크라이오닉스 환자는 크라이오스탯(인체 유리화 보존 연구소)이나 듀어(Alcor) 안에서 액체질소에 보존됩니다. 크라이오스탯과 듀어는 커다란 보온병과 비슷하지만, 커피 대신 가운데에 액체질소가 담겨 있습니다. 보온병처럼 작동하므로 전기에 의존하지 않습니다. 정전이나 전력 공급 장애가 발생해도 크라이오닉스 환자는 액체질소 온도에서 계속 보존됩니다.

2009년 초 기준으로 인체 유리화 보존 연구소(CI)는 환자를 액체질소에 보존하기 위해 13기의 크라이오스탯을 운영하고 있었습니다. 직사각형이 3기, 원통형이 10기였습니다. ‘크라이오닉(cryonic)’과 자주 혼동되는 극저온(cryogenic)은 −100°C(−150°F) 미만의 온도를 뜻합니다. 액체질소의 온도는 −196°C(−321°F)입니다.

우리는 맞춤 제작한 유리섬유 HSSV(Hard-Shell, Soft-Vacuum: 단단한 외피·완만한 진공) 장치를 크라이오스탯이라고 부릅니다. Minnesota Valley Engineering(MVE, 1999년 Chart Denver에 인수됨)과 같은 회사가 제조한 강철 HSHV(Hard-Shell, Hard-Vacuum: 단단한 외피·고진공) 듀어와 구별하기 위해서입니다. 듀어는 강철 벽 사이 약 2인치 공간에 매우 높은 수준의 진공, 즉 ‘고진공’을 형성합니다. 진공은 전도와 대류에 의한 열전달을 막지만, 복사에 의한 열전달은 알루미늄이나 알루미늄 코팅 마일러 필름으로 만든 복사 차단막을 사용해야만 줄일 수 있습니다.

우리 크라이오스탯의 안쪽 벽과 바깥쪽 벽은 유리섬유·수지 복합재로 만들어집니다. 이 복합재는 유리섬유나 수지 단독 재료보다 훨씬 강합니다. 한 극저온 장비 제작 회사의 영업 담당자 겸 엔지니어에게서, 강철 듀어는 효율 면에서 유리섬유와 경쟁하기 어렵고 우리 크라이오스탯과 같은 크기로 만들면 액체질소 증발량이 약 두 배에 이를 것이라는 설명을 들었습니다. 원통형 크라이오스탯의 전체 둘레, 또는 직사각형 크라이오스탯의 전체 가장자리를 따라 안쪽 벽과 바깥쪽 벽 사이의 거리는 약 1피트입니다. 이 공간에는 완만한 진공을 적용할 수 있을 만큼 느슨하게 펄라이트 단열재가 채워져 있습니다. 크라이오스탯의 바깥쪽 벽은 실내 온도와 차이를 감지할 수 없을 정도이지만, 뚜껑은 실내 온도보다 약 2~3°C 낮습니다.

펄라이트는 자연적으로 생성되는 화산 유리로, 부식되지 않고 타지 않으며 저렴한 단열재로 사용할 수 있습니다. 펄라이트 원석은 물을 2~5% 함유한 이산화규소가 풍부한 화산 유리입니다. 이를 870°C(1,600°F) 이상으로 빠르게 가열하면 내부 수분이 급격히 기화하면서 팝콘처럼 부풀어 오릅니다. 이 과정에서 수많은 작은 기포가 형성돼 부피가 최대 20배까지 늘어나고, 밀도와 열전도율은 그에 따라 낮아집니다.

낮은 온도와 압력에서 이렇게 만들어진 펄라이트의 열전도율은 미터·켈빈당 약 0.0007와트입니다. 이는 물이나 벽돌의 열전도율과 비교하면 대략 1,000분의 1, 스티로폼®이나 폼룰러® 같은 압출 폴리스티렌 단열판과 비교하면 약 40분의 1 수준입니다. 다만 화학적으로 소수성이며 폐쇄된 기포 구조 때문에 수분이 침투하지 않는 압출 폴리스티렌과 달리, 팽창한 펄라이트에는 열린 기포가 있어 수분이 스며들 수 있습니다. 물의 열전도율이 훨씬 높기 때문에 단열 성능이 저하되지 않도록 수분 함량을 중량 기준 0.1% 미만으로 유지해야 합니다. CI는 Dicalite Management Group에서 HP 500 등급의 펄라이트를 공급받습니다.

