물을 차게하면 얼음이되고, 녹이면 물이되고, 그대로 가열하면 수증기가 된다는 것은 누구나 알고 있는 것. 그리고 더 높은 온도까지 가열을 계속하면, 물 분자는 양이온과 전자가 분리 된 플라즈마 상태로 변한다. 평소 그다지 눈으로 볼 수없는 플라즈마이지만, 사실 "우주에서 가장 흔한 물질"이라고하고, 우주 물질의 99%는 플라즈마 상태에 있다고도 알려져 있다.
평소 눈으로 볼 수 없지만, 가장 일반적인 플라즈마는, 번개라고 할 수있다. 번개는 지상과 상공의 전위차가 커지고, 본래는 전기가 통하지 않는 공기층의 절연이 깨지는것으로 쌓인 전기가 한꺼번에 흐르는 현상으로, 그 통로가 된 공기 부분은 수억 도의 초고온 상태이다. 낙뢰식에 보이는 "번개"는, 이 초고온 및 고전압에 의해 이온화 된 공기가 플라즈마 상태로되어 발광하고 있는 상태이다.
또한 우리나라에서는 거의 볼 수없는, 위도가 높은 곳에서 종종 발생하는 "오로라"도 플라즈마의 하나. 오로라는 태양에서 분출되어 지구로 날아온 태양풍으로부터 공급 된 전자선이 지자기에 따라 하강, 전자선에 의해 여기 된 대기 중의 산소와 질소가 발광하는 현상이다.
플라즈마를 발생시키기 위해서는, 물질을 매우 높은 온도로 함으로써 분자의 활동을 매우 활발하게 해야한다. 열역학적 관점에서 물질의 "온도"란, 물질의 근원이 되는 원자와 분자의 운동 에너지(진동)의 수를 가리킨다. 분자의 진동이 멈추는 절대 영도에서 수백만 번, 때로는 몇 억도까지 물질의 온도가 높아지고, 이에 따라 원자와 분자의 진동은 높아진다. 플라즈마는 이 높은 운동 에너지에 의해 분자가 이온화하여 생기는 현상이다.
지금 세계 각국에서 많은 예산을 들여 플라즈마 연구가 이루어지고 있다. 그 원동력이되고 있는 것은, 인간의 손에 의한 "제어 열 핵융합"의 실현이라는 목표이다. 2개의 원자핵이 융합 할 때 생기는 막대한 에너지를 이용하는 핵융합 발전은 원자력 발전과 방사성 폐기물을 거의 배출하지 않는 "깨끗한" 에너지 원이되어 미래의 에너지 원으로 주목받고 있다.
그러나 핵융합을 지상에서 실현하기 위해서는 플라즈마를 섭씨 1억도 이상의 고온상태로 유지해야 한다. 이것은 실로 태양의 중심보다 10배나 뜨거운 세계이지만, 실은 이 목표는 1990년대에 달성되었다. 진정한 과제, 그것은 고온의 플라즈마는 매우 불안정하다는 것에 있다.
1950년대에는 소련과 영국, 그리고 미국에서 비밀리에 연구가 진행되고 있었던 것. 미국 프린스턴 대학이 연구의 중심이되고, 물리학자 인 라이먼 스피처 박사가 프로젝트 마터호른을 시작했다. 이 프로젝트는 "스테라레타 방식"이라는 꼬인 코일을 선회시켜 "갇힌 자기장"을 만들어, 핵융합이 일어나는 환경을 만들어 내겠다는 방법의 연구가 진행되었다. 결국 프로젝트가 핵융합을 성공하지 못했지만, 플라즈마를 안정적으로 발생시키는 노하우를 얻을 수 있었다.
한편, 소련의 과학자들은 "토카막 형"이라고 불리는 다른 장치를 개발했다. 물리학자 인 안드레이 사하로프 박사와 이로르 탐 박사에 의해 고안된 이 장치는, 스테라레타 방식보다 플라즈마를 높은 온도에서 안정된 상태로 유지할 수 있었다. 그후, 핵융합 연구에서는 이 토카막 형 장치가 주로 이용되고 있으며, 2015년에는 중국, 유럽 연합, 인도, 한국, 일본, 러시아, 미국의 컨소시엄이 합류하여 세계 최대의 토카막 형 원자가 건설되게 되어있다.
핵융합 분야에서 필수적인 플라즈마이지만, 지구를 둘러싼 공간의 물리학도 밀접하게 얽혀있다. 지구는 우주에서 오는 유해한 "우주선"이 항상 쏟아지고 있지만, 이것은 대전 된 플라즈마 입자이다. 지구가 가진 자기장은 플라즈마 입자를 뒤집는 역할을 담당하고 있으며, 생명이 살 수있는 환경을 만들어 내고 있다.
또한, "우주 날씨"라는 새로운 분야에서는, 플라즈마 물리학은 지구의 날씨의 유체 역학의 역할과 비슷한 역할을 한다. 연구가 진행되고 있는 이 분야는, 아직 밝혀지지 않은 부분도 많이있지만, "태양 플레어" 등 지구 환경에 큰 영향을 미칠 우주 규모의 사건을 해명하고, 고 에너지 입자가 쏟아지는 "태양 폭풍"을 예측하는 것을 허용한다고도 생각할 수 있다.
컬럼비아 Columbia Astrophysics Laboratory의 박사 인 Luca Comisso 씨는, "플라즈마 물리학은 별과 은하, 은하단이 처음에 어떻게 형성되었는지에 대한 통찰력을 제공해 줄것으로 기대하고 있습니다. 표준적인 우주론 모델에 따르면, 초기 우주는 고온의 플라즈마가 퍼져 있었습니다. 그 후 차갑게 되어 전자와 양성자가 결합하여 전기적으로 중성 수소 원자가 만들어졌습니다. 이 상태는 최초의 별과 블랙홀이 형성 될 때까지 계속되었고, 그 후 우주선은 "재 이온화"하고, 대부분이 플라즈마 상태로 돌아왔다"고 말하고 있어, 플라즈마가 우주의 신비를 푸는데 도움이 될 것으로 생각하고 있다.
