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2024-11-10 (일)

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[퓨처 Eyes(15)] 20m 미만 소형 입자 가속기, 의료·반도체 혁신 예고

미국 텍사스대학교(UT) 오스틴 캠퍼스 연구원들이 전자 에너지가 높고 공간도 적게 차지하는 소형 입자 가속기를 개발했다. '입자 가속기'는 우주를 구성하는 기본 입자들의 속성과 상호작용을 연구하는 데 필수적인 장치다. 현대 물리학의 중심에 서 있는 이 기술은 반도체 응용 분야, 의료 영상 및 치료, 재료, 에너지 및 의학 연구에 큰 잠재력을 가지고 있다는 평가다. 특히 기존 가속기는 수 킬로미터에 달하는 넓은 공간을 차지해 가격이 비싸고 소수의 국립연구소와 대학에서만 사용할 수 있었다. 미국 과학 기술 매체 사이테크데일리에 따르면, UT 연구팀이 개발한 소형 입자 가속기는 길이 20m 미만으로, 기존 가속기보다 훨씬 콤팩트하다. 또한, 100억 전자볼트(10 GeV)의 에너지를 가진 전자빔을 생성할 수 있어, 기존 가속기와 동일한 수준의 성능을 갖는다. 현재 미국 내에서 이와 같은 높은 전자 에너지 수준에 도달할 수 있는 가속기는 단 두 대에 불과하며, 둘 다 길이가 약 3km에 달한다. 이 연구의 공동 저자인 비요른 마누엘 헤겔리히(Bjorn "Manuel" Hegelich) UT 물리학 부교수는 "우리는 이제 이러한 에너지 수준에 매우 가까운 거리, 약 10cm 내에서 전자 빔에 도달할 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 입자 가속기 기술의 발전에 중요한 진전을 의미하며, 향후 다양한 과학적, 의료적 응용에 사용될 수 있다. 헤겔리히 교수는 저널 '극한에서의 물질과 방사선(Matter and Radiation at Extremes)'에서 "우리의 가속기는 우주 장치의 방사선 내성 테스트, 새로운 반도체 칩의 3D 내부 구조 이미지화, 심지어 혁신적인 암 치료법과 고급 의료 영상 기술 개발에 활용될 수 있다"고 말했다. 또한, 이 가속기는 X선 자유 전자 레이저 구동에도 사용될 수 있다. 이 레이저는 원자나 분자 수준에서 일어나는 프로세스를 슬로우 모션으로 촬영하는 데 이용 가능하다. 가속기 기술의 혁신 '소형 입자 가속기' 입자 가속기는 원자와 같은 작은 입자들을 매우 높은 속도로 가속시켜, 이들을 서로 충돌시키거나 특정 표적에 충돌시킴으로써 그 속성을 탐구한다. 이러한 과정을 통해 과학자들은 입자들과 이를 구성하는 힘에 대해 깊이 있게 연구할 수 있다. 입자 가속기는 주로 하전 입자의 속도를 증가시키는 데 사용된다. 양성자, 원자핵, 전자와 같은 양전하나 음전하를 지닌 입자들이 이에 해당한다. 이 입자들은 때때로 빛의 속도에 근접한 속도로 가속된다. 입자가 표적 물질이나 다른 입자와 충돌할 때, 다양한 현상이 발생한다. 충돌로 인해 에너지가 방출되고, 핵 반응이 일어나며, 입자가 산란되고 새로운 입자가 생성된다. 예를 들어, 중성자와 같은 다른 입자들이 이러한 충돌에서 생겨날 수 있다. 이 과정을 통해 과학자들은 원자, 원자핵, 핵자를 결합하는 힘과 '하이그스 보손(Higgs boson)'과 같은 특별한 입자들의 성질을 연구할 수 있다. 하이그스 보손, 우주 기본 입자의 질량 부여하는 '신의 입자' '하이그스 보손'은 기본 입자 물리학의 중요한 개념 중 하나로, 입자들이 질량을 갖게 되는 메커니즘을 설명하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이 입자는 1964년 물리학자 피터 하이그스와 다른 몇몇 이론 물리학자들에 의해 처음으로 제안됐다. 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 처음 발견됐다. 하이그스 보손은 매우 무거운 입자로, 질량은 약 125GeV이다. 이는 약 125억 전자볼트와 같다. 하이그스 보손은 또한 매우 불안정한 입자로, 평균 수명은 약 1.56x10¯²²초로 추정된다. 이는 하이그스 보손이 생성된 직후 거의 즉시 다른 입자들로 붕괴한다는 것을 의미한다. 하이그스 보손의 발견은 물리학 연구에 새로운 동력을 불어넣었다. 이로 인해 피터 하이그스와 프랑수아 앵글레르는 2013년 노벨 물리학상을 수상했다. 이 발견은 우주의 근본적인 성질에 대한 이해를 크게 향상시켰으며, 여전히 많은 연구가 진행 중이다. 입자 가속기 활용 분야 입자 가속기는 우주의 기원과 구조, 물질의 기본 구성 요소, 자연법칙 등을 연구하는 데 사용된다. 입자 가속기를 이용하여 새로운 입자를 발견하거나, 기존 입자의 성질을 연구할 수 있다. 또한 입자 가속기는 생물학, 의학, 재료과학, 나노기술 등 다양한 분야의 응용과학 연구에 활용된다. 입자 가속기를 이용하여 새로운 약물이나 치료법을 개발하거나, 새로운 재료나 소재를 개발할 수 있다. 예를 들어, 암 치료를 위한 정밀 방사선 요법이나 새로운 재료의 연구에 활용될 수 있다. 종양을 제거하거나 염증을 치료하는 방사선 치료를 수행할 수 있다. 입자 가속기를 사용하여 의료용 동위원소를 생산할 수도 있다. 의료용 동위원소는 암 진단, 치료, 방사선 치료 등 다양한 의학 분야에서 사용된다. 입자 가속기는 반도체 제조, 금속 재료 연구, 환경 오염 측정 등 산업 분야에도 다양한 용도로 활용되고 있다. 입자 가속기를 이용하여 반도체의 미세 회로를 제조할 수 있다. 또 식품이나 의약품을 살균하거나, 디스플레이 등을 제조할 수 있다. 아울러 새로운 물리학 이론을 탐구할 수 있다. 표준 모델 이외의 이론, 예를 들어 초대칭성, 여분의 차원, 양자 중력 이론 등을 실험적으로 탐구하는 것이 다음 세대 가속기의 중요한 목표 중 하나가 될 것이다. 또한 대규모 입자 가속기 프로젝트는 국제적 협력을 필요로 한다. 이러한 협력은 물리학뿐만 아니라 정치적, 경제적, 교육적 측면에서도 광범위한 영향을 미칠 것으로 보인다. 웨이크필드 레이저 가속기 웨이크필드 레이저 가속기는 1979년에 처음으로 개념이 제시된 이후 괄목할 만한 발전을 거듭해왔다. 이 기술은 강력한 레이저를 헬륨 가스에 충돌시켜 플라즈마 상태로 가열하고, 이 과정에서 고에너지 전자 빔이 가스의 전자를 밀어내며 파동을 생성한다. 지난 수십 년간 여러 연구 그룹이 이 기술을 발전시켜 더욱 강력한 버전을 개발했다. 헤겔리히 교수와 그의 연구팀은 나노기술을 이용해 주요 발전을 이루었다. 부가적인 레이저가 가스 셀 내의 금속판과 충돌하면, 금속 나노입자들이 흘러나와 파동에서 전자로 에너지 전달을 증가시키는 역할을 한다. 이 과정은 보트가 호수를 가로질러 나아가며 남기는 항적과 유사하며, 전자는 서퍼가 파도를 타는 것처럼 이 플라즈마 파동을 타고 이동한다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 웨이크필드 레이저 가속기 기술의 효율성과 성능을 높이는 데 크게 기여하고 있다. 앞으로도 이 분야의 연구와 개발에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 헤겔리히 교수는 웨이크필드 가속기의 원리를 비유를 통해 설명했다. 그는 "웨이크 서핑을 하려면 큰 파도에 들어가기 어렵기 때문에 서퍼들은 제트 스키에 끌려들어간다"고 비유했다. 이어서 "우리 가속기에서는 제트 스키와 유사한 역할을 하는 것이 적절한 시간과 위치에서 전자를 방출하는 나노입자이다. 이를 통해 파도 위에 더 많은 전자를 끌어들여 가속하는 것이 우리의 '비밀 소스'"라고 부연했다. 이 실험을 위해 연구팀은 세계에서 가장 강력한 펄스 레이저 중 하나인 '텍사스 페타와트 레이저(Texas Petawatt Laser)'를 사용했다. 이 레이저는 UT에 설치되어 있으며, 매시간 한 번씩 초강력 빛 펄스를 발사한다. 단일 페타와트 레이저 펄스의 전력은 미국 전력의 약 1000배에 달하지만, 지속 시간은 150펨토초에 불과하다. 이는 번개 방전의 10억분의 1도 안 되는 짧은 시간이다. 웨이크필드 레이저 가속기는 강력한 레이저를 헬륨 가스에 충돌시켜 플라즈마 상태로 가열하고, 이 과정에서 고에너지 전자 빔이 가스의 전자를 밀어내며 파동을 생성한다. 전자는 이 플라즈마 파동을 타고 이동하면서 에너지를 얻게 된다. 헤겔리히 교수와 그의 연구팀은 나노기술을 이용해 주요 발전을 이루었다. 부가적인 레이저가 가스 셀 내의 금속판과 충돌하면, 금속 나노입자들이 흘러나와 파동에서 전자로 에너지 전달을 증가시키는 역할을 한다. 소형 입자 가속기 연구의 의미와 전망 UT 연구팀의 이번 연구는 소형 입자 가속기 기술의 발전에 중요한 진전을 이루었다는 점에서 의미가 있다. 소형 입자 가속기는 기존 가속기의 단점인 비용과 공간 제약을 극복할 수 있어 다양한 분야에서 활용될 가능성이 높다. 연구팀은 향후 현재 개발중인 소형 입자 가속기를 테이블 위에 올려 놓고 초당 수천 번 반복적으로 발사할 수 있는 레이저로 시스템을 구동하여 기존 가속기보다 훨씬 더 콤팩트하고 훨씬 더 넓은 환경에서 사용할 수 있는 가속기를 만드는 것을 목표로 하고 있다. 한편 현재 세계 각국은 입자 가속기의 성능을 향상시키기 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 유럽입자물리연구소(CERN)는 현재 운영 중인 대형 강입자 충돌기(LHC)의 성능을 개선하기 위한 작업을 진행하고 있다. 또한, 미국, 중국, 일본 등에서도 새로운 입자 가속기의 건설을 추진하고 있다. 이러한 노력을 통해 입자 가속기는 우주와 물질의 기본 법칙을 이해하고 새로운 기술을 개발하는 데 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 포커스온
2023-12-14
COP28 잠정합의안, 화석연료 폐지 대신 감축 명시