진공은 혈압 측정에 쓰는 수은주 밀리미터(mm Hg)와 비슷한 공기압 단위로 측정하지만, 압력의 크기는 몇 자릿수나 더 작습니다. 완전 진공은 0마이크론 Hg입니다. 어떤 사람들은 대기압의 3분의 1 이하인 압력을 고진공이라고 부릅니다. 대기압은 760mm Hg입니다. 이 정의에서 완만한 진공은 대기압보다는 낮지만 고진공보다는 높은 압력입니다. 반면 크라이오닉스 관계자를 포함한 다른 사람들은 ‘고진공’을 몇 마이크론 이하의 압력으로 한정하고, ‘완만한 진공’을 고진공보다 높되 몇 자릿수 범위까지만 높은 압력으로 정의합니다.

듀어는 제조할 때 강력한 진공 펌프로 고진공을 형성하며, 이 진공은 10년 동안 유지되도록 설계됩니다. 진공 상태는 게터(getter)로 보강됩니다. 게터는 대개 바륨, 지르코늄 또는 그 합금으로 만든 화학 반응성 금속으로, 산소·질소·이산화탄소·수증기와 반응해 진공도를 높이고 유지합니다. 우리 완만한 진공 방식의 크라이오스탯은 두 달마다 Welsh-Sargent DuoSeal 펌프로 진공 상태를 보강합니다.

크라이오스탯의 펄라이트 단열재는 완만한 진공에 문제가 생겼을 때 이를 보완하는 역할도 합니다. 강력한 소총의 철갑탄이라면 크라이오스탯이나 듀어의 지름 전체를 관통할 수 있습니다. 그러나 권총 탄환이나 지게차에 의한 충격은 크라이오스탯의 바깥쪽 벽에만 구멍을 낼 가능성이 높습니다. 듀어에 이런 구멍이 생기면 환자를 즉시 옮겨야 하는 응급 상황이 됩니다. 찌그러짐만으로도 듀어에는 ‘핫스폿’이 생길 수 있습니다. 역설적으로 핫스폿은 바깥쪽에서는 서리가 맺힌 부분으로 보이는데, 이는 안쪽 벽의 따뜻한 부분과 대응됩니다. 반면 크라이오스탯은 펄라이트 단열재 덕분에 진공이 사라져도 큰 문제가 되지 않을 수 있습니다. 유리섬유를 수리하고 진공을 복구할 시간적 여유가 충분합니다.

키가 매우 크거나 비만인 환자도 있지만, 지금까지 원통형 용기 한 기에 환자 6명을 넣는 데 문제를 겪은 적은 없습니다. 직사각형 장치에서는 환자가 누운 상태로 3~4층 쌓이므로 공간 문제는 더욱 적습니다. 환자들은 침낭에 들어 있고 액체질소에서 부력이 매우 크기 때문에 무게에 눌려 손상되지 않습니다. 원통형 용기에서는 가슴 부위가 가장 붐비고 발 쪽으로 갈수록 대체로 좁아집니다. 이는 남녀의 복부와 엉덩이 둘레가 다른 것과도 일부 관련이 있습니다. 다리를 놓을 공간은 충분합니다.

원통형 용기에는 매주, 직사각형 용기에는 매주 두 차례 액체질소를 보충합니다. 액체질소의 깊이는 가장 낮을 때 약 7.5피트이고, 보충 직후에는 약 8피트입니다. 가장 효율적인 원통형 용기에서 액체질소 수위는 일주일에 2인치를 조금 넘게 내려갑니다. 따라서 키가 약 6.5피트인 가장 큰 환자도 원통형 용기 안에서 발끝 위에 항상 최소 1피트의 액체질소가 남아 있습니다. 1976년 서비스를 시작한 이래 일어난 적은 없지만, 재난이 발생한다면 발이 먼저 액체질소 밖으로 드러나고 머리는 마지막에 드러날 것입니다.

처음 제작된 크라이오스탯은 HSSV−1이라고 이름 붙였습니다. 전신 환자 한 명을 수용하는 Hard-Shell, Soft-Vacuum 장치라는 의미입니다. ‘단단한 외피’는 진공을 가해도 외부 또는 내부 압력 때문에 벽이 무너지지 않고 형태를 유지할 만큼 외피가 단단하다는 뜻입니다. HSSV−1은 CI가 미시간주 클린턴 타운십의 현재 건물로 이전하던 1990년대 중반 무렵 운영을 중단했습니다. 그러나 전신 환자 두 명을 수용하는 HSSV−2는 그 후에도 약 10년 더 사용됐습니다. HSSV−2는 커다란 젤라틴 캡슐을 약 20도 기울여 세운 모습, 또는 발사를 기다리는 우주선처럼 보였습니다. 환자의 머리가 아래로 향하도록 기울였지만, 이전 건물의 천장이 충분히 높지 않아 수직으로 만들 수는 없었습니다. HSSV−2는 2004년 12월 운영을 중단했고, 내부의 환자 두 명은 새로운 HSSV−6 크라이오스탯 중 하나로 옮겨졌습니다.

