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2024-11-25 (월)

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美 스탠퍼드대, 세계 최강 'X선 자유전자 레이저' 개발

미국 에너지부 소속 스탠퍼드 대학교 SLAC 국립 가속기 연구소에서 세계에서 가장 강력한 X-선 레이저를 발사할 수 있는 업그레이드된 'X선 자유전자 레이저(XFEL)'를 선보였다고 더 레지스터가 최근 보도했다. 11억 달러(약 1조 4680억 원)의 비용을 들여 10년의 노력 끝에 4세대 X선 자유전자 레이저인 이 연구소의 LCLS(Linac Coherent Light Source ) 원자 X-선 자유전자 레이저가 업그레이드(LCLS-II) 되어 초당 최대 백만 펄스를 전달할 수 있게 됐다. 이번에 업그레이드된 LCLS-II는 이전 제품보다 8000배 더 많은 초당 최대 100만 개의 X선 플래시를 통해 양자 물질부터 청정 에너지 기술, 의학 분야에 이르기까지 광범위한 응용 분야의 핵심인 원자 규모의 초고속 현상을 탐구할 수 있는 문이 열렸다. 미국 정부는 각 펄스는 이전 기기에서 방출되는 것보다 최대 1만배 밝아졌으며, 이는 이전 모델보다 8000배 강력하다고 밝혔다. LCLS의 책임자인 마이크 듄(Mike Dunne)과 LCLS-II 프로젝트 리더인 그렉 헤이즈(Greg Hays)는 "이 X-선의 파장은 원자 크기와 유사해, 이를 통해 분자의 내부 구조를 분석할 수 있다. 또한, 이 X-선이 초고속 펨토초(십억분의 일초) 버스트로 방출되기 때문에, 움직이는 것들을 마치 '정지화면'처럼 디스코 라이트와 비슷한 효과로 촬영할 수 있다"라고 말했다. 펨토초 레이저는 매우 짧은 진동 폭을 가진 펄스를 연속적으로 낼 수 있는 레이저로 수백 킬로미터(km)의 거리에서 1 나노미터(㎚, 10억 분의 1 미터)의 차이까지 정밀 측정이 가능해 행성 탐사를 비롯해 통신이나 기상, 환경 측정 등에 활용된다. 연구원들은 "우리는 주변 세계가 원자 분자 규모에서 어떻게 작동하는지에 대한 스톱모션 영화를 만들어 낸다. 화학 반응을 실시간으로 추적하거나 초전도와 같은 양자 현상의 발생을 관찰하는 것과 유사하다"고 덧붙였다. 새로운 LCLS-II는 자외선 빛의 펄스를 생성하여 포토캐소드(광전음극, 광선에 노출될 때 광전자를 생성)와 충돌시켜 광전자를 방출한다. 이 전자들은 섭씨 마이너스 271도로 냉각된 37개의 크라이오젠 모듈(극저온 환경에서 사용되는 모듈)을 통해 이동하게 되는데, 이 모듈 안에는 초전도자석이 포함되어 있어 전자가 광속에 근접한 속도로 가속된다. X-선은 분자를 관통하며, 이때의 굴절을 통해 그 구조의 세부적인 패턴이 만들어진다. 더 강한 X-선 레이저를 활용하면, 과학자들은 물질이나 화학 반응의 실시간 변화를 더욱 빠르고 상세하게 캡처할 수 있게 되어, 해당 과정을 직접 관찰하는 능력을 갖게 된다. 제니퍼 그랜홈(Jennifer Granholm) 미국 에너지부 장관은 "SLAC의 LCLS-II 빛은 우주의 가장 작고 빠른 현상들을 탐색하며, 건강부터 양자 재료 과학에 이르기까지 다양한 학문에서 중요한 발견을 이끌 것"이라고 전했다. 이 개선된 X-선 레이저는 두 개의 크라이오플랜트(액체 냉매를 생성하고 저장하기 위해 사용되는 설비)가 장착됐다. 이 장비는 전자로부터 X-선을 생성하는 데 필요한 언듈레이터(undulator, 자기장과 전기장을 사용하여 입자를 진동시키고 광자를 방출) 두 개를 탑재했고, 더 민감한 감지기와 센서를 포함하고 있다. 또한 이러한 데이터를 신속하게 처리하는 능력도 갖추고 있다. 과학자들은 이 레이저를 사용하여 광합성이나 응축 물질 내 원자 간 상호 작용과 같은 과정을 조사할 예정이다. 듄과 헤이즈는 "소프트 X-선은 분자 내 전자의 위치를 파악하는 데에 유용해, 에너지와 전하의 움직임을 이해하는 데 도움을 준다. 예컨대, 태양에서 에너지를 어떻게 효율적으로 활용할 수 있는지를 알려주게 된다. 반면 하드 X-선은 원자의 위치를 표현해줘서 물질의 구조를 나타낸다. 이는 주변 환경의 구성 방식을 이해하는 데 유용하다. 특히 단백질 구조나 질병 치료에 쓰이는 의약품이 좋은 예시"라고 말했다. 과학자들은 몇 주 안에 이 장비로 실험을 시작할 계획이며, 다른 연구자들도 레이저를 사용하기 위해 시간을 신청할 수 있다. 아스메렛 아세포 베르헤(Asmeret Asefaw Berhe) DOE 과학국 국장 "LCLS-II와 연구자 공동체가 국가 과학의 우선 순위에 어떤 영향을 미칠지 기대하고 있다. 화학, 재료, 생물학 등의 기본 과학 연구부터 청정 에너지연구와 양자 정보 과학과 같은 프로젝트를 통한 국가 안보 확보에 이르기까지 다양한 분야에서 중요한 발견을 이끌어 낼 것"이라고 강조했다.
- 산업
2023-09-25
파나소닉 HD, 전기 없이 '수소 생성기' 연구 착수

일본의 대표 리튬이온 배터리 제조사인 '파나소닉 홀딩스(HD)'가 전기 없이 수소를 생성하는 기술 연구에 본격적으로 착수했다. 이와 함께, 한국도 탄소배출을 하지 않고 수소를 만드는 '수전해' 기술 개발에 힘을 쏟고 있다. 일본 산업 전문 매체 '뉴스위치(Newswith)'에 따르면, 파나소닉 HD는 '메조결정(mesocrystal)'이라는 특별한 규칙적인 결정 구조를 가진 금속 산화물을 활용하면, 태양광만으로 광촉매의 원리로 물을 분해, 수소를 생산할 수 있다는 연구 결과를 발표했다. 이로써 앞으로 수소 에너지 활용 시, 전기를 사용하는 문제를 극복할 수 있을 것이라는 전망이 나왔다. 메조결정(mesocrystal)은 아주 작은 단위결정들이 결합해 큰 구조를 형성하는 특징을 가진다. 직경이 수백 나노미터(나노는 1/10억)에서 수 마이크로미터(마이크로는 1/1백만) 크기이며, 규칙적이고 조밀한 방식으로 축적된다. 표면적이 증가하기 때문에 특성이 향상되고 광촉매 작용의 효율을 기대할 수 있다는 장점이 있다. 파나소닉 HD는 "소자 표면에 금속 산화물의 메조결정질 용액으로 코팅된 기판을 부착해 빛을 통한 광촉매 반응으로 수분을 분해하는 기술을 개발했다"고 밝혔다. 그러면서 "현재 초소형 실험 장비에서는 이 기술의 기본 작동 원리가 확인됐다"고 덧붙였다. 파나소닉은 2030년까지 이 기술의 프로토타입을 완성하는 것을 목표로, 메조 결정 구조를 더욱 정밀하게 제어하고 장치의 크기를 확장하는 연구에 주력할 계획이다. 또한, 태양광과 물을 분리해 얻은 수소로부터 추가 에너지를 얻기 위해 태양 전지판과 함께 사용하는 등의 응용 방법을 검토하고 있는 것으로 알려졌다. 한편, 한국은 탄소배출을 최소화한 수소생산 기술, 즉 '녹색 수소' 생산에 집중하고 있다. 이를 위한 핵심 기술로는 신재생에너지와 수전해가 대표적이다. 수전해 기술은 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 과정이다. 이 중, 두산퓨얼셀은 양성자 교환막 기반의 고분자 전해질막(PEM) 수전해 시스템을 2023년 하반기에 상용화할 방침이다. 세계 1위의 선박평형수 전기분해 처리장치 제조사 테크로스는 알카라인 방식의 수전해 시스템 개방 중인 것으로 알려졌다. 이밖에도 SK E&S는 미국의 수소 전문 기업 플러그파워와 손잡고 수전해 분야로의 진출을 준비하고 있다.