제28차 유엔기후변화협약 당사국 총회(COP28)의 개최국이자 의장국인 아랍에미리트연합(UAE)는 11일(현지시간) 화석연료의 감축을 제시한 잠정합의안을 발표했다. 이날 로이터통신 등 외신들에 따르면 COP28은 원안에서 제시한 '화석연료의 단계적 폐지'에는 접촉하지 않은 채 조정을 지속하고 있다. 발표된 합의문에는 "화석연료의 소비와 생산을 함께 공정하고 질서있는 방법으로 감축해 2050년 전후에 과학에 입각한 형태로 넷제로(온난화가스 배출 실질 제로)를 달성한다"라는 문장을 넣었다. 당초 원안에 있었던 '화석연료의 단계적 폐지'라는 문구는 삭제됐다. 다만 화석연료에 대한 언급을 애초 피할 가능성도 있었던 만큼 화석연료의 사용을 줄이는 방향성을 제시할 수 있었던 점에서 진전을 보였다고 말할 수 있다. 지난 COP27에서는 석탄화력발전의 단계적인 축소를 내세웠지만 모든 화석연료의 감축방침까지는 나아가지 못했다. COP28 의장을 맡은 술탄 알 자베르 UAE산업∙첨단기술장관은 이날 "논의 시간이 끝나가고 있다"면서 "(폐지 등) 화석연료를 둘러싼 표현을 근본적으로 강화할 필요가 있다"는 등의 반발의 목소리도 나오고 있으며 12일 교섭도 난항이 예상되고 있다. 이날까지 130개국이 찬성했던 태양광과 풍력 등 재생에너지를 2030년까지 현재의 3배로 확대시킨다는 목표도 합의안에 포함시켰다. 의장국인 UAE는 COP28의 최대성과로 이 점을 내세울 입장이다. 유엔의 안토니우 구테흐스 사무총장은 "COP의 성공을 위한 핵심적인 쟁점은 화석연료의 단계적 폐지의 필요성에 대해 합의하는 것"이라고 말했다. 화석연료의 단계적 폐지에 대해서는 COP28 기간중에 80개국이 찬성할 의향을 나타냈다. 다만 산유국이며 UAE 인접국인 사우디아라비아 등은 반대입장을 드러냈다. 석유수출국기구(OPEC)가 회원국에 대해 단계적 폐지에 동의하지 않도록 촉구한 점도 밝혀져 파문이 확대됐다. 화석연료 이외에 자동차도 언급했다. 배출가스 제로방출차량∙저감차량의 신속한 도입 등 다양한 경로를 통해 교통분야의 배출감축을 가속화한다고 밝혔다. 유럽과 미국은 2023년의 주요7개국(G7) 정상회담에서 합의한 문구와 같이 단계적인 폐지를 요구해왔다. 평소 화석연료의 감축과 폐지에 반대한 중국이 이번에는 뚜렷한 강한 의견표현은 하지 않았다. 의장국이 제시한 합의문에 폐지 문구가 없는 점에서 회의 최종일인 12일에 미국과 유럽 등이 반발할 것으로 예상된다. 화석연료의 취급과 함께 의견 차가 있었던 석탄화력에 대해서는 "(온난화가스의) 배출감축대책을 강구하지 않는 석탄화력 사용을 급속하게 단계적으로 감축한다"고 명시했다. '급속하게'라는 문구를 추가해 특히 선진국측에서 조기폐지를 압박하는 목적이 포함돼 있다.
- 포커스온
2023-12-12
중국, 지하 2400ｍ에 세계 최대 암흑물질 탐사 연구시설 가동

중국이 쓰촨성 진핑산 지하 2400ｍ에 암흑물질(dark matter) 탐사를 위한 세계 최대 지하 연구시설을 가동했다. 사우스차이나 모닝 포스트(SCMP)는 7일(현지시간) 중국 관영 신화통신을 인용, 쓰촨성 진핑산에서 지하 2400ｍ에 위치한 33만㎡ 규모의 세계 최대 초심층 연구실 '중국 진핑 지하 실험실(China Jinping Underground Lab)'이 이날 가동을 시작했다고 보도했다. 진핑 지하 실험실은 올림픽 수영 경기장 120개에 해당하는 규모로, 이전까지 최대 지하실험실 이었던 이탈리아 그란 사소 국립실험실(Gran Sasso National Laboratory)의 약 두 배 크기다. 이 실험실은 2010년 1단계 공사에서 4000㎡ 규모로 건설됐으며 2020년 12월 칭화대 등과 함께 2단계 확장 공사를 시작해 3년만에 완공됐다. 실험실은 터널을 통해 자동차로 접근할 수 있다. 세계에서 가장 깊은 땅속에 위치한 이 실험실은 다른 곳에서는 접할 수 없는 특별하고 조용한 청정 실험 환경을 제공한다. 대부분의 우주선(cosmic ray)을 차단하는 극도의 깊이에 위치한 이 연구실은 과학자들이 우주 구성 총물질의 약 26%를 차지한다고 여겨지는 보이지 않는 물질인 암흑물질 탐지에 이상적인 '초(ultra)청정'한 환경을 조성하는 것으로 알려졌다. 암흑물질은 우주를 구성하는 총 물질의 26.8%를 차지하는 정체불명의 물질이다. 유럽 핵연구기구(CERN)에 따르면 암흑 물질은 빛을 흡수, 반사 또는 방출하지 않기 때문에 발견하기가 매우 어렵다. CERN은 미지의 물질인 암흑물질을 연구하는 장비를 보유하고 있다. CERN의 강력한 입자 가속기인 대형 강입자 충돌기는 프랑스-스위스 국경의 제네바 인근 지하 100m에 위치해 있다. 이 충돌기는 국제 연구자들이 암흑물질을 찾는 데 사용된다. 과학자들은 암흑물질이 가시 물질에 미치는 중력 효과를 통해 암흑물질의 존재를 추론할 수 있었다. 즉 암흑물질은 전파나 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등과 같은 전자기파로도 관측되지 않으며 오로지 중력을 통해서만 존재를 인식할 수 있는 가설상의 물질이다. 암흑물질은 우주생성 초기부터 널리 존재하면서 은하의 구조 등을 결정하는 중요한 역할을 한 것으로 알려졌으나 빛을 내지 않고 다른 물질과 거의 반응하지 않기 때문에 관측이 대단히 어렵다. 암흑물질의 수수께끼를 풀면 연구자들이 우주의 구성과 은하가 어떻게 서로 결합하는지 더 잘 이해할 수 있을 것으로 보인다. 과학자들은 눈에 보이는 물질은 우주 전체 질량의 5%만을 차지하고 나머지 95%는 암흑물질과 암흑에너지라고 추정한다. 2010년 진핑 연구소의 1단계 공사가 완공되었을 때 약 4000㎥의 규모였다. 칭화대학교와 국영 야롱강 수력발전회사가 공동으로 2단계 공사를 2020년 12월에 시작했다. 칭화대 웨첸(Yue Qian) 교수는 신화통신에 "진핑 실험실은 지구 표면 우주선의 1억분의 1에 해당하는 극소량의 우주선에만 노출되기 때문에 암흑물질 연구를 위한 초청정한 공간을 제공한다"고 말했다. 또 "실험실 내 환경 방사선과 자연 발생 방사성 가스 라돈의 농도가 극도로 낮은 것도 암흑물질 탐지를 향상시킬 수 있다"면서 "우리는 가장 중요한 과학적 탐구에 착수할 수 있다"고 말했다. 그는 "이 연구실이 입자 물리학, 핵 천체 물리학, 우주론, 생명 과학 및 암석 역학 분야 등의 학제간 연구를 지원할 것"이라고 덧붙였다. 신화통신은 칭화대, 상하이 교통대, 베이징 사범대학의 과학자와 중국원자력연구소, 중국과학원 암석 및 토양 역학 연구소 등으로 구성된 10개의 연구팀이 이미 이 시설에 주둔했다고 전했다. 한편, 한국은 강원도 정선군의 예미산 지하 1000미터에 위치한 세계적 수준의 고심도 지하실험시설 '예미랩'에서 우주의 비밀을 밝히고 있다. 이곳에서는 '암흑물질'과 우주를 구성하는 기본 입자인 '중성미자' 연구 등이 진행되고 있다.
- 산업
2023-12-08
구리 화학 발견으로 값싼 약품 개발 길 열렸다

최근 구리 화학의 발견이 값싼 약품 개발의 새로운 가능성을 열었다. 이제 단 3달러의 비용으로 항암제에 사용될 수 있는 화학 물질을 제조할 수 있게 됐다. 구리는 이미 의학 분야에서 감염과 싸우는 나노 입자 및 임플란트의 형태로 사용되고 있다. 미국의 과학 전문 매체 뉴아틀라스는 미국 캘리포니아대학교 로스앤젤레스(UCLA)의 과학자들이 개발한 새로운 방법으로 간단하고 저렴한 약품 생산이 가능하다고 보도했다. 이 방법은 산소의 한 형태인 오존을 시약으로 사용하고 금속을 촉매로 활용한다. 과학자들은 이를 통해 유기 분자의 탄소-탄소 결합을 끊는데 성공했다. 오존은 이 결합을 알켄, 즉 탄화수소로 분해하고, 구리 촉매는 깨진 결합을 질소와 결합시켜 탄소-질소 결합을 형성한다. 이 결합은 아민이라고 알려진 분자를 형성하게 되는데, 이것이 바로 항암제와 같은 값싼 약품 생산에 필수적인 요소다. 아미노탈알케닐화로 알려진 이 공정은 전통적으로 아민을 생성하는 데 사용되는 다른 유사한 촉매와는 달리 풍부하고 저렴한 금속을 잘 활용하면 된다. 아미노탈알케닐화라고 알려진 이 새로운 공정은 기존의 아민 생성 방법과는 다르다. 이 공정은 전통적으로 사용되는 비싼 금속 촉매 대신에 저렴하고 풍부한 금속을 효과적으로 활용한다. 권오현 유기화학 교수는 이 공정에 대해 설명하면서 "이전에는 이런 방법이 없었다"고 강조했다. 그는 "전통적인 금속 촉매 반응에서는 백금, 은, 금, 팔라듐과 같은 고가의 금속이나 로듐, 루테늄, 이리듐과 같은 귀금속을 사용했지만, 우리는 세계에서 가장 풍부한 비금속 중 하나인 산소와 구리를 사용하고 있다"고 밝혔다. 이러한 접근 방식은 아민을 생성하는 데 필요한 자원과 비용을 크게 줄일 수 있는 가능성을 보여준다. 아민은 의약품과 비료, 농약 생산에 널리 사용되는 중요한 화학물질이다. 이는 식물과 동물에서 발견되는 분자와 강력한 상호 작용을 하며, 암페타민과 도파민과 같은 약물에서도 발견되는 구성 요소다. 이번 연구를 통해 연구팀은 호르몬, 제약 시약, 펩타이드, 뉴클레오시드 등을 아민으로 변형하는 데 성공했다. 이것은 이 새로운 방법이 다양한 분야에 활용될 수 있음을 보여준다. 하지만 권 교수에게 있어서 가장 큰 장점은 훨씬 저렴한 의약품 생산 가능성일 것이다. 일부 항암제에 사용되는 화학물질은 제조 비용이 그램당 약 3200달러(약 412만원)에 달하지만, 연구팀은 그램당 약 3달러(약 3860원)의 비용으로 동일한 약물 분자를 생산할 수 있었다. 기존 12단계 공정 대신 3단계만 사용 연구팀은 항암 c-Jun N-말단 키나제 억제제를 생산하기 위해 기존의 12단계 공정 대신 단 3단계의 화학 과정만을 사용했다. 또한, 이들은 또 다른 실험에서 아데노신이라는 신경 전달 물질과 DNA 구성 요소를 N6-메틸아데노신 아민으로 전환하는 과정을 한 단계만 거쳐서 수행했다. 이 아민은 세포의 유전자 발현, 질병 과정 및 발달에 중요한 역할을 하며, 현재 생산 비용은 그램당 약 103달러(약 13만2,600원)다. 구리는 현재 파운드당 4달러(약 5150원) 미만으로 풍부하게 구할 수 있기 때문에, 과학자들은 은 이 새로운 방법이 아민 기반 의약품과 다른 유기 물질의 생산 비용을 대폭 절감할 수 있기를 기대한다. 한편, 한국원자력연구원(원장 주한규)의 양성자과학연구단은 지난 7월 치료용 방사성동위원소 구리-67(Cu-67)을 고품질로 대량생산할 수 있는 분석법을 개발해 주목을 받았다. 방사성의약품은 방사성동위원소를 포함하여 질병의 진단과 치료에 사용된다. 구리-67은 진단용 감마선과 암세포를 사멸시키는 치료용 베타선을 방출하는 동위원소로, 동시에 진단과 치료가 가능하며, 기존 동위원소보다 반감기가 짧아(2.5일) 체내 피폭 위험도 적다. 이러한 특성으로 인해 구리-67은 높은 활용 가능성을 가지고 있다고 평가된다. 방사성의약품은 암세포에서 발현하는 특정한 단백질을 표적으로 하여 정상세포에는 영향을 주지 않고 암세포만 선택적으로 제거할 수 있다. 이로 인해 강력한 치료 효과와 함께 높은 안전성을 제공한다. 다만, 구리-67은 다른 핵종과 달리 방출하는 감마선 스펙트럼이 불순물인 갈륨-67(이하 Ga-67)과 정확히 겹쳐 물리적인 측정법으로는 이 두 핵종을 구분할 수 없었다. 이에 양성자과학연구단 입자빔이용연구부 박준규 박사 연구팀은 두 핵종의 감마선 방출강도 뿐만 아니라 반감기 차이(Cu-67은 2.5일, Ga-67은 3.2일)까지 고려한 새로운 해석적 분리방법을 제시했다. 연구팀은 구리-67과 Ga-67 각각의 감마선 세기 합이 전체 감마선 세기와 같다는 점과 감마선 방출 강도 비율, 반감기 차이를 이용했다. 이를 통해 화학적 분리 과정 없이도 구리-67의 정확한 핵자료를 얻을 수 있었다. 한국원자력의학원의 김희진, 김정영 연구원은 "구리-67은 방사능 강도가 낮고 담체가 없는(carrier-free) 방사성동위원소로, 이로 인해 효과적인 암 치료가 가능하다"고 말했다. 이 연구팀은 2025년 경주 양성자가속기를 활용해 고품질 구리-67을 본격적으로 대량 생산할 예정이다.
- IT/바이오
2023-12-01
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.
- IT/바이오
2023-12-01
화산인가 소행성인가? AI, 공룡 멸종에 답하다

