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[신소재 신기술(53)] 새로운 냉각 기술로 양자 컴퓨팅 시대 열린다
- 미국에서 획기적인 냉각 기술이 개발돼 절대 영도 도달 시간을 단축했다. 미국 정부기관인 국립 표준 기술 연구원(NIST) 연구팀은 획기적인 냉각 기술을 개발해 빅 칠(Big Chill)로 알려진 절대 영도에 근접한 초저온을 기존보다 훨씬 빠르고 효율적으로 달성할 수 있게 됐다고 라이브사이언스가 최근 보도했다. 이 기술은 양자 컴퓨팅, 천문학 등 중요 과학 실험에 필요한 준비 시간을 크게 단축 시킬 수 있을 것으로 기대된다. 절대 영도는 -273.15℃ 또는 0켈빈으로 표시되는 가장 낮은 온도를 의미한다. 이 온도에서 원자와 분자는 완전히 정지 상태에 있으며, 열 에너지가 전혀 존재하지 않는다. 절대 온도는 이론적 개념이며 실제로 실험적으로 달성하기에는 어렵다. 현재까지 절대 온도에 가장 근접하게 도달한 온도는 1999년 로듐을 활용한 냉각 기법으로 기록한 약 100피코켈빈이다. 과학 실험에 사용되는 민감한 전기 장비는 온도 변동과 같은 외부 노이즈의 간섭을 받지 않도록 절대 영도 근처의 초저온을 유지해야 한다. 하지만 기존 냉장 장치는 이러한 온도를 달성하는 데 배우 비용이 많이 들고 비효율적이었다. NIST 과학자들은 훨씬 더 빠르고 효율적으로 절대 온도를 달성할 수 있는 새로운 프로토타입의 냉장고를 제작했다. 염구팀은 이를 사용하면 연간 2700만와트의 전력을 절약하고, 전세계 에너지 소비를 3000만달러까지 줄일 수 있다고 주장했다. 이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 저널에 게재됐다. 기존PTR 설계 개선해 초저온 달성 기존 가정용 냉장고는 액체 냉매가 저압 파이트(증발기)를 통해 순환하면서 열을 흡수해 내부를 냉각시키는 방식으로 작동한다. 냉매는 압축기를 거쳐 다시 액체 상태로 변환되면서 온도가 상승하고 이 열은 냉장고 뒷면을 통해 방출된다. 과학자들은 40년 이상 펄스 튜브 냉장기(PTR)를 사용해 초저온을 달성해돴다. PTR은 헬륨 가스를 이용해 유사한 과정을 거치지만 열을 훨씬 더 잘 흡수한다. PTR은 효과적이긴 하지만 에너지 소비가 많고 비용이 많이 들며, 냉각 시간이 오래 걸리는 담점이 있다. NIST 연구팀은 기존 PTR 설계 개선을 통해 냉각 시간을 단축하고 전체 비용을 낮출 수 있다고 밝혔다. 연구팀은 PTR은 기본 온도(보통 4 켈빈 근처)에서만 최적의 성능을 발휘하도록 설계되어 있어 전체 냉각 과정 중 상당 부분에서 비효율적으로 작동한다고 지적했다. 이에 NIST 연구팀은 압축기(컴프레서)와 냉장고 사이의 PTR 설계를 조정해 헬륨 가스 사용 효율을 높였다. 기존 방식에서는 헬륨 가스 일부가 순환 루트 대신 방출 밸브로 유출되면서 낭비됐다. 적은 비용으로 양자 컴퓨팅 구현 연구팀이 제안한 재설계에는 온도가 내려가면 수축하는 밸브가 포함돼 헬륨 가스 낭비를 방지할 수 있다. 이러한 개선으로 NIST 팀이 셜계를 수정한 PTR은 기존 방식보다 1.7배~3.5배 빠르게 초저온(빅 칠)을 달성했다. 연구팀은 이 새로운 기술을 통해 이탈리아의 희귀 현상 암흑 물질 연구소(CUORE)에서 수행한 실험 시간을 최소 1주일 단축할 수 있었다고 밝혔다. 이 연구소는 현재까지 이론상으로만 존재하는 방사성 붕괴 형태와 같은 희귀 현상을 연구하는데 사용된다. 정확한 연구 결과를 얻기 위해서 이러한 시설에서 배경 잡음을 최대한 줄여야 한다. 연구진은 이 새로운 방법을 사용하면 현재 이론적인 형태의 방사능 붕괴와 같은 희귀 사건을 찾는 데 사용되는 이탈리아의 극저온지하천문대(CUORE)에서의 실험 시간을 최소 일주일 이상 단축할 수 있다고 연구 결과에서 밝혔다. 이 시설에서 정확한 결과를 얻으려면 배경 소음을 최대한 줄여야 한다. 양자 컴퓨터도 비슷한 수준의 격리가 필요하다. 양자 컴퓨터는 양자 비트, 즉 큐비트(qubit)를 사용한다. 기존 컴퓨터는 정보를 비트(bit) 단위로 저장하고 1 또는 0의 값으로 데이터를 인코딩하여 순차적으로 계산을 수행하지만 큐비트는 양자역학의 법칙에 따라 1과 0의 중첩을 차지하며 계산을 병렬로 처리하는 데 사용할 수 있다. 그러나 큐비트는 매우 민감하기 때문에 열 에너지의 미세한 변동을 포함해 최대한의 외부 노이즈(배경 잡음) 차단이 필요하다. 연구팀은 이론적으로 가까운 미래에 훨씬 더 효율적인 냉각 방법을 달성할 수 있으며, 이는 양자 컴퓨팅 분야에서 더 빠른 혁신으로 이어질 수 있다고 말했다. 또한, 연구팀은 이 기술이 초저온을 달성하면서도 동시에 훨씬 저렴한 비용으로 초저온 산업에 도움이 될 수 있으며, 시간 집약적이지 않은 실험 및 산업 응용 분야의 비용을 절감할 수 있다고 덧붙였다.