- IT/바이오
2023-09-25
나사 탐사선 '오시리스 렉스', 7년 만의 귀환⋯소행성 베누 샘플 채취

미국 항공우주국(NASA)에서 쏘아올린 소행성 연구 우주 탐사선 오시리스 렉스(OSIRIS-REx)가 7년 만의 귀환을 앞두고 있다. 미국 우주항공전문매체 스페이스닷컴(SPACE.com)에 따르면, 나사의 오시리스 렉스 미션의 소행성 샘플 반환 캡슐이 2023년 9월 24일(현지시간) 오전 10시 EDT (GMT 1400)에 미국 유타 주의 더그웨이 근처에 위치한 국방부 유타 시험 및 훈련 범위(Department of Defense's Utah Test and Training Range)에서 착륙할 예정이다. 2016년 9월에 발사된 오시리스 렉스는 2020년 10월에 소행성 베누에 도착해 표면에서 샘플을 성공적으로 채취했다. 이제 9월 24일, 7년 간의 깊은 우주 여정을 마치고 채취한 샘플을 지구로 가져옴으로써 NASA는 새로운 우주 탐사 역사의 한 페이지를 장식하게 될 것으로 보인다. 천문학자 지안루카 마시(Gianluca Masi)는 이번 오시리스 렉스의 지구 접근을 이탈리아 체카노의 망원경으로 관측할 계획이다. 그는 이날 밤에는 무료 라이브 스트림으로 오시리스 렉스의 귀환을 공개할 예정이며, 관심 있는 이들은 해당 방송을 통해 직접 관찰할 수 있다. 한편, NASA는 2017년에 오시리스 렉스 탐사선을 소행성 베누 탐사를 위해 발사했다. 이 탐사선은 2020년에 소행성에 도착해 샘플을 성공적으로 채취했고, 그 샘플이 이제 지구로 안전한 귀환을 몇시간 앞두고 있다. 특별한 반환 캡슐과 낙하산을 이용해, 소중한 샘플들이 안전하게 지구에 돌아올 예정이다 탐사선의 샘플 반환 캡슐은 착륙 약 4시간 전에 모체선에서 분리될 예정이며, 이후 지구로의 귀환 여정을 시작하게 된다. 천문학자들은 망원경을 통해 오시리스 렉스의 탐사 대상인 소행성 베누를 관측했을 때, 단단한 물체로 판단했다. 그러나 오시리스 렉스 미션의 주요 과학자 케빈 월쉬의 분석에 따르면, 베누는 느슨한 자갈과 다공성의 저밀도 바위로 이루어진 '지옥 같은' 공간이라는 사실이 드러났다. 오시리스 렉스 우주선은 2023년 9월 24일로 예정된 소행성의 샘플을 지구로 반환하기 위해 마지막 궤도 조정을 진행했다. 현재 이 우주선은 지구로부터 약 280만 km 거리에 있으며, 시속 약 23,000km로 지구에 접근 중이다. 24일 일요일, 지구에서 약 10만2000km 위의 공간에서 오시리스 렉스는 샘플 캡슐을 분리해 유타 사막의 36마일 x 8.5마일 구역에 착륙시킬 예정이다. 이 작업을 위해 나사와 미국 군대가 현장에서 대기 중이다. 이 샘플 캡슐에는 500미터 폭의 소행성 베누에서 채취된 물질이 담겨있다. 이 물질은 태양계의 역사에 관련된 중요한 정보를 담고 있을 것으로 예측된다. 오시리스 렉스가 2018년에 소행성 베누에 접근했을 때, 그 모습은 예상했던 것과 크게 달랐다. 이 프로젝트의 주요 과학자인 다른테 로레타는 "소행성의 표면 구조가 우리의 예상과는 크게 달라, 우주선은 베누의 느슨하고 자갈로 덮인 표면에 안전하게 착륙하기 위해 재프로그래밍이 필요했다"고 스페이스 닷컴에 전했다. 2016년 시작된 7년 미션의 마무리 단계에 접어든 오시리스 렉스는 지난 9월 10일 강력한 추진 엔진을 발사해 지구로의 궤도 변경을 수행했다. 그러나 오시리스 렉스의 미션이 단순히 지구에 안착하는 것으로 끝나지 않는다. 캡슐 내부가 오염될 수 있으므로 이를 텍사스 휴스턴의 존슨 우주 센터에 위치한 이동식 클린룸으로 옮겨진다. 클린룸에서는 캡슐의 외부를 깨끗하게 제거하여 내부 샘플에 접근해야 한다. 존슨 우주 센터의 관계자는 "베누에서 가져온 샘플 중 4분의 1은 오시리스 렉스 팀이 보관하게 될 것"이라며 "나머지 샘플은 향후 수십 년간 다양한 연구에 활용될 예정"이라고 밝혔다.
- 포커스온
2023-09-24
美 나사, 1경 규모 금속 행성 탐사선 10월 발사

미국 텍사스주 크기의 행성이 엄청난 속도로 지구를 향해 돌진하고 있다. 미국 우주항공국(NASA)는 비행선을 보내 이 행성에 구멍을 뚫고, 핵탄두를 설치해 폭파하는 방법으로 행성을 둘로 쪼개는 아이디어를 낸다. 영화 '아마겟돈' 이야기다. 그런데 영화 같은 일이 실제로 벌어질 전망이다. 나사는 이번엔 행성을 폭파하는 것이 아니라 어떤 광물이 있는지 조사하기 위해 비행선을 발사한다. 독일의 날씨전문 누리집 '다스베터(daswetter)'에 따르면, 과학자들은 '16프시케(16 Psyche)'라는 이름의 소행성을 탐사할 예정이다. 이번 탐사는 행성의 구성을 파악하기 위한 것이다. 이 소행성은 지난 1852년 3월 17일 이탈리아의 천문학자 안니발레 드 가스프리스(Annibale de Gasparis)가 발견했으며, 소행성대에서 가장 무거운 10개의 소행성 중 하나로 꼽힌다. 과학자들의 이번 탐사는 행성의 형성과 관련된 금속 및 기타 구성 요소에 대한 탐색을 목적으로 한다. 우주는 끊임없이 새로운 비밀을 품고 있으며, 이를 탐사하는 과학자들의 노력은 계속 이어진다. 소행성 '16프시케'는 철, 니켈, 금 등의 금속 성분을 주요 구성 요소로 갖는다. 이러한 특징은 태양계를 구성하는 미행성 핵이 대체로 금속 성분으로 형성됐을 가능성을 시사하며, 과학계는 이 점에 큰 관심을 가지고 있다. 나사가 그린 위의 프시케 상상도처럼 이 소행성의 형태는 감자와 유사한 불규칙한 모양을 하고 있다. 어쩌면 편평한 타원형으로 보일 수도 있다. 적도를 가로지르는 가로 길이는 약 280km, 세로 길이는 232km로, 전체 표면적은 약 16만5800 ㎢에 이른다. 최근의 연구에서는 이 소행성의 주요 성분이 금속으로 되어 있다고 분석됐다. 일반적으로 유리와 모래에서 발견되는 금속성분과 규산염의 복합체로 이해하면 된다. 레이더를 통한 관찰과 소행성의 열관성 측정 결과, 프시케는 암석과 금속의 조합으로 이루어져 있을 가능성이 높다. 특히, 전체 부피 중 30~60% 정도가 금속성분으로 구성되어 있는 것이 확인됐다. 과학자들은 광학과 레이더 관찰을 이용해 프시케의 3D 모델을 구축했다. 이 모델에는 두 개의 함몰된 분화구가 포함되어 있다. 그 결과 소행성 표면에는 금속 함량과 색상에 상당한 차이가 있음이 드러났다. 이 소행성은 우리 태양계를 구성하는 요소 중 하나인 소행성 핵에서 파생된 대량의 금속성분으로 이루어져 있을 가능성이 높다고 과학자들은 추정하고 있다. 소행성 프시케는 태양계 형성 초기에 자주 일어났던 여러 차례의 격렬한 충돌을 견뎌낸 것으로 추정된다. 이는 우리에게 지구의 핵이나 다른 암석 행성의 핵이 어떻게 형성되었는지에 대한 통찰을 제공할 수 있다. 프시케는 태양으로부터 3억7800만~4억9700만km 떨어진 화성과 목성 사이의 태양을 공전한다. 