전통적으로 공룡의 멸종 원인은 운석의 충돌과 화산 분출 같은 복잡한 요인들로 인식되어 왔다. 그러나 최근에는 인공지능(AI)을 활용한 새로운 접근 방식이 등장했다. 과학기술 전문매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'에 따르면, 미국 다트머스 대학의 연구팀이 AI를 사용해 6600만 년 전 공룡 멸종에 관한 화석 기록을 역설계하는 혁신적인 방법을 시도했다. 이 연구에서 연구팀은 복잡한 지질학적 기후 데이터를 분석할 수 있는 연결된 프로세서 네트워크를 활용하여 '사이언스(Science)' 저널에 결과를 발표했다. 연구팀은 약 130개의 프로세서를 이용해 백악기-팔레오기 멸종(K-Pg) 사건의 원인과 조건을 역추적했다. 다트머스 대학의 지구과학과 대학원생이자 이 연구의 주 저자인 알렉스 콕스(Alex Cox)는 연구의 목표가 가설이나 편견 없이 평가하는 것이었으며, 탄소 순환 모델을 적용해 최소한의 정보만으로 원인을 파악했다고 밝혔다. 콕스는 이 모델이 지질학적 기록에서 어떻게 결론에 도달했는지 보여준다고 설명했다. 이 연구에서 사용된 모델은 K-Pg 멸종 이전과 이후 약 100만 년 동안의 이산화탄소 및 이산화황 배출, 그리고 생물학적 생산성을 포함한 30만 개 이상의 다양한 시나리오를 분석했다. 마르코브 체인 몬테 카를로(Markov Chain Monte Carlo)로 알려진 기계 학습 유형을 통해 프로세서는 독립적으로 협력하여 일치하는 시나리오에 도달할 때까지 결론을 비교, 수정 및 재계산 했으며, 그 결과는 화석 기록에 보존되어 있다. 화석 기록에 담긴 지구화학적 및 유기적 잔존물은 K-Pg 멸종 당시의 격변적인 상황을 선명하게 보여준다. 이 시기는 지질학적으로 유황이 햇빛을 가리고, 공기 중에 미네랄이 가득하며, 이산화탄소로 인해 열이 가두어진 불안정한 대기로 인해 먹이 사슬이 붕괴되어 전 세계의 동식물이 대규모 멸종을 겪은 시기였다. 이러한 효과는 분명하지만, 멸종의 정확한 원인은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 초기에는 화산 폭발로 인한 공룡 멸종 이론이 주목받았으나, 현재는 멕시코에서 발견된 수 마일 너비의 칙슬루브(Chicxulub) 충돌 분화구로 인한 소행성 충돌이 주요 원인으로 여겨진다. 화석 증거가 지구의 역사상 전례 없는 '원투 펀치' 현상을 시사하면서, 과학계의 이론이 점차 수렴하기 시작했다. 이 이론에 따르면, 소행성은 이미 인도 서부 데칸 트랩의 강력한 화산 활동으로 인해 불안정한 상태에 있던 지구에 충돌했을 가능성이 있다. 그러나 과학자들 사이에서는 여전히 이 두 사건이 공룡 대량 멸종에 어느 정도 기여했는지에 대한 의견 일치가 없다. 이에 대해 브레힌 켈러(Brenhin Keller) 다트머스 대학 지구과학 조교수 겸 이 연구의 공동 저자와 알렉스 콕스는 코드가 어떤 결과를 도출하는지 실험해보기로 결정했다. 해당 연구팀의 모델은 데칸 트랩에서 방출된 기후 변화를 일으키는 가스가 단독으로도 전 지구적인 멸종을 촉발할 수 있음을 시사한다. 데칸 트랩의 화산 활동은 칙슬루브 소행성의 충돌보다 약 30만 년 전에 시작되었으며, 이 폭발은 거의 100만 년 동안 지속되었다. 이 기간 동안 데칸 트랩은 최대 10조 4000억 톤의 이산화탄소와 9조 3000억 톤의 황을 대기 중으로 배출했을 것으로 추정된다. 브레힌 켈러는 이에 대해 "역사적으로 화산 활동이 대규모 멸종을 일으킬 수 있다는 것은 잘 알려져 있지만, 이번 연구는 환경에 미치는 영향을 증거에 근거하여 휘발성 물질의 배출량을 독립적으로 추정한 최초의 사례"라고 설명했다. 그는 이어 "우리 모델은 인간의 편견 없이 독립적으로 데이터를 분석하여 지질학적 기록에서 볼 수 있는 기후와 탄소 순환의 교란에 필요한 이산화탄소와 이산화황의 양을 결정했고, 이는 데칸 트랩의 배출량과 일치하는 것으로 나타났다"고 덧붙였다. 연구팀의 모델은 칙슬루브 충돌 당시 심해에서 유기 탄소의 축적이 급격히 감소한 사실을 밝혀냈다. 이는 소행성 충돌이 다수의 동식물 종의 멸종을 초래했을 가능성이 크다는 것을 의미한다. 또한, 기록에 따르면 매머드급 운석이 유황이 풍부한 표면과 충돌했을 때, 대기 중으로 유황(단기 냉각 효과를 가진)이 대량으로 방출되었을 가능성이 있으며, 이와 연관된 기온 하락의 흔적이 발견된다. 소행성 충돌은 탄소와 이산화황을 방출했을 가능성이 높지만, 모델은 이 두 가스의 방출이 그 당시 급격히 증가하지 않았음을 발견했다. 이는 소행성 충돌이 멸종에 기여한 주요 원인이 가스 방출이 아니었을 가능성을 시사한다. 콕스는 현대 맥락에서 볼 때, 2000년부터 2023년까지 화석 연료의 연소로 인해 연간 약 160억 톤의 이산화탄소가 대기 중으로 배출되었다고 언급했다. 이는 데칸 트랩에서 과학자들이 추정하는 최대 연간 배출량보다 약 100배 더 많은 양이다. 콕스는 현재의 이산화탄소 배출량이 고대 화산에서 방출된 총량과 일치하기까지 여전히 수천 년이 소요될 것이라고 언급했다. 이는 자체적으로 매우 놀라운 사실이다. 그는 "우리 연구의 결과가 물리적으로 타당하다는 것이 가장 고무적인 부분이며, 이는 모델이 강력한 사전 제약 없이도 기술적으로 완벽하게 실행될 수 있음을 시사한다"고 말했다. 또한, 연구팀은 프로세서를 상호 연결하여 대규모 데이터 세트의 분석 시간을 몇 달 또는 몇 년에서 몇 시간으로 대폭 단축하는 데 성공했다. 이는 과학적 연구의 효율성과 속도를 혁신적으로 개선한 사례로 볼 수 있다 콕스는 "이와 같은 유형의 병렬 역전 과정은 지구 과학 모델링 분야에서 이전에는 시도된 적이 없었다"고 언급했다. 그는 이어 "우리의 방법론은 수천 개의 프로세서를 동원할 수 있어, 훨씬 더 광범위한 솔루션 공간을 탐색할 수 있으며, 인간의 편견으로부터 크게 자유롭다"고 설명했다. 그는 또한 "지금까지 우리 분야의 전문가들은 우리가 도달한 결론보다는 이 새로운 방법론에 더 매료되어 왔다"라고 말했다. 콕스는 "지구 시스템에 대해 우리가 결과는 알지만 원인은 모르는 경우가 많으며, 이러한 시스템은 역전될 가능성이 높다. 출력에 대한 더 나은 이해는 그 결과를 초래한 입력을 더 정확하게 특성화하는 데 도움이 된다"고 덧붙였다.
- 생활경제
2023-11-30
커피·채소 성분 트리고넬린, 노화로 인한 인지 저하 예방

커피와 일부 채소의 천연 화합물인 트리고넬린(TG)이 늙은 쥐의 공간 학습과 기억력을 현저하게 향상시켰다는 연구 결과가 나왔다고 과학 전문매체 사이테크데일리(Scitechdaily)가 최근 보도했다. 일본 쓰쿠바 대학을 포함한 연구팀은 노화 가속 마우스 모델인 SAMP8을 사용하여 TG가 기억력과 공간 학습에 미치는 영향을 종합적으로 조사했다. 이 연구에 따르면, TG는 주요 세포 신호 경로를 조정하고 신경 염증을 줄여 노화에 따른 인지 기능 저하를 개선할 수 있음이 밝혀졌다. 연구 결과, 30일 동안 TG를 투여한 SAMP8 마우스는 동물의 공간 학습 및 기억력을 평가하는 데 사용되는 실험 방법인 모리스 워터 메이즈(Morris water maze) 테스트에서 TG를 투여받지 않은 마우스보다 공간 학습 및 기억력이 현저하게 향상된 것으로 나타났다. 또한, 연구진은 해마의 전체 게놈 전사체 분석을 통해 TG가 신경계 발달, 미토콘드리아 기능, ATP 합성, 염증, 자가포식 및 신경 전달 물질 방출과 관련된 신호 전달 경로를 조절하여 인지 능력을 향상시키는 것을 확인했다. 연구팀은 또한 트리고넬린(TG)이 전사 인자 NF-κB의 신호 전달 인자인 Traf6의 활성화를 억제함으로써 신경염증을 줄이는 역할을 한다는 것을 발견했다. NF-κB는 염증과 면역 반응을 조절하는 중요한 단백질이며, Traf6는 NF-κB의 활성화에 기여하는 핵심 단백질이다. 연구팀은 해마에서 정량적 단백질 분석을 통해 염증성 사이토카인인 TNF-α와 IL-6의 수치가 현저히 감소하고, 신경전달물질인 도파민, 노르아드레날린, 세로토닌의 수치가 유의미하게 증가한 것을 확인했다. 이러한 발견은 TG가 노화와 관련된 공간 학습 및 기억 장애를 예방하고 개선하는데 효과적일 수 있음을 시사한다. 향후 추가 연구를 통해 TG의 효과와 안전성을 더욱 명확히 밝힐 수 있다면, 이는 노화와 관련된 공간 학습 및 기억 장애를 예방하고 치료하는 새로운 방법으로 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2023-11-29
박테리아, 암세포 DNA 파괴 화합물의 합성 과정 밝혀내

미국 플로리다주 주피터에 위치한 허버트 베르트하임 UF 스크립스 생물의학 혁신 및 기술 연구소의 연구팀이 암을 포함한 인간의 질병과의 싸움에 도움이 될 수 있는 새로운 효소를 발견했다고 과학 전문매체 싸이테크데일리가 최근 보도했다. 연구팀이 발견한 '보조 인자 없는 산소 분해 효소'는 박테리아에서 유래되며, 공기 중의 산소를 획득해 화합물에 통합하는 독특한 특성을 보인다. 이러한 과정을 통해 유기체는 방어 물질을 합성하고, 감염이나 침입자에 대항하는 생존적 장점을 갖게 된다. 연구팀에 따르면, 발견된 보조 인자 없는 산소 분해 효소인 TnmJ와 TnmK2는 항생제 및 항암 화합물인 티안시마이신 A의 효능에 대한 의문을 해결하는 데 중요한 역할을 한다. 연구원 춘귀(Chun Gui)와 에드워드 칼크루터(Edward Kalkreuter)는 이러한 발견이 암 치료 및 항생제 개발에 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다고 전했다. 2016년 처음 발견된 티안시마이신 A는 암세포의 DNA를 끊어 죽이는 효과가 있는 화합물로 바이러스나 다른 세균을 죽이는 데에도 효과적이다. 현재 암 표적 항체 치료제 개발에 중요한 요소로 주목받고 있으며, 이 치료제는 항체와 약물을 결합해 암세포에 결합한 후 약물을 방출하여 암세포를 제거한다. 티안시마이신 A는 종양 크기를 크게 줄이는 효과를 나타내며, 쥐를 대상으로 한 실험에서 암 치료제로의 개발 가능성을 시사했다. 이 화합물은 토양에 서식하는 박테리아에서 발견되었으며, 세 개의 탄소-탄소 결합을 끊어 DNA를 손상시키고 탄소-산소로 결합으로 대체하여 DNA를 파괴해 암세포를 파괴할 수 있게 했다. 허버트 베르트하임 UF 스크립스 생물의학 혁신 및 기술 연구소는 천연 제품 컬렉션에서 발견된 다양한 화합물을 연구하고 있으며, 이를 통해 화학적 다양성이 진화한 이유와 그 유용성에 대한 탐구를 진행하고 있다. 이는 앞으로 더 많은 혁신적인 발견을 기대할 수 있게 하는 연구 분야로 주목받고 있다. 세계 최대의 미생물 천연 컬렉션 중 하나인 이 연구소의 천연물 발견 센터를 이끄는 벤 센 박사는 "신약 발견의 역사에 대한 박테리아 화학물질의 기여는 놀랍다"고 말했다. 센 박사는 "시중에 판매되는 FDA 승인 항생제 및 항암제의 거의 절반이 천연 제품이거나 천연 제품이라는 사실을 아는 사람은 거의 없다"고 말했다. 그는 "자연은 이러한 복잡한 천연 제품을 만드는 최고의 화학자다. 우리는 매혹적인 화학과 효소학을 이해하기 위해 현대 게놈 기술과 계산 도구를 적용하고 있으며 이는 전례 없는 속도로 발전하고 있다. 이 효소는 최근의 흥미로운 사례다"라고 설명했다.
- IT/바이오
2023-11-27
캐나다 스타트업, 친환경 해수 담수화 신기술 개발

