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[우주의 속삭임(28)] 태양, X급 플레어 방출해 호주·일본 등 전파장애 발생
- 태양 흑점이 최근 또 폭발해 호주와 동남아시아에서 일시적인 전파 방해가 발생한 것으로 확인됐다. 올해 5월 대폭발 이후 태양 활동이 비교적 잠잠했던 가운데, 지난 7월 14일(한국 시간) 강력한 X등급 태양 플레어가 발생했다고 스페이스닷컴이 전했다. 이는 태양 플레어 중 가장 강력한 등급이다. 미국 항공우주국(나사·NASA)는 지난 7월 13일(현지시간) 분출된 X1.2 태양 플레어의 이미지를 공유했다. 이번 태양 플레어는 흑점 AR3838에서 발생했으며, NASA의 태양활동관측위성(SDO)이 우주에서 이 역동적인 장면을 포착했다. 플레어 발생 직후 호주, 동남아시아, 일본 등 일부 지역에서 단파 무선 통신 장애가 발생했다. 이는 강력한 태양 플레어 발생 시 방출되는 강력한 X선 및 극자외선으로 인해 흔히 발생하는 현상이다. 다만, 이번 플레어는 코로나 질량 방출(CME)을 동반하지 않아 지구 자기장에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다. 태양 플레어는 태양 표면에서 발생하는 폭발 현상으로 강력한 전자기 방사선을 방출한다. 태양 대기 중 축적된 자기 에너지가 방출될 때 발생하며, 그 강도에 따라 A, B, C, M, X 등급으로 분류된다. X등급은 가장 강력한 것이며, M등급은 X등급보다 10배 약하다. 이번 태양 플레어는 X1.27등급으로 관측됐다. 태양 플레어의 방사선은 빛의 속도로 지구로 이동해 도착 즉시 대기를 이온화(전기적으로 충전)한다. 이러한 이온화는 고주파 단파 무선 신호가 통과할 수 있는 밀도가 높은 환경을 조성해 정거리 통신을 용이하게 한다. 전파가 이온화된 층에서 전자와 상호 작용할 때 충돌이 증가해 에너지를 잃게 되고, 이로 인해 전파 신호가 저하되거나 완전히 흡수될 수 있다. 미국 국립해양대기청(NOAA)은 15일 "눈에 보이는 태양 원반에는 흑점군이 많이 존재하며, 7월 15일부터 18일까지 사소하거나 중간 정도의 플레어가 발생할 가능성이 높다"고 보고했다. 태양에서 분출하는 12개의 흑점 영역 중 3838영역은 이번 X1.2 등급으로 분류된 플레어의 원인이다. NOAA는 흑점 영역이 "자기적으로 복잡하다"고 밝혔다. NASA에 따르면. 이 태양 주기는 솔라 사이클 25(Solar Cycle 25)로 알려져 있으며, 2019년 12월 시작되어 현재 최대치에 접근하고 있다. 11년 주기로 측정한 결과, 태양은 올해 피크 활동 주기를 거치는 동안 많은 강력한 태양 플레어를 방출했다. NOAA에 따르면, 태양 플레어 폭발은 태양의 플라스마가 지구를 둘러싼 자기장에 파고들 때 발생하는 태양 코로나 질량 방출과 관련이 있다. 태양 물질이 지구에 도착하면 지자기 폭풍이 발생한다. 예를 들어 올해 5월 11일 NOAA가 강력한 G4 지자기 폭풍 경보를 발령했을 때와 같이 북극광(오로라)과 같은 천체 현상이 발생할 수 있다. 당시 북극광은 미국 남쪽까지 진출해 텍사스 주에서도 관측됐다. 지난주 지자기 활동으로 5월에 나타났던 북극광은 예측되지 않았다. 그러나 NOAA는 태양 활동으로 인해 통신이 중단될 가능성이 있다고 보고했다. 한편, 15일(현지시간) 뷰몬트 언테프라이즈에 따르면 12개 이상의 활성 흑점이 계속해서 태양 플레어를 분출하고 있어서 과학자들은 이번 주 후반에 '가능한' 지자기 활동이 예측되어 위성 통신이 중단될 가능성이 있다고 밝혔다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(28)] 태양, X급 플레어 방출해 호주·일본 등 전파장애 발생
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[우주의 속삭임(27)] '어두운 혜성', 과거 지구에 물 공급 가능성 제기
- 지구 근처에서 혜성처럼 움직이며 물과 얼음을 포함할 수 있는 소행성인 '어두운(Dark) 혜성'은 대부분 화성과 목성 사이에서 왔으며 지구 근처에 있는 모든 물체의 최대 60%를 차지할 수 있다는 연구 결과가 나왔다고 스페이스닷컴이 전했다. 더불어 이들 어두운 혜성이 과거 지구에 물을 공급했을 가능성도 제기됐다. 어두운 혜성은 2023년 코넬 대학의 대릴 셀리그먼이 이끄는 연구팀이 6개를 식별하면서 처음으로 드러났다. 소행성은 태양의 중력에 따라 궤도를 돈다. 그러나 여섯 개의 어두운 혜성은 태양의 중력만으로는 설명할 수 없는 궤도를 나타낸다. 일반적으로 혜성은 가열될 때 얼음이 승화되어 추진력을 받아 속도를 높이며 가스를 방출해 궤도를 변경할 수 있다. 방출된 가스는 혜성을 안개와 같은 물질로 덮고 꼬리를 형성한다. 그러나 셀리그먼 팀이 발견한 6개의 어두운 혜성은 가스 방출로 인한 안개나 꼬리가 없다. 눈에 보이는 가스 방출이 없음에도 불구하고, 혜성의 얼음이 승화되는 방출은 있을 것으로 추정됐고, 이 때문에 어두운 혜성이라는 별명이 붙었다. 셀리그먼 교수가 포함된 미시간 대학의 아스터 테일러 교수 연구팀은 계속해서 컴퓨터 시뮬레이션에 동적 모델링 기술을 적용함으로써 어두운 혜성의 궤도를 추적, 이 혜성이 어디에서 왔는지를 알아냈다. 이 어두운 혜성이 지구 근처 궤도에 도달할 수 있음도 확인했다. 연구 결과는 이카루스 저널에 발표됐다. 연구 결과, 어두운 혜성은 거의 화성과 목성 사이의 소행성대에서 유래한 것으로 나타났다. 또한 이번 연구는 소행성대에 있는 어두운 혜성 표면 아래에 많은 얼음이 존재할 것이라고 예측했던 1980년대의 초기 이론을 증명했다. 나사의 다운(Dawn) 임무는 왜행성 세레스에서 얼음을 발견했고 소행성 베스타에서 얼음이 있을 것이라는 강한 증거를 발견했는데, 이들 둘 다 주요 소행성대다. 그러나 세레스와 베스타는 대부분의 소행성보다 훨씬 크며, 태양계 초기에 완전한 행성으로 성장하지 못한 원시행성의 잔해로 추정된다. 훨씬 더 작은 소행성에도 얼음이 존재하는지 여부는 확실하지 않았지만, 이번 어두운 혜성 연구에 따르면 실제로 얼음이 존재하는 것으로 나타났다. 활성 소행성(꼬리까지 달려 혜성처럼 움직이는 소행성대의 물체)과 어두운 혜성 사이의 연관성에 대해서는 여전히 논쟁이 있지만, 테일러 박사는 어두운 혜성 및 활성 소행성이 지구의 물 공급원이었을 가능성이 있다고 추정했다. 테일러는 "어두운 혜성이 지구에 물을 공급했는지를 확신할 수는 없지만, 지구의 물 공급에 대한 논쟁이 여전히 남아 있으며, 우리의 연구는 어두운 혜성이 태양계의 나머지 부분 어딘가에서 지구가 얼음을 얻는 또 다른 경로라는 것을 보여준다"고 말했다. 연구팀의 계산과 모델링에 따르면 지구 근처 물체의 최대 60%가 어두운 혜성일 수 있다. 나사의 오시리스 렉스(OSIRIS-REx) 탐사선이 최근 샘플을 채취했던 소행성 베누(Bennu)도 가스 방출 활동을 했음이 드러났으며, 이는 지구에서는 볼 수 없지만 미세한 가스를 방출하는 소행성이 흔할 수 있음을 암시한다. 지구 근처를 공전하는 물체의 수명은 중력에 의해 태양이나 목성 또는 행성으로 흩어지기까지 약 1000만 년 정도다. 따라서 지구 근처의 물체가 현재 숫자를 유지하려면 어두운 혜성이 소행성대에서 나오는 새로운 물체로 지속적으로 보충되어야 한다. 테일러는 "우리가 생각했던 것보다 소행성대에 더 많은 얼음이 있을 수 있다"고 말했다. 어두운 혜성은 '2003 RM'을 제외하고 일반적으로 크기가 수십m 정도에 불과하며 빠르게 회전하고 있다. 파악하지 못하는 상당히 적은 양의 가스 방출은 어두운 혜성의 빠른 회전과 작은 크기의 원인이다. 얼음 조각이 승화하기 시작하면 생성된 증기가 소행성 표면을 통해 폭발하며 가스 방출 기둥을 생성한다. 가스 방출에 의해 전달된 추진력은 소행성을 결국에는 부서질 만큼 빠르게 회전하도록 한다. 그 결과 생성된 파편도 가스를 배출하면서 회전하기 시작하고 점차 오늘날 우리가 볼 수 있는 작은 어두운 혜성의 크기로 작아진다고 연구팀은 밝혔다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(27)] '어두운 혜성', 과거 지구에 물 공급 가능성 제기
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AI 활용 알츠하이머 예측 모델, 82% 높은 정확성 기록
- 영국 과학자들이 인공지능(AI) 도구를 개발해 알츠하이머병을 정확하게 진단했다. 케임브리지 대학교 연구팀이 개발한 새로운 AI 도구는 인지 테스트와 MRI 스캔을 사용해 알츠하이머 진행을 82%의 정확도로 예측한다고 뉴로사이언스가 13일(현지시간) 보도했다. 케임브리지의 연구팀은 초기 치매 증상을 보이는 환자가 알츠하이머 병으로 발전할 지 또는 증상이 안정될지를 예측하는 머신 러닝 모델을 개발한 것. 이 도구는 기존 진단 도구보다 정확도가 높으며, 침습적이고 고비용 검사 없이 조기 진단을 가능하게 한다. 치매의 주요 원인은 알츠하이머병으로 전체 사례의 60~70%를 차지한다. 조기 발견은 치료 효과를 높일 수 있어 매우 중요하다. 그러나 양전자방출 단층 촬영(PET) 검사나 요추 전자와 같은 침습적이거나 값비싼 검사를 이용하지 않으면 조기 치매 진단이나 예후가 정확하지 않을 수 있다. 의학 분야의 오픈 액세스 저널 'e클리니컬 메디신(eClinicalMedicine)'에 게재된 연구에 따르면 이 기술은 현재의 임상 진단 도구보다 더 정확하다고 한다. 이 저널은 더 랜싯(The Lancet) 디지털 건강 저널 시리즈 중 하나로 2019년 설립됐다. 연구팀은 미국과 영국, 싱가포르의 환자 1900여 명의 데이터를 활용해 인공 지능 모델을 개발하고 후속 데이터를 통해 약 6년간 검증했다. 이 AI 모델은 3년 이내에 알츠하이머병으로 진행될 환자를 82%의 정확도로 예측했다. 이는 현재 표준 치료법, 즉 표준 임상 마커(회백질 위축이나 인지 점수 등)보다 정확도가 약 3배 정도 높다. 이 인공지능 도구는 환자를 증상이 안정적인 그룹(참가자의 약 50%), 알츠하이머로 천천히 진행되는 그룹(약 35%), 빠르게 진행되는 그룹(약 15%) 세 가지로 분류해 맞춤형 치료 계획 수립과 조기 개입을 가능하게 한다. 또한 치매가 아닌 다른 원인으로 인한 기억력 감퇴 환자를 식발해 불필요한 검사를 줄이고 적절한 치료를 받도록 돕는다. 아울러 기억 상실과 같은 증상이 있지만 상태가 안정된 50%의 사람은 치매가 아닌 불안이나 우울증과 같은 다른 원인으로 인한 증상일 수도 있으므로 다른 임상 경로를 찾는데 도움을 줄 수도 있다. 수석 저자인 케임브리지 대학교 심리학과 조이 쿠르치 교수는 "우리는 인지 테스트와 MRI 스캔 데이터만 사용했지만, 경미한 증상에서 알츠하이머로 진행될 지 여부와 진행이 빠를지 혹은 느릴지 예측하는 데 현재의 접근 방식보다 훨씬 더 정확한 도구를 만들었다"고 말했다. 연구팀은 이 도구가 실제 임상 환경에서 적용될 수 있도록 다양한 환자 데이터를 활용하여 검증했으며, 향후 다른 유형의 치매 예측에도 활용될 수 있도록 연구를 확장할 계획이다.