이는 2.5~3.3AU(1AU, Astronomical unit, 지구와 태양 사이의 거리)거리로, 프시케가 태양 주위를 회전하는데 지구 시간으로 약 5년이 걸리지만, 자체 축(프시케의 하루)을 중심으로 한 번 회전하는 데는 4시간이 조금 넘게 걸린다. 나사는 2023년 10월 5일에 '프시케(Psyche)'라는 탐사선을 발사할 계획이다. 이 탐사선은 중력을 이용해 화성 상공을 지나가며, 이후 태양 전기 추진을 활용해 소행성에 접근할 예정이다. 탐사선이 소행성에 도착하면, 4개의 다른 궤도에서 탐사 활동을 시작한다. 주된 연구 목적은 프시케가 실제로 소행성의 핵심 부분인지 파악하는 것이다. '프시케 임무'의 핵심 과학적 목표는 행성 형성의 기본 구성 요소를 분석하고, 이전에 경험하지 못한 새로운 세계를 탐험할 계획이다. 연구팀은 프시케에 핵의 잔여 물질이 있는지, 그 연대는 어느 정도인지, 그리고 지구의 핵과 유사한 환경에서 형성되었는지, 그 표면의 특성은 어떠한지를 밝히려고 한다. 프시케 탐사 우주선과 태양전지는 테니스장 정도의 크기다. 우주선의 몸체는 소형 픽업트럭 보다 약간 크고, 높이는 농구 골대 정도다. 우주선에는 △금속성분과 규산염 성분을 구분할 수 있는 고해상도 멀티스펙트럴 이미저(Multispectral Imager) △ 소행성의 원소 구성을 감지하는 감마선 및 중성자 분광계, △ 잔류 자기장을 감지하고 측정하는 자력계, △ X-밴드 무선 통신 시스템을 사용해 중력장을 고정밀도로 측정하고 프시케의 내부 구조에 대한 정보를 얻을 수 있는 전파과학, △ 짧은 시간에 많은 데이터를 전송할 수 있는 심우주 광통신(DSOC) 등이 탑재된다. 16프시케가 예상대로 대량의 금속으로 이루어져 있다면 그 가치는 약 10조 달러(한화로는 약 1경3280조원)로 추정된다. 그러나 이번 탐사 임무의 주요 목적은 단순한 채굴이나 경제적 이익이 아니라 해당 행성의 구성물질을 파악하는 것에 있다. 미국과 일본 등 우주 강국은 다른 소행성 탐사 프로젝트도 활발히 진행 중이다. 2019년에 발사된 일본의 우주선 '하야부사2'는 2030년 이후 다른 소행성으로의 여정을 계획하고 있다. 나사의 '오시리스 렉스' 탐사선은 소행성 베누(Bennu)에서 수집한 샘플을 지구로 가져오기 위해 오는 9월24일 복귀할 예정이다.
- IT/바이오
2023-09-21
외계 행성 'K2-18b', 생명 징후⋯메탄·이산화탄소 확인

미국 항공우주국(NASA)이 제임스웹 우주망원경을 통해 생명체가 존재할 가능성이 큰 행성을 찾아냈다. 소위 우주 강국으로 불리는 미국, 유럽, 인도, 중국, 러시아 그리고 한국과 일본 등은 최근 지구에서는 보이지 않는 달 뒷면을 탐사하기 위해 심혈을 기울이고 있다. 달 자원 탐사뿐만 아니라 자국의 과학기술을 뽐내기 위한 하나의 방편이기도 하다. 여기에 우주망원경도 첨단 기술이 대거 탑재되면서 우주에서 지구와 같은 생명체가 존재할 수 있는 행성을 찾고 있다. 마치 영화 '아바타'에서 행성을 찾는 것을 연상시킨다. 미국 미디어 바이트(The Byte)와 영국 매체 가디언에 따르면, 나사는 제임스웹 우주망원경을 통해 K2-18b에서 메탄과 이산화탄소 등을 발견해 생명체가 존재할 가능성이 있다고 밝혔다. 나사는 최근 제임스웹 우주망원경(JWST)으로 지구에서 120광년 떨어진 사자자리의 행성인 K2-18b의 대기 구성을 관찰한 결과 물로 이뤄진 바다와 해양 세계가 존재할 가능성을 발견했다고 밝혔다. K2-18b는 2015년 나사가 K2 임무에서 케플러 우주망원경을 통해 처음 확인했으며 앞서 지난 2019년 대기에 수증기가 있다는 관측 결과가 발표된 바 있다. 이 행성은 질량이 지구의 약 9배에 달하며, 지구보다는 크고 해왕성보다는 작은 질량을 지칭하는 이른바 '슈퍼지구'에 해당한다. 하이시언 행성 가능성 제임스웹 망원경은 K2-18b에서 지구상에 살아있는 유기체만이 생산할 수 있는 황함유화합물의 일종인 디메틸설파이트(DMS dimethyl sulfide)라 불리는 분자를 발견했다. 연구자들은 이 행성의 대기에서 메탄과 이산화탄소 존재를 확인했다. 이 행성은 바다로 덮여 있고, 수소가 풍부한 대기를 가진 '하이시언 행성'(Hycean planet, 대기에는 수소가 있고 표면에는 물이 있어서 생명체가 존재할 가능성이 있는 행성)일 가능성이 있다. K2-18b는 시스템상 거주 가능 지역에서 약 120광년 떨어진 사자자리의 차가운 왜성인 모항성을 공전한다. 이는 기술적으로 액체 물이 표면에 존재할 수 있을 만큼 별로부터 충분한 복사선을 받는다는 것을 의미한다. 이번 웹 망원경의 관측 결과 K2-18b의 대기에 메탄과 이산화탄소가 풍부하고 암모니아는 부족한 것으로 파악됐다. 나사는 "이는 이 행성의 수소 대기 아래에 물로 이뤄진 바다가 있을 수 있다는 가설을 뒷받침한다"고 설명했다. '미니 해왕성' 추정 외계 행성의 일종 K2-18b는 지구와 해왕성 크기의 중간 규모로, '미니 해왕성(sub-Neptunes)'이라고 불리는 외계 행성의 일종이다. 이 행성들은 우리 태양계의 어떤 행성과도 매우 달라서 행성의 성질에 대해서는 오직 근거에 기인한 추측만 할 수 있다. 영국 카디프 대학교 슈바지트 사카르(Subhajit Sarkar) 교수는 "비록 이런 종류의 행성은 우리 태양계에는 존재하지 않지만, 미니 해왕성은 지금까지 은하계에서 알려진 가장 일반적인 유형의 행성"이라고 말했다. 그는 이어 "현재까지 거주 가능 구역 미니 해왕성의 가장 상세한 스펙트럼을 얻었으며 이를 통해 대기에 존재하는 분자를 밝히는 데 성공했다"고 설명했다. 그러나 K2-18b가 생명체로 가득 차 있다고 결론을 내리기에는 너무 이르다는 지적이다. 연구자들은 더 많은 데이터가 시급한 실정이라고 언급했다. 연구팀 책임자인 영국 케임브리지 대학 니쿠 마두수단(Nikku Madhusudhan) 교수는 BBC를 통해 "만약 (생명체가) 확인된다면 이는 엄청난 일이 될 것이며 올바른 판단을 해야 한다는 책임감을 느낀다"고 말했다. 마두수단 교수는 "가장 궁극적인 목표는 거주 가능한 외계 행성에서 생명체를 식별하는 것이다. 이번 발견은 이 연구에서 하이시언 세계를 더 깊이 이해하기 위한 첫 걸음"이라고 덧붙였다. 다행스럽게도 제임스웹 우주망원경의 MIRI(중적외선 장비) 분광기를 통해 더 많은 데이터가 수집되고 있다. K2-18b 행성에 실제 바다가 존재한다면 수소 대기 아래 외계 생명체 존재도 가능할 것으로 보인다. 한편, K2-18b는 지구 지름의 약 2.6배, 질량의 8.6배의 크기로, 수소가 풍부한 대기 밑에 바다 또는 얼음이 존재할 것으로 예상되는 행성이다. 중력이 지구보다 1.18배며, 0도에서 40도의 온도로 인간이 살기에 적합한 것으로 추정된다. 2019년 9월 BC는 영국 유니버시티 칼라지 런던(UCL)의 연구팀이 이 행성의 대기에서 수증기를 찾아냈다고 보도됐다. 물이 있다는 것은 생명체가 살고 있거나 살 수 있다는 강력한 신호로 풀이된다.
