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자작나무 잎에서 나노입자 추출…지속가능한 반도체 소재 개발
- 스웨덴 과학자들이 자연 재료로 만든 나노입자를 이용하여 유기 반도체 물질을 개발하는데 성공했다. 과학 기술 전문 매체 테크놀러지 네트웍스는 지난 11월 29일(현지시간) 압력으로 조리된 잎으로 만든 나노입자는 유기 반도체에 사용되는 희귀 원소를 대체할 수 있다며 자작나무 잎에서 나노입자를 추출했다고 보도했다. 이 연구는 덴마크와 중국의 연구자들과의 협업을 통해 진행됐다. 연구진은 고압 가열 방식을 통해 식물 생체질을 나노 크기의 탄소 입자, 즉 탄소 양자점으로 전환하는 데 성공했다. 이 연구 결과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 '그린 케미스트리(Green Chemistry)' 저널에 게재됐다. 이번 연구 결과는 유기 전자 제품 분야에서 획기적인 발전으로 기대된다. 이 매체에 따르면 스웨덴 우메아(Umeå) 대학의 물리학자들이 중국과 덴마크의 연구원들과 협력하여 식물 생물질을 나노 크기의 탄소 입자, 이른바 '탄소 양자점'으로 분해하는 새로운 압력 조리 방법을 개발했다. 이 탄소 양자점은 유기 전자 제품에 사용되는 유기 반도체 물질의 일부 희귀 원소를 대체할 수 있을 만큼 좋은 광학 특성을 가지고 있다. 연구원들은 또한 자작 나무잎에서 유래한 탄소 양자점을 사용하여 생물 기반 반도체 물질을 생산하는 데 성공했다고 보고했다. 유기 반도체의 지속가능성 유기 반도체는 전자 장치에 있어 가장 중요한 기능성 재료 중 하나로, 특히 유기 발광 다이오드(OLED)에서 주목받고 있다. 광전자 분야에서 이러한 반도체는 초박형 밝은 텔레비전과 휴대 전화 화면에 사용되는 유기 발광 다이오드(OLED)를 전원 공급하는 데 가장 유명하다. 그러나 유기 반도체 기술에 대한 수요가 증가함에 따라 큰 문제가 발생한다. 대부분의 유기 반도체는 대부분 지속 가능하지 않은 원료인 석유 화학 물질과 플래티넘, 인듐, 인과 같은 희귀 원소를 사용하여 제조된다. 이러한 소위 '핵심 원료'는 환경에 특히 좋지 않다는 점에서 문제가 있다. 반도체 산업의 지속가능성을 높이기 위해 연구원들은 이러한 핵심 원료를 대체할 수 있는 대체 원료를 조사하기 시작했다. 우메아 대학 물리학과 연구원 지아 왕(Jia Wang) 박사는 "우리 연구의 핵심은 인근 재생 가능 자원을 활용하여 유기 반도체 물질을 생산하는 것이다"라고 말했다. 새로운 연구에서 왕 박사와 그녀의 동료들은 생물 기반 탄소 양자점을 유일한 원료로 사용하는 반도체의 성공적인 생성을 보고했다. 자작나무 잎에서 양자 물질까지 이 새로운 반도체의 합성은 매우 간단하다. 우메아 대학 캠퍼스에서 자라는 자작나무에서 잎을 딴 후, 연구원들은 에탄올 용액을 사용하여 용매열 반응 과정을 통해 잎을 효과적으로 압력 조리했다. 이 용액을 건조하고 추출하면 크기가 약 2나노미터인 탄소 나노 물질로 구성된 양자점인 '탄소 양자점'이 생성된다. 신선한 에탄올 용액에 용해되면 탄소 양자점은 좁은 밴드의 깊은 붉은 빛을 방출한다. 연구원들은 탄소 양자점을 사용하여 새로운 발광 전기 화학 장치를 제조할 수 있었으며, 최대 100 坎델라/제곱미터(cd/m2)의 밝기를 생성할 수 있다. 이것은 일반 컴퓨터 화면에서 발산되는 광량과 동일하다. 왕 박사는 "우리의 방법은 자작 나무잎에 국한되지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요하다"라고 덧붙였다. 그는 "우리는 동일한 압력 조리 방법으로 다른 식물 잎을 테스트했으며 모두 유사한 빨간색 방출 탄소 양자점을 생성했다. 이러한 다양성은 이 변환 과정이 다른 위치에서 사용될 수 있음을 시사한다"고 말했다. 상업용 양자점과는 달리, 새롭게 개발된 바이오 기반 탄소점은 석유화학 화합물, 중금속, 또는 중요한 원재료를 포함하지 않는다. 왕 박사는 이러한 바이오매스 기반 탄소점이 고갈되는 석유 화합물 대신 유기 반도체의 원료로 사용될 수 있음을 시사한다고 말했다. 연구팀은 이 바이오 기반 탄소점이 발광 소자를 넘어 다양한 분야에서 응용될 수 있다고 기대했다. 왕 박사는 "이 카본닷은 바이오 이미징, 센싱, 위조 방지 등 여러 응용 분야에서 유망한 소재다. 우리는 이러한 지속 가능하고 발광성 있는 탄소점의 새롭고 흥미로운 용도를 탐구하기 위해 협력을 기대하고 있다'라고 말했다.