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- IT/바이오
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AI 활용 알츠하이머 예측 모델, 82% 높은 정확성 기록
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[우주의 속삭임(26)] 제임스 웹 우주 망원경, 우주에서 보석 반지 발견
- 중력 렌즈라는 우주 현상을 통해 생성된 반짝이는 보석 반지가 제임스 웹 우주 망원경으로 촬영됐다. 중력 렌즈는 멀리 떨어진 천체에서 나온 빛이 중간에 있는 거대 천체에 의해 휘어져 보이는 현상을 말한다. 촬영된 이미지는 지구에서 약 60억 광년 떨어진 곳에 위치한 ‘RX J1131-1231’이라는 먼 퀘이사를 포착했다. 이미지의 전면에 위치한 근처 타원 은하의 강력한 중력장은 밝게 빛나는 활동 은하핵(AGN)인 퀘이사의 빛을 굴절시켜 밝은 원을 만들고, 물체를 복제해 궁극적으로는 반지에 보석을 박은 듯한 비주얼을 만들어 낸다. 퀘이사는 은하의 초거대 블랙홀로 떨어지는 다량의 가스와 먼지에 의해 동력을 받아 이를 빛 에너지로 바꾸어 매우 밝게 빛난다. 유럽우주국(ESA)에 따르면, 천문학자들은 은하와 같은 거대한 천체가 그보다 더 먼 곳에서 오는 빛을 굴절시킬 때 발생하는 중력 렌즈 효과를 통해 퀘이사의 블랙홀 인근을 연구할 수 있다. ESA는 퀘이사에서 나오는 X선 방출량을 측정하면 중앙 블랙홀이 얼마나 빨리 회전하는지 알 수 있으며, 이는 시간이 지남에 따라 블랙홀이 어떻게 성장하는지에 대한 중요한 단서를 제공한다고 말했다. 제임스 웹 망원경이 포착한 이미지에서 중력 렌즈를 만들어 내는 타원 은하, 즉 보석 반지는 고리 중앙에 작은 파란색 점으로 나타났다. 이는 매우 멀리 떨어져 있는 퀘이사의 빛을 확대하는 망원경 역할을 한다. ESA는 블랙홀이 주로 은하 간의 충돌과 합병으로 성장한다면 안정된 원반에 물질이 축적되어야 하며, 원반에 새로운 물질이 꾸준히 공급되면 빠르게 회전하는 블랙홀이 될 것이라고 밝혔다. 또 특정 퀘이사의 블랙홀은 빛에 버금가는 대단히 빠른 속도로 회전하고 있으며, 이는 블랙홀이 서로 다른 방향에서 물질을 끌어당기는 것이 아니라 합병을 통해 성장했음을 시사한다고 설명했다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(26)] 제임스 웹 우주 망원경, 우주에서 보석 반지 발견
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[신소재 신기술(74)] 탄소 포집·저장 6배 높인 '하이드레이트'
- 대기에서 포집한 이산화탄소(CO₂)를 6배나 빠르게 저장하는 새로운 하이드레이트 기술이 개발됐다. 미국 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스 연구진이 개발한 새로운 대기 중 탄소 포집 하이드레이트 기술은 기존 방식보다 약 6배 빠른 속도로, 유해 화학 촉진제 없이 탄소를 저장할 수 있다고 테크익스로어와 어스닷컴 등 다수 외신이 보도했다. 미국화학회(ACS) 학술지 '지속 가능 화학 및 공학'에 발표된 이 연구에서 연구팀은 이산화탄소 하이드레이트를 초고속으로 형성하는 기술을 개발했다. 이 독특한 얼음 형태의 물질은 이산화탄소를 해저에 저장하여 대기 중 방출을 막는 역할을 한다. 탄소 포집에서 하이드레이트는 이산화탄소를 물 분자와 함께 얼음과 비슷한 고체 상태로 만드는 기술을 의미한다. 하이드레이트는 자체 부피의 최대 180배에 달하는 이산화탄소를 저장할 수 있다. 아울러 일정한 온도와 압력 조건에서 안정적으로 유지되므로 이산화 탄소 누출 위험을 줄일 수 있다. 연구를 이끈 바이바브 바라두르(Vaibhav Bahadur) 교수는 "우리는 대기 중 수십억 톤의 탄소를 안전하게 제거하는 방법을 찾는 엄청난 과제를 안고 있다"며 "하이드레이트는 탄소 저장을 위한 보편적인 해결책을 제공하며, 탄소 저장 분야에서 중요한 역할을 하려면 빠르고 대규모로 성장시키는 기술이 필요하다. 우리는 환경친화적인 방법으로 하이드레이트를 빠르게 성장시킬 수 있음을 입증했다"고 말했다. 이산화탄소는 가장 흔한 온실가스이며, 기후 변화의 주요 원인이다. 탄소 포집 및 저장 기술은 대기 중 탄소를 제거하고 영구적으로 저장하는 기술로, 지구 탄탄소화의 핵심 요소로 간주된다. 현재 가장 일반적인 탄소 저장 방법은 이산화탄소를 지하 저류층이 주입하는 것이다. 이 기술은 탄소를 포집하고 석유 생산을 증가시키는 이중 효과를 갖는다. 그러나 이 기술은 이산화탄소 누출 및 이동, 지하수 오염, 탄소 주입 관련 시 지진 위험 등 심각한 문제를 안고 있다. 또한 지하 저류층 주입에 적절한 지질학적 특징이 부족한 지역도 많다. 바하두르 교수는 하이드레이트가 대규모 탄소 저장을 위한 '차선책'이지만 주요 문제를 극복하면 '최선책'이 될 수 있다고 강조했다. 지금까지 탄소를 포집하는 하이드레이트 형성 과정은 느리고 에너지 집약적이어서 대규모 탄소 저장 수단으로 활용되기 어려웠다.. 이번 연구에서 팀은 기존 방법보다 하이드레이트 형성 기술을 6배 증가시켰다. 이러한 속도와 화학 물질을 사용하지 않는 공정은 대규모 탄소 저장에 하이드레이트를 더 쉽게 활용할 수 있게 한다. 이 연구의 핵심은 마그네슙으로, 화학촉진제 없이도 촉매 역할을 한다. 특정 반응기에서 이산화탄소를 고속 버블링으로 추가하면 빠르고 친환경적인 하이드레이트를 형성할 수 있다. 게다가 해수에서도 잘 작동하기 때문에 복잡한 담수화 공정이 필요하지 않다. 바라두르 교수는 "해저가 안정적인 열역학 조건을 제공하여 하이드레이트 분해를 방지하기 때문에 매력적인 탄소 저장 옵션이다"라며 "우리는 해안선을 가진 모든 국가에 탄소 저장을 가능하게 만들고 있으며, 이는 전세계적으로 탄소 저장 접근성과 실현 가능성을 높여 지속 가능한 미래에 더 가까워지게 한다"고 설명했다. 이번 연구 성과는 탄소 포집뿐만 아니라 해수 담수화, 가스 분리와 저장 등 다양한 산업에도 적용될 수 있다. 연구팀과 텍사스 대학교는 관련 기술에 대한 특허를 출원했으며, 상용화를 위한 스타트업 설립도 고려하고 있다. 하이드레이트 기술은 탄소 포집 및 저장 분야에서 혁신적인 기술로 주목받고 있으며, 지속적인 ㅇ녀구 개발을 통해 미래 탄소 중립 목표 달성에 기여할 것으로 기대된다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(74)] 탄소 포집·저장 6배 높인 '하이드레이트'
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[기후의 역습(25)] 약한 해양 순환, 대기 중 이산화탄소 축적 증가
- 기후변화가 진행됨에 따라 해양 역전순환(적도 부근의 따뜻한 바닷물이 북쪽으로 흘러가고, 북쪽의 차가운 물이 하층부로 내려가 남쪽으로 흐르는 해류 순환) 흐름이 크게 약화될 것으로 예상된다. 그런 가운데, 해류가 약화되면 바다가 대기에서 이산화탄소를 흡수하는 양이 줄어들고, 결국 대기에 축적되는 이산화탄소가 증가할 것이라는 연구 결과가 나왔다고 PHYS가 전했다. 네이처 커뮤니케이션에 발표된 MIT의 새로운 연구에 따르면, 해류가 약해짐에 따라 심해에서 대기로 방출되는 탄소가 더 많아질 것이며, 따라서 해양 순환과 바다의 장기적인 탄소 저장 능력 사이의 관계가 재정립되어야 할 것으로 보인다. 그 이유는 바다의 철분, 용승하는 탄소와 영양분, 표면 미생물 등의 작용 때문이다. 해류가 종전보다 느리게 순환하면 이들은 궁극적으로 바다가 대기로 다시 배출하는 이산화탄소의 양을 증가시키는 작용을 하게 된다는 것이다. MIT 연구팀을 이끈 조나단 로더데일 박사는 ”기후에 영향을 미치는 해양 순환과 대기 탄소 수준 사이의 관계를 볼 때 미래의 바다가 심해에 탄소를 충분히 저장할 것이라고 기대할 수 없다. 기후 변화 완화를 위해 자연적인 정화에 의존하기보다 탄소 배출을 줄이는 데 더 공격적으로 나서야 한다"라고 밝혔다. 로더데일 연구팀은 해양 영양분, 해양 유기체, 철분을 분석, 이들의 상호 작용이 전 세계 식물성 플랑크톤의 성장에 어떻게 영향을 미치는지를 분석했다. 바다의 식물성 플랑크톤은 해양 표면에 서식하며, 심해에서 용승하는 탄소와 영양분과 철분을 섭취하는 미세한 유기체다. 식물성 플랑크톤이 많을수록 광합성을 통해 대기에서 더 많은 이산화탄소를 흡수할 수 있다. 특히 이는 바다의 탄소 격리에 큰 역할을 한다. 연구팀은 여러 지역 해양의 조건에 맞춰 이를 상자로 구성한 ‘상자 모델’을 개발했다. 각 상자에는 지역별 해양 상황과 유사한 영양분, 철 및 리간드(식물성 플랑크톤의 부산물로 여겨지는 유기 분자)가 담겼다. 팀은 또한 바다의 더 큰 해류 순환을 나타낼 수 있도록 상자 사이에 해류의 순환을 모델링했다. 해류 역전순환을 상자 모델에서 그대로 재현한 것이다. 모델을 바탕으로 실험한 결과 팀은 바다에 철분이 과도해도 남는 철분이 식물성 플랑크톤 성장에는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 밝혔다. 철분은 바다에 용해되지 않으므로 그 자체로는 식물성 플랑크톤이 사용할 수 없었다. 철분은 플랑크톤이 소비할 수 있는 형태로 리간드와 연결될 때 "유용한" 수준에서만 용해됐다. 리간드의 존재가 해양의 이산화탄소 농도를 좌우하는 가장 큰 변수였다. 팀은 상자 모델을 확장해 태평양, 북대서양 등 보다 다양한 환경으로 넓혔고, 다양한 해양 순환의 효과를 포함해 모델 내의 다른 상호 작용도 실험했다. 팀은 다양한 해류 강도에서 플랑크톤 등의 생물 활동과 함께 탄소, 영양소, 철 및 리간드 농도를 분석하고 다양한 시나리오를 비교 분석했다. 실험 결과는 새로운 결과를 보여주었다. 바다의 순환, 즉 해류가 약해질수록 바다가 깊은 곳에서 끌어오는 탄소와 영양분의 양이 적어졌다. 그러면 표면의 모든 식물성 플랑크톤은 자양분이 부족해지고, 그 결과 플랑크톤이 생성하는 리간드 등 부산물도 감소한다. 사용 가능한 리간드가 줄어들면 식물성 플랑크톤은 해수 표면의 철분을 덜 사용하게 돼 개체수가 더욱 감소한다. 대기에서 이산화탄소를 흡수하고 심해에서 용승된 탄소를 소비하는 식물성 플랑크톤이 크게 줄어들 수밖에 없다. 결국 해양 순환이 약해질수록 대기 중에 더 많은 이산화탄소가 축적된다고 보고서는 밝혔다. 해양의 순환은 기후 변화로 인해 크게 약화될 것이라는 우려다. 일부 기후 모델에 따르면, 특히 남극 주변의 빙상이 급속도로 녹아 내리고 있으며, 이로 인해 해양 순환이 30% 둔화될 것으로 예측한다. 이로 인해 해양이 대기에서 흡수하는 이산화탄소가 크게 줄 뿐만 아니라 심해의 이산화탄소 방출을 일으킬 수 있다는 지적이다. 지구 온난화가 증폭된다는 의미다.