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[신소재 신기술(53)] 새로운 냉각 기술로 양자 컴퓨팅 시대 열린다
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[신소재 신기술(50)] 항공우주·운송 변화시킬 내열성 알루미늄 합금 탄생
- 중국 과학자들이 섭씨 500도까지 견딜 수 있는 내열성 알루미늄 합금을 개발했다. 텐진 대학교 연구팀은 미래 항공우주 설계에 큰 영향을 미칠 알루미늄의 내열성을 높이는 새로운 기술을 개발했다고 과학 기술 전문매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다. 이번 연구 결과는 지난달 '네이처 머티리얼스'에 게재됐다. 새로 개발된 신소재는 산화 분산 강화 알루미늄 합금으로 최대 섭씨 500도까지 견딜 수 있다. 이는 섭씨 400도 이상에서 빠르게 분해되어 항공우주 산업이나 운송 등의 여러 분야에서 사용이 제한되는 기존 알루미늄 합금의 한계를 해결할 수 있다. 알루미늄 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도와 우수한 내식성으로 인해 그동안 높은 평가를 받아왔다. 그러나 높은 온도에서 이러한 특성을 유지하기 힘들어 사용이 제한됐다. 특히 높은 온도가 일반적인 항공우주 응용 분야에서 더욱 그러하다. 연구팀은 알루미늄 합금에 고밀도, 초미세, 균일하게 분산된 나노 입자를 투입해 신소재를 제작했다. 톈진 대학교의 발표에 따르면 이 방법을 통해 합금의 고온 저항성을 크게 개선해 섭씨 500도에서 200 메가파스칼 이상의 인장 강도를 입증했으며, 기존 알루미늄 합금보다 6배 이상 뛰어난 안정성을 나타냈다. 게다가 텐진 대학교 재료과학 및 공학부의 허 춘니안 교수와 그의 팀이 개발한 기술은 일루미눔에만 국한되지 않고 여러 금속을 강화하는 데도 사용할 수 있다. 논문 저자들은 "우리의 공정 방식은 고온 관련 응용 분야를 위한 광범위한 합금에 초미세 나노 입자를 분산시킬 수 있다"고 말했다. 이 공정에는 분말 야금을 사용해 매우 안정적인 산화마그네슘 나노 입자를 알루미늄 매트릭스에 통합하는 것이 포함된다. 이 기술은 재료의 내열성을 향상시킬 뿐만 아니라 제조 공정이 간단하고 비용 효율적이며 대량 생산에 적합하다. 허 교수는 항공우주 엔진 및 핵심 부품을 위한 내열 알루미늄 합금의 개발을 가속화하기 위해 업계 리더 및 연구 기관과 협력하고 있다며 이 혁신적인 알류미늄 소재의 실질적인 의미를 강조했다. 그는 이 소재가 곧 다양한 고온 함금 응용분야에 적용될 것으로 예상하면서 산업적 적용을 기대했다.