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- IT/바이오
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자작나무 잎에서 나노입자 추출…지속가능한 반도체 소재 개발
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[퓨처 Eyes(11)] 나노와이어 '두뇌' 네트워크, "즉시 학습하고 기억" 가능성 입증
- 최근 '나노와이어 두뇌' 등 물리적 신경망의 혁신적인 발전이 주목을 받고 있다. 뇌의 뉴런이 작동하는 방식에서 영감 받은 물리적 신경망은 최근 실험에서 처음으로 즉석에서 학습하고 기억하는 것이 확인되는 단계에 이르렀다. 나노와이어 두뇌는 인공 지능(AI)과 기계 학습 분야에서 사용되는 혁신적인 기술 중 하나다. 이 개념의 핵심은 미세한 나노스케일의 와이어를 사용하여 인간 두뇌의 작동 방식을 모방하는 것이다. 다시 말하면, 나노와이어 두뇌 또는 나노와이어를 사용하는 인공 신경망은 뇌의 구조와 기능을 모방하기 위해 나노스케일의 전도성 와이어를 사용하는 첨단 기술이다. 이 기술은 신경과학과 나노기술의 교차점에 있으며, 인공 지능과 머신 러닝 분야에서 혁신적인 발전을 가져올 가능성이 크다. 과학전문 매체 사이키(phys.org)에 따르면 호주 시드니 대학교와 미국 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교의 과학자들이 주도한 최근 연구에서 나노와이어 네트워크(신경망)가 뇌의 뉴런처럼 작동하여 '즉석에서 학습하고 기억'하는 능력을 보여주었다. 나노와이어 신경망이란? 나노와이어 네트워크는 직경이 불과 10억 분의 1미터인 미세한 와이어들로 구성되어 있다. 이 와이어들은 어린이 게임 '나무 블록 빼기 놀이'(Pick Up Sticks, 쌓아 올려져 있는 나무 조각들의 밑창 빼기)와 유사한 패턴으로 배열되어 있으며, 인간 뇌의 신경망을 모방한다. 이는 복잡한 실제 학습과 기억 작업을 수행할 수 있는 저에너지 기계 지능 개발의 가능성을 열어주고 있다. 논문 제1저자인 루오민 주(Ruomin Zhu) 시드니대학교 나노연구소 및 물리학과 박사과정 연구원은 "나노와이어 네트워크를 사용해 뇌에서 영감을 받은 학습·기억 기능을 동적 스트리밍 데이터 처리에 활용할 수 있다"고 설명했다. 기억과 학습 작업은 나노와이어가 교차하는 접점에서 발생하는 전자 저항의 변화를 이용한 간단한 알고리즘을 통해 이루어진다. 이 기능은 '저항성 메모리 스위칭'으로 알려져 있으며, 전기적 입력이 전도성 변화와 맞닥뜨릴 때 발생한다. 이는 인간 뇌의 시냅스에서 일어나는 현상과 유사하다. 이 연구는 인공 지능과 기계 학습 분야에서 새로운 장을 열고 있으며, 향후 더욱 효율적이고 지능적인 기계 시스템의 개발로 이어질 것으로 기대된다. 이 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈'에 지난 11월 1일 게재됐다. 이 연구에서 과학자들은 이미지에 해당하는 전기 펄스 시퀀스를 인식하고 기억하는 방법으로 나노와이어 네트워크를 활용했다. 이는 인간 뇌의 정보 처리 방식에서 영감을 얻은 것으로, 뇌과학과 인공 지능의 접목을 시도한 중요한 연구 사례로 평가된다. 전화번호 기억과 비슷 연구 책임자인 즈덴카 쿤치치 교수는 이 기억 과제가 전화번호를 기억하는 것과 비슷하다고 설명했다. 그는 이 네트워크가 MNIST 데이터베이스의 필기 숫자 이미지, 즉 머신 러닝에서 사용되는 7만개의 작은 회색조 이미지 컬렉션을 활용하여 벤치마크 이미지 인식 작업을 수행했다고 말했다. 쿤치치 교수는 "과거 연구에서 나노와이어 네트워크가 간단한 작업을 기억하는 능력을 증명했다. 이번 연구는 온라인으로 접근 가능한 동적 데이터를 활용하여 작업을 수행함으로써 이러한 연구 결과를 확장했다"고 덧붙였다. 그는 "지속적으로 변경되는 대량의 데이터를 처리할 때 온라인 학습 기능을 달성하는 것은 어려운 과제다. 표준 방식은 데이터를 먼저 메모리에 저장한 후 이를 활용해 머신 러닝 모델을 훈련하는 것이지만, 이 방법은 광범위한 적용에는 너무 많은 에너지를 소모한다"고 설명했다. 이어 "우리의 새로운 접근 방식을 통해 나노와이어 신경망은 데이터 샘플마다 즉시 학습하고 기억함으로써 온라인으로 데이터를 추출할 수 있으며, 이는 메모리와 에너지 사용을 크게 줄여준다"고 말했다. 루오민 주 연구원은 온라인 정보 처리의 추가적인 장점을 언급했다. 그는 "예를 들어, 센서에서 데이터가 지속적으로 스트리밍되는 상황에서는, 인공 신경망을 활용한 머신 러닝이 실시간으로 적응할 수 있어야 한다. 하지만 현재 기술은 이에 최적화되어 있지 않다"고 부연했다. 이 연구에서 나노와이어 신경망은 테스트 이미지를 93.4%의 정확도로 식별하며 벤치마크 머신 러닝 성능을 입증했다. 연구에 포함된 기억 과제는 최대 8자리 숫자 시퀀스를 재생하는 것이었다. 두 과제 모두에서, 데이터를 네트워크로 스트리밍하여 온라인 학습 능력을 증명하고, 메모리가 학습을 어떻게 향상시키는지를 보여주었다. 나노와이어 두뇌 특징 나노와이어 두뇌의 특징으로는 나노스케일 구조와 전도성, 플라스틱성, 저에너지 소비 등이 있다. 먼저 나노와이어는 극도로 작은 크기(일반적으로 나노미터 단위)를 가지고 있어, 매우 높은 밀도의 신경망을 구현할 수 있다. 이는 인간 두뇌의 복잡한 신경망을 모방하는 데 유리하며, 여러 신경망의 연결을 통해 복잡한 계산을 수행할 수 있다. 전통적인 전자 기기에 비해 에너지 효율이 높아 저에너지를 사용한다. 또한 나노와이어는 전기 신호를 효율적으로 전달할 수 있어, 뇌의 신경 전달 방식을 모방하는 데 적합하다. 나노와이어 기반 신경망은 플라스틱성(학습과 기억에 필요한 구조적, 기능적 변화)을 통해 새로운 정보를 학습하고 저장할 수 있다. 