없는 공간인 것처럼 통과할 수 있으므로, 존재 여부를 확인할 유일한 방법은 중성미자가 다른 입자에 닿았을 때 빛이 희미하게 출렁이는 현상을 포착하는 것입니다. 그렇게 하기 위한 유일한 방법은 다른 광원이 없는 곳에 센서를 놓아 중성미자를 교란시키는 것입니다.

KM3NeT 스트링의 전개 방법 시험

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중성미자 수중 망원경 설치

남극, 러시아 그리고 세계 몇몇 곳에 이미 중성미자 망원경이 설치되어 있지만, 가장 규모가 크고 야심찬 계획은 지중해에 망원경을 설치하는 겄입니다. 시험과 연구는 2012년부터 계속되고 있지만, 2016년 시실리 유역에 진정한 최초의 망원경 설치를 시작으로 새 국면에 접어들었습니다.

입방킬로미터 중성미자 망원경(Km3NeT)에 도입된 개념은 프랑스, 이탈리아, 그리스에 3개의 탐지기 네트워크를 구축하는 것입니다. 약 3,500미터 깊이에 달하는 네트워크가 파도, 표면 전류 또는 빛이 없는 지중해 하부에 설치될 것입니다. KM3NeT에서는 중성미자가 물 분자에 부딪쳤을 때 발산되는 극소량의 빛을 보기 위해 이렇게 완전한 어둠이 필요합니다.

지중해에서의 중성미자 추적

  • 환경: 지중해 해수
  • 주변 온도: 12-15 °C
  • 보관 온도: 10-60 °C
  • 해저 깊이: 3,500m
  • 센서 깊이: 2,500m
  • 닻줄 길이: 1,000m
  • 예상 수명: 15년 이상
  • 수직 변위: 10cm 이하
  • 수평 변위: 센서에서 180m 이하
  • 로프 연신율: 15년 동안 0.01% 이하
  • 설치: 해상 설치 시 간편하게 이을 수 있어야 함

KM3NeT가 제기한 수많은 도전 과제 중에는 중성미자 망원경의 센서를 어떻게 고정시킬 것인가 하는 문제도 있습니다.

Dyneema® 소재의 Lankhorst 로프로 KM3NeT 중성미자 망원경 고정

  • Lankhorst Lanko® 고정 로프
  • Dyneema® DM20 섬유로 코팅된 검정색 로프
  • 직경 4 mm. MBF=1,180kg (제안)
  • 휨 직경(스토리지) 20mm (제안)
  • 센서의 수평 변위: 150m, 안정적 목표 변위 180mm 이하
  • 수직 변위: 10cm 이하
  • 예상 설계 수명: 15년
  • 예상 로프 연신율: 0.01% 이하
  • 미션 기간 중의 정하중: 213 kg/rope
  • 1개 로프 파손 시의 정하중: 425 kg/rope
  • 작업 깊이 2,000m-5,000m

최적의 솔루션

완공된 KM3NeT는 남극과 러시아의 시설을 합한 것보다 규모가 크고 이 두 시설로 탐지할 수 있는 범위 이상을 모니터링하게 될 것입니다. 중성미자 망원경에는 약 12000개의 내압 유리구가 약 600개의 케이블에 부착된 거의 1킬로미터에 달하는 높이의 수직 구조물이 포함됩니다. 각 네트워크는 탐지기가 들어 있는 유리구로 이루어지며, 각 유리구는 케이블에 의해 서로 묶여 있습니다. 케이블은 서로 엉키지 않도록 충분한 간격을 유지하지만, 중성미자가 통과하는 흔적을 볼 수 있을 정도로는 가깝습니다.

2.5km 아래쪽의 정밀 설치물

망원경을 구성하는 센서들을 고정시키는 방법도 많은 난제들 중 하나였습니다. 수심 2.5킬로미터까지 가져가 감지 장치(DU, '스트링'이라고도 함)를 사용하여 해저에 1,000미터 길이까지 고정시켜야 했습니다. 각 DU는 해저에 고정된 23개의 플로팅 바로 이루어지며, 2개의 디지털 광학 모듈이 장착된 플로어 안에 배치됩니다.

DU의 모든 요소는 4개의 로프에 의해 연결됩니다. 센서의 최대 수평 변위는 초당 0.3미터의 잔존 해류에서 180m 이하여야 합니다. 최대 수평 변위는 10cm 이하여야 합니다. 스트링은 적어도 15년 동안 일정한 장력을 받게 될 것이며 그 기간 동안 유지보수가 필요없어야 합니다.

핵심 기준을 만족시키는 로프

전개 시스템과 계류 시스템을 비롯하여 망원경 설계 부분을 책임진 프로젝트 팀 Royal NIOZ and Nikhef는 합성 로프 사용을 원했습니다. 합성 로프는 강철 와이어 로프와 달리 그 정도 깊이에서도 자체 중량에 의한 제한을 받지 않을 것이기 때문이었습니다. 다행히 다섯 가지 핵심 기준을 모두 만족시키는 로프가 있었습니다. Dyneema® DM20으로 만든 Lankhorst의 Lanko® 고정 로프였습니다. 첫째, 로프는 최대한 얇아야 합니다(로프가 굵을수록 항력이 높아지고 센서의 변위가 커지기 때문). 둘째, 로프는 파손되지 않을 만큼 튼튼해야 합니다. 셋째, 각 1,000m 로프의 최대 수직 변위가 10cm 이하일 정도로 견고해야 합니다. 넷째, 크리프로 인한 최대 연신율이 15년 동안 0.01% 이하여야 합니다. 마지막으로, 작동 기간 동안 유지보수가 필요없어야 합니다.

Dyneema® 소재의 합성 로프를 사용하여 KM3NeT 고정

첫 번째 시험은 2012년에 시행되었고, Dyneema® 소재의 로프가 이상적인 솔루션임이 곧 입증되었습니다. 강도와 항력이 최적의 조화를 이루는 직경 4mm의 로프를 사용하는 경우 센서의 변위는 150m까지로 제한되는데, 이는 180m라는 상한 범위 내에 안정적으로 들어가는 수치입니다. 무엇보다 중요한 것은, 이 로프가 탄성이 없기 때문에 늘어나지 않는다는 사실입니다. Dyneema® DM20 소재의 로프는 영구적 연신율('크리프'라고도 함)이 사양 범위 이내이고 모델링이 가능하므로 이 설계에 적합합니다.

로프 고정이라는 난제가 해소되면서 중대한 장애물이 제거되었고, 이 야심찬 프로젝트는 한 발 더 나아가 우주의 신비를 좀 더 벗길 수 있게 되었습니다.

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