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[기후의 역습(25)] 약한 해양 순환, 대기 중 이산화탄소 축적 증가
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[기후의 역습(24)] 극심한 산불, 기후 변화로 20년 만에 2배 급증
- 지구가 불타고 있다. 최근 그리스에서는 70건이 넘는 산불이 동시에 발생했다. 2024년 초 칠레는 역사상 최악의 산불 시즌을 겪었고, 130명 이상이 사망했다. 지난해 캐나다에서는 3~11월까지 기록적인 산불이 일어났고, 8월에는 하와이 마우이 섬이 불길로 휩쓸렸다. 지금도 산불은 계속되고 있다. 재앙적인 극심한 산불이 점점 더 자주 일어나고 있다는 사실이 수치로 확인됐다. '네이처 생태 및 진화(Nature Ecology & Evolution)'에 최근 발표된 연구에 따르면 지구상에서 가장 극심한 산불의 횟수와 강도가 지난 20년 동안 두 배로 늘어났다. 이 연구는 호주 태즈매니아 대학이 수행한 것이다. 연구팀은 2003~2023년까지 21년 동안 전 세계에서 발생했던 대형 화재에 의해 방출된 에너지를 처음으로 계산해 냈다. 연구팀은 화재에서 열에너지를 추적하는 위성 센서를 사용, 불길이 분출하는 에너지량을 측정했다. 연구팀이 조사한 화재 건수는 무려 3000만 건에 달한다. 이들을 전수조사해 가장 많은 에너지가 방출된 상위 2913개, 즉 0.01%의 '가장 극단적인' 산불을 선정했다. 분석한 결과, 극심한 산불은 점점 더 빈번해지고 있으며, 지난 20년 동안 그 횟수가 두 배로 늘어났다. 2017년부터 현재까지, 2022년 한 해를 제외한 최근 6년 동안은 지구에 가장 많은 극심한 산불이 발생한 기간이었다. 심각한 문제는 이러한 극심한 산불이 더욱 격렬해지고 있다는 사실이다. 최근 몇 년 동안 극단으로 분류된 산불은 조사 초기, 즉 2003년 언저리에 발생했던 극단적인 산불보다 두 배나 많은 에너지를 방출했다. 강도가 2배 이상 늘었다는 의미다. 이는 산불이 악화되고 있다는 최근의 다른 연구 및 관찰과도 일치한다. 예를 들어, 매년 소실되는 산림 면적은 증가하고 있으며, 이에 따라 산림 탄소 배출량도 늘고 있다. 초지 및 농경지 화재의 경우 상대적으로 산불보다 강도가 낮고 탄소 배출량도 적다. 화재가 생태계에 얼마나 심각한 피해를 주는지를 나타내는 지표인 '화상 심각도' 역시 많은 지역에서 악화되고 있다. 심각도가 높은 화재로 인해 피해를 입는 토지의 비율도 전 세계적으로 증가하고 있다. 보고서는 글로벌 화재 상황이 전반적으로 악회되고 있으며, 지역별로 뚜렷한 양상을 보인다고 지적했다. 극북 지역의 아한대 산림과 온대 침엽수림에서 전 세계적으로 극심한 산불 증가 추세를 주도하고 있다는 것이다. 이 지역은 심각한 화재 발생이 더 빈도가 높아지고 시간이 지남에 따라 악화되는 경향을 보였다. 동시에 총 연소 면적과 비율 면에서 심각한 수준을 나타냈다. 특히 동부 시베리아, 서부 미국 및 캐나다 지역의 화재 상황이 두드러졌다. 극심한 산불이 두 배 증가하면 지금까지의 소방 활동으로는 제어하기 어려워진다. 토지 변화, 산림 정책 및 관리, 기후 변화 등 산불 악화 이면에 숨어 있는 근본 원인을 해결하는 것이 시급하다. 전통적인 방법으로는 대처가 거의 불가능한 극심한 화재에 대비하는 근본적인 처방이 필요하다는 지적이다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(24)] 극심한 산불, 기후 변화로 20년 만에 2배 급증
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코가 차가우면 고혈압?…얼굴 열 패턴 분석해 건강 상태 예측
- 고혈압이 있는 남성들은 비교적 코가 차갑고, 대사 장애가 있는 사람들은 눈 주위 온도가 더 높은 등 얼굴의 열 패턴을 분석하면 노화 정도 및 특정 질병 발생 위험을 예측할 수 있다는 연구 결과가 발표됐다. 중국 베이징 대학교 연구진은 코, 볼, 눈 주변의 열 방출량을 비교 분석해 건강한 노화를 모니터링하고 질병을 조기에 진단할 수 있는 잠재력을 확인했다고 사이언스얼러트가 4일(현지시간) 보도했다. 연구팀은 21세부터 88세까지의 다양한 연령대의 중국인 2811명의 얼굴 온도 데이터를 활용해 인공지능(AI) 프로그램을 학습시켰고, 그 결과 개인의 '생체 시계'를 암시하는 다양한 얼굴 열 패턴을 식별했다. 연구 결과 코 온도는 얼굴 다른 부위보다 나이가 들수록 빠르게 감소하는 반면, 눈 주변 온도는 나이가 들수록 상승하는 경향을 보였다. 이는 코가 따뜻하고 눈 주변이 시원한 사람일수록 얼굴 열 시계가 느리게 움직일 수 있음을 시사한다. 예를 들어 40대 남성 A씨와 B씨 얼굴 열 분포를 비교했을 때, A씨는 코 온도가 상대적으로 낮고 눈 주변 온도가 높았던 반면, B씨는 코 온도가 높고 눈 주변 온도가 낮았다. 이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 A씨의 생체 시계가 B씨보다 빠르게 움직이고 있을 가능성을 제시했다. 즉, A씨가 B씨보다 노화가 빠르게 진행되고 있거나 특정 질병에 걸릴 위험이 높을 수 있다는 것이다. 연구에 따르면 대사 장애가 있는 사람들은 건강하고 나이와 성별이 같은 사람들보다 눈 주위 온도가 높은 가능성이 더 컸다. 연구진은 개일의 열 프로파일이 특정 생활 방식 요인 및 대사 건강과 연관되어 있음을 발견했다. 예를 들어 당뇨병 환자는 일연 연령의 건강한 사람보다 얼굴 열 패턴이 6년 이상 노화된 것으로 나타났다. 이는 얼굴 열 분포가 단순히 노화 정도뿐만 아니라 건강 상태를 반영할 수 있음을 시사한다. 더 나아가 연구팀은 개발한 기계 학습(머신 러닝) 모델을 통해 얼굴 열 지도를 분석하여 지방간이나 당뇨병 같은 대사 장애가 있는 지 여부를 80% 이상의 정확도로 예측할 수 있었다. 또한 고혈압 참가자는 눈 주변 및 볼 온도가 높게 나타났고, 고혈압 남성은 상대적으로 코 온도가 낮은 경향을 보였다. 열 화상 이미지가 연령에 따라 변하는 이유를 조사하기 위해 연구팀은 중국 한 병원에서 건강한 사람 57명의 혈액 검사와, 이 그룹의 열 화상 및 3D 얼굴 판독 결과를 분석했다. 그 결과 눈과 볼 주변의 온도가 상승하면 염증과 관련된 세포 활동이 증가하는 것을 발견했다. 연구팀은 "이번 연구 결과는 얼굴 열 이미지가 기존의 얼굴 이미지 모델로는 예측할 수 없었던 대사 질환과의 연관성을 보여주었다는 점에서 의미가 크다"며 "향후 임상 환경에서 얼굴 열 이미지를 활용해 질병 조기 진단 및 예방에 기여할 수 있기를 기대한다"고 밝혔다. 얼굴에서 방출되는 열은 주변 환경 및 감정 상테에 영향을 받을 수있기 때문에 참가자들은 온도가 일정하게 유지되는 방에서 안정된 상태로 얼굴 열 패턴을 측정했다. 이번 연구 결과는 학술지 '셀 메타볼리즘(Cell Metabolism)'에 게재됐다. 그러나 이번 연구 결과는 중국인 데이터를 기반으로 했기 때문에 다른 인구 집단에도 동일하게 적용될 수 있을지는 추가 연구가 필요하다. 이러한 제한점에도 불구하고 이 연구는 얼굴 열 분석을 통해 개인의 건강 상태를 파악하고 질병을 예측할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 주목할만하다.