CI에는 HSSV−R7, HSSV−R10, HSSV−R14라는 세 기의 직사각형 크라이오스탯이 있습니다. 각각 전신 환자 7명, 10명, 14명을 수용합니다. HSSV−R7은 벽 사이의 목재 지지대가 있어야 진공 상태에서 형태를 유지하므로 엄밀히 말하면 단단한 외피가 아닌 유연한 외피 구조입니다. HSSV−2와 마찬가지로 모든 직사각형 장치는 CI 시설 관리자 앤디 자와키가 제작했습니다. 안쪽 벽에는 에폭시 유리섬유, 바깥쪽 벽에는 폴리에스터 유리섬유를 사용하고 구조 지지를 위해 목재를 사용했습니다. HSSV−R10과 HSSV−R14는 목재가 열을 전달하기 때문에 벽 사이에 목재를 사용하지 않도록 제작했습니다.

‘세계에서 가장 큰 크라이오스탯’으로 불린 HSSV−R14를 만드는 데 앤디는 2년이 걸렸습니다. 그는 CI 시설 운영에 따른 업무와 여러 프로젝트로 바빴고, 액체질소를 담는 데 필요한 에폭시 유리섬유 때문에 피부 발진도 겪었습니다. 결국 유리섬유 크라이오스탯 제작을 제조업체에 맡겨야 한다고 결정했습니다. 로버트 에팅거는 환자 최대 6명을 수용하는 수직 원통형 설계를 선호했습니다.

첫 번째 수직 원통형 장치 HSSV−6−1에는 구조적 결함이 있었습니다. 먼저 앤디가 진공을 유지하려면 막아야 하는 구멍을 발견했습니다. 액체질소를 넣자 균열이 생겨 안쪽에 유리섬유를 다시 입혀야 했습니다. 두꺼운 상단부도 열을 지나치게 많이 전달했습니다. 다른 제조업체를 찾아야 했습니다. 두 번째 제조업체는 순항미사일의 액체질소 시험에 사용하던 것과 같은 종류의 유리섬유 수지를 사용합니다. 이 업체는 작업 품질에 대해 충분한 보증을 제공했고, 대부분의 경우 품질도 매우 좋았습니다.

대형 액체질소 탱크를 설치하기 전에는 액체질소 1리터당 50센트를 지불했습니다. 그러나 3,000갤런(11,000리터)을 담을 수 있는 대형 탱크를 설치한 뒤에는 리터당 약 13센트, 갤런당 50센트를 조금 넘는 비용을 지불하게 됐습니다. 휘발유 탱크로리처럼 생긴 액체질소 운송 차량이 약 2주마다 탱크에 2,000갤런을 채웁니다. 탱크의 계기에는 액체질소 수위가 인치와 센티미터로 표시됩니다. 2,100갤런을 채우면 표시 수위가 약 40인치에서 약 130인치, 즉 약 105cm에서 약 325cm로 올라갑니다. 탱크에 액체질소를 채우는 데는 30분이 조금 넘게 걸립니다. 대형 탱크에서 단열 배관과 호스를 통해 각 크라이오스탯에 액체질소를 공급합니다.

직사각형 크라이오스탯은 주 2회 액체질소를 보충하며, 주 1회는 모든 크라이오스탯을 보충합니다. 직사각형 용기만 보충하면 대형 탱크의 수위가 20cm 내려가고, 모든 용기를 보충하면 65cm 내려갑니다. 수위 1cm당 36리터로 계산하면 부분 보충에는 액체질소 720리터, 전체 보충에는 2,340리터가 필요합니다.

대형 탱크에는 175PSI(제곱인치당 파운드) 압력 해제 밸브가 설치돼 있습니다. 탱크에서 건물 안으로 이어지는 배관에는 150PSI 밸브가 있으며, 나머지 모든 배관에는 400PSI 압력 해제 밸브가 있습니다. 시간이 지나면 대형 탱크의 압력이 올라가지만, 주 2회 보충하는 운영 방식에서는 대체로 100PSI 미만을 유지합니다. 보충 직전에는 대형 탱크의 밸브를 열어 기체를 배출하고 압력을 50PSI 미만으로 낮춥니다.

HSSV−6−10의 낮은 효율과 HSSV−6−9의 상대적으로 낮은 효율은 환자를 보존하는 동안 임시 뚜껑을 사용했다는 사실로 설명할 수 있습니다.