- IT/바이오
2023-09-20
달, 고대 얼음 없다..."달 탐사 전략 수정"

달의 영구음영 지역에 존재하는 것으로 알려진 얼음이 탄생 초기에 생성된 '고대 얼음'이 아니라는 연구 결과가 공개됐다. 달의 영구음영 지역(permanently shadowed regions, PSR)은 달의 남극과 북극 등 햇빛이 전혀 들지 않는 영원한 음지를 말한다. 과학 기술 전문 매체 인터레스팅엔지니어링에 따르면 행성과학연구소의 새로운 연구 결과, 달의 얼음이 우리가 알고 있는 것보다 훨씬 '젊다'는 사실이 밝혀졌다. 이번 발견으로 달 탐사 전략이 크게 수정될 전망이다. 행성과학연구소의 노버트 쇼르호퍼 선임 연구원이 이끄는 연구팀은 최근 '사이언스 어드밴스(Science Advances)' 학술지에 발표한 논문에서 달의 영구음영 지역(PSR)에 저장된 얼음은 약 34억년 전에 형성된 것으로 기존 추정치인 45억년보다 훨씬 '젊다'는 연구 결과를 공개했다. 쇼르호퍼 박사는 "이번 연구 결과로 달의 지질학적 이해뿐만 아니라 얼음 발견 예측에 대한 전략도 크게 수정될 것"이라고 말했다. 특히, 이 얼음은 달에서의 인간 생명 유지와 연료 생산 자원으로의 활용 가능성 때문에 많은 주목을 받고 있다. 달은 지구로부터 점점 멀어지면서 중요한 스핀 축 방향의 변화를 겪었다. 이 변화 이후에 영구적으로 그림자가 드리운 지역(PSR)이 등장하고 확장됐다. 달의 얼음은 수십억 년에 걸쳐 보존된 것으로 알려져 왔으며, 이로 인해 태양빛에서 가려진 PSR 지역은 여러 탐사 임무의 핵심으로 여겨져 왔다. 그러나 이번 연구 결과는 달 탐사의 궤도를 크게 변경할 필요가 있다는 점이 밝혀졌다. 지난해 발표된 프랑스의 한 연구와도 일치하는 이번 연구 결과는 지구와 달 사이의 거리 변화를 중심으로 진행됐다. 쇼르호퍼 박사는 이에 대한 깊은 통찰을 얻고 즉각 이를 달의 얼음 탐사에 반영하기 위한 조사를 시작했다고 밝혔다. 랄루카 루푸 공동 저자와 논문 작업을 협업한 쇼르호퍼는 지구와 달 사이의 거리 변화 모델을 바탕으로 달의 스핀 축 방향을 추정하고 PSR 지역을 정확하게 매핑했다. 11억년 '젊은' PSR 얼음 일반적으로는 달이 45억 년 전 초기에 혜성과 화산 활동으로 물이 생기거나 수증기를 내뿜었다고 믿어져 왔다. 그러나 이 연구에서는 PSR이 실제로는 약 34억 년 전에 형성되기 시작했다는 사실을 밝혀냈다. 쇼르호퍼는 "현재 극지방에서 발견되는 물은 달 초기의 물이 아니다. 데이터를 기반으로 PSR의 평균 연령은 최대 18억 년으로 추정된다. 따라서 달에는 실제로 '고대 얼음 저장소'가 없다"라고 강조했다. 또한 2009년에 달의 분화구 관측 및 감지 위성을 통해 발견된 물이 위치한 지점의 PSR은 10억 년보다 더 젊다. 쇼르호퍼는 이것이 긍정적인 발견이라고 지적하며, 젊은 PSR에도 얼음이 있을 가능성이 높다는 것을 시사했다. 한편, 이 연구는 얼음이 풍부하게 있는 것으로 보이는 수성의 극지방에 대한 관심을 증대시키고 있다. 쇼르호퍼는 "수성의 PSR이 오래되었을 것이며, 초기에 물을 포착했을 수 있다. 이것이 두 행성 간의 불일치를 설명할 수 있을 것"이라고 추측했다. 쇼르호퍼의 이번 연구는 NASA의 달 데이터 분석 프로그램 보조금과 태양계 탐사 연구 가상 연구소(SSERVI)의 GEODES 노드 지원을 받아 진행했다. 한국 달 탐사선 '다누리' 한편, 한국 달 탐사선 '다누리'도 달의 영구음영 지역 사진을 전송해 우리나라 달 탐사 위상을 높이고 있다. 다누리가 담은 달의 북극 지역 관측 사진은 지난 8월 7일 공개됐다. 달의 북극 지역에 있는 직경 약 20km의 분화구 에르미트-A는 내부에 영원히 태양빛이 닿지 않는 영구음영 지역을 포함하고 있다. 아울러 다량의 물이 얼음 형태로 존재할 것으로 예상되는 지역이기도 하다. 이외에도 다누리는 지구에서 관측하기 쉽지 않은 남극 지역 대형 분화구 드라이갈스키, 미국 아르테미스 III 계획의 착륙 후보지 중 하나인 아문센 분화구 영역 등의 고해상도 이미지를 담아 달의 민낯을 적극 탐사하고 있다. 이들 사진은 지난 8월 7일 대전 한국항공우주연구원에서 열린 '다누리 발사 1주년 기념식 및 우주탐사 심포지엄'에서 공개됐다. 다누리는 작년 8월 5일 오전 8시 8분 미국 플로리다주 케이프커내버럴 우주군 기지에서 발사된 후, 145일 간의 지구-달 항행을 통해 2022년 12월 27일 달 임무궤도에 진입했다. 이후 약 1개월의 시운전을 거쳐 2월 4일 정상 임무운영에 들어갔다. 다누리는 6개의 탑재체로 달 착륙후보지 탐색, 달 과학연구, 우주인터넷기술 검증 등 과학기술 임무를 수행 중이다. 지난 3월에는 우리나라 최초로 달 뒷면 촬영 사진을 전송하기도 했다. 지난 6월 다누리는 잔여 연료량과 본체 영향성 분석을 거쳐 임무운영기간을 2025년까지 연장했다.
- 포커스온
2023-09-19
美 샌디아 국립연구소, 내구성 높인 분자 개발 성공⋯장단점은?