나노와이어는 전기화학적 신호를 사용하여 정보를 처리하고 저장한다. 뉴런과 같이 동적으로 연결되며, 학습과 기억 과정에서 이들 연결이 강화되거나 약화된다. 나노와이어 두뇌 응용 분야 나노와이어 두뇌는 인간 두뇌와 유사한 방식으로 정보를 처리하고 학습하는 AI 시스템에 활용된다. 데이터 스트리밍과 실시간 학습 능력을 통해 기계 학습 모델을 개선하는 데 사용될 수 있다. 자율적인 의사결정과 복잡한 환경에서의 적응력을 갖춘 로봇에 적용될 수 있다. 나노와이어 기반 기술은 미래의 AI 및 컴퓨팅 분야에서 중요한 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그러나 이 기술은 아직까지 연구 개발 단계에 있으며, 상용화까지는 추가 연구와 발전이 필요하다. 이러한 나노와이어 두뇌 기술은 빠르게 진화하고 있는 분야로, 그 개발과 응용은 향후 몇 년 동안 상당한 관심을 끌 것으로 예상된다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(11)] 나노와이어 '두뇌' 네트워크, "즉시 학습하고 기억" 가능성 입증
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NBA 스타 릭 폭스, 바하마에 '탄소 흡수 콘크리트' 주택 건축
- 전 NBA 레이커스의 전설이자 배우인 릭 폭스(54·Rick Fox)가 바하마에 환경친화적인 '탄소 흡수 콘크리트' 주택을 건축했다. 폭스는 총 1000채의 탄소배출 제로 주택을 건설할 계획이다. 미국 경제매체 더 버지(The Verge)는 최근 릭 폭스가 건설한 탄소 흡수 콘크리트 집은 기후 변화 문제 개선에 기여할 것으로 보인다며 이같이 보도했다. 폭스는 지속가능한 건축자재 스타트업 '파르타나(Partanna)'의 CEO이자 공동 창업자다. 벤처캐피털·사모펀드 체루빅 벤처스(Cherubic Ventures)가 파르타나에 투자했다. 체루빅 벤처스는 전 세계 제품 출시 전 단계의 기업에 투자하는 시드 단계 벤처캐피털 회사다. 현재 샌프란시스코, 타이페이, 워털루, 도쿄에 사무실을 두고 있으며, 4억 달러(약 5400억원)의 운용자산(AUM)을 관리하고 있다. 폭스는 바하마에서 탄소중립을 실현하는 이 프로젝트가 성공하면, 현재 대체재인 탄소 흡수 콘크리트를 일반적인 건축 자재로 도입해 건설 산업의 환경오염을 줄일 계획이다. 그는 "나는 헐리우드 경력을 일시 중단하고, 기후 변화에 대응하는 실질적인 해결책을 찾기로 결정했다"고 말했다. 폭스의 주장에 따르면, 콘크리트와 그 주요 성분인 시멘트는 전 세계적인 이산화탄소 배출량의 약 8%를 차지하며, 이는 기후 변화에 큰 영향을 미치고 있다. 폭스는 고향인 바하마에서 겪은 기후 변화의 영향 때문에 이 분야에 뛰어든 것이라고 설명했다. 2019년 허리케인 도리안은 바하마에 큰 피해를 주었으며, 아바코 섬의 주택 75%를 파괴하고 수천 명이 이재민이 되었다. 릭 폭스는 캘리포니아의 건축가 샘 마샬과 함께 과학자들과 협력하여, '파르타나(Partanna)'라는 회사를 공동 창업해, 탄소 집약적인 시멘트를 사용하지 않는 새로운 콘크리트 제조 방법을 개발했다. 파르타나에서 제작한 콘크리트는 전통적인 시멘트 대신 해수 정수 시설에서 얻은 염수와 강철 생산 부산물인 '슬래그'를 기반으로 한다. 이 혼합물은 상온에서도 경화될 수 있어 에너지 소비가 추가로 필요하지 않고, 콘크리트의 바인더 성분이 대기 중의 CO₂를 흡수해서 그 안에 가둔다. 이 콘크리트는 건물이 완공된 후에도 계속해서 CO₂를 흡수할 능력이 있으며, 건물이 철거될 경우에도 흡수된 CO₂를 유지하면서 재사용이 가능하다. 파르타나 측은 이런 유형의 콘크리트와 건물을 '카본 네가티브(carbon negative)'라고 말했다. 예를 들어 약 116m²(약 35평)의 탄소 흡수 콘크리트 건물은 연간 약 5200그루의 성숙한 나무가 흡수하는 양만큼의 CO₂를 흡수할 수 있다고 설명했다. 애리조나 주립 대학의 지속 가능한 공학 및 건축 환경 학교의 드와락 라비쿠마르(Dwarak Ravikumar) 조교수는 파르타나의 폐기물 활용방식 콘크리트에 대해 긍정적인 평가를 내렸다. 그는 "폐기물을 사용하는 것은 좋은 일"이라면서도 "이 기술이 기후에 어떤 전반적인 영향을 미치는지를 정확히 평가하려면, 시스템 전체를 상세하게 분석해야 한다"고 덧붙였다. 라비쿠마르는 파르타나가 탄소 흡수 콘크리트의 환경적 영향과 확장 가능성을 정확히 평가하기 위해 충분한 데이터를 공유해야 한다고 강조했다. 한편 바하마 정부는 파르타나와의 협력을 통해, 내년에 건설 예정인 29채의 주택으로 구성된 커뮤니티 프로젝트로 시작해 총 1000채의 주택을 건설하기로 합의했다. 바하마 나사우에 지어진 첫 번째 주택은 현재 프로토타입 단계로 아직 거주자가 없다. 하지만 앞으로 지어질 주택들은 생애 첫 주택 구매자들을 대상으로 입주자들을 선정할 예정이다. 파르타나의 건축 자재는 사우디아라비아의 홍해 관광 개발에도 사용될 예정으로 알려졌다. 한편, 국내에도 이산화탄소를 흡수할 수 있는 건축 자재를 개발 중인 기업들이 존재한다. 일례로 에코비오는 바다 생물의 껍질에서 추출한 키토산을 활용한 콘크리트를 개발했다. 또 에코콘크리트는 폐플라스틱을 재활용하여 콘크리트를 제작했고, 제이에스콘크리트는 폐석탄재를 재활용한 콘크리트를 개발하고 있다. 유엔은 2030년까지 43%의 탄소배출을 절감한다는 계획을 세웠다. 그러나 현실은 고작 7%의 탄소배출을 줄일 것이라는 전망이다. 그럼에도 기업들이 지속적인 노력을 펼친다면, 건설 분야에서의 온실가스 배출을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기후 변화에 대응하는 데에도 크게 기여할 것으로 예상된다.