캐나다의 한 스타트업이 친환경 방식으로 바닷물을 담수화하는 새로운 기술을 개발했다. 해수 담수화는 지구의 70%를 차지하는 바다의 물을 담수화하는 작업으로 식수, 공업용수 등의 공급을 원활히 하고자 하는 목적이다. 특히 중동 등 물이 부족한 사막 주변 국가나 물을 수입하는 국가의 경우 안정적인 수자원의 확보는 안보와도 직결된다. 한국도 기후변화로 인한 오랜 가뭄으로 해수 담수화 시설을 증설해야 한다는 의견이 나오고 있다. 해수 담수화 방법에는 여러 가지가 있지만 최근 친환경 담수화시스템이 각광 받고 있다. 미국 매체 '굿뉴스네트워크(GoodNewsNetwork)'는 바다의 에너지만 사용해 친환경적인 방식으로 바닷물을 식수로 바꾸는 캐나다의 한 스타트업에 대해 보도했다. 이 매체에 따르면, 3억 명의 사람들이 전 세계 2만1000개의 담수화 플랜트를 통해 바닷물에 의존하고 있다. 이 시설은 거의 모두 화석 연료를 사용하여 열 담수화 또는 역삼투압이라는 에너지 집약적인 프로세스를 완성한다. 이 두 가지 방법은 바닷물을 대규모로 깨끗한 물로 바꿀 수 있는 방법이다. 스타트업 오네카(Oneka)는 독특한 접근 방식을 사용해 해수 담수화를 진행한다. 이 회사는 부표와 유사한 장치를 해저에 고정시키고, 91.4cm(3피트) 높이의 파도의 힘(파력)을 이용하여 역삼투압을 구동하는 기계적 에너지로 변환한다. 이를 통해 오네카는 하루에 최대 4만9210리터(약 1만 3000갤런)의 식수를 생산할 수 있는 시장에서 가장 큰 모듈식 장치를 운영한다. BBC가 수집한 데이터에 따르면, 만약 기후변화에 대한 최악의 예측이 현실화된다면, 점점 더 많은 국가들이 일 년 중 적어도 일부 기간 동안 담수화에 의존하게 될 것으로 보인다. 이에 따라 담수화 산업은 9%의 성장률을 보일 것으로 예상되며, 2030년까지 이 산업의 연간 가치는 약 290억 달러(한화 약 37조 8740억원)에 이를 것으로 전망된다. 오네카의 해상 기반 담수화 기술은 육상 담수화 플랜트와 비교해 여러 가지 이점을 제공한다. 첫째, 이 기술은 육지의 공간을 차지하지 않기 때문에, 특히 공간이 제한적인 섬나라에서 유용하다. 둘째, 이 모듈은 온실가스를 배출하지 않는 친환경적인 방식이다. 셋째, 기존 담수화 방법의 일반적인 문제점과 관련하여 오네카의 접근법은 다르다. 기존의 담수화 과정, 즉 열 공정이나 역삼투압 방식은 염도가 높은 폐수를 생성한다. 이 폐수가 바다에 방출되면 해양 생태계에, 육지에 방출되면 식물과 지하수에 영향을 미칠 수 있다. 오네카의 기술은 이러한 문제를 해결하기 위해 하루에 사용되는 바닷물의 약 75%를 식염수와 혼합하여, 기존 방식보다 소금 함량이 25% 더 높은 상태로 바다로 다시 방출한다. 이러한 방식은 해양 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 또한, 오네카의 모듈식 담수화기는 서로 체인으로 연결되어 공간을 효율적으로 활용하며, 육지로 깨끗한 물을 전달하는 배관 시스템을 간편하게 설치할 수 있다. 오네카의 해수담수기는 소형, 중형, 대형 등 세 가지 크기로 제공되며, 가장 큰 모델은 길이 8m(미터), 폭 5미터로, 하루에 최대 4만9000리터의 식수를 생산할 수 있다. 오네카는 자사의 기계를 완전한 환경친화적 패키지로 구현하고 있다. 이 회사는 담수화 장치의 체인, 정박지, 부표가 모두 해양 생물과 친화적인 재료로 제작되었으며, 이를 통해 다양한 해양 생물이 이들 구조물에 빠르게 적응하고 거주하게 된다는 사실을 발견했다고 밝혔다. 오네카는 또한 6미터(약 30피트) 높이의 파도가 있는 혹독한 날씨 조건에서 부표 담수화 장치를 테스트했으며, 이 장치가 이같은 극한 환경에서도 효과적으로 작동한다는 것을 확인했다. 오네카의 초기 모듈은 이미 세계에서 가장 건조한 지역 중 하나인 칠레의 지역 사회에 판매되었으며, 이는 그들의 기술이 실제 환경에서 유용함을 입증하는 사례가 되었다. 기존의 해수 담수화 시설은 높은 운영 비용과 복잡한 유지 관리 등의 문제로 인해 해결책으로서 한계를 가지고 있다. 이에 따라, 전 세계 많은 국가들이 해수 담수화의 다양한 대안을 개발하고 있다. 그 중 하나는 '해상 이동형 해수담수화 플랜트 선박'이다. 2014년 싱가포르에서 제안된 이 개념은 선박에 담수화 설비를 탑재하여 해상에서 자유롭게 이동하면서 바닷물로부터 식수를 생산하고 육지에 공급하는 것이다. 한국의 예를 들면, 광양제철소는 매일 약 2만7000톤의 바닷물을 공업용수로 전환해 사용하고 있다. 또 남부 지역의 섬 주민들을 위해 해수 담수화 선박 '드림즈호'를 투입한 사례가 있다. 또한, 최근에는 네덜란드의 해수 담수화 기기 개발 업체인 데솔리네이터(Desolenator)가 해수 담수화 과정에서 발생하는 순수한 고품질 소금에 주목했다. 이 회사는 해수담수화 과정에서 생기는 탈염막 여과된 소금을 바다에 방출하는 대신 수집하여 공업용 소금으로 판매하는 순환경제적 대안을 제안했다. 이러한 접근 방식은 해수담수화 과정의 부산물을 가치 있는 자원으로 전환함으로써 환경적으로도 지속가능한 방향을 제시한다.
- 산업
2023-11-27
호주 기업, 수소 없이도 700°C 열과 전기 생산 기술 특허

기업 활동 중 발생하는 이산화탄소를 최소화하고, 불가피하게 발생하는 이산화탄소에 대해서는 탄소 배출권을 구매하여 실질적인 탄소 배출량을 '0'으로 만드는 '탄소제로' 전략이 주목받고 있다. 이제는 석유 자원이 풍부한 국가들도 이러한 탄소제로 움직임에 동참하며 청정에너지 개발에 적극적으로 나서고 있다. 미국의 경제 전문 매체 포브스는 텍사스주가 세계에서 두 번째로 석유 자원이 풍부함에도 불구하고 호주로부터 수소열 에너지를 도입하려는 배경을 최근 분석했다. 포브스에 따르면, 텍사스주는 기존의 석유나 천연가스 대신 탄소 배출이 적은 청정 에너지 소스에 주목하고 있다. 특히 수소는 청정 에너지로 분류되며, 자동차 엔진에서 연소되거나 전기로 변환될 때 탄소를 배출하지 않는다. 하지만, 높은 온도에서는 산화질소나 질소산화물을 방출할 수 있다. 수소의 생산 방식에 따라 그 환경적 영향이 달라질 수 있다. 메탄을 사용해 제조되는 청색 수소는 비용이 저렴하지만 환경적으로 깨끗하다고 볼 수 없다. 반면, 물을 전기분해하여 만드는 녹색 수소는 비용이 더 들지만 환경에 더 친화적이다. 호주 기업, 뉴멕시코주에 신규 공장 건설 뉴멕시코주는 연소 과정 없이 수소를 열 에너지로 전환하는 새로운 기술을 보유하고 있어, 호주로부터의 수소 도입을 통해 이를 열 에너지로 변환하고자 한다. 이 기술은 중공업에서 바로 사용하거나 거의 모든 전기 응용 분야에서 전기로 변환할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 특히, 연소 과정이 없다는 점은 석탄을 태워 열을 생성하고 전기를 생산하는 전통적인 발전소의 복잡한 기계적 단계를 건너뛸 수 있음을 의미한다. 이러한 접근은 나쁜 탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 방법으로, 환경 보호와 지속 가능한 에너지 사용을 위한 중요한 전략 중 하나이다. 호주에 본사를 둔 스타 사이언티픽(Star Scientific)은 2024년 뉴멕시코주 앨버커키에서 새로운 공장 건설을 시작할 계획이라고 발표했다. 이 프로젝트에는 약 1억 달러(약 1297억원)가 투자될 예정이며, 공장은 최대 50에이커 규모의 부지에 10개의 건물로 구성될 예정이다. 이 공장은 연구부터 관리까지 다양한 부서를 아우르며 약 200명의 직원을 고용할 것으로 기대된다. 이번 투자는 뉴멕시코주의 미셸 루잔-그리샴(Michelle Lujan-Grisham) 주지사와 스타 사이언티픽의 글로벌 그룹 회장인 앤드류 호바스(Andrew Horvath)가 지난달 시드니에서 만난 자리에서 발표됐다. 실험 시연서 713°C까지 치솟아 이 회사는 핵융합 연구 중에 흥미로운 발견을 했다. 수소 가스와 산소 가스가 결합하여 물을 형성하도록 촉진하는 동시에 반응에서 상당한 양의 열을 방출하는 새로운 촉매를 발견했다. 이 과정은 물리학이 아닌 화학 반응에 속하며, 두 개의 수소 원자가 헬륨으로 융합되어 핵 에너지를 방출하는 과정과 유사하다. 이러한 원리는 수소 폭탄의 작동 원리를 연상시킨다. 실험실에서 수행된 시연에서는 수소와 산소 유입 파이프를 사용했다. 이 실험에서 온도는 단 몇 분 만에 713°C까지 급상승했으며, 촉매가 뜨거워지며 주황색으로 변하는 현상이 관찰됐다. 이러한 높은 온도는 연소 과정 없이도 일부 산업 공정에 필요한 열을 제공할 수 있어 공정을 단순화하는 데 기여할 수 있다. 이 촉매는 회사의 비밀로 유지되고 있으며, 이미 특허를 받았다. 이 과정은 '헤로(HERO, Hydrogen Energy Release Optimiser)'라고 명명되었으며, 이는 '수소 에너지 방출 최적화'라는 의미를 담고 있다. 이 새로운 기술을 사용하면 집과 사무실의 난방에 최대 700°C까지 필요한 온도를 조절할 수 있다. 또한, 이 과정을 통해 물을 가열하여 증기를 만들고, 그 증기로 터빈을 구동하여 전기를 생산할 수도 있다. 이러한 과정은 석탄 화력 발전소에서 일어나는 과정과 유사하지만, 석탄 연소로 인한 무거운 탄소 배출이 없다는 점에서 차이가 있다. 스타 사이언티픽에 따르면, 기존 발전소에서 석탄 연소 보일러를 이들의 HERO 공정으로 교체하면 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있다. 만약 유입되는 수소가 그린수소라면, 전 과정에서 탄소 배출이 전혀 발생하지 않는다. 하지만, 물을 수소와 산소로 전기분해하는 과정은 상당한 에너지를 소모하는 비효율적인 방법일 수 있다. 청색 수소를 사용하는 경우, HERO의 전체 수명에 대한 이점은 명확하지 않다. 이는 청색 수소 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소가 탄소 포집 및 저장(CCS)을 통해 시스템에서 제거되어야 하기 때문이다. 이러한 점들을 고려할 때, HERO 기술의 환경적 이점은 사용되는 수소의 종류에 크게 의존한다고 볼 수 있다. HERO, 수소 연료전지와 장점 공유돼야 수소 연료 전지는 양극과 음극을 갖추고 있으며, 배터리의 작동 원리와 유사한 방식으로 전기를 생산한다. 이 시스템은 고가의 백금 촉매를 사용하는 것이 일반적이다. 연료 전지는 전기와 열을 동시에 생산하지만, 대부분의 경우 열은 크게 활용되지 않는다. HERO는 특히 전력 공급이 작은 것으로 알려진 부문(약 9%)에서 이점을 가져야 한다. 리스타드 에너지(Rystad Energy)의 분석에 따르면, 산업 연소라 불리는 분야(15%)는 전기화를 통해 해결할 수 있으며, 이는 배터리를 사용하는 것이 가능하다. 연료 전지와 HERO는 이러한 분야에서 기회를 포착해야 한다. 연료 전지의 에너지 변환 효율은 약 65%로, 석탄 화력 발전소의 34%와 비교했을 때 상대적으로 높은 편이다. HERO의 효율성은 특정 애플리케이션에서 매우 중요하며, 성능, 비용과 내구성이 입증되면, 운송, 상업 및 주거용 건물의 난방, 가역 그리드 시스템 등 다양한 분야에서 전력이나 열을 공급하는 데 유용하게 사용될 수 있다. 스타 사이언티픽은 HERO에 대해 매우 낙관적이며, 이 기술이 시멘트 공장과 같은 산업 공정에서 필요한 열을 충분히 발생시킬 수 있으며, 장거리 운송이나 화석 연료를 사용하는 중공업 공정과 같이 탈탄소화하기 어려운 부문에서도 유용하게 적용될 수 있다고 강조하고 있다. 이는 탄소 배출을 줄이는 데 중요한 역할을 할 수 있는 혁신으로 평가받고 있다. 뉴멕시코주 주지사 사무실에 따르면 호주의 스타 사이언티픽은 올해 뉴멕시코주에 성공적으로 유치된 싱가포르, 대만, 독일 기업들에 이어 가장 최근에 합류한 국제 기업이다. 제임스 케네이(James Kenney) 뉴멕시코 환경부 장관은 “회사는 수소에 대한 주지사의 낙관적인 접근 방식과 기후 변화 대응에 대한 우리 주의 낙관적인 접근 방식에 매료됐다“고 말했다. 바이오테크, 혁신적인 수소 생산 스타 사이언티픽은 뉴멕시코주에 기반을 둔 수소를 생산하고 판매하는 바이오테크(BayoTech)의 혁신적인 방식에 깊은 인상을 받은 것으로 전해졌다. 바이오테크는 화학 공장 및 정유소에 수소를 공급하는 기존의 대규모 중앙 집중식 공장들보다 더 저렴하고 탄소 배출량이 적은 수소를 생산한다. 이 회사는 깨끗한 천연가스 또는 바이오메탄 소스를 원료로 사용하여 수소를 제조하고 있다. 바이오테크는 지난 11월 2일 미주리주 웬츠빌에 새 수소 허브를 완공했다고 밝혔다. 이 허브는 연간 350톤의 수소를 생산할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 이 수소는 연료전지와 산업 공정에 사용될 예정이다. 또 바이오테크는 니콜라(Nikola) 수소 연료 전지로 구동되는 전기 세미 트럭과 뉴 플라이어(New Flyer) 연료전지 버스를 시연했다. 아울러 니콜라와의 파트너십을 통해 니콜라 연료전지 트럭 50대를 구매할 계획을 발표했다. 이러한 발전은 수소 에너지와 관련된 기술의 발전뿐만 아니라, 수소 기반 교통 수단의 상업적 활용 가능성을 더욱 확장시키는 중요한 진전을 나타낸다. 바이오테크의 이번 발표와 계획은 미래의 친환경 교통 수단에 대한 투자와 연구의 중요성을 강조하며, 지속 가능한 에너지 솔루션에 대한 지역 사회와 산업계의 관심을 끌고 있다.
- 산업
2023-11-21
나사, 최신 우주 망원경으로 4억5천만 개 은하 조사...우주지도 작성 목표