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코가 차가우면 고혈압?…얼굴 열 패턴 분석해 건강 상태 예측
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[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발
- 미국 스탠퍼드 대학교 연구팀이 칩 크기의 초소형 티타늄 사파이어(Ti:sapphire)레이저 개발에 성공했다. 이 레이저는 기존 티타늄 이온 도핑 사파이어 크리스탈로 만든 티타늄 사파이어 또는 Ti:사파이어 레이저보다 4배 작고 비용은 3배 더 저렴하며 효율성도 크게 향상되었다고 IFL이 3일(현지시간) 전했다. 기존 티타늄 사파이어 레이저는 높은 가격과 큰 부피, 그리고 구동을 위한 여러 대의 고출력 레이저가 필요하다는 단점이 있었따. 스탠퍼드리포트는 이번에 새로 개발 티타늄-사파이어 레이저에 대해 "'타의 추종을 불허하는 성능'을 가진 것으로 간주된다"고 전했다. 이어 "레이저는 최첨단 양자 광학, 분광학, 신경 과학을 포함한 많은 뷴야에서 없어서는 안 된다. 하지만 그 성능은 엄청난 대가를 치른다"면서 "Ti:sapphire는 부피가 입방 피트9볼링 공 4개 정도의 공간을 차지함)에 달할 정도로 크고 비용도 수십만 달러에 이른다. 또한 3만 달러 이상에 달하는 다른 고출력 레이저가 있어야 작동한다"며 기존 레이저의 단점을 지적했다. 스탠퍼드대 전기공학과 교수이자 칩 크기의 Ti:사파이어 레이저 논문의 시니어 저자인 옐레나 부치코비치(Jelena Vučković)는 "이것은 기존 모델에서 완전히 벗어난 것"리하고 말했다. 그는 "크고 값비싼 레이저 한 대가 아닌, 하나의 칩에 수백대의 레이저를 탑재할 수 있는 시대가 곧 올 것"이라고 전망했다. 연구팀은 티타늄 사파이어를 이산화규소(sio2) 절연체 위에 장착하고 수백 나노미터 두께의 티타늄 사파이어 층을 정밀하게 연마하고 에칭하여 소용돌이 모양의 융기, 즉 도파관을 형성했다. 이 도파관을 통과하는 빛은 소형 히터를 사용해 가열되며 사용자가 필요에 따라 레이저 파장을 조정할 수 있도록 한다. 즉, 연구팀은 마이크로스케일 히터를 통해 방출되는 빛의 파장을 변경해 빛의 색상을 700~1000나노미터(적색에서 적외선까지) 사이에서 원하는 대로 조절할 수 있었다. 또한 레이저 크기 축소는 강도를 높여 효율성을 향상시키는 효과도 있었다. 이 소형 레이저는 양자 광학, 분광학, 신경 과학 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 넓은 파장 범위에서 에너지를 방출하는 탁월한 이득 대역폭과 1000조 분의 1초마다 빛 펄스를 방출하는 초고속 특성을 가지고 있다. 이는 기존 레이저보다 약 14배 빠른 속도다. 부치코비치 교수와 공동 제1저자인 조슈아 양과 연구팀은 이 새로운 레이저가 다양한 분양에 미칠 영향에 대해 큰 기대를 걸고 있다. 양자 물리학 분야에서는 이 저렴하고 실용적인 레이저가 최첨단 양자 컴퓨터의 소형화를 획기적으로 앞당길 수 있을 것으로 예상된다. 신경 과학 분야에서는 광섬유를 통해 뇌 속 뉴런을 빛으로 조절하는 광유전적 연구에 즉각적인 활용이 가능할 것으로 보인다. 소형 레이저를 활용하면 더욱 작은 프로브(probe, 뇌 활동을 측정하고 자극하는 데 사용되는 도구)를 개발해 새로운 실험 방법을 모색할 수 있다. 안과 분야에서는 노밸상 수상 기술은 '처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification)'을 이용한 레이저 수술에 새로운 방식으로 활용되거나, 망막 건강 평가에 사용되는 광 간섭 단층 촬영 기술을 더 저렴하고 작게 만들수 있을 것으로 기대된다. 칩 형태의 레이저는 기볍고 휴대성이 뛰어나며 저렴하고 효율적이다. 그리고 대량 생산이 가능하다. 양 연구원은 "우리는 단일 4인치 웨이퍼에 수 전개의 레이저를 놓을 수 있었다"며 그렇게 되면 레이저당 비용이 거의 0이 되기 시작한다. 이는 매우 흥미로운 일이다"고 말했다. 연구팀은 이번 연구 결과가 티타늄 사파이어 레이저의 대중화에 기여할 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
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[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발
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[우주의 속삭임(22)] 태양 입자 폭발, 지구 오존층 파괴…방사선 노출 위험 고조
- 핀란드와 영국, 미국 등 국제 연구팀이 태양에서 발생하는 강력한 입자 폭발 현상이 지구의 오존층을 심각하게 파괴해 장기간 지구 표면에 방사선 노출량을 증가시킬 수 있음을 밝혔다고 PHYS.org가 2일(현지시간) 보도했다. 올해 5월초 발생한 강력한 오로라는 태양 폭풍이 방출하는 방사선 에너지를 보여주는 사례였다. 태양은 때때로 더 파괴적인 현상을 일으키기도 한다. '태양 입자 방출(solar particle events)'이라고 알려진 이 현상은 태양 표면에서 직접 방출되는 양성자 폭발로, 마치 탐조등처럼 우주 공간으로 뻗어 나갈 수 있다. 연구에 따르면, 지구는 약 1000년마다 극심한 태양 입자 방출 현상에 노출되며, 이는 오존층에 심각한 손상을 입히고 지표면의 자외선(UV) 복사량을 증가시킬 수 있다. 지난 7월 1일 미국 국립과학원 아카데미 회보에 게재된 논문에서 연구팀은 이러한 극한 상황이 발생했을 때 나타나는 현상을 분석했다. 또한 지구 자기장이 약화되었을 때 이러한 현상이 지구 생명체에 미치는 영향이 매우 클 수 있음을 보여줬다. 이 논문의 주저자는 판란드 오울루대학교(University of Oulu)의 프레이드리그 아르세노비치(Predrag Arsenovic)이며, 공동 저자는 영국 레딩대학교(University of Reading)의 매튜 오웬스(Mathew Owens), 미국 콜로라도대학교 볼더(University of Colorado Boulder)의 마이크 록우드(Mike Lockwood), 오울루대학교의 일리야 우소스킨(Ilya Usoskin), 레딩대학교의 루크 바나드(Luke Barnard) 등이다. 극지방 자기장, 오로라 형성 지구 자기장은 태양에서 방출되는 전하를 띤 방사선을 막아주는 중요한 보호막 역할을 한다. 일반적인 상태에서 지구 자기장은 거대한 막대 자석처럼 기능하며, 한쪽 극에서 나온 자기장 선이 다른 극으로 돌아가는 형태를 띠고 있다. 극지방에서는 자기장 선이 수직으로 배열되어 일부 이온화된 우주 방사선이 상층 대기까지 침투해 공기 분자와 상호작용하며 오로라를 생성한다. 그러나 지구 자기장은 시간이 지남에 따라 크게 변화한다. 지난 세기 동안 북극 자기는 연간 약 40km 속도로 캐나다 북부를 가로질러 이동했으며, 자기장 강도는 6% 이상 약화됐다. 지질학적 기록에 따르면, 지구 자기장이 매우 약하거나 완전히 사라진 시기가 수백년 또는 수천 년 지속된 경우도 있었다. 고대에 자기장을 잃고 그 결과 대기의 대부분을 잃은 화성을 살펴보면 지구 자기장이 없다면 어떤 일이 일어날지 알 수 있다. 지난 5월 지구에 오로라 발생 직후 강력한 태양 입자 방출 현상이 화성을 강타했다. 이로 인해 화성 탐사선 오디세이의 작동이 중단됐고, 화성 표면의 방사선 수치가 흉부 X선 촬영시 받는 방사션보다 약 30배나 높은 수준을 기록했다. 태양의 외기는 '태영풍'이라고 알려진 전자와 양성자의 끊임없이 변동하는 흐름을 방출한다. 그러나 태양 표면은 태양 입자 방출 현상에서 에너지, 주로 양성자인 에너지 폭발을 산발적으로 방출한다. 이는 종종 태양 플레어와 관련 있다. 오존 감소, 방사선 증가 양성자는 전자보다 훨씬 무겁고 더 많은 에너지를 가지고 있기 때문에 지구 대기의 더 낮은 고도애 도달해 공기 중의 기체 분자를 들뜨게 자극한다. 그러나 이러한 들뜬 분자는 육안으로 볼 수 없는 X선만 방출한다. 매 태양 주기(약 11년)미디 수 백건의 약한 태양 입자 방출 현상이 발생하지만, 과학자들은 지구 역사 전체에 걸쳐 훨씬 더 강력한 사건의 흔적을 발견했다. 가장 극단적인 것 중 일부는 현대 장비로 기록된 것보다 수전 배 더 강했다. 이러한 극단적인 태양 압자 방출 현상은 대략 수천 년마다 발생한다. 가장 최근의 사건은 993년 경에 발생했다. 즉각적인 영향 외에도 태양 입자 방출 현상은 상층 대기에서 오존을 고갈시킬 수 있는 일련의 화학 반응을 일으킬 수도 있다. 오존은 유해한 태양 자외선을 흡수해 시력과 DNA를 손상시킬 수 있으며, 피부암 위험을 증가시키고 기후에도 영향을 미친다. 새로운 연구에서 연구팀은 극심한 태양 입자 방출 현상의 영향을 조사하기 위해 대규모 컴퓨터 모델을 사용했다. 연구팀은 이러한 사건이 1년 정도 오존층을 고갈시켜 지표면의 자외선 수치를 높이고 DNA 손상을 증가시킬 수 있음을 발견했다. 그러나 지구 자기장이 매우 약한 시기에 태양 양성자 사건이 발생하면 오존 손상이 6년 동안 지속되어 자외선 수치가 25% 증가하고 태양에 의한 DNA 손상률이 최대 50%까지 증가할 수 있다. 진화와 자가장과의 상관관계 그렇다면 약한 자기장과 극심한 태양 양성자 사건의 이러한 치명적인 조합은 얼마나 자주 일어날까. 이 두 현상은 상대적으로 자주 함께 발생할 가능성이 크다. 실제로 이러한 사건의 조합은 과거 지구의 여러 가지 미스터리한 사건을 설명할 수 있다. 가장 최근의 약한 자기장 기간(북극과 남극의 일시적인 전환 포함)은 4만2000년 전에 시작되어 약 1000년 동안 지속됐다. 유럽에서 마지막 네안데르탈인의 멸종과 호주에서 거대 웜뱃과 캥거루를 포함한 유대류 거대 동물군의 멸종과 같은 몇가지 주요 진화 사건이 이 시기에 발생했다. 훨씬 더 큰 진화적 사건 또한 지구의 자기장과 관련이 있다. 남호주 플린더스 산맥의 화석에 기록된 에디아카라기 말(약 5억6500만년) 다세포 동물의 기원은 2600만 년 동안 자기장이 약하거나 없는 시기 이후에 발생했다. 마찬가지로 캄브리아기 대폭발(약 5억3900만년 전)에서 다양한 동물 그룹의 급속한 진화는 지자기 및 높은 자외선 수준과 관련이 있다. 관련 없는 여러 그룹에서 눈과 단단한 몸 껍질의 동시 진화는 '빛으로부터의 도피'에서 유해한 자외선 유입을 감지하고 피하는 가장 좋은 수단으로 설명됐다. 이제 막 첫발을 뗀 진화와 자기장과의 연구는 지구 생명체의 역사와 미래에 대한 이해를 넓히는 데 중요한 영향을 미칠 수 있다. 아울러 지구 온난화로 인한 자기장 변화가 생태계에 미칠 영향을 예측하고 대비하는 데 도움을 줄 수 있다.