미국 샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratories)의 연구팀이 내구성을 높인 획기적인 분자 구조를 개발했다. 일반적으로 열을 가하면 팽창하는 대부분의 재료와 달리, 이 새로운 분자는 열을 가할 경우 수축한다는 놀라운 특성을 보인다. 과학 및 기술 전문 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'에 따르면, 이 연구팀이 개발한 분자는 폴리머와 결합될 경우 뛰어난 내구성을 발휘한다. 이러한 특성 덕분에 휴대폰 케이스부터 미사일에 이르기까지 다양한 분야에서 활용 가능성이 높아 보인다. 폴리머는 작은 분자들이 결합해 만들어진 고분자로, 섬세한 구성 요소를 보호하는 이상적인 재료로 알려져 있다. 그러나 재료가 오래 사용되거나 다양한 환경에 노출될 경우 성능이 저하되는 문제가 있다. 이와 관련해 대부분의 물질이 가열될 때 팽창하고, 냉각될 때 수축하는 반면, 이 새로운 분자는 그렇지 않다. 일반적으로 폴리머는 가장 높은 팽창률과 수축률을 보이며, 금속이나 세라믹은 상대적으로 낮은 수준을 보인다. 샌디아 연구팀의 이번 발견은 물질의 온도에 따른 변화율을 조절할 수 있는 새로운 가능성을 열어놓았다. 이로써 다양한 산업 분야에서의 응용이 기대된다. 샌디아 연구팀을 이끄는 재료 과학자 에리카 레드라인(Erica Redline)은 "많은 제품들이 플라스틱, 유리, 금속 등 여러 재료로 구성되어 있는데, 이 재료들이 서로 다른 속도로 팽창하거나 수축하기 때문에 시간이 지날수록 제품이 갈라지거나 뒤틀리는 현상이 발생한다"고 지적했다. 레드라인은 이 문제점을 극복하기 위한 새로운 아이디어를 생각하게 되었고, 그 아이디어를 팀원들과 함께 실제로 구현하는 데 성공했다고 말했다. 그는 "우리 팀은 고분자와 잘 결합하면서 그 특성을 바꿀 수 있는 새로운 분자를 개발했다. 이 분자는 흥미롭게도 가열될 때 팽창하는 대신 수축하는 특징을 가진다"고 설명했다. 레드라인은 "이 분자를 폴리머에 첨가하면, 폴리머의 팽창과 수축이 금속과 유사한 수준으로 조절되게 된다. 실제로 금속과 같은 특성을 갖게 만든 이 분자의 개발은 큰 도전이었다"고 강조했다. 이 새로운 분자는 다양한 방식으로 활용될 수 있는 잠재력을 보여주고 있다. 폴리머는 전자부터 통신 시스템, 태양광 패널, 자동차 부품, 인쇄 회로 기판, 항공우주 응용, 국방 시스템, 바닥재 보호 코팅에 이르기까지 광범위한 분야에서 사용되는데, 이 분자가 그 활용성을 더욱 확장시킬 것으로 보인다. 화학 엔지니어인 제이슨 더거(Jason Dugger)는 "이 분자는 국방 시스템에서 특히 큰 잠재력을 발휘할 것"이라며 미래의 혁신을 위한 길을 열 것으로 기대하고 있다. 더거는 또 3D 프린팅 분야에서의 활용성에 대해서도 언급했다. 그는 "하나의 영역에서는 특정한 열적 반응을 보이는 반면, 다른 영역에서는 다른 열적 반응을 보이게끔 인쇄하는 것이 가능하다"며 "재료의 무게를 줄일 수 있어 위성 등에도 적용될 수 있다"고 덧붙였다. 또한, 한 에폭시 제조 회사가 이 분자를 접착제로 활용하려는 시도를 했다는 소식이 전해졌다. 물론, 이 기술에도 단점이 있다. 유기 화학자 샤드 스티커(Chad Staiger)에 따르면, 7~10그램(g)의 분자를 합성하는데 약 10일이 소요된다. 이런 점은 대량 합성 시에 추가적인 시간과 비용이 들 수 있다는 것을 의미한다. 현재 연구팀은 시장에 출시될 제품을 준비하는 과정에서 10만 달러(한화 약 1억3276만원)를 투자해 분자 합성 시간을 단축시키는 연구에 집중하고 있다. 이 분자의 활용 가능성은 무궁무진해 보인다.
- 산업
2023-09-14
미래 에너지원 수소, '나노 섹션'으로 저비용 생산 가능

수소는 미래의 에너지 시스템의 핵심요소로 주목받고 있다. 전기 저장과 운송에 사용되는 수소는 트럭과 선박 추진 시스템을 기후 친화적으로 전환하거나, 산업 공정에서 천연가스 대체제로 사용될 수 있다. 전기분해를 통해 친환경적인 방식으로 수소를 생산하는 데 사용할 수 있지만 먼저 친환경 전기 확보가 필수적이다. 광촉매에서는 햇빛을 이용해 직접 물을 수소로 전환하기도 한다. 독일 기술 전문 매체 퓨처 존에 따르면 비엔나 공과대학교는 광촉매를 활용해 물을 수소로 직접 전환해 수소를 저렴하게 생산하는 새로운 솔루션을 개발했다. 광촉매의 효율과 비용은 사용되는촉매의 재료에 따라 달라진다. 특히 금속-유기 프레임워크(MOF)는 효과적인 촉매로서의 가능성이 확인됐다. 이 MOF는 넓은 범위의 태양광을 효율적으로 활용하는 데 탁월하다. 티타늄 와플 재료화학연구소의 도미니크 에더 교수가 이끄는 비엔나 공과대학교 연구팀은 티타늄과 탄소층으로 구성된 MOF를 개발했다. 이 물질은 특히 효율적으로 물을 수소로 전환할 수 있다. 이 개발 연구의 제1저자인 파블로 아얄라는 "전자 현미경으로 MOF를 보면 마치 매너 섹션(manner section)처럼 보인다"고 말했다. 그는 "즉, 와플은 금속(티타늄)이고 층을 서로 접착하는 초콜릿 처럼 보이는 것은 유기 부분(탄소)"이라고 설명했다. 나노 컷, 전자 현미경으로 관찰 여기에서 '나노 컷(cuts)'은 길쭉하지 않고 입방체 모양이며 너무 작아서 육안으로 볼 수 없다. 대체로 크기가 수 나노미터(nm)에 불과한 작은 입자는 분말을 생성한다. 아얄라에 따르면, 이 분말을 물이 있는 용기에 넣고 햇빛을 비추면, 유기-금속 부분에서 물이 산소와 수소로 나뉜다. 밀폐된 용기 안에서 위로 부풀어 오르는 가스는 멤브레인을 통해 간단하게 분리할 수 있다. 낮은 무게, 높은 수율 실험 결과에 따르면 개발된 소재는 상대적으로 낮은 무게로 많은 양의 수소를 생산한다. 아얄라는 "가장 잘 알려진 MOF 중 하나는 동일한 조건에서 우리보다 10배 적은 수소를 생산한다"고 말했다. 비엔나 공대 팀은 MOF로 기록적인 결과를 달성했다. 하지만 아얄라는 이에 대해 "프로세스는 지속적으로 개선되고 있다. 이 주제에 대한 새로운 연구가 거의 매주 발표되고 있다"고 말했다. 그러나, 효율성 측면 즉 태양 에너지가 궁극적으로 얼마나 많은 수소로 변환되는지에 관한 한 비엔나 공과대학교의 MOF를 사용한 광촉매 공정은 1퍼센트에 불과했다. 반면, 몇 달 전 미시간 대학의 연구팀은 9%라는 놀라운 수치를 발표했다. 지속가능한 수소 생산이 관건 수소 생산에서 비용은 매우 중요하다. 하지만 아얄라는 "태양은 에너지원으로서 생산성이 매우 높기 때문에 최고 효율이 필요하지 않다. 중요한 것은 지속 가능성을 유지하는 것"이라며 비용이 결정적인 요소가 아니라고 선을 그었다. 게다가 물에서는 일부 물질의 성능이 급격히 저하되는 단점이 있다. 아얄라에 따르면 "나노 컷" 분말은 몇 주 동안 좋은 전환 결과를 달성했다. 그러나 장기적인 연구는 아직 수행되지 않았다. 아얄라는 "5~10년 안에 첫 번째 애플리케이션이 등장할 수 있을 것"이라며 이러한 유형의 수소 생산 원리가 발전할 것으로 기대했다. 한편, 이러한 과정을 거쳐 생산된 수소가 어떤 유형의 플랜트에 적용될지는 아직 예측할 수 없다. 어쨌든 광촉매는 소금물이나 폐수를 포함한 모든 형태의 물에서 작동하는 것이 목표다. 광촉매를 사용하면 미래에는 수소 외에도 완전히 다른 것이 생산될 수도 있다. 예를 들어 비엔나 공과대학교에서는 이미 수중에 떠다니는 미세 플라스틱을 녹이는 데 광촉매를 사용하는 방법에 대한 연구가 진행 중이다.