미국 항공우주국(NASA)의 새로운 우주 탐사 프로젝트인 SPHEREx 망원경이 우주 지도 작성을 위한 중요 단계에 진입했다고 과학 전문 매체 사이테크데일리가 15일(현지시간) 보도했다. 사이테크데일리에 따르면, SPHEREx는 지금까지 볼 수 없었던 방식으로 우주의 지도를 작성할 계획이며, 현재 지구 궤도에 도착해 전체 하늘의 지도를 그릴 준비를 하고 있다. '우주의 역사, 재이온화 시대 및 빙결체 탐사를 위한 분광-광도계(Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer)'로 알려진 SPHEREx는 약 2.6미터(8.5피트) 높이와 3.2미터(10.5피트) 너비의 독특한 형태를 가진 망원경이다. 이 우주 망원경의 특이한 외형은 원뿔 모양의 광자 차폐막으로 만들어졌으며, 남부 캘리포니아에 위치한 NASA 제트 추진 연구소(Jet Propulsion Laboratory, JPL)의 클린룸에서 조립 중이다. 차폐막의 구조와 기능 나사의 SPHEREx 망원경은 태양과 지구로부터 오는 빛과 열을 차단하기 위해 세 개의 중첩된 원뿔 모양의 차폐막으로 둘러싸여 있다. 이 차폐막들은 각각 다른 크기의 원뿔 안에 위치새 망원경을 효과적으로 보호한다. SPHEREx는 하늘의 모든 영역을 스캔하여 매년 두 장의 상세한 천체 지도를 완성할 예정이다. JPL의 사라 수스카 뷔페이로드 관리자 겸 시스템 엔지니어는 "SPHEREx는 매우 빠른 속도로 하늘을 스캔해야 하기 때문에 높은 기동성이 요구된다"고 밝혔다. 그는 "차폐막은 보기에는 무겁게 보일 수 있지만 실제로는 매우 가볍고 여러 층의 재료로 구성되어 있다. 외부는 알루미늄 시트로, 내부는 알루미늄 벌집 구조로 되어 있어 가볍지만 견고하다"고 설명했다. 세부적인 미션 목표 2025년 4월까지 발사 예정인 SPHEREx는 과학자들이 생명에 필요한 주요 성분, 특히 물의 기원에 대한 더 깊은 이해를 제공할 것으로 기대된다. 이를 위해 SPHEREx 미션은 새로운 별이 탄생하고 행성이 형성되는 곳인 성간 가스와 먼지 구름 속의 물 얼음의 분포를 측정할 예정이다. 또한 우주 은하들이 내뿜는 빛의 양을 분석하여 은하의 역사를 연구할 계획이다. 이러한 관측을 통해 은하들이 언제 형성되기 시작했으며, 시간이 지남에 따라 그 형성 과정이 어떻게 변화했는지를 밝혀낼 수 있을 것이다. 또한, 수백만 은하의 위치를 서로에 대해 매핑함으로써, SPHEREx는 빅뱅 직후의 우주의 급격한 팽창, 또는 인플레이션이 어떻게 일어났는지에 대한 새로운 단서를 찾아 낼수 잇을 것으로 보인다. 냉각과 안정성 확보 SPHEREx는 적외선 광을 감지하여 다양한 임무를 수행할 예정이다. 적외선은 가시광선보다 긴 파장을 가지며 열 복사의 한 형태로도 알려져 있다. 모든 따뜻한 물체는 적외선을 방출하므로, 망원경 자체도 적외선을 생성할 수 있다. 이 적외선이 탐지기와 상호작용하면 문제가 될 수 있기 때문에, 망원경은 극도로 추운 상태인 섭씨 약 -210도(화씨 -350도) 이하로 유지되어야 한다. 망원경을 보호하는 외부 광자 차폐막은 태양과 지구로부터의 빛과 열을 차단하며, 각 뿔 사이의 공간은 열이 망원경 내부로 침투하는 것을 방지한다. 그러나 SPHEREx가 적절한 온도에 도달하도록 보장하기 위해서는 V-그루브 라디에이터라는 특별한 장치가 필요하다. 이 장치는 우산을 거꾸로 뒤집은 것처럼 생긴 세 개의 원뿔형 거울로 구성되어 있으며, 광자 차폐막 아래에 위치한다. 각 거울은 적외선 광을 우주로 튕겨내는 일련의 쐐기 모양으로 되어 있어, 실온의 우주선 버스에 위치한 컴퓨터와 전자 장치에서 발생하는 열을 제거하는 데 도움이 된다. JPL의 콘스탄틴 페나넨 페이로드 매니저 "우리는 SPHEREx가 얼마나 차가운지뿐만 아니라 온도가 일정하게 유지되는지도 중요하게 생각한다"라고 말했다. 그는 "온도가 변하면 감지기의 감도가 달라져 잘못된 신호로 해석될 수 있다"고 설명했다. 하늘을 관측하는 창 SPHEREx의 주요 구성요소인 망원경은 3개의 거울과 6개의 감지기를 통해 멀리 떨어진 광원으로부터 적외선을 수집한다. 이 망원경은 광자 차폐막이 제공하는 보호 범위 내에서 가능한 한 넓은 하늘 영역을 관측할 수 있도록 설계된 기울기 조절 받침대에 장착되어 있다. 콜로라도주 볼더의 볼 에어로스페이스에서 제작된 이 망원경은 지난 5월 캘리포니아주 패서디나의 칼텍(Caltech, 캘리포니아 공과대학교)에 도착해, 검출기 및 V-그루브 라디에이터와 통합됐다. JPL의 엔지니어들은 로켓 발사 시 견뎌야 할 진동 모사 테스트를 위해 진동 테이블에 망원경을 부착했다. 진동 테스트 후, 망원경은 다시 칼텍으로 이송되어 과학자들이 거울의 초점이 여전히 정확하게 맞춰져 있는지 확인할 수 있었다. SPHEREx의 적외선 '탐색 능력' SPHEREx 망원경 내부의 거울은 멀리 떨어진 물체로부터 빛을 모으는 역할을 하지만, 실제로 적외선 파장을 감지하는 것은 '검출기'다. 태양과 같은 별들은 전체 가시광선 범위의 빛을 방출한다. 이 빛은 프리즘을 통해 구성 파장, 즉 무지개 색상으로 분리될 수 있는데, 이를 분광학이라고 한다. SPHEREx는 검출기에 장착된 필터를 이용해 분광학적 분석을 수행한다. 각 필터는 무지개 색상처럼 보이는 여러 개의 세그먼트로 구성되어 있어 특정 적외선 파장을 제외한 모든 파장을 차단한다. SPHEREx가 관측하는 모든 물체는 이 세그먼트별로 이미지화되며, 과학자들은 별이든 은하든 해당 물체가 방출하는 특정 적외선 파장을 확인할 수 있다. 이 망원경은 100개 이상의 다양한 고유 파장을 관측할 수 있다. 이러한 기능을 통해 SPHEREx는 이전에 없던 우주 지도를 작성할 계획이다.
- IT/바이오
2023-11-17
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.
- IT/바이오
2023-11-14
해양 플라스틱 쓰레기 수거 선박 '만타', 혁신 기술로 주목

