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99.6% 반사율 '초백색 세라믹' 개발⋯건물 냉각 혁신
- 99.6%라는 최고의 반사율로 건물을 시원하게 하는 혁신적인 '초(超)백색 세라믹'이 개발됐다. 홍콩의 과학자들이 햇빛과 열을 99.6% 반사해 건물을 획기적으로 냉각시킬 수 있는 새로운 초백색 세라믹 소재를 시연했다고 과학전문 매체 뉴아틀라스가 지난 12일(현지시간) 보도했다. 딱정벌레의 특성에서 영감을 받은 이 소재는 나노 구조 기술을 활용해 그 효과를 발휘하며, 외부 환경 조건에 견딜 수 있는 강한 내구력을 지녔다. 또한, 이 소재의 생산 과정은 상대적으로 간단하여 대량 생산으로 확장이 용이하다는 장점이 있다. 사람들은 집이 너무 더워지면 종종 에어컨을 먼저 켜곤 한다. 이는 즉각적인 냉방 효과를 가져올 수 있지만, 건물의 냉난방 비용이 전체 에너지 비용의 큰 부분을 차지하기 때문에 에너지 효율성은 낮은 편이다. 과학자들은 에너지 소모가 적으면서도 실내 온도를 수동적으로 조절하는 대체 방법을 찾고 있다. 그이러한 방법 중 하나는 건물과 옥상을 밝은 색으로 칠하는 것이다. 기본 물리학 원리에 따르면, 밝은 색상은 어두운 색상보다 빛을 덜 흡수하기 때문에 실내를 더 시원하게 유지할 수 있다. 이러한 원리를 바탕으로 최근에는 태양광을 95% 이상 반사하는 '초백색 페인트'가 개발됐다. 앞서 미국 퍼듀대학교의 연구팀은 2020년 10월, 햇빛의 95.5%를 반사하고 열을 거의 흡수하지 않는 초백색 페인트를 개발했다. 연구에 따르면, 이 페인트를 적용한 표면은 밤에는 주변보다 약 10도(°C) 낮은 온도를 기록했고, 낮 시간에는 태양이 가장 높은 위치에 있을 때도 온도가 최소 1.7°C 낮았다. 이 페인트는 자외선 흡수를 최소화하기 위해 시중 페인트에 주로 사용되는 이산화티타늄 대신 탄산칼슘을 충전제로 사용했다. 그 결과, 이 초백색 페인트는 햇빛을 80~90% 반사하는 기존의 열 차단 페인트들보다 훨씬 높은 빛 반사율을 달성했다 그러나 이러한 페인트는 건물의 냉각 효과를 상당히 개선할 수 있지만, 코팅 솔루션은 건물의 내구성과 관련된 문제들이 발생할 가능성이 있다. 최근 홍콩 시티대학교(CityU)의 과학자들은 다른 페인트보다 성능이 뛰어난 새로운 냉각 세라믹 소재를 개발했다. 이 소재는 단순한 흰색 페인트가 아니라 나노 구조에서 높은 반사율을 달성하는 것이 특징이다. 사이포칠러스 딱정벌레에서 영감을 얻은 이 소재는 거의 모든 스펙트럼의 햇빛을 효율적으로 산란시킨다. 이 연구의 결과로, 개발된 소재의 태양 반사율은 99.6%로 사상 최고치를 기록했으며, 적외선 열 방출량도 96.5%에 달하는 것으로 나타났다. 이 연구는 '사이언스' 저널에 게재됐다. 홍콩 시티 대학교 연구팀은 알루미나 소재가 태양열 흡수를 줄일 뿐만 아니라 날씨에 따라 냉각 세라믹의 내구성을 높여준다고 말했다. 다른 패시브 쿨링 소재와 코팅의 약점인 자외선 노출로 인한 성능 저하를 방지하고 표면에서 수분 증발 속도를 높여 증발 냉각의 보너스 효과를 더한다. 게다가 1000°C(1832°F) 이상의 온도에서도 견딜 수 있는 내화성까지 자랑한다. 이 연구의 공동 교신저자인 에드윈 초치얀 교수는 "이 냉각 세라믹의 장점은 고성능 PRC와 실제 환경에서의 애플리케이션에 대한 요구 사항을 모두 충족한다는 점"이라고 말했다. 초치얀 교수는 "우리의 실험에 따르면 냉각 세라믹을 주택 지붕에 적용하면 공간 냉각을 위해 20% 이상의 전기 절감을 달성할 수 있으며, 이는 기존의 능동 냉각 전략에 대한 사람들의 의존도를 줄이는 데 있어 냉각 세라믹의 큰 잠재력을 확인하고 전력망 과부하, 온실가스 배출과 도시 열섬을 피할 수 있는 지속 가능한 솔루션을 제공한다"고 설명했다. 연구팀은 또 알루미나와 같은 일반적인 재료와 상 반전 및 소결의 2단계 공정을 사용해 이 소재를 대량으로 쉽게 생산할 수 있다고 설명했다. 그리고 흰색 세라믹 기반의 소재에 다른 재료를 추가하면 다양한 색상과 패턴의 제품을 만들수 있다고 덧붙였다.