HSSV−R10은 두 달마다 최소 3일 동안 하루 약 16시간씩 진공 펌프를 가동해야 합니다. 이 기간에 완만한 진공의 압력은 거의 200마이크론 Hg에서 20마이크론 Hg 미만으로 떨어집니다. HSSV−R14는 HSSV−R10보다 효율적입니다. 최고 압력은 20마이크론 Hg이고, 하루 16시간씩 2~3일 동안 펌프를 가동한 뒤에는 약 1~2마이크론 Hg까지 내려갑니다. HSSV−R7은 직사각형 크라이오스탯 중 진공을 가장 잘 유지합니다. 최고 압력이 12마이크론 Hg를 넘지 않으며, 두 달마다 펌프를 하루나 이틀만 가동하면 됩니다.

HSSV−6 원통형 크라이오스탯은 보통 두 달마다 하루 16시간씩 1~2일 동안 진공 펌프를 가동합니다. 압력이 100마이크론 Hg 미만인 부분 진공 상태에서는 액체질소 증발량에 큰 차이가 없는 것으로 보입니다. 다음 표는 두 달마다 펌프를 가동하기 전에 측정한 최대 압력과, 크라이오스탯의 압력을 충분히 낮은 수준으로 내리는 데 필요한 최대 펌프 가동 일수를 보여줍니다. 여기서 충분히 낮은 수준은 10마이크론 Hg보다 훨씬 낮고 대체로 1마이크론 Hg에 매우 가까운 압력입니다.

HSSV−6−1의 효율이 낮은 이유는 안쪽 벽이 지지대와 더 두꺼운 연결 부위를 통해 바깥쪽 벽에 고정돼 있기 때문입니다. 이 부위는 더 많은 열을 전달합니다. 다른 크라이오스탯에서는 안쪽 벽이 맨 위의 원형 연결 부위를 통해서만 바깥쪽 벽과 이어집니다. HSSV−6−2는 펄라이트가 충분히 채워지지 않아 효율이 낮습니다. 시간이 지나면 펄라이트와 유리섬유 벽에서 물과 그 밖의 휘발성 물질이 빠져나오는 ‘가스 방출’ 때문에, 크라이오스탯의 최대 압력과 필요한 펌프 가동량은 감소하는 경향이 있습니다.

제조업체에서 새 크라이오스탯을 받으면 바로 사용할 수 있는 것은 아닙니다. CI에서 펄라이트를 추가로 채우고 바닥을 만들며 필터를 준비하는 등 상당한 작업을 더 해야 합니다. 준비 과정은 크라이오스탯 준비 문서에 자세히 기록돼 있습니다.

새 크라이오스탯에 균열이 없는지 확인하기 위해 먼저 바닥부터 6인치 높이까지 액체질소를 채우고 하룻밤 그대로 둡니다. 다음 날 아침까지 진공 손실이 없으면 약 10시간에 걸쳐 시간당 약 20cm씩 액체질소를 채웁니다. 이는 안전한 속도로 알려져 있습니다. 어느 속도에서 반드시 균열이 생기는지 확인하기 위해 한계를 시험하지는 않았습니다. 채우는 도중 진공이 손실되면 액체질소를 제거하고 안쪽 벽에 균열이 있는지 면밀히 검사합니다. 발견한 균열은 유리섬유·비닐에스터 수지로 보수해야 합니다. 대부분의 경우 균열이나 진공 손실 없이 약 7피트 높이까지 가득 채울 수 있습니다.

HSSV−6 원통형 크라이오스탯에는 Fire-Free 88이라는 난연제를 도포합니다. 우리는 난연제 시장을 폭넓게 조사한 끝에 이 제품을 선택했습니다. 시설 관리자 앤디 자와키는 FF88을 세 번 도포하면 토치 불꽃의 가장 뜨거운 부분에 1분간 노출돼도 관통되지 않는다는 것을 보여주었습니다. 가장 근접한 경쟁 제품은 Contego였습니다. 더 오래된 직사각형 크라이오스탯은 유리섬유·수지 복합재에 삼산화안티몬 난연제 10%를 섞어 제작했습니다.

크라이오스탯 수지의 기술적 세부 사항

모든 크라이오스탯은 유리섬유·수지 복합재로 제작됩니다. 직사각형 크라이오스탯의 바깥쪽 벽은 유리섬유와 폴리에스터 수지의 복합재로, 안쪽 벽은 유리섬유와 에폭시 수지의 복합재로 만들어집니다. 원통형 크라이오스탯은 안팎 벽 모두에 유리섬유와 비닐에스터 수지를 사용합니다.