최근 기후 변화와 해양 보호에 긍정적인 영향을 미치는 혁신적인 기술이 화제가 되고 있다. 콘텐츠 제작자 샘 벤틀리가 소개한 해양 플라스틱 쓰레기 청소 선박인 '만타'가 그 주인공이다. 야후 파이낸스 보도에 따르면, 벤틀리는 자신의 동영상을 통해 해양 오염 방지 조직 '더 씨 클리너스'가 개발한 이 혁신적인 플라스틱 수거 선박 '만타'의 작동 방식에 대해 설명했다. 만타는 태양열과 풍력을 이용한 혼합 발전 시스템을 탑재하고 있다. 이 선박은 수거한 플라스틱을 연료로 재활용하는 폐기물-에너지 전환 장치를 통해 최대 20시간 동안 지속적인 운영이 가능하다. 만타는 매 시간 약 3톤의 쓰레기를 해양에서 제거할 수 있으며, 수거된 쓰레기는 플라스틱, 유리, 알루미늄 등으로 분류되어 육상에서 재활용된다. 또한, 만타는 대형 해양 오염 물질을 수거하기 위한 크레인과 얕은 해역에서 플라스틱 쓰레기를 수거하는 데 특화된 소형 선박을 갖추고 있어, 다양한 환경에서의 청소 작업이 가능하다. 플라스틱 오염은 물 공급원에 유해 화학 물질을 방출하고 해양 생물에게 위험한 미세 플라스틱을 축적시켜 해양 생태계에 심각한 피해를 준다. 콘텐츠 제작자 샘 벤틀리의 만타 소개 동영상은 시청자들에게 큰 인상을 남겼다. 많은 사람들이 댓글을 통해 만타의 성능에 감탄하고 그 혁신성에 매료되었다고 밝혔다. 한 사용자는 "너무 멋진 기술이라 널리 알려야 한다"고 언급했고, 다른 사용자는 "정말 놀라운 발명"이라고 칭찬했다. 또 다른 사용자는 "이러한 긍정적인 메시지를 전하고, 사람들에게 희망과 미소를 선사해서 감사하다"고 댓글을 남겼다. 환경보호 단체 '더 씨 클리너스'에 따르면, 매년 전 세계적으로 약 3억 8000만 톤의 플라스틱이 생산되며, 이 중 절반은 일회용 제품이다. 플라스틱 폐기물 중 최대 32%가 자연 환경으로 유입되고 있는데, 특히 해양 환경이 큰 위험에 처해 있다. 매년 9톤에서 14톤 가량의 플라스틱이 바다로 유입되는 것으로 추정된다. 이러한 상황에서 만타와 같은 해양 플라스틱 청소 선박의 확대는 해양 플라스틱 오염을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 그러나 궁극적으로 플라스틱의 생산과 사용을 줄이는 것이 더욱 중요할 수 있다. 대부분의 플라스틱은 원유와 같은 화석 연료를 기반으로 만들어지며, 제조 과정에서 상당량의 온실가스를 배출한다. 또한, 플라스틱 제조에 사용되는 독성 물질은 장기적으로 사람들의 건강에 여러 가지 위험을 초래할 수 있다. 플라스틱은 자연환경에서 수백 년 동안 머무르며, 자연적으로 분해되지 않는 특성을 가지고 있다. 이러한 상황에서 만타와 같은 해양 플라스틱 청소 선박은 이미 발생한 플라스틱 오염 문제에 대한 효과적인 해결책을 제공한다. 그러나 장기적으로는 플라스틱에 대한 의존도를 줄이는 것이 플라스틱으로 인해 발생할 수 있는 환경적 피해를 예방하는 데 더욱 중요할 수 있다. 지속 가능한 대안의 사용과 플라스틱 사용을 줄이는 노력이 결합될 때, 플라스틱 오염 문제에 대한 보다 근본적인 해결책을 찾을 수 있을 것이다.
- 산업
2023-11-13
일본, 세계 최대 핵융합로 'JT-60SA' 첫 플라즈마 발생 성공

일본이 최근 핵융합 연구의 새로운 이정표를 세웠다. 초전도 자석을 활용해 도넛 모양의 챔버 내에 고온의 플라즈마를 안정적으로 유지하는 새로운 핵융합로 'JT-60SA'가 성공적으로 가동 됐다. 일본의 새 핵융합로 'JT-60SA'는 세계 최대 규모의 융합로로, 프랑스에서 진행중인 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트의 연구를 지원하는 것을 목적으로 한다. 에너지 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 15년이 넘는 건설 기간과 테스트를 거친 JT-60SA가 지난 2023년 10월 26일, 첫 플라즈마 발생에 성공했다. 플라즈마는 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말한다. JT-60SA는 일본의 국립 양자과학기술연구소(QST)가 개발한 핵융합로로, 섭씨 2억도까지 가열된 플라즈마를 약 100초 동안 유지할 수 있었다. 이는 이전의 핵융합로에 비해 상당한 개선으로, 핵융합 반응을 일으키기 위한 충분한 온도와 지속 시간을 달성할 수 있는 가능성을 보여준다. 에너지 핵융합 프로젝트 매니저 샘 데이비스는 "이 기계가 기본적인 기능을 성공적으로 수행했다는 것을 전 세계에 증명한 것"이라고 평가했다. 이 프로젝트는 유럽연합(EU) 기관과 일본 국립 양자과학기술연구소(QST) 간의 협력을 바탕으로 진행되었으며, JT-60SA 및 관련 프로그램을 통해 양 기관은 지속적인 연구 협력을 이어갈 예정이다. 핵융합 작동 방식 핵융합은 태양이 에너지를 만드는 원리와 유사한 방식으로 에너지를 생성한다. 이 과정에서 두 개의 수소 원자핵이 융합해 헬륨 원자핵을 형성하며, 이때 질량의 일부가 에너지로 전환된다. 이 방법은 화석 연료와 같은 전통적인 에너지원에 비해 훨씬 더 청정하고 지속 가능한 대안으로 여겨진다. 핵융합 반응에서는 두 원자핵이 결합하여 더 큰 원자핵을 만들며, 이 과정에서 발생하는 질량 손실이 상당한 에너지를 방출한다. 태양의 중심에서는 핵융합을 통해 수소 원자핵이 헬륨 원자핵으로 변환되며, 이때 방출되는 에너지가 태양의 빛과 열의 원천이 된다. 지구에서도 핵융합을 통해 에너지를 생산할 수 있다. 핵융합로에서는 수소와 중수소를 주입해 융합 반응을 일으키고, 이 과정에서 방출되는 에너지를 전기로 변환해 사용한다. 이를 통해 얻어진 에너지는 청정하고 지속 가능한 에너지원으로, 환경에 미치는 영향이 적은 특징을 가지고 있다. 희귀 동위원소 중수소 사용 연기 JT-60SA는 토카막(Tokamak)이라는 형태의 핵융합로다. 토카막은 핵융합 연구에서 일반적으로 사용되는 디자인으로 도넛 모양의 초전도 자석을 사용하여 플라즈마를 가두는 방식이다. JT-60SA의 첫 번째 플라즈마 실험에서는 희귀 동위원소인 중수소 대신 수소를 사용했다. 중수소는 핵융합 반응을 일으키는 데 더 효율적이지만, 희귀하고 비용이 많이 들기 때문에 충분한 양을 확보하기가 어렵다. QST는 2024년 말부터 중수소를 사용한 플라즈마 실험을 시작할 계획이다. 중수소 사용 실험을 통해 핵융합 반응의 효율성을 높이고, 핵융합로의 안정성을 평가할 예정이다. 중수소 사용의 기대 효과 중수소 사용 실험에서 예상되는 주요 효과는 다음과 같다. 첫째, 중수소는 일반 수소에 비해 핵융합 반응을 더 효율적으로 일으키기 때문에, 중수소를 사용할 경우 핵융합로에서 생성되는 에너지의 양이 증가할 수 있다. 이는 핵융합 반응의 전반적인 효율성을 향상시킬 것이다. 둘째, 중수소는 안정적인 핵 구조를 가지고 있어 핵융합로의 안정성 평가에 기여할 수 있다. 셋째, 중수소를 사용하면 일반 수소에 비해 적은 양으로도 핵융합 반응을 유도할 수 있으므로, 핵융합로의 크기와 운영 비용을 줄일 수 있다. /이러한 특성 덕분에 중수소 사용은 핵융합 기술 발전에 있어 중요한 역할을 할 것으로 기대된다./킬 일본 QST의 향후 계획 QST는 2024년 말부터 중수소를 사용한 플라즈마 실험을 시작할 계획으로 중수소 사용 실험을 통해 핵융합 반응의 효율성을 높이고, 핵융합로의 안정성을 평가할 예정이다. 일본의 국립 양자과학기술연구소(QST)는 2024년 말부터 중수소를 활용한 플라즈마 실험을 시작할 계획이다. 이 실험을 통해 QST는 핵융합 반응의 효율성을 향상시키고 핵융합로의 안정성을 평가하려고 한다. 더 나아가, QST는 중수소 사용 실험을 통해 2030년까지 핵융합로에서 전력 생산에 필요한 핵심 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 연구와 개발 작업은 핵융합 에너지의 상용화를 향한 중요한 단계로, 장기적으로는 지속 가능하고 청정한 에너지원의 확보에 기여할 것으로 기대된다. 일본은 2050년까지 핵융합 에너지 상용화를 목표로 하고 있다. JT-60SA의 성공적인 가동은 이러한 목표 달성에 중요한 기여를 할 것으로 보인다. JT-60SA 성공의 의의 JT-60SA의 성공은 핵융합 에너지의 실현에 한 걸음 더 가까워졌다는 것을 의미한다. JT-60SA는 프랑스에서 건설중인 국제핵융합실험로(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) 프로젝트를 지원하기 위해 개발됐다. ITER는 핵융합 에너지의 상용화를 목표로 하는 국제 협력 프로젝트다. 주요 참여 국가로는 유럽연합, 미국, 러시아, 중국, 일본, 대한민국, 인도 등이 있으며, 이들 국가들이 자원, 기술, 재정을 공동으로 제공한다. JT-60SA의 데이터는 ITER의 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. ITER의 성공적인 가동은 지구에서 핵융합 에너지를 실용적인 에너지원으로 만드는 데 기여할 것으로 전망된다.
- 산업
2023-11-13
암 조기 진단 위한 새로운 혈액 검사 개발