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99.6% 반사율 '초백색 세라믹' 개발⋯건물 냉각 혁신
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중국, 시멘트 공장 창고 재활용시설 떠 있는 '방주' 공개
- 사용하지 못하는 의미 있는 공장을 개조해 지역 명물인 카페나 식당을 만들거나, 자동차를 고치는 정비소로 활용하는 등 다양한 시도가 이어지고 있다. 물론 한국의 경우에만 국한되는 것은 아니다. 최근 중국에서도 역사적 가치가 있는 공장을 재활용하는 설계 도안이 공개됐다. 미국 매체 뉴아틀라스(newatlas)에 따르면, 중국 매드아키텍스(MAD Architects)는 지금은 사용하지 않은 상하이의 거대한 시멘트 공장 창고 위에 방주를 연상시키는 복합 용도의 건물을 디자인해 눈길을 끌고 있다. 방주 이미지를 구현할 이 시멘트 공장은 중국 상하이에 위치한 장장 시멘트 공장(Shanghai Zhangjiang Cement Factory)으로, 한때 중국 도시에서 가장 큰 시멘트 공장 중 하나로 꼽혔다. 이번 개조 공사는 대규모 창고에 중점을 뒀다. 1971년에 건설된 이 건물은 선박 가공을 위해 시멘트 공장에 원자재를 보내는 첫 번째 정류장 역할을 해왔다. 2013년에 운영을 중단하기까지 약 50년간 상하이의 도시 건설과 발전을 목격했다. 최근, 중국의 건축가들은 역사적인 산업 상징물인 시멘트 사일로, 가마 테일 타워, 1만미터 사일로 등을 포함하는 공장을 보존하기 위한 공원 클러스터 설계를 의뢰받았다. 이러한 역사적 가치가 있는 산업 건물들을 재개발하고 재사용함으로써, 문화와 스포츠, 창의적 상업 지원 시설 등을 갖춘 복합 캠퍼스로 변모시키는 계획이다. 매드가 수행할 개조 공사는 창고 벽의 산업적 미학을 존중하면서도, 지붕은 '아크(ark, 방주)'라는 이름의 새롭고 다양한 기능을 갖춘 복합 건물로 대체될 예정이다. 공동 작업 공간, 연구실, 다목적 홀, 카페, 대형 건물 등이 포함될 예정이며, 공개적으로 접근 가능한 옥상 공원이 설계되었다. 내부는 대형 금속 계단을 통해 접근 가능하며(엘리베이터 설치도 고려 중), 지상 층에는 조경과 판매 공간이 조성될 예정이다. 또한 기존 창고의 서쪽 벽은 유리벽으로 교체해 햇빛이 들어오는 밝은 공간으로 꾸민다. 건축적으로 복잡한 이 구조는 새로운 기둥, 바닥 트러스, 스패닝 트러스, 대형 스패닝 빔을 추가함으로써 방주가 떠 있는 것 같은 부유 효과를 구현한다. 오래된 벽은 스터드, 강철 와이어 메쉬, 강철 프레임을 사용하여 보강할 계획이다. 건물 내부에서 강변의 경치를 즐길 수 있도록, 오래된 공장 건물의 1층은 강변을 따라 개방되어 수변 광장과 통합될 예정이다. 건물 중앙에는 복도가 설치되어 공원 내의 광장과 강둑을 연결하며, 새로 설계된 다리는 강 양안을 연결해 지역민들이 이 새로운 공공 공간을 더욱 편리하게 이용할 수 있도록 할 것이다. 옥상은 추가적인 도시 공공 공간으로 구상됐다. 사람들은 이 공간에 자유롭게 접근할 수 있으며 멀리 천양강의 경치를 즐길 수 있다. 방주의 처마는 완만하게 기울어져, 건물 높이가 추안강 유역에 미칠 수 있는 압박감을 최소화하는 동시에 옥상 테라스에서 바라보는 전망을 최적화한다. 매드에 따르면, 이 프로젝트는 오래된 구조와 새로운 구조를 결합하여 시간과 물리적 차원에서의 3차원적 계층 구조를 구현함으로써 쇠퇴한 산업 현장에 새로운 활력을 불어넣을 것으로 기대한다. 매드의 공동창업자 마 옌쑹(Ma Yansong)은 "산업 유산은 그 안에 담긴 역사적 가치 때문뿐만 아니라 미래에 역사 의식을 주는 중요한 요소로 보존되고 활용되어야 한다"며 "이에 우리는 산업 미학을 단순히 찬양하고 통합하는 것이 아니라 현재와 미래의 정신에 초점을 맞출 필요가 있다"고 강조했다. 현재 방주 프로젝트는 진행 중이며 오는 2026년 완공될 예정이다.