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[우주의 속삭임(22)] 태양 입자 폭발, 지구 오존층 파괴…방사선 노출 위험 고조
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스타링크 등 거대 인공위성, 오존층 파괴 심화 우려
- 오존층을 파괴하는 산화알루미늄 농도가 향후 수십 년 동안 650% 증가할 수 있다는 최초의 연구 결과가 발표돼 주목된다고 스페이스닷컴이 전했다. 이는 대기권에 재진입하는 과정에서 연소되는 위성의 수가 급증하기 때문이라는 지적이다. 게다가 저궤도 위성 인터넷 등 최소 수백 개 이상의 위성 군단을 쏘아 올리는 민간 기업이 급증하고 있어, 지구의 보호막인 오존층에 더욱 나쁜 영향을 미치고 있다는 우려다. 이는 로스앤젤레스의 서던캘리포니아대학교(USC) 연구진이 수행한 것으로, 대기 중 오염 물질의 발생을 모델링하고, 예상되는 위성 수 증가에 따른 산화알루미늄 농도의 변화를 추정한 최초의 연구다. 연구 결과는 '지구물리학연구(Geophysical Research Letters)' 저널 최신호에 발표됐다. 연구진은 위성으로 인한 산화알루미늄의 농도가 증가하면 심각한 오존층 파괴가 발생하며, 오존층의 회복도 크게 방해받을 것이라고 경고하고 무엇보다 우선적으로 오존층을 복구해야 한다고 주장했다. 우주선 본체는 알루미늄으로 만들어지며, 이는 소각될 때 오존을 파괴하는 산화알루미늄을 발생한다. 오존층은 1980년대 에어컨 냉매와 에어로졸 스프레이에 프레온 가스(염화 플루오린화 탄소)를 광범위하게 사용하면서 파괴됐고, 그 결과 남극 대륙 상공 오존층에 큰 구멍이 뚫렸다. 그러나 1987년 프레온 가스 등 오존층 파괴 물질 사용을 금지한 몬트리올 의정서 덕분에 상황은 호전되고 있었다. 그러나 이번 연구 결과대로라면 오존층의 회복은 인간이 만든 인공위성의 위협으로 인해 심각하게 방해받게 된다. 수백에서 수천 개에 이르는 거대 위성 군단들이 특히 문제가 될 것이라는 진단이다. 연구는 분자동역학 시뮬레이션을 이용해 모형 위성 재진입 과정에서 생성되는 산화알루미늄의 양을 측정한 뒤, 향후 계획된 초대형 위성의 지구 궤도 재진입에서 만들어질 산화알루미늄의 양을 예측하는 방법으로 진행됐다. 연구팀은 지난 2022년 약 332톤의 노후 위성이 대기 중에서 연소됐으며, 그 과정에서 17톤의 산화알루미늄 입자가 생성되었다는 것을 발견했다. USC의 조셉 왕 교수는 “2016~2022년 사이에 대기 중 산화알루미늄 농도는 8배 증가했으며, 발사 및 재진입 위성의 수가 증가함에 따라 농도는 계속해서 더 높아질 것”이라고 말했다. 유럽우주국(ESA)에 따르면 현재 약 1만 2540개의 위성이 지구 궤도를 돌고 있으며 그 중 약 9800개가 작동 중이다. 앞으로 10년 후 위성 숫자는 10배 이상으로 늘어날 전망이다. 민간 기업이 저궤도 위성 인터넷 서비스를 위해 수만 개의 위성 군단 네트워크를 구축할 것이기 때문이다. 예를 들어 일론 머스크의 스페이스X가 제공하는 위성 인터넷 스타링크는 현재 6000개 이상의 위성 군단으로 구성돼 있으며, 총 4만 개의 위성을 발사할 계획이다. 원웹(OneWeb), 아마존(Amazon), 중국 프로젝트인 G60 및 궈왕(Guowang) 둥 여러 유사 프로젝트가 진행되고 있다. 이들 프로젝트가 모두 실현되면 2030년대까지 매년 최대 3200톤에 달하는 위성체가 대기권에서 소각될 것이다. 연구진은 이로 인해 연간 630톤의 산화알루미늄이 상층 대기로 방출돼 입자 농도가 최대 650% 증가할 수 있다고 추정했다. 지구를 보호하는 오존층의 대부분은 고도 15~30km의 성층권에 집중돼 있다. 오존은 자외선(UV)을 흡수함으로써 지구 생명체를 보호한다. 연구팀은 위성 연소로 인해 증가하는 산화알루미늄은 오존층에 치명적이라고 강조했다. 다른 오존층 파괴 물질과 달리 산화알루미늄 입자는 소멸되지 않고 오존 파괴를 유발한다는 것이다. 따라서 산화알루미늄은 오존층을 통과해 밑으로 내려올 때까지 계속 오존층을 파괴하며, 파괴 과정은 최대 30년이 걸릴 수 있다. 매년 인공위성보다 훨씬 더 많은 운석이 지구 대기권으로 유입되지만, 운석에는 알루미늄이 없기 때문에 오존층을 위협하지 않는다. 연구팀은 연구 결과의 환경 영향과 관련된 어떤 결론도 시기상조라고 말하고 더 많은 분석이 진행되어야 하며 이번 연구가 동력이 되기를 희망한다고 덧붙였다.
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스타링크 등 거대 인공위성, 오존층 파괴 심화 우려
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[신소재 신기술(66)] 혁신적인 '빛 수확 시스템', 태양 전지 효율 38% 개선
- 독일 과학자들이 태양 전지의 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 혁신적인 광 수확 시스템을 개발했다. 율리우스 막시밀리안 대학교(JMU) 연구팀은 전체 가시광선 스펙트럼을 흡수하여 태양 에너지를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 새로운 시스템을 설계했다고 인터레스팅엔지니어링과 인티펜던트 등 다수 외신이 27일(현지시간) 보도했다. 연구 환경에서 실험 결과, 이 시스템은 입사광의 38%를 형광으로 변환하여, 기존 시스템 대비 비약적인 발전을 이루었다. 현재 상용화된 태양 전지에 사용되는 광 수집 시스템은 효율성이 낮다. 실리콘 등 무기 반도체 재료로 제작되어 가시광선 전체 스펙트럼을 흡수할 수 있지만, 흡광도가 매우 낮아 더 많은 빛을 흡수하기 위해 두꺼운 실리콘 층이 필요하며, 이는 태양 전지의 무게 증가로 이어진다. 연구팀은 광합성을 통해 넓은 스펙트럼의 빛을 활용하는 식물과 박테리아 등 자연 시스템에서 영감을 얻어, 네 가지 메로시아닌 염료를 사용하여 빛 수확 안테나를 설계했다. 이 염료들은 정교하게 접히고 쌓여 초고속으로 에너지를 효율적으로 전달할 수 있다. 이 혁신적인 빛 수확 시스템 프로토타입은 네 가지 염료 성분이 흡수하는 파장(자외선 U, 적색 R, 보라색 P, 청색 B)을 따서 URPB라고 명명됐다. 보도자료에 따르면 연구팀은 광 수확 시스템 성능을 검증하기 위해 형광 양자 수율(시스템이 형광 형태로 방출하는 에너지의 양)을 측정했다. 네 가지 염료를 개별적으로 사용할 경우, 빛 에너지의 약 1~3%만 수집할 수 있다. 하지만 새로운 시스템에서는 이들을 통합적으로 활용하여 빛의 38%를 유용한 에너지로 변환하는 데 성공했다. JMU의 프랑크 뷔르트너 박사는 "이 시스템이 무기 반도체와 유사한 구조를 가지고 있어 '가시광선 범위 전체에 걸쳐' 빛을 흡수할 수 있다"고 설명했다. 또한 유기 염료의 높은 흡수율을 기반으로 자연광 수확 시스템처럼 얇은 층을 사용하여 상당한 양의 빛 에너지를 수집할 수 있다고 강조했다. 이변 연구 결과는 '헤테로메릭 염료 폴더머를 위한 초분자 엑시톤 밴드 엔지니어링에 의한 범색광 수확 안테나'라는 제목으로 '화학 저널(Chem)'에 게재됐다.