암을 조기 발견할 수 있는 저렴하고도 새로운 혈액 검사 방법 개발됐다. 대부분의 암은 증상이 나타나기 전까지 진단되지 않고, 증상이 나타난 시점에는 이미 질병이 널리 퍼져 치료가 어려운 경우가 많다. 바이오마커(biomarker)는 암을 감지하는 데 사용되지만, 일부는 증상이 나타난 후 혹은 특정 암 유형에만 감지가 가능하다. 그러나 이제 빠르고 저렴한 새로운 혈액 검사가 개발되어 증상이 나타나기 전에 암을 발견하는 것이 가능해졌다. 이로 인해 암 진단 방법에 혁신이 일어날 것으로 기대된다. 미국 매체 뉴아틀라스에 따르면, 뉴욕시 록펠러대학교의 연구팀은 다양한 암의 조기 발견 가능성을 보여주는 암세포에서 생산되는 주요 단백질을 검출하는 매우 정밀한 혈액 검사를 개발했다. 검사 비용은 약 3달러로 저렴한 비용으로 눈길을 끌었다. 'LINE-1 ORF1p'는 과학계에서 주목받고 있는 비교적 새로운 바이오마커 단백질이다. 바이오마커는 단백질이나 DNA, RNA, 대사 물질 등을 활용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표로 사용된다. 'LINE-1(Long interspersed element-1)'은 모든 인간 세포에서 발견되는 레트로트랜스포존(retrotransposon)으로 바이러스와 유사한 특성을 가지며, 게놈의 새로운 위치에 자신을 복사해 붙여넣는 메커니즘을 통해 복제된다. 레트로트랜스포존은 DNA의 일부분이 유전체 내의 한 곳에서 다른 곳으로 이동할 수 있는 전이인자(transposable element) 중 하나다. '오픈 리딩 프레임 1 프로틴(ORF1p)'은 식도암, 결장암, 폐암, 유방암, 전립선암, 난소암, 자궁암, 췌장암, 두부암, 머리와 목 등의 가장 흔하고 치명적인 암 중 많은 암에서 높은 수준으로 생산되는 단백질이다. 이번 연구의 공동 저자인 존 라카바(John LaCava) 박사는 "트랜스포존은 주로 정자와 난자, 배아 형성 과정에서 활성화되므로 트랜스포존이 비병리학적으로 활성화될 수도 있다. 하지만 그렇지 않은 경우, 이러한 '점핑 유전자'는 게놈 내에서 침묵 상태를 유지하며, 그 활동이 세포에 스트레스와 손상을 유발하기 때문이다"라고 말했다. 대부분의 경우 신체는 LINE-1을 통제한다. 하지만 LINE-1이 ORF1p를 생성하고 표출할 때, 이는 뭔가 잘못되었을 수 있는 신호일 수 있다. 라카바는 "LINE-1이 표출되지 않도록 하고 ORF1p를 생성하는 것을 방지하는 메커니즘이 있으므로 전사체를 제어할 수 없는 건강하지 못한 세포에 대한 대용으로 이 단백질을 사용할 수 있다"며 "건강한 사람의 혈액에서 ORF1p가 검출되어서는 안 된다"고 지적했다. 암세포는 질병 초기부터 ORF1p를 생산하는 것으로 알려져 있으므로 이를 정확하게 탐지하는 방법을 개발하는 것은 암을 초기 단계에서 발견할 수 있음을 의미한다. 연구팀은 혈장 내에서 ORF1p를 검출하기 위한 빠르고 저렴한 검사를 개발했다. ORF1p는 기존 임상 실험실 방법의 검출 한계보다 훨씬 낮은 농도에서 발견되기 때문에 연구팀은 소량의 혈청, 혈장 또는 뇌척수액에서 바이오마커를 측정하기 위한 미세분자 기반 검출 기술인 시모아(Simoa)를 사용했다. 이들은 라마에서 파생되고, 조작된 맞춤형 나노바디 시약을 사용하여 ORF1p 단백질을 검출하고 포획했다. 라카바는 "우리는 대장암에서 ORF1p와 다른 단백질의 분자적 연관성을 포착하고 설명하려는 임무의 일환으로 이러한 시약을 개발했다"고 말했다. 연구팀은 대부분의 대장암에 LINE-1 단백질이 풍부하게 발견된다는 것을 인지하고 있었으며, 이 단백질이 형성하는 상호 작용이 암의 성장에 도움을 주면서 정상 세포 기능의 조절을 방해할 수 있다고 추측했다. LINE-1 입자를 분리함으로써 이러한 상호 작용을 자세히 관찰할 수 있었다는 것이 라카바의 설명이다. 연구팀은 새롭게 개발된 분석 방법을 이용하여 다양한 암 유형을 가진 환자들과 암이 없는 것으로 알려진 400명 이상의 '건강한 대조군' 개인들을 조사했다. 대조군의 약 99%에서는 혈장 ORF1p가 검출되지 않았다. 하지만 ORF1p가 검출된 5명 중 가장 높은 수치를 보인 한 환자는 6개월 후에 진행성 전립선암이 발견됐다. 연구에 포함된 초기 단계의 8명의 난소암 환자 중 4명에서 ORF1p에 대해 양성 반응이 나타났는데, 이는 바이오마커가 초기 질병을 나타내는 지표가 될 수 있음을 시사한다. 전반적으로 연구팀은 이 검사가 난소암, 위식도암, 대장암 환자의 혈액 샘플에서 매우 정확하게 ORF1p를 검출한다는 사실을 발견했다. 검사 비용은 3달러(약 3940원) 미만이며, 결과는 2시간 이내에 나온다. 이 검사는 암 진단뿐만 아니라 암 치료의 효과성을 평가하는 데에도 유용하게 사용될 수 있다. 치료가 성공적일 경우, 환자의 ORF1p 수준이 감소해야 한다. 연구팀은 위식도암 치료를 받는 19명의 환자를 연구한 결과, 치료에 반응한 13명의 환자에서 ORF1p 수준이 검출 한계 아래로 떨어지는 것을 관찰했다. 연구팀은 이 검사가 조기 경보 시스템으로 일상적인 건강 관리에 통합될 것으로 기대하고 있다. 라카바는 "건강한 시기에는 ORF1p 수준을 측정하여 기준점을 설정할 수 있을 것"이라고 말했다. 그는 "이후 의사는 ORF1p 수준의 변화를 관찰할 것이며, 이는 건강 상태에 변화가 있음을 나타낼 수 있다. ORF1p 수준의 약간의 변동은 정상일 수 있지만, 지속적인 상승은 심층적인 조사가 필요한 이유가 될 있다"고 말했다. 더욱 광범위한 연구 대상 집단을 사용한 추가 연구는 이 검사의 효과를 더욱 확실하게 검증하고, 세포암 이외의 다른 암 유형을 감지할 수 있는지 확인하기 위해 필요하다. 또한 순환 중인 ORF1p의 정상 기준 수준이 무엇인지와 이 수준에 영향을 주는 요인들을 이해하기 위한 추가 연구가 요구된다. 한편, 한국의 아이엠비디엑스는 최첨단 유전자 분석 기술을 바탕으로 한 알파리퀴드 플랫폼을 개발해 활용 중이다. 이는 인공지능(AI) 초정밀 유전자 검사법을 활용해 암 조기진단부터 진행성 암의 재발 예측과 치료 프로파일링 서비스를 제공한다. 암세포에서 혈액으로 방출된 DNA 조각인 '순환 종양 DNA(ctDNA, circulating-tumor DNA)'를 검출하고 차세대 염기서열 분석(NGS)을 통해 DNA 정보를 스캔해 유전자변이를 분석한다. 이 간편한 혈액검사는 비침습적 검사법으로 출혈이나 감염 등의 부작용이나 방사선 노출 위험이 없다. 기존 검사로는 발견하기 어려운 1cm 미만의 작은 종양도 검출할 수 있는 것으로 알려졌다.
- 생활경제
2023-11-09
암세포 내부에서 파괴하는 새로운 암 치료법 개발

암세포를 스스로 파괴하는 새로운 치료법이 개발됐다. 영국 매체 더 미러(The Mirror)에 따르면 미국 캘리포니아 대학 데이비스 암센터 연구진이 암세포를 스스로 파괴하도록 하는 '스위치'를 발견했다. 연구진은 종양세포 외부에 위치한 CD95 수용체가 활성화되면 세포가 스스로 파괴되는 신호를 방출한다는 사실을 발견했다. 암세포 외부의 CD95 수용체에 특정 항체를 결합시켜 암세포 파괴 '스위치'를 활성화 한 것. CD95 수용체는 수년 전부터 알려져 있었지만, 이를 활성화하는 방법은 알려지지 않았다. 연구진은 실험실에서 CD95 수용체의 한 부분을 표적으로 하는 항체를 개발하고, 이 항체를 투여한 암세포가 파괴되는 것을 확인했다. 이번 연구를 주도한 조겐더 투시르-싱 박사는 "이번 연구는 암 치료에 새로운 희망을 주고 있다"며 "이 치료법은 기존 치료법을 보완하고, 새로운 암 치료법 개발에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다. 투시르-싱 박사는 또한 "이번 연구는 CAR T-세포 치료법의 효과를 높이는 데에도 도움이 될 수 있다"고 말했다. CAR T-세포 치료법은 환자의 혈액에서 T 세포를 추출하여 환자의 체내에 직접 주입해 암세포를 공격하도록 유도하는 치료법으로 최근 몇 년간 암 치료에 큰 발전을 가져왔다. 그러나 기존 CAR T-세포 치료법은 고형 종양에 효과가 미미한 경우가 많다. 연구진은 새로운 치료법을 CAR T-세포 치료법과 함께 사용하면 고형 종양에 대한 치료 효과를 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 한편, 이번 연구는 아직 동물 실험 단계에 머물러 있다. 사람을 대상으로 한 임상 시험을 통해 안전성과 효과를 확인하는 단계가 아직 남아 있다. 또한, 새로운 치료법이 모든 암에 효과가 있는지는 아직 분명하지 않다. 그러나 이번 연구가 암 치료에 새로운 돌파구가 될 수 있는 중요한 성과라는 데에는 이견이 없다. 앞으로 추가 연구를 통해 새로운 치료법의 안전성과 효과를 검증하고, 암 환자에게 더 많은 치료의 기회를 제공할 수 있기를 기대한다.
- IT/바이오
2023-11-07
인도 슈퍼컴퓨터로 '일란성 쌍둥이' 우주 생성 실험 성공

과학자들이 우주의 탄생 비밀을 밝혀내기 위해 머리를 맞대고 있는 가운데, 인도에서 슈퍼컴퓨터를 이용해 우주 생성에 대한 시뮬레이션을 수행해 주목받고 있다. 인도의 위온(WION) 뉴스에 따르면, 최근 천문학자들은 슈퍼컴퓨터를 통해 우주의 탄생인 빅뱅부터 현재까지 이어지는 우주의 역사를 시뮬레이션하는 데 성공하여 기념비적인 성과를 이루었다고 보도했다. 천문학자들은 고성능 망원경으로 수집한 새로운 데이터를 활용하여 이 가상 우주를 실제 우주와 비교하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 비교는 때때로 관측 데이터가 기존의 우주론 표준 모델과 다를 때 중요한 통찰력을 제공한다고 위온은 설명했다. '플라밍고 프로젝트(Flamingo Project)'라는 이름의 이 연구는 물리학의 기본 법칙을 바탕으로 일반 물질, 암흑 물질, 암흑 에너지를 포함한 우주의 모든 구성 요소의 진화를 모델링하는 복잡한 계산을 포함하고 있다. 이 같은 시뮬레이션을 통해 세밀하게 구성된 가상의 은하계와 은하단이 생성됐다. 은하, 퀘이사, 별을 연구하는 유클리드 우주 망원경과 NASA의 제임스 웹 우주 망원경과 같은 첨단 장비로 수집한 데이터는 이 연구에 매우 중요한 역할을 하고 있다. 영국 더럼대학교의 플라밍고 프로젝트 공동 연구자인 카를로스 프렌크 교수는 우주론이 중요한 전환점에 있다고 언급했다. 그는 "강력한 망원경으로부터 얻은 새롭고 놀라운 데이터 중 일부가 우리의 이론적 예측과 일치하지 않는 것을 볼 수 있다"고 말했다. 이어서 "우주론의 표준 모델에 오류가 있거나 관측 데이터에 미묘한 선입견이 존재할 수 있지만, 우리의 초정밀 우주 시뮬레이션을 통해 이에 대한 답을 찾을 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 중성미자와 우주 일반 물질 주목 과거의 우주 시뮬레이션은 주로 우주 구조의 핵심 요소인 차가운 암흑 물질에 초점을 맞추었다. 그러나 최근 천문학자들은 중성미자와 같이 드물게 상호 작용하는 작은 입자와 우주의 모든 물질 중 일반 물질이 차지하는 16%의 중요성을 강조하고 있다. 이 일반 물질은 지구상의 모든 물질을 포함한다. 우주의 진화를 전체적으로 이해하기 위해서는 이러한 요소들을 모두 고려해야 한다. 플라밍고 프로젝트는 우주 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 전담하는 국제 천체물리학 연구팀인 버고 컨소시엄(Virgo Consortium)의 일환이다. 차세대 관측 자료 해석을 위한 전천후 대규모 구조 시뮬레이션의 약자로, 전천후 매핑(all-sky mapping)이 포함된 풀 하이드로 대규모 구조 시뮬레이션(full-hydro large-scale structure simulations)의 줄임말이다. 한국, '예미랩'서 우무 비밀 탐색 한편, 한국 강원도 정선군의 예미산 지하 1000미터에 위치한 세계적 수준의 고심도 지하실험시설 '예미랩'에서 우주의 비밀을 밝혀낼 가능성이 있다. 이곳에서는 '암흑물질'과 '중성미자' 연구 등이 진행되고 있다. 암흑물질은 우주의 주요 구성 요소로 여겨지며, 우주 에너지의 약 26%를 차지한다고 추정된다. 중성미자는 우주를 구성하는 기본입자다. 암흑물질의 존재와 중성미자의 특성을 규명하는 연구는 세계 물리학계에서 우선적으로 풀어야 할 과제로 꼽고 있다. 암흑물질과 중성미자로부터 나오는 신호를 포착하는 것은 극히 어려운 일이므로, 배경 잡음을 최소화할 수 있는 연구 환경이 필수적이다. 이러한 이유로 전 세계 연구그룹들은 지하 깊은 곳에 실험시설을 구축해 경쟁적으로 연구를 진행하고 있다. 예미랩은 이러한 연구를 위한 1000미터 지하의 실험시설을 갖추고 있다. 예미랩을 구축한 기초과학연구원(IBS) 지하실험 연구단은 양양실험실에서 사용한 실험장비를 이전해, 예미랩에서 중성미자 미방출 이중베타붕괴(AMoRE-II) 연구와 암흑물질 탐색(COSINE-200) 프로젝트를 진행할 계획이다. AMoRE-II 실험은 중성미자의 물리적 특성을 규명하기 위해 몰리브덴을 사용하는 연구이다. 이 실험은 양양에서 수행된 AMoRE-I에 이어서 진행되며, 예미랩에서는 몰리브덴 결정의 크기를 기존 6kg에서 200kg까지 확대하여 연구를 계속할 예정이다. COSINE-200은 현재까지 직접적으로 관측되지 않은 암흑물질을 탐색하는 프로젝트이다. 이 연구는 우주의 약 26%를 차지하는 암흑물질을 찾기 위해, 지구에 도달하는 암흑물질 입자와 COSINE 실험의 검출기 내 결정과의 충돌 과정을 통해 암흑물질의 존재 흔적을 찾는다.
- IT/바이오
2023-11-07
인도, 초소형 슈퍼커패시터 개발⋯에너지 저장 분야 혁신 기대