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NBA 스타 릭 폭스, 바하마에 '탄소 흡수 콘크리트' 주택 건축
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잠비아서 세계 최고령 목재 구조물 발견…인류 진화 새 단서
- 잠비아에서 세계에서 가장 오래된 목재 구조물이 발견됐다. 영국 과학저널 '네이처'에 따르면, 잠비아와 탄자니아 국경 근처 칼람보 폭포 상류에서 발견된 목재 구조물은 약 47만 6000년 전의 것으로 세계에서 가장 오래된 유물로 확인됐다. 이 구조물은 두 막대기로 구성되어 있고, 노치로 연결되어 있다. 나무에는 다양한 돌 도구로 만들어진 표시들이 보인다. 이 구조물이 당시 사람들이 식량이나 나무를 저장하는 곳 또는 내부 통로의 토대로 사용되었을 것으로 추정된다. 더욱이, 이 구조물은 주택의 기초로 사용되었을 가능성도 있어 연구자들의 눈길을 끌고 있다. 특히 이 구조물은 현대인의 직계 조상인 호모 사피엔스가 등장하기 훨씬 전에 만들어진 것으로 보여, 인류의 조상과 초기 인류의 생활에 대한 새로운 이해를 제공한다. 이 구조물은 고대 인류가 복잡한 계획을 세우고, 언어를 사용할 수 있었던 높은 수준의 지적 능력을 가지고 있었음을 시사한다. 또한 이 구조물 주변의 풍부한 물과 식량 자원은 초기 석기 시대 인류가 유목 생활보다는 정착 생활을 했을 가능성을 제시하며, 이는 학계의 기존 견해를 재검토하게 만들고 있다. 칼람보 폭포에서 발견된 세계 최고령의 목재 구조물이 한국의 고고학 연구에 중요한 시사점을 제공하게 되었다. 한국에서도 구석기 시대의 목재 유물이 여러 건 발견되고 있으나, 칼람보 폭포에서 발견된 것처럼 보존 상태가 양호한 경우는 상당히 드물다. 이러한 새로운 유물의 발견이 한국의 구석기 시대 연구와 이해를 더욱 풍성하게 해 줄 것으로 기대된다. 연구자들은 이번 발견이 아프리카에서의 목공예 및 초기 인류 기술에 대한 이해를 넓혀줄 것이라고 밝혔다. 또한, 이 구조물이 발견된 상태는 예상외로 매우 양호하여, 지금까지 단순한 기술만을 가진 수렵 채집 사냥꾼으로 여겨졌던 초기 인류인 호미닌이 사실은 더 발전된 건축 기술을 가지고 있었음을 암시하는 중요한 단서가 되었다고 덧붙였다. 석기 시대 목재 유물의 보존이 어려운 이유는 시간이 흐르면서 자연적으로 붕괴하기 때문이다. 그러나 칼람보 폭포에서 발견된 유물은 산소에 노출되지 않은, 물에 젖은 퇴적물 속에서 발견되어 비교적 잘 보존되어 있다. 이번 칼람보 폭포에서의 발견은 인류 진화 연구 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. 이는 인류의 초기 조상들이 우리가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 오래 전부터 고도의 기술과 지식을 갖추고 있었음을 나타내며, 인류 진화에 대한 새로운 통찰을 제공한다.
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잠비아서 세계 최고령 목재 구조물 발견…인류 진화 새 단서
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스타벅스, 기후변화 견디는 커피 씨앗 개발
- 스타벅스는 최근 기후변화의 영향을 견딜 수 있는 여섯 가지 새로운 커피 씨앗을 개발했다. 영국 매체 가디언은 전문가의 말을 인용, "새로운 씨앗의 개발은 커피의 미래에 중요하다"며 이같이 전했다. 미국 사람들은 하루에 약 5억 1700만 잔의 커피를 소비한다. 미국인은 일일 기준으로 평균 커피 3잔을 마신다. 그러나 커피도 바나나나 다른 많은 농작물처럼, 질병을 비롯해 가뭄 등 극심한 기후 위기로 위협받고 있다. 세계적으로 소비되는 커피 대부분은 아라비카(arabica)와 로부스타(robusta) 두 종류에서 생산된다. 전체 커피 생산의 70%를 차지하는 아라비카 원두는 더 인기가 있다. 아라비카는 에티오피아가 원산지이고 중미와 남아메리카에서 주로 재배된다. 특히 스타벅스가 전 세계 약 3만7000 곳에서 사용하는 원두이기도 하다. 그러나 아라비카는 최근 지구 온도가 상승하면서 온도에 대한 민감성으로 인해 조기 숙성 등의 현상이 나타나고 있다. 커피 재배자이자 농작물 다양성 보존에 전념하는 비영리단체 크롭 트러스트(Crop Trust)의 과학자인 사라다 크리슈난(Sarada Krishnan)은 "기후에 회복력 있는 다양성을 제공하는 커피나무 연구를 더 많이 하는 것이 중요하다"고 말했다. 로부스타는 두꺼운 원두로 일반적으로 열을 더 잘 견디기 때문에 재배가 더 쉽다. 반면 아라비카는 유전 다양성이 낮아 따뜻하고 습한 조건에서 커피 잎 녹병(Coffee Leaf Rust)과 같은 질병에 취약하다. 자메이카에 아라비카 커피 농장을 소유해 직접 이러한 질병과 마주쳤던 크리슈난은 "소규모 농가의 농부들이 커피 잎 녹병을 만나면 손해를 보고 그 해 전체 수입을 잃게 된다"고 말했다. 그는 "작년에 수확이 끝나자마자 커피 잎 녹병이 퍼졌고, 이 질병으로 작물을 잃으면 5년이 지나서야 열매 수확이 가능해질 것"이라며 우려했다. 스타벅스가 이번에 개발한 아라비카 씨앗은 잎 녹병에 저항력을 갖는 것으로 시험 결과 더 짧은 기간에 더 많은 수확량을 얻는 것으로 나타났다. 스타벅스에 따르면, 스타벅스 농학팀은 최소 6세대 또는 약 12년 동안 질병에 대한 커피나무의 저항력과 영양소 흡수를 모니터링한다. 커피 대기업 스타벅스는 커피 산업을 지속가능하게 하기 위해 꾸준히 노력하고 있다. 스타벅스는 기후변화에 강한 커피나무 종류 6가지를 무료로 농부에게 제공하고 그 결과물을 스타벅스 이외의 구매자에게 판매할 수 있도록 허용하고 있다. 현재 스타벅스는 약 30개 국가의 약 40만 명의 농부로부터 원두를 구매하고 있다. 아울러 지난 5년 동안 다른 사람들이 개발한 기후에 강한 종자 3백만 개를 연간 기부했다. 스타벅스 관계자는 "스타벅스는 커피의 미래를 보장하기 위해 헌신하고 있다"며 "우리는 원두에서 컵까지, 농부에서 고객까지 커피를 가능하게 하는 많은 사람과 함께 전체 공급망을 보살피는 책임이 있다"고 말했다.