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[신소재 신기술(66)] 혁신적인 '빛 수확 시스템', 태양 전지 효율 38% 개선
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[기후의 역습(19)] 건물을 더욱 친환경적으로 만드는 것이 중요한 이유
- 도시 소음에는 건설 노동자들이 새 건물을 건설하면서 드릴로 뚫고, 망치질하고, 땅을 파는 소음이 포함돼 있다. 전 세계는 매 5일마다 파리 크기 정도의 건축물을 건설하고 있다. 문제는 건물을 건설하고 운영하는 방식이 지속가능하지 않다는 데 있다. 유엔환경계획(UNEP)의 최근 보고서에 따르면 2022년 건물 운영 및 건설로 인한 에너지 관련 탄소 배출량은 10기가톤으로 증가해 역대 최고치를 기록했다. 이는 전 세계 탄소 배출량의 37%에 해당한다. UNEP의 기후 완화 책임자인 루스 쿠토(Ruth Coutto)는 UNEP 공식 홈페이지에 게재한 글에서 “가정, 사무실 및 기타 건물의 탄소 배출을 줄이는 것은 파리 협정의 목표를 달성하고 기후 재앙을 피하는 데 필수적”이라며, 건물 탄소 배출을 줄이는 것이 기후 변화에 대응하기 위한 글로벌 노력의 핵심이 되어야 한다고 강조했다. 홈페이지에 실린 쿠토의 게시글을 요약해 소개한다. 사람들이 살고, 자고, 일하고, 노는 장소인 건물은 탄소의 주요 공급원이다. 이 온실가스는 지구의 대기에 열을 가두어 지구를 달구면서 기후 변화를 주도한다. 건물이 탄소 배출의 주요 원인이 되는 이유는 두 가지가 있다. 첫째, 건물은 난방, 냉방, 조명을 위해 막대한 양의 에너지를 사용한다. UNEP의 건물 및 건설에 대한 글로벌 현황 보고서에 따르면 2022년 건축 부문은 전 세계 전력 소비의 34%를 차지했다. 많은 국가에서 에너지는 연소 시 탄소를 방출하는 석탄이나 석유와 같은 화석연료로 만들어진다. 둘째, 건물은 강철, 시멘트, 알루미늄, 유리로 가득 차 있다. 이들을 제작, 운반, 설치하는 데 많은 에너지가 필요하고, 여기서 다량의 탄소가 배출된다. 여전히 건물 부문의 탈탄소화 길은 멀다. 전 세계 건축 부문 배출은 여전히 증가하고 있으며 보고서는 2021년에서 2022년 사이에 배출이 1% 증가할 것이라고 밝혔다. 별것 아닌 것처럼 보이지만 이는 전 세계 도로에 자동차 1000만 대를 추가하는 것과 같다. 2022년 건물에 사용된 에너지의 6%만이 재생 가능한 에너지원에서 나왔다. 이는 국제에너지기구(IEA)가 구상한 '2030년까지 18%' 목표와는 거리가 멀다. 따라서 건물을 더욱 친환경적으로 만드는 것은 매우 긴급한 현안이다. 2050년까지 존재할 건물의 절반은 아직 건설되지 않은 상태다. 세상이 건물을 짓고 사용하는 방식을 바꾸지 않는 한, 기후 변화에 의미 있게 대처할 가능성은 거의 없을 것이며, 이는 특히 극단적인 날씨로 이어질 것이다. 이는 지구가 감당할 수 없다. 이것이 바로 탄소 배출이 거의 없는 건물이 2030년까지 새로운 표준이 되어야 하는 이유다. 이는 UNEP가 주도하는 건축 부문의 배출을 억제하기 위한 국제적 노력인 건물 혁신(Buildings Breakthrough)의 주요 목표 중 하나다. 인류는 건축 부문 전반에서 발생하는 배출을 모두 줄여야 한다. 운영에서 탄소 배출을 줄이려면 건물의 효율성을 높이고 난방 및 냉방 등에 사용되는 에너지량을 줄여야 한다. 새 건물에 대한 더 높은 에너지 성능 표준 채택, 기존 건물의 개조, 보다 효율적인 기기 사용, 더 나은 에너지 계획 및 시스템 통합이 필요하다. 재생 에너지 사용도 늘려야 한다. 그런 점에서 인류는 건물을 기후 친화적으로 만드는 데 지출하는 투자도 늘려야 한다. 건물 및 건설의 탈탄소 구조에 대한 투자는 2850억 달러에 달했지만, 목표에는 미치지 못했다. 2023년에는 투자가 오히려 소폭 감소했다. UNEP는 탄소 발생 회피, 구조 전환 및 개선이라는 세 가지 솔루션을 제안한다. 먼저 건축 자재를 재사용하고, 더 적은 자재로 건물을 짓고, 보다 순환적인 접근 방식으로 기존 건물의 용도를 변경함으로써 탄소 배출을 회피할 수 있다. 둘째, 목재나 대나무 등 재생 및 지속 가능한 바이오 기반 건축 자재로 전환하는 것이 중요하다. 셋째, 콘크리트, 강철, 알루미늄 등 기존 건축 자재의 탄소 배출을 개선하고 줄여야 한다. 제조 과정에서 재생 에너지를 사용하면 가능하다. 이러한 모든 조치를 결합하면 2050년까지 건물 및 건설 부문에서 탄소 배출 순 제로 달성이 가능해진다. 정부 및 지자체의 역할도 중요하다. 정부는 건물과 건설에 대한 기후 행동 로드맵을 개발하고 시행할 수 있다. 전 세계 161개 국가가 아직 이 작업을 수행하지 않았다. 탈탄소화 구축 투자를 장려하고 지속 가능한 관행과 재료를 통해 탄소를 줄이기 위한 정책을 개발할 수 있다. 또한 오래된 건물의 개조를 촉진할 수도 있다. 국제 협력도 강화해야 한다. 그러면 국가는 건물 부문의 지속 가능한 전환을 달성하고 더 광범위하게는 기후 변화에 관한 파리 협약의 목표를 달성하는 데 결정적인 역할을 할 수 있다.
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- 경제
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[기후의 역습(19)] 건물을 더욱 친환경적으로 만드는 것이 중요한 이유
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[신소재 신기술(65)] 다단계 발광으로 위조 방지 신기술 구현
- 캐나다 온타리오주에 있는 웨스턴 대학교 연구팀이 다단계로 빛을 방출하는 '지속 발광' 기술을 개발해 위조 방지 기술에 새로운 돌파구를 마련했다. 연구팀은 '지속 발광(PersL) 나노 형광체'라는 특수한 성질을 가진 물질을 사용해 다단계 보안 식별 표시를 생성하는 위조 방지에 혁신적인 기술을 개발했다고 아조나노가 전했다. 최근 졸업장, 화폐, 처방약, 예술 작품 등 다양한 문서의 위조 기술이 발전하고 있다. 기존에는 자외선에 노출됐을 때 빛을 발하는 발광 표시가 위조 방지책으로 사용돼 왔다. 그러나 위조범들은 이룰 우회하는 방법을 찾아냈다. 현재 위조 방지를 위해 사용되는 발광 물질은 자외선에 노출되면 발광 재료가 보인다. 그러나 광원을 제거하면 빛이 나지 않는다. 연구팀은 서스캐처원 대학교(USask)의 캐나다 광원(CLS)을 이용해 자외선이 꺼진 후에도 몇분 동안 육안으로 볼 수 있는 무기 인광 나노 입자로 구성된 새로운 위조 방지 소재를 개발했다. 이 소재는 또한 복제하기 어려운 독특한 붉은색 빛을 방출하며, 시간이 지남에 따라 점차 사라지는 특성을 가지고 있다. 일부 요소는 거의 즉시 사라지고, 다른 요소는 사라지는 데 몇 분이 걸리는 등 발광 지속 시간을 조절할 수 있다. 연구팀은 기본 재료인 산화마그네슘 게르마늄에 첨가되는 불순물(도펀트)을 조정하여 이러한 특성을 구현했다. 다단계 발광은 단일 발광 기술보다 복잡한 과정을 거치므로 위조가 어렵다. 각 단계별로 특정 조건(빛, 온도, 화학물질)을 만족해야만 다음 단계로 넘어가는 발광이 일어나도록 설계할 수 있다. 이러한 복잡성은 위조 기술의 수준을 넘어서기 때문에 위조 시도를 효과적으로 차단할 수 있다. 또한 다단계 발광 과정에 숨겨진 정보를 담을 수 있다. 특정 조건에서만 나타나는 숨겨진 발광 패턴이나 메시지는 정품 인증의 강력한 수단이 될 수 있다. 수석 저자인 이홍 류(Yihong Liu)와 그의 동료 연구팀은 마이크로미터 크기의 잔광 발광 소재가 이미 사용되고 있지만 더욱 정밀한 패턴 인쇄가 가능한 나노 크기의 지속 발광 소재를 개발했다. 이 소재는 기존 소재보다 더 오래, 더 밝게 빛나는 것이 특징이다. 연구팀은 CLS 에서 수집한 데이터를 연구에 활용했다. 류에 따르면 연구팀은 빔라인, 브록하우스(Brockhouse), SGM, IDEAS를 활용해 조율 가능한 잔광에 필수적인 도펀트(dopant, 전기 전도도를 변화시키기 위해 반도체에서 의도적으로 첨가시키는 불순물)와 기본 물질 간의 상호작용을 더 깊이 이해할 수 있었다. 이 연구는 미국화학학회(ACS) '응용 나노 물질(Applied Nano Materials)' 저널에 게재됐다. 참고: Liu, Y., et al. (2024) Multiband MgGeO3-Based Persistent Luminescent Nanophosphors for Dynamic and Multimodal Anticounterfeiting. ACS Applied Nano Materials doi.org/10.1021/acsanm.4c01069
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- 포커스온
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[신소재 신기술(65)] 다단계 발광으로 위조 방지 신기술 구현
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[우주의 속삭임(19)] 우주의 새벽에 최초로 병합되는 은하핵 '퀘이사 쌍' 발견