인도에서 개발된 초소형 슈퍼커패시터(콘덴서)가 에너지 저장 분야에서의 혁신을 예고했다. 과학기술 전문매체 '사이테크 데일리(SciTechDaily)'는 최근 인도 과학 연구소(Indian Institute of Science, IISc)의 응용 물리학부 연구진이 기존의 슈퍼커패시터보다 훨씬 작고 밀도가 높은 초소형 슈퍼커패시터를 개발했다고 보도했다. 화학 분야 학술지 'ACS 에너지 레터(Energy Letters)'에 게재된 최근의 연구에서, 연구원들은 전통적인 커패시터에서 사용되는 금속 전극을 대체하여, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistors, FET)를 전하 수집기로 활용해 슈퍼커패시터를 제작했다. 이 연구를 주도한 교신 저자인 아바 미스라(Abha Misra) IAP의 교수는 "FET를 슈퍼커패시터의 전극으로 사용하는 것은 커패시터의 전하 조정 방식에 있어 혁신적인 접근이다"라고 언급했다. 현재 사용되는 커패시터들은 주로 금속 산화물 기반의 전극을 사용하지만, 이는 전자 이동성이 낮다는 한계를 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 미스라 박사 팀은 전자 이동성을 개선하고자 이황화몰리브덴(MoS₂)과 그래핀 층을 몇 원자 두께로 번갈아 가며 금 접점에 연결한 하이브리드 FET를 개발하기로 결정했다. 이들은 두 FET 전극 사이에 고체 젤 전해질을 적용하여 고체 상태의 슈퍼커패시터를 구축했다. 이 전체 구조는 이산화규소와 실리콘 베이스 위에 구축됐다. 미스라 박사는 "두 시스템을 통합하는 것이 설계의 핵심이다"라고 언급했다. 이 두 시스템은 서로 다른 전하 용량을 가진 두 개의 FET 전극과 이온성 매질인 젤 전해질로 구성된다. IAP의 박사 과정 학생이자 연구의 수석 저자 중 한 명인 비노드 판와르(Vinod PanWar)는 트랜지스터의 모든 이상적인 특성을 구현하기 위한 장치 제작이 어려웠다고 말했다. 이 초소형 슈퍼 커패시터는 매우 작아 현미경 없이는 볼 수 없으며, 제작 과정에서는 높은 정밀도와 뛰어난 손기술이 필요하다. 현미경으로 관찰 가능 크기와 무게 면에서 기존 슈퍼커패시터를 능가하는 이 초소형 슈퍼커패시터는 배터리를 대체할 수 있는 새로운 가능성을 제시하고 있다. 연구팀은 전계 효과 트랜지스터(FET)와 이황화 몰리브덴(MoS₂)과 그래핀 층을 통합해 특정 조건에서 전기 용량이 3000% 이상 증가하는 결과를 얻었다. 슈퍼커패시터(콘덴서)는 특히 전기 용량의 성능을 강화하여, 전지처럼 사용할 수 있도록 설계된 부품이다. 전자 회로에서 사용되는 이 커패시터는 전기적으로 충전지와 유사한 기능을 제공한다. 기본적인 원리는 '전력을 저장하여 필요에 따라 방출하는 것'이며, 전자 회로가 안정적으로 작동하도록 하는 데 필수적인 부품 중 하나이다. 초소형 슈퍼커패시터는 기존 슈퍼커패시터보다 훨씬 작고 조밀한 구조를 가진다는 장점이 있다. 이러한 특성은 거리의 가로등부터 전자제품, 전기 자동차, 의료 기기에 이르기까지 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 기회를 제공한다. 현재 이러한 대부분의 장치는 배터리로 작동한다. 하지만 배터리는 시간이 지나면서 전기 저장 능력이 감소하여 제한된 수명을 갖게 된다. 반면, 커패시터는 설계 특성상 훨씬 오래 전기를 저장할 수 있는 장점이 있다. 슈퍼커패시터는 배터리와 커패시터의 장점을 결합하여 대량의 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 장치로, 차세대 전자기기에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 여겨진다. 이번 연구는 초소형 슈퍼커패시터의 가능성을 보여주는 중요한 성과로 평가된다. 향후 연구가 성공적으로 진행된다면, 초소형 슈퍼커패시터는 기존의 배터리를 대체하여 다양한 전자 기기의 성능과 수명을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다. 한국, 초소형 슈퍼커패시터 개발 현황 한편, 한국에서도 슈퍼커패시터 관련 연구와 개발을 진행하는 업체가 다수 있다. 에스피지(주)는 고체 전해질 기반의 슈퍼커패시터와 FET를 이용한 초소형 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 포스코케미칼(주)는 그래핀 기반의 초소형 슈퍼커패시터를, LG화학(주)는 전기 자동차용 초소형 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 한국의 슈퍼커패시터 기술은 세계 수준에 도달하고 있다. 이를 바탕으로 국내 업체들이 초소형 슈퍼커패시터 시장에서 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망된다. 초소형 슈퍼커패시터는 다양한 전자 기기에 적용 가능한 높은 잠재력을 가지고 있다. 특히 전기 자동차, 스마트 워치, IoT 기기 등에서 기존의 배터리를 대체할 수 있는 새로운 솔루션으로 기대를 모으고 있다. 전기 자동차의 경우, 초소형 슈퍼커패시터를 사용하면 배터리의 용량을 줄일 수 있고, 충전 시간을 단축할 수 있다. 또한, 스마트 워치나 IoT 기기에서의 사용은 배터리 수명을 연장할 수 있다. 초소형 슈퍼커패시터 기술의 지속적인 개발과 상용화가 진행된다면, 에너지 저장 분야에서 혁신적인 변화를 이끌 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2023-11-06
희토류 금속으로 해양 우라늄 저비용 추출 기술 개발

희토류 금속으로 더 간단하고 저렴하게 해양 우라늄을 추출하는 기술이 개발됐다고 과학기술 전문매체 IFL사이언스가 최근 보도했다. 바다에는 육지보다 약 1000배 많은 우라늄이 있는 것으로 알려졌다. 우라늄은 1789년 발견된 후 도자기의 착색제로 사용되었지만, 현재는 원자력 산업과 의료 분야에서 널리 사용되고 있다. 우라늄은 금보다 더 풍부하고, 붕괴하면서 방출하는 방사선을 통해 쉽게 찾을 수 있다. 일반적으로 우라늄 공급은 수요를 충족할 수 있지만, 최근에는 이러한 추세가 지속되지 않을 것이라는 우려가 제기됐다. 세계가 화석 연료 대신 원자력과 같은 청정에너지로 전환함에 따라 새로운 우라늄 공급원을 찾아야 하는 시대로 접어든 것. 우라늄은 바다에 많이 존재하지만 추출하기 어렵다는 문제가 있다. 희토류 금속으로 해양 우라늄 추출 연구를 주도한 제시카 벨리섹 캐롤란(Jessica Veliscek Carolan) 박사는 "바다에는 육지보다 천 배 이상 많은 우라늄이 있지만, 희석되어 있어 추출하기가 어렵다"고 말했다. 벨리섹 박사는 "가장 큰 도전 과제는 바닷물, 소금, 철이나 칼슘과 같은 광물에 우라늄보다 훨씬 많은 양의 다른 물질이 존재한다는 것"이라고 지적했다. 연구팀은 우라늄과 금속 추출이 가능한 층상이중수산화물(LDH) 물질을 조사했다. LDH 물질은 특정 물질을 추출하도록 조정할 수 있는 양전하와 음전하 층을 가지고 있다. 연구팀은 바닷물과 같은 조건에서 우라늄을 추출하기 위해 LDH 물질에 네오디뮴을 첨가한 결과, 바다에 풍부한 다른 원소보다 우라늄을 선택적으로 흡수하는 데 특히 효과적임을 발견했다. 이 연구는 '에너지 어드밴시즈(Energy Advances)'에 게재됐다. 이 기술은 새로운 우라늄 수집에 유용할뿐만 아니라 원자력 산업에서 발생하는 방사성 폐수를 정화하는 데에도 사용될 수 있다. 벨리섹 박사는 "이러한 물질은 제조가 쉽고 저렴하다는 장점이 있다"며 "대규모 우라늄 추출을 위한 비용 효율적인 선택이 될 수 있다"고 말했다. 희토류 금속은 첨단 산업에 필수적인 소재로, 중국이 전 세계 생산량의 약 90%를 차지하고 있다. 이에 따라 희토류 금속의 안정적인 공급과 가격 안정이 국제 사회의 주요 관심사 중 하나다. 해양 우라늄은 바닷물에 포함된 우라늄을 추출하는 기술 개발로, 기존의 지층 우라늄 추출 기술에 비해 비용이 저렴하고 환경 친화적이라는 장점이 있다. 이번 연구는 희토류 금속을 활용한 해양 우라늄 추출 기술이 희토류 금속의 안정적인 공급과 가격 안정을 도모할 수 있는 동시에, 해양 우라늄의 경제성 확보에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 산업
2023-11-02
화성 지진, 운석 충돌 아닌 지각 내부 활동 때문

우주과학 전문 매체 머커닷더(Merkur.de)는 2022년 5월 4일 화성에서 발생한 규모 4.7의 지진은 미국 항공우주국(NASA)의 인사이트호(InSight)에 의해 포착되었으며, 화성에서 발견된 가장 강력한 지진 중 하나로 기록되었다고 최근 보도했다. 당시 NASA는 이 지진이 운석 충돌로 인해 발생했다는 가능성을 제기했다. 그러나 옥스퍼드대의 벤저민 페르난도 교수가 주도한 국제 연구팀은 다른 가설을 제기했다. 이 연구팀은 화성 표면을 철저히 조사한 결과, 지진을 일으킬 만한 충분한 운석 충돌 흔적을 찾지 못했다고 발표했다. 대신, 화성 지각 내부의 엄청난 압력 변화가 지진의 주 원인이라고 지목다. 연구팀은 전 세계 화성 탐사 프로젝트가 공동으로 화성 표면을 탐색했으나 강진을 유발할만한 운석 충돌 흔적을 찾지 못했다고 밝혔다. 대신 화성 내부에 응축돼 있던 엄청난 지각의 힘이 방출되면서 규모 4.7의 강진을 일으킨 것으로 결론지었다. 연구팀은 화성 지각 내부의 높은 압력이 지각의 얇은 구조와 관련이 있을 것으로 추정했다. 화성의 지각은 지구보다 얇고, 그로 인해 암석층이 더욱 활발하게 움직일 수 있다. 화성의 지각은 지구처럼 판이 움직이지는 않지만, 내부의 암석층은 다른 속도로 냉각과 수축 과정을 겪으면서 지진을 유발하는 압력을 쌓게 된다. 이러한 상황에서 충분한 압력이 축적되면, 암석층이 파괴되면서 지진이 발생하게 된다는 것이 연구팀의 결론이다. 이번에 발생한 화성 지진의 규모는 4.7로, 지구의 지진에 비해 상대적으로 약하지만 화성에서는 매우 강한 편에 속한다. 이 지진은 화성 북극 부근의 거대한 화산인 발행산에서 북서쪽으로 약 280km 떨어진 지점에서 발생했다. 인사이트호는 지진이 발생한 지점에서 대략 1000km 떨어진 곳에 있었으며, 다행히도 지진으로 인해 피해는 발생하지 않았다. 이번 연구는 화성의 지질학적 특성과 활동에 대한 중요한 통찰을 제공할 것으로 예상된다. 화성의 지진 활동 분석은 화성의 내부 구조와 진화 과정을 이해하는 데 도움이 될 것으로 보인다. 특히, 이번 연구는 화성 내부의 암석층이 상당히 활발하게 움직이고 있음을 보여주며, 이로 인해 화성의 지질 활동이 지구보다 활발할 수 있다는 가설을 제시했다. NASA는 이번 연구 결과를 통해 화성의 지질학적 활동에 대한 이해를 넓힐 수 있을 것으로 기대하며, 향후 인사이트호를 통해 화성의 지진 활동을 지속적으로 관측할 계획이다. 한편, 인사이트(InSight)는 NASA의 화성 지질 탐사 착륙선이다. 화성의 탄생과 태양계의 진화와 형성과정, 내부 온도, 지각활동, 화성의 열분포 등의 연구가 목적이다. 2018년 5월 5일 발사되어, 2018년 11월 26일 화성에 도착해 탐사 임무를 수행중이다. 주요 장비로는 HP3과 지진계 등을 장착했으며, SEIS로 화성 지표면 내부의 파동을 들여다 볼 수 있다. 달에도 아폴로 12호, 14, 15, 16호 미션 때 설치한 지각활동을 탐사하는 지진계가 있다. 현재까지 지구 외 다른 천체에서 관측된 가장 강한 지진은 달에서 1977년 관측된 것으로 우리나라 경주 지진과 비슷한 강도 5.5규모였다.
- 산업
2023-10-30

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