- 산업
2023-09-12
[퓨처 Eyes(2)] 인도, 태양 탐사선 '아디트야-L1' 발사 성공

인도가 달 정복에 이어 태양의 비밀 벗기기에 도전하고 있다. 인도 달 탐사 우주선 찬드라얀 3호가 달 남극에 착륙한 지 불과 10일 만에 첫 태양 탐사선 아디트야-L1(Aditya-L1)이 태양을 향해 성공적으로 발사됐다. 무게가 약 1480kg(3264 파운드)로 초경량급 우주선인 '아디트야-L1'은 지난 9월 2일 오전 11시 50분(GMT 06시 20분)에 인도 남부 스리하리코타에 있는 사티시 다완 우주센터에서 44.4미터 높이의 극지 위성 발사체(PSLV-XL)를 이용해 태양을 향해 장대한 여행을 시작했다. 이 우주선은 '라그랑주 5'점 중 하나를 중심으로 후광 궤도를 돌며 지구에서 150만km를 비행할 예정이다. 이는 지구-태양 거리의 1%에 해당한다. 인도 우주국은 태양 탐사선이 이 거리를 여행하는 데 4개월(약 125일)이 걸릴 것이라고 밝혔다. 태양계에서 가장 큰 천체를 연구하기 위한 인도 최초의 우주 기반 태양 관측 임무는 '아디티야'라고도 알려진 힌두교의 태양신 수리아의 이름을 따서 명명됐다. BBC에 따르면 우주선 '아디티야-L1'에서 'L1'은 '라그랑주점 1'의 약자로, 인도 우주선이 향하고 있는 태양과 지구 사이의 정확한 지점을 의미한다. 유럽우주국에 따르면 라그랑주 지점은 태양과 지구와 같은 두 개의 큰 물체의 중력이 서로 상쇄되어 우주선이 '호버링(hovering, 정지 비행)'할 수 있는 지점을 말한다. 태양 활동·우주 날씨 실시간 관측 미국 기술 전문매체 테크 크런치에 따르면 인도의 우주 기관인 인도우주연구기구(ISRO)는 아디트야-L1 우주선에 원격 감지용 4개와 현장 실험용 3개 등 총 7개의 과학장비(페이로드, payload)를 설치했다. 탑재된 장비에는데이터를 수집하고 관측을 하기 위해 가시 방출선 코로나그래프, 태양 자외선 영상 망원경, X-선 분광기, 태양풍 입자 분석기, 플라즈마 분석기 패키지, 3축 고해상도 디지털 자력계 등이 장착되어 있다. ISRO는 이 우주선에 태양 코로나(가장 바깥층), 광권(태양 표면 또는 지구에서 보이는 부분), 염색권(광권과 코로나 사이에 있는 얇은 플라즈마 층)을 관찰하고 연구할 7가지 페이로드를 탑재했다고 밝혔다. 코드명 'PSLV-C57'인 이 우주선 임무의 전반적인 목적은 태양 활동과 그것이 우주 날씨에 미치는 영향을 실시간으로 관측하는 것이다. 이륙 한 시간여 만에 아디트야-L1 우주선은 146×12,117마일의 타원형 궤도에 진입시켰다. 인도가 발사체 상단이 두 번의 연소 과정을 거쳐 의도했던 궤도에 우주선을 진입시킨 것은 이번이 처음이다. ISRO의 S. 소마나스 회장은 우주국의 임무 통제 센터에서 참석자들에게 "이제 아디트야-L1은 몇 가지 지구 기동을 거친 후 여정을 시작할 것"이라면서 "아디트야 우주선이 긴 여정을 마치고 L1의 후광 궤도에 진입할 수 있도록 최선을 다하길 기원한다"라고 말했다. 아디트야-L1은 L1을 향해 발사되기 전에 지구를 여러 번 돌게 된다. 그리고 일식 동안 태양이 숨겨져 있더라도 지속적으로 태양을 관찰하고 과학적 연구를 수행할 수 있다. 이번 연구는 과학자들이 태양풍과 태양 플레어와 같은 태양 활동과 그것이 지구와 우주 날씨에 미치는 영향을 실시간으로 이해하는 데 도움이 될 것이다. 태양 탐사 비용 4600만달러 이번 태양 탐사선의 비용이 얼마인지 밝히지 않았지만, 인도 언론의 보도에 따르면 37억 8000만 루피(4600만 달러, 약 615억 원)가 소요될 것으로 예상된다. 아디트야-L1 미션의 프로젝트 책임자인 니가르 샤지는 "아디트야-L1 팀에게는 꿈이 실현된 것"이라고 말했다. 샤지는 "아디트 [임무]가 시운전되면 이 나라의 헬리오피직스는 물론 전 세계 과학계의 자산이 될 것"이라고 기대했다. 과거에는 미국, 유럽, 중국이 태양을 연구하기 위해 우주에서 태양 관측소 임무를 수행했다. 지금까지 지상 망원경을 이용한 태양 관측에 주력해 온 인도가 이 분야에 뛰어든 것은 이번이 처음이다. 아디트야-L1이 성공하면 인도는 이미 태양을 연구하고 있는 일부 극소수 국가 그룹에 합류하게 된다. 일본은 1981년 태양 플레어를 연구하기 위해 최초로 탐사선을 발사했다. 미국 우주국 나사(NASA)와 유럽우주국(ESA)은 1990년대부터 태양을 관찰해 왔다. 나사와 ESA는 2020년 2월, 공동으로 태양 궤도선을 발사해 가까운 거리에서 태양을 연구하고 있다. 과학자들은 태양의 역동적인 행동을 이해하는 데 도움이 될 데이터를 수집하고 있다고 밝혔다. 아울러 나사의 최신 우주선인 파커 태양 탐사선은 최초로 2021년 태양의 외기권인 코로나를 통과해 새로운 역사를 썼다. 유엔 우주국(UNOOSA)에 따르면 지구 궤도에는 약 1만290개의 위성이 남아 있으며, 그 중 약 7800개의 위성이 현재 작동 중이다. 한편, 인도의 태양 탐사선은 지난 8월 말 세계 최초로 달 남극 근처에 탐사선을 성공적으로 착륙시킨 것에 연이은 쾌거다. 이로써 인도는 미국, 구소련, 중국에 이어 세계에서 네 번째로 달에 연착륙한 국가가 되었다. 달 남극에는 인류 생존의 필수 자원인 물이 존재하고 있는 것으로 알려졌다. 나사에 따르면 달에서 물을 최초로 발견한 것은 인도 탐사선이다. 2008년 인도 탐사선 찬드라얀 1호가 달 표면에 퍼져 있고 극지방에 집중된 수산기 분자를 감지한 것이 물 발견에 결정적으로 기여했다. 현재 인도는 우주에 50개 이상의 위성을 보유하고 있으며 통신 링크, 날씨 데이터, 해충 침입, 가뭄 및 임박한 재난 예측 등 여러 가지 중요한 서비스를 제공한다. ISRO는 아디트야-L1과 함께 2025년으로 예정된 인간 우주 비행 임무인 가가냥(Gaganyaan) 발사를 오랫동안 준비해 오고 있다. 또 인도 우주국은 금성을 향한 무인 탐사선 발사도 계획하고 있다.