모든 경우에 유리섬유에 시럽처럼 걸쭉한 수지 혼합물을 충분히 스며들게 합니다. 이후 수지 단량체가 중합, 즉 ‘경화’되어 매우 강하고 내구성이 높으며 부식에 강한 복합재를 형성합니다. 폴리에스터 수지와 비닐에스터 수지는 최종 구조에 포함되지 않는 촉매로 경화됩니다. 반면 에폭시 수지의 경화제는 최종 가교 구조에 포함됩니다.

에폭사이드는 산소 원자 하나가 탄소 원자 두 개와 결합한 고리형 에터입니다. 에폭시 수지 단량체는 대체로 크기가 큰 방향족 탄화수소 분자로, 양 끝에 에폭사이드, 즉 ‘에폭시기’를 가지고 있습니다. 경화제는 보통 다이아민입니다. 다이아민은 질소가 에폭시기 말단의 탄소와 결합하게 하며, 이때 산소가 밀려나 수소를 받아 알코올기가 됩니다. CI가 사용한 에폭시 수지는 변성 비스페놀 A 디글리시딜 에터였고, 경화제는 변성 지방족 아민인 트라이에틸렌테트라민이었습니다. 두 재료 모두 Tool Chemical Co, Inc.의 제품입니다.

폴리에스터 수지는 저렴하고 사용하기 쉬우며 유리섬유와도 잘 결합합니다. 우리가 사용한 폴리에스터 수지에는 스티렌이 40~50% 포함돼 있었습니다(Tool Chemical TCC-072). 에폭시 수지는 가장 비싸지만 열적 특성이 가장 좋습니다. 다만 작업하기는 가장 어렵습니다. 수지를 머금은 유리섬유 매트를 너무 빨리 붙이면 어떤 수지든 경화 중 열이 지나치게 많이 발생해 기포, 연기, 균열이 생길 수 있습니다. 너무 느리게 붙이면 층끼리 충분히 결합하지 않아 공기주머니를 제거하기 어렵습니다. 비닐에스터 수지는 에폭시보다 작업하기 쉽고 저렴하며 내식성도 더 좋습니다. 그러나 폴리에스터 수지와 마찬가지로 경화하면서 에폭시 수지의 약 두 배만큼 수축하므로, 주의하지 않으면 내부 균열이 생길 수 있습니다.

CI의 원통형 크라이오스탯에는 변성 비닐에스터인 Hetron 922(Ashland Chemical)가 사용됩니다. 이 수지는 카복실기 말단 부타디엔·아크릴로니트릴 공중합체를 사용해 단량체의 인성을 높인 것입니다. 폴리에스터 수지와 마찬가지로 경화 촉매에는 메틸에틸케톤 퍼옥사이드, 즉 2-부타논 퍼옥사이드를 사용합니다. 이 촉매는 최종 구조에 포함되지 않는 자유 라디칼 연쇄 반응을 시작합니다. Hetron 922 1파운드당 MEK 퍼옥사이드 5밀리리터를 사용합니다.

수지를 변성한다고 해서 CI의 원통형 크라이오스탯이 지닌 열적 특성이 크게 달라질지는 의문입니다. 당시 이 용기의 액체질소 증발 비용은 환자 1인당 연간 100달러 미만이었습니다. 다만 진공 유지 측면에는 개선 여지가 있을 수 있습니다. 크라이오스탯에서 압력이 50마이크론인 상태와 완전 진공 사이에는 증발량에서 감지할 만한 차이가 없습니다. 그러나 벽 사이의 압력이 수은주 100마이크론으로 올라가면 증발량이 눈에 띄게 늘어납니다. 진공 펌프를 가동하지 않으면 압력이 100마이크론까지 올라가는 데 약 3주가 걸립니다.

압력이 상승하는 이유로는 수지에서 기체가 방출되는 것과 밸브에서 공기가 새는 것, 두 가지가 유력합니다. 첫 번째 가능성에 대응하기 위해 우리는 납품 직후 크라이오스탯을 가열해 수지에서 방출될 기체를 미리 배출하는 방안을 고려하고 있습니다. 두 번째 가능성과 관련해서는 앤디가 본 진공용 밸브가 모두 우리 용도에 비해 너무 작았기 때문에 현재 진공용 밸브 대신 물용 밸브를 사용하고 있습니다. 저는 적합한 밸브를 더 적극적으로 찾아볼 생각입니다. 성능을 개선한다면 진공 펌프를 몇 달에 한 번, 어쩌면 몇 년에 한 번만 가동해도 될 수 있습니다.