- 은하계는 광대하지만, 여전히 충돌하고 합쳐지며 겹쳐진다. 그런 가운데 일본 에히메 대학의 마쓰오카 요시키 교수를 필두로 한 국제 천문학자 팀이 지금까지 발견된 것 중 가장 먼 우주 가장자리에서 한 쌍의 퀘이사(Quasar)를 발견했다고 퍼퓰러사이언스가 전했다. 연구팀은 하와이에 있는 지상 제미니 노스(Gemini North) 및 스바루 망원경으로 이를 관측하고 데이터를 분석했다. 발견된 두 개의 은하핵 퀘이사는 먼지와 가스가 중앙의 초거대 블랙홀로 떨어지는 가운데 서로 합쳐(병합)지고 있다. 그 과정에서 이 퀘이사 쌍은 엄청난 양의 빛을 방출했다. 연구팀은 이 빛을 찾아냈고, 이것이 두 개의 퀘이사 쌍임을 밝혔다. 연구팀은 발견된 퀘이사 쌍이 우주의 새벽(Cosmic Dawn: 빅뱅 이후 약 5000만~10억 년), 즉 초창기 우주 여명기에 해당하는 은하핵이라고 말했다. 특히 우주의 새벽 중에서도 우주 암흑기를 끝내고 별과 은하와 같은 요즘과 같은 천체가 구성되기 시작하고 어두운 우주가 처음으로 빛으로 가득 찰 무렵인 ‘재이온화 시기’에 해당하는 천체다. 퀘이사란? 우주는 빅뱅 이후 거의 140억 년 동안 팽창해 왔다. 초기 우주는 지금보다 매우 작았으며 은하계 서로 상호 작용하고 병합될 가능성이 컸다. 퀘이사는 거대 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성되는 발광체를 말한다. 블랙홀은 퀘이사의 중심에 있으며, 주위에는 원반이 둘러싸고 있고, 원반 물질은 소용돌이 모양으로 회전하며 블랙홀로 빨려 들어간다. 은하 병합은 가스와 먼지가 초거대 질량의 블랙홀로 떨어지면서 퀘이사를 밝게 빛나게 하는 에너지다. 블랙홀로 떨어지는 원반 물질의 중력 에너지는 빛 에너지로 바뀌고, 여기에서 거대한 빛이 방출된다. 즉, 퀘이사는 지구에서 멀리 떨어진 우주 가장자리에서 발견되는 광원으로서, 멀리 떨어져 있기 때문에 우주 탄생 초창기인 우주의 새벽 시기의 천체다. 재이온화 시대의 의미 천문학자들은 우주의 재이온화 시대를 빅뱅 이후 대략 4억 년으로 잡는다. 우주 탄생 직후 우주 온도가 높았을 때는 수소의 양성자와 전자가 분리돼 이온화된 상태였다. 시간이 지나면서 우주의 온도는 낮아졌고, 양성자와 전자는 중성수소 원자로 결합됐다. 이를 우주 재결합시대라고 한다. 그 후 일어난 우주 재이온화는 중성수소 원자가 양성자와 전자로 다시 이온화되던 시기를 말한다. 천문학자들에 따르면 재이온화 시대 당시의 수소 이온화는 우주 역사에서 매우 중요한 시대였다. 이 시기는 우주의 암흑시대의 종말이며, 오늘날 지구상에서 볼 수 있는 별이 빛나는 은하구조의 시작이었다. 이번에 발견된 방합 중인 퀘이사는 우주 암흑기를 지나 최초의 별과 은하가 나타났던 우주의 새벽 기간, 그 중에서도 우주 재이온화 시대에서 나타난 것이다. 빨간색 광원 퀘이사 쌍의 합병 천문학자들은 우주의 재이온화 시대에 퀘이사가 수행한 정확한 역할을 이해하기 위해 우주의 초기 및 먼 시대에서 퀘이사를 찾고 있다. 마쓰오카 교수는 "재이온화 시대 퀘이사의 통계적 특성은 재이온화의 진행과 기원, 우주의 새벽 동안 초거대 블랙홀의 형성, 퀘이사 은하의 최초 진화 등 많은 것을 말해준다"고 말했다. 재이온화 시대에 약 300개의 퀘이사가 발견됐지만, 쌍을 이루는 퀘이사가 관측된 것은 이번이 처음이다. 연구팀의 퀘이사 발견은 우연이었다. 망원경으로 촬영한 이미지를 검토하다가 희미한 빨간색 광원을 발견했던 것. 팀은 그러나 나타난 붉은 색 광원 두 개가 퀘이사 쌍이었는지를 확신할 수 없었다. 팀은 스바루 망원경과 제미니 노스의 분광기를 사용해 빛을 분석했고, 결국 두 개의 블랙홀을 품은 퀘이사 쌍임을 확인했다 또한 둘 사이에 가스로 이어진 다리 구조도 찾아냈다. 연구팀은 감지된 빛의 일부가 실제로 퀘이사 자체에서 나오는 것이 아니라고 추정했다. 팀은 또한 중앙에 있는 두 개의 블랙홀이 태양 질량의 약 1억 배에 달하는 크기임을 밝혔다. 발견된 현상을 종합해 보면 두 퀘이사는 대규모의 합병을 진행하고 있음을 시사했다. 재이온화 시대의 병합 퀘이사 존재는 오랫동안 예상돼 왔지만, 이번에 처음으로 확인된 순간이었다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(19)] 우주의 새벽에 최초로 병합되는 은하핵 '퀘이사 쌍' 발견
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가정용 청소제품, 미세 플라스틱 방출 심각⋯환경과 인체 건강에 악영향
- 일상 생활에서 흔히 사용되는 가정용 청소제품에서 미세 플라스틱이 심각한 수준으로 방출되는 것이 확인됐다. 얼룩 등을 지울 때 주로 사용하는 멜라민 스펀지가 매월 수조개의 미세 플라스틱을 배출해 환경에 위험을 초래할 수 있다는 연구 결과가 발표됐다고 사이테크 데일리가 지난 23일(현지시간) 보도했다. 멜라민 스펀지는 뛰어난 세척력으로 종종 '매직 스펀지'로 불린다. 주방과 욕실 등 다양한 곳에서 사용되지만 마모 과정에서 발생하는 미세 플라스틱 섬유는 환경과 인체 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 미세 플라스틱은 크기가 5mm 미만인 작은 플라스틱 조각으로, 자연 분해되지 않고 환경에 오랫동안 잔류하며 상태계를 교란시킨다. 특히, 미세 플라스틱 섬유는 강이나 바다로 흘러들어가 해양 생물이 섭취할 수 있으며, 먹이 사슬을 통해 결국 인간에게까지 영향을 미칠 수 있다는 점에서 심각성이 크다. 미세 플라스틱은 체내에 축적되어 염증, 호르몬 교한, 면역 체계 악화 등 다양한 문제를 일으킬 수 있다는 연구 결과도 보고 되고 있다. 멜라민 스펀지는 특유의 연마성 덕분에 별도의 세제 없이도 흰색 신발의 얼룩이나 벽에 묻은 크레파스 등을 손쉽게 제거하는 기능으로 소비자 수요가 높다. 하지만 이 마법의 스펀지는 마모되면 미세 플라스틱 섬유를 배출한다는 치명적인 단점이 있다. ACS의 '환경 과학 및 기술'에 발표된 연구에 따르면 멜라민 스펀지는 매달 전 세계적으로 1조 개 이상의 미세 플라스틱 섬유를 방출하는 것으로 추정된다. 멜라민 폼은 폴리(멜라민 포름알데히드) 폴리머로 만들어진 놀라울 정도로 연마성이 좋은 소재다. 연구 저자인 유 수, 바오산 싱, 롱 지와 동료들은 멜라민 스폰지의 밀도와 스폰지가 문지르는 표면의 거칠기가 거품이 얼마나 빨리 분해되는지, 그리고 스폰지가 얼마나 많은 미세 플라스틱 섬유를 배출하는지 계산하는 데 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 했다. 연구 저자는 중국 국립자연과학재단과 광둥성 중점 지역 연구 개발 프로그램의 지원을 받았다. 연구팀은 세 가지 유명 브랜드의 스펀지를 여러 개 구입한 후 질감이 있는 금속 표면에 반복적으로 문질러서 스펀지가 마모되도록 했다. 그 결과 밀도가 높은 폼으로 만든 스펀지가 밀도가 낮은 스펀지보다 더 천천히 마모되고 미세 플라스틱 섬유가 더 적게 생성된다는 사실을 발견했다. 다음으로 연구팀은 스펀지 한 개가 마모된 스펀지 1g당 약 650만 개의 섬유를 방출한다고 판단하고, 판매되는 모든 스펀지가 평균적으로 10%씩 마모된다고 가정했다. 한 달에 얼마나 많은 섬유가 방출될 수 있는지 대략적으로 파악하기 위해 2023년 8월 아마존의 월별 매출을 살펴봤다. 이 수치가 일정하게 유지된다고 가정했을 때, 연구팀은 멜라민 스펀지에서 매달 1조 5500억 개의 섬유가 방출될 수 있다고 계산했다. 그러나 이 수치는 온라인 소매업체 한 곳만을 고려한 것이므로 실제 방출되는 미세 플라스틱 섬유의 양은 훨씬 더 많을 수 있다. 연구팀은 미세 플라스틱 섬유의 방출을 최소화하기 위해 제조업체가 마모에 더 강하고 밀도가 높은 스펀지를 만들 것을 권장했다. 또한 소비자에게는 플라스틱을 사용하지 않는 천연 세제를 선택하고, 가정이나 폐수 처리장에서 미세 플라스틱 섬유를 포집할 수 있는 여과 시스템을 설치하도록 제안했다.
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- 생활경제
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가정용 청소제품, 미세 플라스틱 방출 심각⋯환경과 인체 건강에 악영향
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영국 맨체스터 대학, 빅벤 높이 2배 120m 이상 점프하는 로봇 개발
- 영국 맨체스터 대학(University of Manchester)의 엔지니어들이 현재까지 설계된 점프 로봇 가운데 가장 높은 120m를 점프할 수 있는 로봇을 개발했다고 전문 매체 테크익스플로러가 전했다. 연구진은 수학, 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험실 테스트를 결합해 최적의 부품을 채용하고 크기, 모양을 최적화한 로봇을 설계하는 방법을 발견했다. 개발된 로봇은 자체 크기의 수십 배에 달하는 장애물을 넘을 수 있을 만큼 높이 점프할 수 있다. 현재까지 개발된 가장 높이 점프하는 로봇은 자기 몸 크기의 110배에 해당하는 33m까지 도약할 수 있다. 이번에 맨체스터 대학 연구진이 개발한 로봇은 공중에서 120m 이상, 중력이 약한 달에서는 빅벤 타워 높이의 무려 두 배 이상인 200m 이상 점프할 수 있다. 이 개발 결과는 '메커니즘 및 기계 이론(Mechanism and Machine Theory)' 저널 최근호에 발표됐다. 이 로봇은 행성 탐사부터 재난 구조, 위험하거나 접근하기 어려운 공간 탐사 및 모니터링에 이르기까지 다양한 응용 분야에 혁명을 일으킬 것으로 기대된다. 연구진의 일원인 맨체스터 대학교 우주 로봇공학 연구원 존 로 박사는 "로봇은 전통적으로 점프 대신 바퀴를 굴리거나 다리를 사용해 걷도록 설계되었지만, 점프는 우주 공간에서 이동할 수 있는 매우 효과적인 방법을 제공한다"라고 말했다. 지형이 고르지 않거나 동굴 내부, 숲 속, 바위 지대 표면, 심지어 우주의 다른 행성 표면과 같이 장애물이 많은 곳에 적합하다는 것이다. 로 박사는 "점핑 로봇이 이미 개발됐지만 이런 종류의 로봇을 설계하는 데는 몇 가지 큰 난제가 있다. 가장 중요한 것은 크고 복잡한 장애물을 극복할 수 있을 만큼 높이 점프하는 것이다"라며 "우리가 설계한 로봇은 스프링 구동 점핑의 에너지 효율성과 성능을 획기적으로 향상시킨다"고 설명했다. 연구진은 기존의 점핑 로봇이 스프링 에너지를 완전히 방출하기 전에 도약하는 경우가 많아 비효율적이고, 최대 점핑 높이도 제한한다는 사실을 발견했다. 또한 위로 똑바로 움직이는 대신 몸체가 좌우로 움직이거나 회전함으로써 도약 에너지를 낭비한다는 것도 밝혀냈다. 이에 따라 설계된 새로운 로봇 디자인은 필요한 구조적 강도와 강성을 유지하면서도 이 같은 바람직하지 않은 동작을 제거하는 데 중점을 두었다. 연구진인 항공우주공학 벤 파슬루 교수는 "캥거루처럼 땅을 밀어낼 수 있는 다리가 맞을지, 거대한 스프링을 갖춘 피스톤이 맞을지 등 로봇의 구조와 형태에 대해 결정할 사항이 매우 많았다"고 말했다. 다이아몬드처럼 마름모꼴의 대칭 모양이어야 할지, 곡선적이고 유기적인 형태를 갖출지도 연구 대상이었다. 로봇의 크기도 중요했다. 크기가 작으면 가볍고 민첩하지만, 대형 로봇은 더 강력한 점프를 위해 더 큰 모터를 운반할 수 있으므로 어느 정도의 크기로 할 것인지를 정해야 했다. 그래서 설계된 로봇은 로봇 질량을 위쪽으로 많이 분배하고 아래쪽으로 가늘게 만들어졌다. 프리즘 모양의 더 가벼운 다리와 신축성이 큰 스프링을 사용했다. 점프 성능을 향상시키고 점핑 로봇의 에너지 효율성을 극대화하기 위함이었다. 연구진은 후속 작업으로 점프 방향을 제어하고 착지 시의 운동 에너지를 활용해 로봇이 한 번에 수행할 수 있는 점프 횟수를 늘리는 방법을 찾고 있다. 또한 로봇을 달에 더 쉽게 운반하고 사용할 수 있도록 우주 임무를 위한 보다 효율적인 디자인을 모색하고 있다.