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스타벅스, 기후변화 견디는 커피 씨앗 개발
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화장지의 종말이 가까워지고 있다
- 환경을 위해 화장지를 사용하지 않는 시대가 가까워지고 있다. 화장지는 환경에 대한 재앙으로 여겨진다. 오염시키는 플라스틱, 중독시키는 화학물질, 사라지는 나무, 고통받는 동물 사이에서 화장지는 이제 과거의 물건이 될 수도 있다. 프랑스 매체 '르포르타주 포토(reportages photos)'에 따르면 프랑스인들은 19세기부터 화장지를 사용하기 시작했다. 현대식 화장지의 발명은 클라렌스와 어빈 스콧['스카티(scott)' 화장지 창립자] 형제 덕분이다. 화장지는 오랜 역사를 갖고 있다. 중국인들은 천 조각을 사용해 몸을 닦았다. 그리스인들은 매우 매끄러운 세라믹 돌을 사용했다. 로마인들은 '자일로스폰지움(xylospongium)'이라는 도구를 사용했는데 스펀지가 달린 막대기 끝에 젖은 스폰지가 달려 있었다. 다른 문화에서는 비슷한 목적으로 동물 가죽을 사용했다. 19세기가 되어서야 비로소 현대판 화장지가 빛을 보기 시작했다. 1857년에 미국 기업가 조셉 가야티(Joseph Gayetti)가 최초로 화장지 롤을 시장에 출시했다. 그는 알로에를 주입하고 민감한 피부를 진정시키는 화장지를 치료상의 이점을 약속하는 이름인 '가야티의 의료용 휴지(Gayetty's Medicated Paper)'라고 불렀다. 이후 클라렌스와 어빈 스콧 형제가 개발한 화장지는 어떤 경쟁 업체도 이것을 대체할 수 없었다. 스콧 형제는 화장지를 더 실용적이고 쉽게 보관할 수 있도록 롤 형태로 만드는 아이디어를 생각해 냈다. 그리하여 대부분의 서구 국가에서 필수적인 위생 제품인 화장지가 탄생했다. 그러나 환경적 영향 때문에 이제는 롤 형태의 화장지를 불가피하게 대체해야 할 필요성이 대두됐다. 화장지는 실용적이지만 이를 제조하려면 수천 그루의 나무를 베어야 하므로 많은 자연 서식지가 파괴된다. 잎의 재활용 여부에 관계없이 목재 섬유를 처리하기 위해 생산에 많은 양의 물이 필요하다는 것은 말할 것도 없다. 화장지 롤이 완성되면 잎은 배수구로 흘러가는 경우가 많으며, 배수구에서 유해 물질이 폐수로 배출 될 수 있다. 플라스틱 오염은 화장지 롤과 관련된 또 다른 문제다. 화장지는 대부분 비닐랩으로 포장되어 있다. 또 완전히 생분해되는 화장지 롤도 매우 드물다. 19세기 혁신 기술 화장지 화장지는 상대적으로 최근의 발명이며, 역사를 통틀어 모든 문명에서 보편적으로 사용되지는 않았다. 우리가 오늘날 알고 있는 화장지의 등장은 19세기로 거슬러 올라가 클라렌스와 어빈 스콧 형제의 노력 덕분에 1890년에 혁신적인 제품이 탄생했다. 그런 다음 분리 가능한 셀룰로오스시트를 사용했다. 그 이후로는 어떤 대안도 그것을 대신할 수 없었다. 그러나 아시아에서는 종이를 사용하면 배수관이 막히기 때문에 화장실 사용 후 개인 위생을 위해 비데가 일반적으로 사용되기도 한다. 이 방법은 더 위생적으로 여겨지지만, 사람들은 화장지를 다른 것으로 바꾸려는 변화를 싫어한다. 화장지 대체품은 무엇? 화장지를 대체하기 위한 제안 중 하나는 재사용 가능한 대체품을 사용하는 것이다. 이 경우, 화장지를 화장실에 버리는 대신 사용 후에 세척해야 한다. 물론 실수로 변기에 버리지 않아야 하며, 그렇게 하면 배관이 막힐 수 있다. 그러나 이 대안은 효과와 위생에 대한 질문이 제기된다. 화장지는 효율성 측면에서 비데와 비교할 때 매우 부족한 면이 많다. 종이는 잔여물과 대변을 충분히 제거하지 못할 수 있다. 게다가 민감한 피부를 가진 사람들 중에서 화장지를 자주 사용하면 피부 자극을 일으킬 수 있다. 일본은 화장지 대신 워시렛을 사용한다. 종이 없이도 깨끗하게 씻을 수 있는 물세척 기능을 갖춘 최첨단 변기다. 환경에 대한 인식이 증가하면서 생태학과 지구 보전에 관심 있는 사람이라면 변화를 고려하는 것이 필수적이다. 우리의 생태계를 보존하기 위해서는 화장지 대체품을 찾는 신속한 조치가 필요하다.