- 포커스온
2023-09-07
한국전기연구원(KERI), 차세대 '리튬황배터리' 개발 성공

기존 배터리가 전기 저장만을 목적으로 했다면, 미래의 배터리는 단순 저장을 넘어서 부가가치 있는 화학물질 생산 기능을 갖는 하이브리드 배터리로 변화할 것으로 보인다. 한국의 연구팀은 아연과 망간을 활용해 이러한 하이브리드 배터리를 개발했고, 그 결과 기존 배터리에 비해 10% 이상의 향상된 전압과 에너지 효율을 보였다. 과학·기술 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'에 따르면, 최근 과학자들은 단순 전기 저장 외에도 유용한 화학물질을 생성하는 하이브리드 배터리 시스템의 개발에 성공했다고 발표했다. 이 하이브리드 배터리는 전기 에너지를 저장하는 동시에 유용한 화학물질도 생성한다. 전통적인 2차 배터리는 전극 재료에 전기 에너지를 저장하는 방식을 사용한다. 반면, 레독스 흐름 전지(Redox Flow Battery)는 전극에 연결된 탱크에 보관된 화학물질을 활용한다. 이는 산화와 환원의 화학적 반응을 통해 전자가 전해액을 통해 음극에서 양극으로 이동하며 전기에너지를 발생시키는 원리를 기반으로 한다. 이번에 연구자들이 개발한 하이브리드 배터리는 사용 과정에서 푸르푸랄(나일론 합성에 사용되거나 살충제로 활용되는 액체)을 기반으로 한 니켈 수산화물 배터리이다. 이 배터리는 바이오매스(생물 유기체)에서 추출한 푸르푸랄을 푸르푸릴 알코올이나 푸로산 중 하나로 변환할 수 있다. 푸르푸랄 자체는 농업용 바이오매스에서 흔히 발견되는 오탄당에서 형성되는 작은 분자이며, 다양한 화학 분야에서 중요한 중간체로 사용되는 플랫폼 화학물질로 알려져 있다. 이물질은 푸로산으로 산화될 때 식품 방부제, 약물, 향료 합성의 중간체가 될 수 있으며, 환원될 때는 레진(수지), 향료, 약물의 전구체로서의 역할을 하는 푸르푸릴 알코올로 변환된다. 중국 베이징의 청화대학(Tsinghua University)에서 활동하는 하오홍 두안(Haohong Duan) 박사를 포함한 연구팀은 하이브리드 흐름 배터리를 사용해 두 종류의 부가가치 화학물질을 추출함으로써 배터리 시스템의 비용 효율성을 개선하는 데 성공했다. 기존의 충전식 배터리는 충전 과정에서 전극에 전기를 저장하고, 방전 시에는 해당 전기를 회로로 전달한다. 반면 레독스 흐름 전지라는 다른 타입의 배터리는 특정 화학물질에 전기를 저장하며, 해당 화학물질은 두 상태 사이에서 순환하면서 배터리 내에 계속 보관된다. 한국전기연구원(KERI) 차세대전지연구센터 박준우 박사팀과 부산대학교의 박민준 교수팀은 아연과 망간을 주요 소재로 사용하여 고성능 '레독스 흐름 전지' 기술을 개발했다. 레독스 흐름 전지는 큰 용량 저장이 가능하며, 배기가스를 발생시키지 않아 화재나 폭발 위험에서 상대적으로 안정적이다. 이러한 특성으로 인해 에너지저장장치(ESS) 용도로서 많은 관심을 받는 차세대 전지로 평가받고 있다. 연구자들은 에너지 저장 및 제공과 동시에 추가 화학물질을 생산하는 능력을 결합하여 이를 조사했고, 그 과정에서 흥미로운 결과를 발견하게 되었다고 한다. 양극용 이중 기능성 금속 촉매의 혁신적인 발전이 관찰되었는데, 로듐(백금족 금속의 일종)과 구리를 단일 원자 합금으로 조합하여 만들어진 촉매가 등장했다. 이 촉매는 배터리가 충전될 때 푸르푸랄(전해액 포함)을 푸르푸릴 알코올로 효과적으로 변환하며, 방전 시에는 푸로산을 생성한다. 또한 연구원들은 음극에서 니켈-아연 또는 니켈-금속 수소화물 배터리에서 사용되는 음극 재료와 유사한 특성을 가진 코발트-도핑 수산화니켈 재료를 확인했다. 이러한 조합을 통해 참신한 이중용 배터리 시스템이 개발되었다. 태양 전지로 충전된 이 배터리는 4개를 직렬로 연결하여 사용되며, LED 조명과 스마트폰 등의 장치를 작동시키면서도 지속적으로 푸르푸릴 알코올과 푸로산을 생성한다. 이 화학물질들은 흐름 시스템을 통해 전달된다. 이 새로운 하이브리드 배터리는 일반 배터리와 비교하여 에너지 밀도와 전력 밀도에서 유사한 성능을 보이면서도, 동시에 전력과 부가가치 있는 화학물질을 생산한다는 점이 새로 확인되었다. 1kWh의 에너지 저장 시, 0.7kg의 푸르푸릴 알코올이 생성되고, 0.5kWh의 전력 공급 시에는 1kg의 푸로산이 생산된다. 단, 푸르푸랄은 지속적으로 시스템에 공급되며, 최종 제품은 전해질에서 분리해야 한다. 이 연구팀이 제시한 하이브리드 방식은 2차 전지의 지속 가능성과 경제성을 높이는 첫걸음이지만, 이를 더욱 발전시키기 위한 지속적인 노력이 필요하다.
- IT/바이오
2023-09-07
미쓰비시중공업, 핵융합용 세계 최대 '초전도 코일' 개발

미쓰비시중공업이 프랑스 남부 지역에 건설 중인 국제핵융합실험로 '이터(ITER)'에 사용되는 세계 최대 규모의 초전도 토로이드 자장(TF) 코일 제작을 완료했다. 일본 매체 뉴스위치는 최근 미쓰비시중공업이 프랑스 남부에서 진행 중인 대형 핵융합 국제 프로젝트 '싱크로나이즈드 사이언스(SST)'의 핵심 부품인 초전도 코일 개발에 성공했다고 전했다. 미쓰비시중공업은 양자과학기술연구개발기구로부터 수주한 5번째 코일인 토로이드 자장(TF) 코일 최종호기를 완성시켰다. ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)는 태양과 같은 핵융합 반응을 인공적으로 일으켜 에너지를 얻는 국제적인 과학기술 프로젝트다. ITER 프로젝트에는 미국, 러시아, 유럽연합, 일본, 중국, 인도, 한국 등 7개국이 참여하고 있으며, 프랑스 남부 카다라쉬 지역에 건설 중이다. ITER의 목표는 열출력 500MW, 에너지 증폭율 (Q) 10 이상의 핵융합실험로를 개발해 미래 핵융합발전소 건설을 위한 원천기술을 확보하는 것이다. 2040년에 ITER 프로젝트가 완공되면 지구에서 처음으로 인공태양이 뜰 예정이다. 한국은 2003년에 합류해 10대 주요장치를 제작·조달하고 있고, 여기에 필요한 초전도핵융합장치 KSTAR는 2007년 일찌감치 완공했다. 현재 일본은 '이터'용 토로이드 자장 코일 19기 중 9기의 제작을 맡고 있으며, 이 가운데 미쓰비시중공업이 5기를 담당해 이번 최종호기를 완성했다. 세계 최대 규모인 이 코일은 높이가 3.5미터, 폭이 1미터, 총 무게가 1.5톤으로 거대하지만, 원자로 내에서 핵융합 반응을 일으키는 데 필요한 1만 분의 1미터 이하의 정밀도로 제작했다는 회사측의 설명이다. 이 회사는 지난 2020년 1월 초호기를 완성한 바 있다. 회사 측은 "양자과학기술연구개발기구와 공동 개발한 초전도체를 고정밀로 권선(전류를 흘려 자속을 발생시키거나 서로 결합하도록 설계된 코일) 기술 및 용접, 가공기술 등을 통해 높은 정밀도를 실현했다"고 설명했다. 미쓰비시전기가 권선 부분을, 외부 구조물은 한국에서 제작한 후 미쓰비시중공업의 후타미공장(효고현 아카시시)에서 모든 부품을 조립해 완성품으로 만들었다. 4기 초전도 코일은 프랑스 현지에서 설치 중이며, 이번에 완공한 5기도 향후 곧 설치될 것으로 예상된다. 한편, 미쓰비시중공업은 토로이드 자장 코일 이외에도 핵융합로에서 내부에 괴는 불순물을 제거하는 장치인 다이버터와 수평 론처 등 주요 기기를 개발, 제작하고 있다. 또한, '이터' 계획에 이어 건설이 계획되고 있는 핵융합원형로에 대해서도 설계와 개발을 적극적으로 지원하겠다는 방침이다.