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- IT/바이오
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영국 맨체스터 대학, 빅벤 높이 2배 120m 이상 점프하는 로봇 개발
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[우주의 속삭임(17)] 휴스턴 대학교, 토성에서 거대한 계절적 에너지 불균형 발견
- 휴스턴 대학교(UH)가 토성에 엄청난 에너지 불균형이 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 이는 우주 행성 과학의 발전을 촉진하고, 태양계의 가스 거대 행성인 토성에 대한 기존의 기후 모델에도 큰 영향을 미칠 수 있다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션에 게재됐으며, 대학 공식 홈페이지에도 실렸다. UH 물리학 리밍 리 교수를 중심으로 한 연구팀은 "토성에서 계절적 규모의 거대한 글로벌 에너지 불균형이 관찰된 것은 이번이 처음"이라며 "이는 천문학계에 행성의 형성과 진화에 대한 새로운 시각을 제시할 뿐만 아니라, 행성 및 대기 과학에 대해 정의하는 방식까지 변화시킨다“고 말했다. 연구진이 발견한 토성 에너지 불균형은 카시니 토성 탐사선이 미션을 수행하며 얻은 데이터를 토대로 한 분석을 통해 나타났다. 연구진은 “태양계의 모든 행성은 태양 복사의 형태로 태양으로부터 에너지를 얻고, 열을 방출하며 에너지를 소비한다. 그러나 거대 가스 행성인 토성은 열 구조와 기후에 영향을 미치는 깊은 내부 열의 형태로 또 다른 에너지를 갖고 있다"고 지적했다. 불균형은 원일점(태양에서 가장 먼 궤도 지점)에서 근일점(태양에 가장 가까운 궤도 지점)까지 거의 20%나 달라지는 토성의 큰 궤도 이심률로 인해 발생했다. 이로 인해 흡수된 태양 에너지에 계절적 변화가 크게 나타났다. 지구의 경우 궤도 이심률이 매우 작기 때문에 심각한 계절적 에너지 불균형은 나타나지 않는다. 따라서 지구의 내부 열은 미미하며, 지구 계절은 토성에서 몇 년 동안 지속되는 것에 비해 대단히 짧아 불과 수개월 지속될 뿐이다. 데이터는 또한 토성의 불균형한 에너지가 토성 대기의 지배적인 기상 현상인 거대 폭풍의 발달에 중요한 역할을 한다는 것을 보여 주었다. 이 데이터는 지구의 날씨에 대한 분석도 간접적으로 제공할 수 있다고 한다. 나사(NASA), 유럽우주국(ESA), 이탈리아우주국(ASI)의 공동 프로젝트인 카시니 탐사선은 1997년에 발사돼 거의 20년 동안 토성과 거대한 고리 및 위성을 탐사했다. 연구진의 리 교수는 토성의 복사 에너지를 관찰하는 세 가지 탑재 장비를 모니터링하기 위한 과학자로 참여하고 있다. 연구팀은 향후 10년 내에 탐사 임무가 계획되어 있는 천왕성을 포함한 다른 가스 거대 행성을 대상으로 관측을 지속한다는 계획이다. 이들 행성 역시 심각한 에너지 불균형을 나타낼 것이며, 특히 천왕성은 궤도 이심률과 매우 높은 경사도로 인해 가장 큰 에너지 불균형을 나타낼 것으로 예상하고 있다. 한편, 이번 연구에는 UH 외에도 나사, 위스콘신 대학교, 메릴랜드 대학교, 센트럴 플로리다 대학교, 캘리포니아 주립대 산타크루즈 캠퍼스와 프랑스 및 스페인의 학자들이 대거 참여했다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(17)] 휴스턴 대학교, 토성에서 거대한 계절적 에너지 불균형 발견
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[신소재 신기술(60)] 자가 치유 유리, 물과 펩타이드 혼합으로 새로운 가능성 제시
- 물과 펩타이드를 조합해 자가 조립 뿐만 아니라 자가 치유되는 유리가 개발돼 관련 업계의 이목을 집중시키고 있다. 이스라엘 텔아비브 대학교 및 네게브 벤구리온 대학교의 재료과학자 팀은 미국 캘리포니아 공과 대학 소속 연구팀과 협력해 특정 펩타이드와 물을 혼합하면 자가 조립 및 자가 치유가 가능한 유리가 생성되는 것을 발견했다고 PHYS가 전했다. '자가 치유 유리'는 외부 충격이나 손상으로 균열이나 파손됐을 경우, 특별한 조치를 취하지 않고도 스스로 원래 상태로 복구되는 능력을 가진 유리를 말한다. 마치 살아있는 생명체가 스스로 상처를 치유하는 것과 비슷한 개념이다. 자가 치유 유리는 특수한 화학 물질이나 구조를 활용해 개발된다. 예를 들면, 특정 물질이 균열 부위로 이동해 틈을 메우거나, 미세한 캡슐에 담긴 치유 물질이 파손시 방출돼 손상 부위를 복구하는 방식 등이 있다. 연구팀은 다른 단백질의 특성을 조사하던 중 우연히 자가 치유 유리를 발견한 것으로 알려졌다. 이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재됐다. 이탈리아 트리에스테 대학교의 실비아 마르케산(Silvia Marchesan)은 같은 저널에서 해당 유리의 특성과 잠재적 응용 분야를 설명하는 기고글을 실었다. 연구팀은 짧은 펩타이드를 복잡한 거대 분자의 기존 구성 요소와의 대체 가능성을 조사하던 중, 두 개의 페닐알라닌 잔기로 구성된 디펩타이드 분자와 물을 혼합했을 때, 상온에서 물이 증발하면서 스스로 조립(자가 조립)되는 초분자 비정질 유리가 생성되는 것을 발견했다. 이 발견은 과거 펩타이드 자가 조립 연구에서 주로 결정질 구조의 물질이 생성되었던 것과는 달리, 투명하고 유리와 유사한 특성을 보였다는 점에서 주목할 만하다. 연구팀은 이 새로운 유리의 특성을 분석하여 높은 강성과 더불어 자가 치유 및 접착력을 가지고 있음을 확인했다. 또한, 기존 유리와 동일한 수준의 투명도를 나타냈으며, 유리창이나 친수성 표면 코팅, 다양한 배율의 광학 렌즈 제작 등 정밀한 용도에도 활용될 수 있음을 밝혀냈다. 연구팀은 추가적인 연구를 통해 이 유리의 다양한 응용 분야를 탐색할 수 있을 것으로 기대했다. 특히 기존 상용 유리 제조 과정에서 요구되는 많은 에너지가 필요하지 않다는 점을 강조했다. 한편, 지난해 여름에는 자가 치유되는 금속이 발견됐다. 진공 환경에서 백금 나노 결정이 균열을 자가 복구하는 과정이 실험실에서 처음으로 관찰된 것. 미국 텍사스 A&M 대학교 마이클 뎀코비츠 박사가 2013년 에측했던 금속의 자가 치유 현상이 10년만에 발견되는 영화와 같은 일이 실제로 일어난 갓이다. 미국 샌디아 국립연구소(SNL)의 연구팀은 지난해 여름 나노 결정의 균열 실험 중 금속의 자가 치유 현상을 발견했으며, 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 금속의 자가 복구는 항공기 사고나 교각 붕괴 등으로 이어질 수 있는 '금속의 피로' 현상을 막을 수 있다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(60)] 자가 치유 유리, 물과 펩타이드 혼합으로 새로운 가능성 제시
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[기후의 역습(12)] 이산화탄소 수치, 역대 최고치 기록…극한 기후 지속돼 가파르게 상승
- 이산화탄소가 그 어느 때보다 빠르게 대기에 축적되고 있다. 역대 최고 수준으로 가파른 상승세를 보이고 있다고 NOAA(미 국립해양대기청)와 캘리포니아 주립대 샌디에이고 캠퍼스 스크립스해양학연구소(Scripps Institution of Oceanography offsite link)의 연구진이 발표했다. NOAA에 따르면 NOAA의 글로벌모니터링연구소(Global Monitoring Laboratory)가 마우나 로아 대기 관측소(Mauna Loa Atmospheric Baseline Observatory)에서 측정한 이산화탄소 수준은 지난 5월 427ppm으로 급상승하며 동월 기준 최고치를 기록했다. 매년 5월은 이산화탄소가 북반구에서 가장 높은 수준에 도달하는 달이다. 이번 측정 수치는 2023년 5월에 비해 2.9ppm 증가한 것이며 NOAA의 50년 기록 중 5번째로 큰 폭의 증가이기도 하다. 2023년의 3.0ppm 증가와 맞물리면, NOAA가 측정을 시작한 이래 2022~2024년까지 2년 동안의 상승폭으로도 최고 기록이다. 불길한 신호를 보내는 이산화탄소 측정 마우나 로아에서 1958년부터 이산화탄소 관측을 시작해 독립적으로 데이터를 축적해 분석해 온 스크립스연구소는 지난 5월 월 평균 이산화탄소 농도를 426.7ppm으로 측정했다. 이는 1년 전인 2023년 5월 측정치 423.78ppm보다 2.92ppm 증가한 수치다. 스크립스연구소에서 이산화탄소 수준이 2년 연속 가파르게 뛰어오른 것은 2020년에 세운 종전 기록에 이은 두 번째다. NOAA와 스크립스 연구진은 1~4월까지 이산화탄소 농도가 다른 해의 동기간 보다 더 빠르게 증가했다고 밝혔다. 최근 몇 년간 기후 변화에 대응하기 위해 화석연료 사용을 억제했고 이에 따른 탄소 배출이 정체 상태에 있다는 보고가 있었지만 실제 대기에서 이산화탄소 농도는 더 짙어진 것이다. NOAA의 릭 스핀래드 박사는 "지난 1년 동안 우리는 기록상 가장 더운 한 해, 기록상 가장 뜨거운 해수 온도, 끝없는 폭염, 가뭄, 홍수, 산불 및 폭풍을 경험했다"라며 "이번에 대기 중 이산화탄소 수준이 그 어느 때보다 빠르게 증가하고 있음이 드러났다. 우리는 이것이 이산화탄소 오염이 기후 시스템에 끼치는 피해를 보여주는 분명한 신호임을 인식하고 가능한 한 신속히 화석연료 사용을 줄이기 위한 조치를 취해야 한다”고 강조했다. 스크립스연구소의 탄소 프로그램 책임자 랄프 킬링 박사는 “이산화탄소의 현재 농도는 수백만 년 만에 최고 수준일 뿐만 아니라 어느 때보다 빨리 증가하고 있다. 화석연료 연소로 인해 매년 최고치를 달성하고 있는 것이다. 화석연료 오염은 마치 매립지의 쓰레기처럼 계속 쌓이고 있다"고 경고했다. 거대한 열을 가두는 담요 다른 온실 가스와 마찬가지로 이산화탄소는 대기에서 담요와 같은 작용을 한다. 지구 표면에서 방출되는 열이 우주로 빠져나가는 것을 막는 것이다. 온난화된 대기는 폭염, 가뭄, 산불은 물론 폭우와 홍수 등 극심한 기상 현상을 촉발한다. 인간이 공기 중으로 방출하는 이산화탄소의 약 절반이 대기 중에 남아 있다. 나머지 절반은 지구 표면에 흡수되어 육지와 바다에 나뉘어 축적된다. 2022~2024년까지 관찰된 2년간의 기록적인 이산화탄소 수준 급증은 2년 째 이어지는 화석연료 연소에 따른 대량의 방출과 엘니뇨 현상의 결합에 따른 것이라는 해석이 많다. NOAA의 글로벌 탄소순환 연구원인 존 밀러 박사는 이를 두고 지구의 자정 능력과 한계를 벗어났다고 진단했다. 이산화탄소의 과다 노출로 인해 해양의 화학적 성질이 변하고 있으며, 이는 해양 산성화와 함께 용존 산소량 감소로 이어져 일부 해양 생물의 생존까지 위협하고 있다. 해양 생태계 전반이 위기에 처하고 있는 것이다.
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[기후의 역습(12)] 이산화탄소 수치, 역대 최고치 기록…극한 기후 지속돼 가파르게 상승
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