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- 산업
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화장지의 종말이 가까워지고 있다
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폐플라스틱 업사이클링 비누 제작 성공
- 버지니아 공대에서 플라스틱 폐기물로 비누를 만드는 기술이 개발됐다. 폐플라스틱을 비누와 세제와 같은 계면활성제로 재활용하는 방법이 개발됐다. 미국 과학 전문매체 사이테크데일리에 따르면 버지니아 공대의 연구원들은 플라스틱을 비누, 세제 등을 만드는 데 사용되는 계면활성제라는 귀중한 화학 물질로 업사이클링하는 새로운 기술을 개발했다. 플라스틱과 비누는 질감, 모양, 사용 방법면에는 공통점이 거의 없다. 하지만 분자 수준에서 이 둘 사이에는 놀라운 연관성이 있다. 오늘날 세계에서 가장 일반적으로 사용되는 플라스틱 중 하나인 폴리에틸렌의 화학 구조는 비누의 화학 전구체로 사용되는 지방산의 화학 구조와 놀랍도록 유사하다. 두 물질 모두 긴 탄소 사슬로 이루어져 있지만 지방산은 사슬 끝에 원자 그룹이 하나 더 있다. 버지니아 공과대학의 류궈량(Guoliang 'Greg' Liu) 화학 부교수는 폴리에틸렌의 구조와 지방산의 유사성에 주목했다. 그는 이러한 유사성을 기반으로 폴리에틸렌을 지방산으로 변환하면, 몇 가지 추가 과정을 통해 비누를 제조할 수 있을 것이라는 아이디어를 장기간 갖고 있었다. 문제는 긴 폴리에틸렌 사슬을 적절한 길이의 여러 사슬로 분리하고, 그 과정을 효율적으로 진행하는 것이었다. 류 교수는 이 방법을 통해 저렴한 플라스틱 폐기물을 가치 있는 제품으로 업사이클링하는 높은 잠재력을 인식했다. 류 교수는 벽난로 앞에서 겨울 저녁을 즐기다가 벽난로에서 나오는 연기가 나무 연소 중 생성되는 작은 입자로 이루어져 있다는 점에 착안했다. 안전과 환경상의 이유로 플라스틱을 벽난로에서 태워서는 안 되지만, 류 교수는 안전한 실험실 환경에서 폴리에틸렌을 태울 수 있다면 어떤 일이 일어날지 궁금해지기 시작했다. 폴리에틸렌이 불완전 연소하면 나무를 태울 때처럼 '연기'가 발생할까. 만약 누군가가 그 연기를 포집한다면, 그 연기는 무엇으로 만들어질까. 화학과 블랙우드 생명과학 주니어 교수 펠로우십의 류 교수는 "장작은 주로 셀룰로오스 같은 폴리머로 구성되어 있다. 연소 시 이 폴리머는 짧은 사슬로 분해되며, 결국 작은 기체 분자로 변한 뒤 이산화탄소로 완전히 산화된다"고 말했다. 그는 또 "합성 폴리에틸렌 분자도 비슷한 방식으로 분해할 수 있는데, 작은 기체 분자로 완전히 분해되기 전 단계에서 그 과정을 멈추면 짧은 사슬의 폴리에틸렌과 유사한 분자를 얻을 수 있다"고 덧붙였다. 연구실의 화학과 박사과정 학생인 젠 쉬(Zhen Xu)와 에릭 무냐네자(Eric Munyaneza)의 도움으로 류 박사는 온도 구배 열분해라는 공정으로 폴리에틸렌을 가열할 수 있는 오븐과 같은 작은 반응기를 만들었다. 아래쪽의 오븐은 폴리머 사슬을 끊을 수 있을 만큼 충분히 높은 온도를 유지하고, 위쪽의 오븐은 더 이상의 분해를 멈출 수 있을 만큼 낮은 온도로 냉각되는 구다. 열분해가 끝난 후 잔여물을 확인하니 '단쇄 폴리에틸렌', 더 정확하게는 왁스로 구성되어 있었다. 류 박사는 이것은 플라스틱을 비누로 업사이클링하는 방법을 개발하는 첫 번째 단계였다고 말했다. 비누화 등 몇 가지 단계를 더 추가한 후, 연구팀은 세계 최초로 플라스틱으로 비누를 만들었다. 이 과정을 계속 진행하기 위해 연구팀은 컴퓨터 모델링, 경제 분석 등의 전문가들의 도움을 받았다. 이들 전문가 중 일부는 버지니아 공대의 고분자 혁신 연구소와의 연계를 통해 팀에 합류했다. 이 그룹은 함께 업사이클링 프로세스를 문서화하고 개선해 과학계와 공유할 준비가 될 때까지 연구를 진행했다. 이 연구는 최근 사이언스 저널에 게재됐다. 논문의 수석 저자인 젠 쉬는 "우리 연구는 새로운 촉매나 복잡한 절차를 사용하지 않고도 플라스틱 업사이클링을 위한 새로운 경로를 보여준다. 이 연구에서 우리는 플라스틱 재활용을 위한 탠덤 전략의 잠재력을 보여주었다"고 말했다. 그는 "앞으로 사람들이 더 창의적인 업사이클링 절차를 개발할 수 있는 계기를 마련할 것"이라고 기대했다. 비록 폴리에틸렌이 이 프로젝트에 영감을 준 플라스틱이었지만, 이 업사이클링 방법은 다른 유형의 플라스틱인 폴리프로필렌에도 작용할 수 있다. 이 두 재료는 제품 포장, 식품용기, 직물 등 일상에서 소비자가 많이 접하는 플라스틱의 대부분을 차지한다. 업사이클링 기술의 또 다른 장점은 플라스틱과 열이라는 매우 간단한 재료만 있으면 가능하다는 점이다. 공정의 후반 단계에서는 왁스 분자를 지방산과 비누로 전환하기 위해 몇 가지 추가 성분이 필요하지만, 플라스틱의 초기 변형은 간단한 반응이다. 따라서 이 방법은 비용 효율성이 높고 환경에 미치는 영향이 비교적 적다. 업사이클링이 대규모로 효과적으로 이루어지려면 최종 제품이 공정 비용을 감당할 수 있을 만큼 가치가 있어야 하며, 다른 재활용 옵션보다 경제적으로 더 매력적이어야 한다. 대규모로 업사이클링이 효과적으로 이루어지려면 최종 제품은 프로세스 비용을 상환하고 대안 재활용 옵션보다 경제적으로 더 유리하게 만들 수 있을 정도로 가치 있어야 한다. 비록 비누가 처음에는 특별히 비싼 상품으로 보이지 않을 수 있지만, 실제로 무게로 비교할 때 플라스틱의 두 배 이상의 가치가 있을 수 있다. 현재 비누와 세제의 평균 가격은 톤 당 약 3550달러(약 478만원)이고 폴리에틸렌은 톤 당 약 1150달러(약 155만원)다. 류 교수는 이 연구는 사용한 플라스틱을 다른 유용한 재료의 생산으로 전환하여 폐기물을 줄일 수 있는 새로운 방법의 토대를 마련했다고 말했다. 그는 시간이 지나면 전 세계의 재활용 시설에서 이 기술을 도입할 수 있기를 기대했다. 젠 쉬는 "플라스틱 오염은 특정 국가의 문제가 아니라 전 세계적인 과제임을 인지해야 한다. 복잡한 촉매나 시약 대신 간단한 공정은 많은 나라에서 더 쉽게 적용될 수 있다"라며, "이 방법이 플라스틱 오염 문제 해결의 좋은 시작이 되길 바란다"고 말했다.