- 산업
2023-09-02
미국·중국·러시아 등 강대국이 달에서 채굴하려는 광물은?

최근 미국, 중국, 인도에 이어 러시아가 47년만에 달 탐사선을 궤도에 진입시켜 우주 전쟁이 본격화 되고 있다. 러시아 국립우주국 로스코스모스는 러시아의 달 탐사선인 루나 25호(Luna-25)가 지난 8월 16일 오전 11시 57분(GMT 08시57분)에 달 궤도에 진입했다고 밝혔다. 미국, 중국, 인도 등 주요 강대국들이 지구 유일의 자연 위성인 달 표면에 존재하는 다양한 물질을 탐사하기 위해 경쟁하는 가운데 러시아가 최근 47년 만에 처음으로 달 착륙 우주선을 발사한 것. 루나 25호는 지구의 유일무이한 위성인 달을 5일 정도 돌고난 뒤 8월 21일로 예정된 달 남극에 연착륙하기 위해 항로를 바꾼다. 소형차 정도의 크기인 루나 25호는 최근 몇 년 동안 마국 항공우주국(NASA)과 다른 나라 우주국의 과학자들이 분화구에서 얼어붙은 물의 흔적을 발견한 남극에서 1년 동안 작동하는 것을 목표로 한다. 러시아 달 탐사선, 47년만에 달 궤도 진입 최근 지오 뉴스(Geo News)에 따르면 러시아는 달 탐사선을 발사한 후 러시아와 중국의 공동 탐사선과 달 기지 건설 가능성도 검토할 것이라고 밝혔다. 러시아 우주 프로그램을 추적하는 러시아스페이스웹닷컴(RussianSpaceWeb.com)의 창시자이자 게시자인 아나톨리 작크(Anatoly Zak)에 따르면 소련은 1976년 달 탐사선인 루나 24(Luna-24) 이후 어떤 러시아 우주선도 달 궤도에 진입하지 못했다. 미국의 나사(NASA)는 '달의 골드러시'에 대해 이야기하고 달 채굴의 잠재력을 탐구했다. 인도의 달 탐사선 찬드라얀 3호는 8월 말로 예정된 달 남극 착륙을 위해 이달 초 달 궤도에 진입했다. 중국은 2030년 이전에 유인 달 탐사선 착륙을 목표로 하고 있다. 지난 5월 스페이스뉴스에 따르면 중국 유인 우주국(CMSA)의 린 시창 부국장은 지우취안 위성 발사 센터에서 열린 기자회견에서 "최근 중국의 유인 달 탐사 프로그램의 달 착륙 단계가 시작됐다. 주요 목표는 2030년까지 중국 우주 비행사를 처음으로 달에 착륙시키는 것"이라고 밝혔다. 이처럼 미국과 중국, 러시아 등 강대국들이 달 탐사에 열을 올리는 이유는 무엇일까. 지구에서 38만4400km 떨어져 있는 달은 지구의 자전축 흔들림을 완화하여 보다 안정적인 기후를 보장한다. 또한 달은 전 세계 바다에 조수(지구·태양·달 사이의 인력 작용으로 해수면이 하루에 2회 주기적으로 오르내리는 것)를 일으킨다. 현재 학설에 따르면 달은 약 45억 년 전에 거대한 물체가 지구와 충돌하면서 형성된 것으로 추정된다. 충돌로 인한 파편이 모여 달을 형성한 것으로 추정하고 있다. 인도 달 탐사선, 달 남극에 '물' 존재 확인 인도와 러시아 달 탐사선의 최종 목적지인 달 남극은 물이 존재하는 것으로 알려졌다. 달에 물이 존재한다는 것은 주요 우주 강대국에 큰 영향을 미친다. 인간 생명에 필수적인 물의 존재로 인해 인간이 행성에 더 오래 머물면서 달 자원을 채굴할 수 있게 할 것으로 보인다. 달에는 물을 비롯해 헬륨-3, 스칸듐, 이트륨 등 희토류 금속이 있다. △ 물 나사에 따르면 달에서 물을 최초로 발견한 것은 인도 탐사선이다. 2008년 인도 탐사선 찬드라얀 1호가 달 표면에 퍼져 있고 극지방에 집중된 수산기 분자를 감지한 것이 결정적이다. 물은 인간의 생명에 필수적이다. 또 수소와 산소의 원천이 될 수 있고 로켓 연료로 사용될 수 있다. △ 헬륨-3 헬륨-3은 지구에서는 희귀한 헬륨의 동위원소다. 나사에 따르면 달에는 헬륨-3이 100만 톤이 있는 것으로 추정된다. 유럽우주국에 따르면 이 동위원소는 핵융합로에서 핵에너지를 제공할 수 있지만 방사능이 아니기 때문에 위험한 폐기물을 생성하지 않는다고 한다. △ 희토류 금속 보잉의 연구에 따르면 스마트폰, 컴퓨터 및 첨단 기술에 사용되는 희토류 금속인 스칸듐, 이트륨 및 15란타나이드 등이 달에 존재한다. 그렇다면 달에서 희토류 등의 채굴은 어떻게 이루어질까. 이들 광물들을 채굴하려면 달에 일종의 인프라를 구축해야 한다. 지구가 아닌 달의 환경에서는 로봇이 대부분의 힘든 작업을 해야 한다는 것을 의미한다. 다만 달에 물이 있다는 것은 인간이 장기간 존재할 수 있는 조건이 될 수 있다. 특정 국가가 '달 주권' 주장할 수 있나? 지구의 법으로 어느 한 나라가 달 주권을 주장하기엔 아직 불명확하고 빈틈이 많다. 1966년 유엔의 우주 조약에 따르면 어떤 국가도 달이나 다른 천체에 대한 주권을 주장할 수 없으며 우주 탐사는 모든 국가의 이익을 위해 수행되어야 한다고 명시되어 있다. 그러나 법률가들은 민간 기업이 달의 일부에 대한 주권을 주장할 수 있는지 여부는 불분명하다고 지적했다. 랜드(RAND Corporation)는 작년에 블로그에서 "우주 채굴은 잠재적으로 높은 위험에도 불구하고 기존의 정책이나 거버넌스가 상대적으로 거의 적용되지 않는다"라고 언급했다. 1979년 달 협정은 달의 어떤 부분도 "국가, 국제 정부 간 또는 비정부 기구, 국가 조직 또는 비정부 단체 또는 자연인의 재산이 되어서는 안 된다"고 명시하고 있다. 문제는 주요 우주 강대국 중 어느 나라도 이 협정을 비준하지 않았다는 점이다. 미국은 2020년 나사의 아르테미스 달 탐사 프로그램의 이름을 딴 '아르테미스 협정 '을 발표해 달에 '안전 구역'을 설정함으로써 기존의 국제 우주법을 기반으로 법을 구축하기 위해 노력했다. 그러나 러시아와 중국은 이 협정에 가입하지 않아 향후 강대국간의 달 주권 다툼 문제가 제기될 가능성이 크다. 한편, 19일 러시아 국립우주국 로스코스모스는 러시아의 루나 25호가 착륙 전 궤도로의 이동을 준비하던 중 이날 "비정상적인 상황"이 발생했다고 밝혀 달 남극 탐사에 제동이 걸렸음을 시사했다.
- 산업
2023-08-20

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