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중국, 시멘트 공장 창고 재활용시설 떠 있는 '방주' 공개
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선크림의 역설…사용량 늘어도 피부암 발병률 여전
- 선크림의 사용이 증가했지만 피부암 발병은 줄어들지 않고 있다는 '선크림의 역설'이 제기됐다. 의료 전문매체 뉴스 메디컬 라이프사이언스(NEWS MEDICAL LIFE SCIENCES)는 선크림 사용이 늘고 있지만 피부암 발병률이 여전히 증가하고 있다는 연구 결과가 나왔다고 전했다. 캐나다 맥길 대학교의 이반 리트비노프 박사 연구팀은 캐나다 대서양 주와 영국 바이오뱅크의 데이터를 분석한 결과, 선크림 사용이 흑색종 발병 위험을 두 배 이상 증가시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 연구팀은 선크림 사용으로 인해 사람들이 햇빛에 더 많이 노출되고, 피부암에 대한 경각심이 감소하기 때문이라고 분석했다. 리트비노프 박사는 "선크림은 피부암 예방에서 여전히 중요한 역할을 하지만, 부적절한 사용은 오히려 피부암 위험을 증가시킬 수 있다"고 지적했다. 그는 "선크림을 사용할 때는 자외선 차단지수(SPF)가 30 이상인 제품을 선택하고, 약 2시간마다 덧발라 주어야 하며, 강한 햇빛이 있는 시간에는 가능한 야외 활동을 자제하는 것이 중요하다"고 강조했다. 선크림 역설, 왜 생길까? '선크림 역설'은 선크림 사용이 늘어남에 따라 오히려 피부암 발생률이 증가하는 현상을 가리킨다. 선크림을 사용하면 피부가 햇빛으로부터 보호된다고 생각하여 사람들이 햇볕에 더 오래 머물러 있게 된다. 또, 선크림을 사용하면 피부암에 걸릴 위험이 줄어든다고 생각하여 사람들이 피부암에 대한 예방 조치를 소홀히 하게 돼 이런 역설적인 결과가 나타날 수 있다. 리트비노프 박사 팀이 영국 바이오뱅크를 대상으로 수행한 두 번째 연구에서도, 선크림 사용이 피부암 발병 위험을 두 배 이상 증가시킬 수 있다는 결과가 나타났다. 리트비노프 박사는 태양 보호와 피부암 예방에 있어 지식과 실천 사이의 격차를 해소하기 위한 조치로 선크림 역설과 각 지역 사회의 특성을 고려해야 한다고 지적했다. 그는 "선크림은 중요하지만, 태양 보호 의류나 래시 가드, 태양 노출 최소화 등 다른 방법에 비해 피부 보호 효과가 가장 높지는 않다"며 "사람들은 햇볕을 쬐지 않고도 야외 활동을 즐길 수 있다"고 권했다. 선크림의 올바른 사용법은 약 2시간마다 자외선 차단제를 덧발라 주어야 한다. 또 땀이나 물에 닿으면 자외선 차단 효과가 떨어지므로, 땀이 흐르거나 물에 접촉한 후에는 선크림을 즉시 덧바르는 것이 좋다. 적절한 선크림 사용과 함께 다른 태양 보호 조치를 병행함으로써 피부암 예방에 도움이 될 수 있다.
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선크림의 역설…사용량 늘어도 피부암 발병률 여전
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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.
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달, 고대 얼음 없다..."달 탐사 전략 수정"
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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.
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미래 에너지원 수소, '나노 섹션'으로 저비용 생산 가능
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