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폐플라스틱 업사이클링 비누 제작 성공
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지구 자전축, 80cm 또 기울어진 이유는?
- 지구의 자전축 기울기가 약 80cm(약 31.5인치)나 또 어긋난 것으로 밝혀졌다. 최근에 '지구의 기울기'가 다시 화제가 되고 있는 가운데, 과학자들의 조사에 따르면 지구의 기울기 변동이 가속화되어 31.5인치(약 80 센치)나 변경된 것으로 확인됐다. 이 데이터는 2023년 6월 지구과학 저널 「지구물리학 연구 레터(Geophysical Research Letters)」에 게재된 연구에 따른 것으로, '지하수의 과도한 채취'가 지구 기울기의 주요 원인으로 보고됐다. 또한 이 연구에서는 "지구의 기울기 변화와 전 세계적인 해수면 상승(약 0.24인치 또는 약 6mm) 간에 연관성이 있다"고 지적했다 지구 자전축의 변화가 세계 해수면에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 지하수 채취가 왜 자전축의 기울기에 영향을 주는지, 그리고 자전축의 기울기가 31.5인치로 커진 것이 실제로 얼마나 큰 문제인지에 대해 정리했다. 먼저 자전축의 기울기는 지구에 어떤 영향을 미칠까. 자전축의 기울기는 지구를 특징짓는 특징 중 하나다. 자전축이 기울어져 있기 때문에 지구에는 봄, 여름, 가을, 겨울과 같은 계절이 발생하는 지역이 있으며, 북극과 남극에서는 궁극적으로 극야(위도 66.55도 이상인 극지방에서 겨울철에 해가 뜨지 않고 밤만 계속되는 기간)와 극주야(?)/백야(해가 지지 않아 밤에 어두워지지 않는 현상)가 존재한다. 이 현상을 놀이기구를 떠올리면 쉽게 이해할 수 있다. 자전축이 공전 궤도에 수직이라면, '틸트 어 휠(Tilt-a-Whirl)' 놀이기구처럼 어느 북반구나 남반구에서도 일년 내내 일정한 일조 시간을 가지며, 태양의 궤도 위치가 항상 같아 시간의 흐름에 따른 변화가 없을 것이다. 이와 같은 상황은 북극점과 남극점에서도 동일한 상황이 지속될 것이다. 하지만, 지구는 기울어져 있기 때문에 '틸트 어 휠' 내부에 있는 것처럼 중심(태양)이나 수평선에 가까워질 때도 있고 멀어질 때도 있다. 우리가 평소에 단단하다고 느끼는 지구의 안정성은 실제로는 그렇지 않다. 지구의 지각은 주로 단단한 암석으로 구성되어 있으며, 대부분의 지역에서는 약 40킬로미터(약 25마일)의 깊이에 이른다. 1 평방피트(약 930㎠) 크기의 지표면 아래 40킬로미터 깊이의 지각 부분은 부피로 따지면 대략 1만1000톤으로 추정된다. 이것은 2012년 티레니아 해에서 전복된 호화 여객선 코스타 콘코르디아(약 11만4000톤)의 무게와 거의 비슷하며, 이 배를 원래의 상태로 세울 수 있는 무게와 동일하다. 그러나 태양계 내에서 밀도가 가장 높은 행성인 지구에서도 40킬로미터 두께의 지각은 지구 지름의 0.33% 정도에 불과하며, 1만1000톤은 지구의 총 질량인 5.972 ×10²⁴kg에 비하면 미미하다. 지구를 M&M 초콜릿 한 알로 비유하면, 얇은 설탕 코팅 부분이 지각에 해당한다. 그렇다면 과도한 지하수 채취는 어떤 문제를 야기할까. 지각 위에는 바다가 있고, 지각 바로 아래에는 광대한 지하 담수층이 있다. 그 아래에는 유동성 있는 암석을 포함한 맨틀이 있으며, 외피 아래의 외부 핵은 액체이다. 현재 지구의 내부 핵은 고체라는 주장이 유력하다. 최근 발표된 지하수 관련 논문에서는 특정 현상에 대한 조사가 진행되고 있다. "지하수를 얻기 위해 지하 또는 지각 내에 저장된 물을 얻으려고 구멍을 뚫으면 갑자기 지구 외부의 일부 무게가 크게 가벼워지며, 지구 전체의 균형 유지에 매우 간단한 형태로 영향을 미치게 된다"는 설명이다. 볼링 공이나 회전하는 스피너 외부에만 구멍을 뚫는다면 어떤 변화가 일어나는지 상상해보자. 볼링공은 여전히 회전은 가능하겠지만, 원래의 회전과는 달리 불규칙한 방식으로 회전할 것이다. 게다가 지구에는 대량의 물과 용해된 금속이 있으므로, 이러한 물질들이 새로운 회전 방향에 영향을 받아 추가적인 회전 특성을 나타낼 수도 있다. 지구의 기울기는 '자전축 기울기'라고도 하며, 약 4만 1000년마다 22.1도에서 24.5도 사이로 변동한다. 지구의 위도 1도당 거리는 대략 111.11킬로미터(약 69마일)이기 때문에, 80cm의 변화는 사실상 크게 중요하지 않다고 볼 수 있다. 이 논문은 지구의 기울기에 영향을 미치는 특정 요인에 집중하고 있다. 중요한 것은 이 변화가 자연적인 변동이 아닌 인간의 활동에 의한 결과라는 점이다. 인류는 약 4만 1000년 전부터 존재했지만, 그 당시 인간은 지하수를 채취하기 위해 지각을 깊게 파지 않았다. 반면, 정화된 물을 위한 우물의 역사를 살펴보면, 약 9000년 전 신석기 시대의 시리아 텔 사비 아비아드(Tell Seker al-Aheimar) 유적에서 발견된 것이 가장 오래된 것으로 기록되어 있다. 과도한 지하수 채취 문제는? 미국 지질 조사국(USGS)에 따르면 지표면 아래의 수층은 세계의 강과 호수의 수백 배 이상의 물량을 포함하고 있다. 여기서수층은 지하수를 저장하는 암석과 퇴적층을 의미한다. 이 지하수는 지구의 다양한 지역(사막 포함)에서 볼 수 있지만, 접근이 어렵거나 정화 처리가 필요한 경우가 많다. 지하수는 지표면 근처에 위치하며, 단지 몇 시간 정도만 축적되었을 수도 있고, 지하의 매우 깊은 곳에서 몇 천 년 동안 존재했을 수도 있다. 미국 과학·공학·의학 아카데미와 애리조나 주립 대학교의 '과학과 기술의 이슈(Issues in Science and Technology)' 간행물에 따르면, 호수와 강의 담수 부족 때문에 인간은 지하수를 채취하기 시작했다. 이러한 지하수는 음용, 관개, 그리고 광물 채굴 등 여러 목적으로 사용되고 있다. 그렇지만 지하수의 과도한 채취는 자연 환경과 습지에 큰 피해를 준다. 이는 땅이 건조해지는 것뿐만 아니라 토양의 붕괴, 야생동물과 물고기, 나무에 대한 부정적 영향, 그리고 일부 종의 멸종 위험을 가져온다. 더욱이, 최근의 연구에서는 지하수 채취가 지구의 기울기에도 영향을 주고 있음이 밝혀졌다. 지구 기울기가 변한 다른 요인 지구는 완벽한 균형을 가진 공이나 볼링 공처럼 완벽하게 균형 잡힌 상태를 유지할 필요가 없다. 사실, 과학자들은 '테이아(Theia)'라는 천체가 원시 지구와의 충돌로 인해 지구가 기울게 되어 자전하게 되었다는 가설을 제기하고 있다. 이 충돌에 의해 원시 지구에서 분리된 부분이 달이 되었다고 추측하고 있다. 당시 충돌로 인해 원시 지구의 한 쪽에는 커다란 스위스 치즈 같은 크레이터가 생겨나, 그 결과 회전 축이 변화했다고 본다. 그 이후로 지구의 자전축이 다시 원래대로 돌아온 적은 없다. 지구와 같은 행성은 자전으로 인해 시간이 지남에 따라 점차적으로 거의 완벽한 구형에 가까운 형태로 변화한다. 이 개념은 '정적압력 균형'이라고 불린다. 사실, 거의 완벽한 구형에 가까운 형태는 행성이나 천체의 기본적인 특성 중 하나이다. 이를 고려하면 '테이아'라는 천체의 충돌 이전의 울퉁불퉁한 지구는 자전 활동이 회복되기 전까지 '행성'으로 간주되지 않았을 수도 있다. 지구의 자전축 기울기는 지구의 구 형태를 유지하는 데 영향을 미치지 않는다고 여겨진다. 지구의 정적압력 균형은 이러한 기울기와 상관없이 각 행성의 자전 현상에 의해 결정되기 때문이다. 미국 항공우주국(NASA)은 2018년 "20세기에 지구의 기울기 변화를 초래한 3가지 주요 원인을 확인했다"고 보고했다. 나사에서 파악한 원인은 '그린란드의 얼음 해빙', 빙하의 이동 또는 해빙으로 인해 얼음의 무게가 사라져 지각이 서서히 상승하는 '빙하성 반동', 그리고 '맨틀 대류'이다. 맨틀 대류는 지각 아래에 있는 유동성 있는 암석 성분이 가열되어 상층으로 이동하고 표면 근처에서 냉각되어 밀어내는 운동이다. 온도가 다른 암석의 밀도가 서로 다르기 때문에 중심을 뒤흔드는 것. 한편, 과학자들은 지구의 기울기가 많은 다른 요인에 의해 변동된다는 사실을 알고 있지만, 이러한 요인을 동시에 연구하는 단계는 아직 확립되지 않았다고 말했다. 2020년 논문에서 과학자들은 "지구는 내부에서부터 외부로 이르기까지 다양한 시간 스케일에서 연속적인 변화가 진행 중이기 때문에 이러한 동적 매개변수는 모두 안정된 값을 갖지 않으며 시간이 지남에 따라 변화한다"고 지적했다. 또한 "이러한 변동은 상대적으로 작기 때문에 최근까지 관측하기 어려웠다"면서 "앞으로 몇 년 안에 지구의 기울기 변화가 특정 요인에 의해 크게 변할 것이라는 뉴스를 자주 접할 가능성은 낮을 것으로 생각된다"고 밝혔다.
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지구 자전축, 80cm 또 기울어진 이유는?
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