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[신소재 신기술(50)] 항공우주·운송 변화시킬 내열성 알루미늄 합금 탄생
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드림 체이서 우주선, 국제우주정거장 발사 앞두고 플로리다 도착…세계 첫 상업용 우주선
- 지구 저궤도 위성의 상업적 활용을 확대한다는 나사(NASA) 전략의 일환으로, 시에라 스페이스(Sierra Space)의 무인 우주선이 국제우주정거장으로의 발사를 앞두고 플로리다주에 있는 나사 케네디 우주센터에 도착했다. 22일(현지시간) 나사 홈페이지에 따르면 테나시티(Tenacity)라는 이름의 드림 체이서(Dream Chaser) 우주선은 오하이오주 샌더스키에 소재한 나사의 닐 암스트롱 시험시설에서 기후 제어 운송 컨테이너를 타고 18일 케네디 우주센터에 도착했으며, 지난 11일 이미 도착한 슈팅 스타 화물 모듈에 합류했다. 케네디 센터에 도착하기 전 우주선과 화물 모듈은 나사의 실험 시설에서 우주선 발사 및 대기권으로의 재진입 시 일어날 수 있는 진동 테스트를 받았다. 진동 테스트 후 모듈은 나사의 우주 추진 시설로 이동, 낮은 주변 압력과 화씨-150(섭씨 약 -101도)~300도(섭씨 약 149도)의 극한 온도에 노출하는 시험도 시행했다. 케네디에 도착한 드림 체이서 테나시티 우주선은 우주시스템 시설 내 고층으로 이동, 올해 하반기로 예정된 발사에 앞서 최종 테스트와 발사 전처리를 받게 된다. 우주선은 ULA(United Launch Alliance)의 벌칸 로켓을 타고 케이프커내버럴 우주 기지의 스페이스 론치 콤플렉스-41에서 발사돼 7800파운드(약 3538kg)의 화물을 궤도상의 연구소에 전달할 예정이다. 케네디 센에서의 비행 전 잔여 실험은 음향 및 전자기 간섭 및 호환성 테스트, 우주선의 열 보호 시스템 작업 완료 및 최종 페이로드 통합 등이다. 드림 체이서는 길이 30피트(9.144m), 폭 15피트(4.572m)의 승강체 디자인의 우주선이다. 독특한 날개 디자인으로 화물을 지구 저궤도로 수송할 수 있으며, 나사의 우주왕복선처럼 활주로에 착륙하는 능력을 갖고 있다. 15피트짜리 슈팅 스타 모듈은 내부적으로 최대 7000파운드의 화물을 운반할 수 있으며 3개의 비 가압 외부 페이로드 마운트를 갖추고 있다. 부분적으로 재사용 가능한 운송 시스템은 지구 저궤도에서의 상업용 재공급 서비스를 확대하려는 나사 전략의 핵심 중 하나다. 이를 통해 우주정거장까지 최소 7회의 화물수송 임무를 수행할 예정이다. 향후 임무는 최장 75일간 지속되며, 최대 1만 1500파운드( 6804kg)의 화물을 운반할 수 있다. 드림 체이서 우주선은 재사용이 가능하고 최대 3500파운드(약 1587kg)의 화물을 지구로 가져올 수 있다. 다만 슈팅 스타 모듈은 재진입 중에 버려져 소각된다. 각 임무마다 최대 8500파운드(약 3855kg)의 쓰레기를 처리하게 된다. 미래 나사의 재보급 임무를 수행하기 위한 과정의 일환으로, 나사와 시에라·스페이스는 저궤도에 진입한 우주선을 실제로 테스트할 예정이다. 드림 체이서 테나시티는 우주정거장에 접근하면서 자세 제어, 병진 및 중지 기능을 입증하는 일련의 시연을 수행할 예정이다. 기동성 시연을 마치면 우주정거장 우주비행사들은 카나담2(Canadarm2) 로봇 팔을 사용해 우주선을 잡고 지구를 향한 포트에 도킹한다. 우주선은 궤도상의 실험실에 약 45일간 머무른 후 우주정거장에서 지구로 향해 케네디 우주 시설로 다시 돌아온다. 착륙 후 시에라 스페이스는 필요한 검사를 하기 위해 드림 체이서를 처리 시설로 되돌려 나머지 나사 화물을 하역하고 다음 임무를 준비하는 프로세스를 시작한다.
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- IT/바이오
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드림 체이서 우주선, 국제우주정거장 발사 앞두고 플로리다 도착…세계 첫 상업용 우주선
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[퓨처 Eyes(37)] 양자 컴퓨팅, 초순수 실리콘 개발로 큰 도약
- 과학자들이 실리콘 동위원소 제거를 통해 정제된 초순수 실리콘을 만들어 양자 컴퓨팅 구현에 한 발 더 다가섰다. 최근 영국과 호주의 과학자들이 고성능 큐비트 장치를 구성할 수 있는 초순수 실리콘을 생산해 양자 컴퓨팅 발전에 새로운 가능성을 열었다고 어스닷컴과 인디펜던스 등 다수의 외신이 보도했다. 이번 연구는 호주 멜버른 대학교와 영국 맨체스터 대학교의 첨단 전자 재료 그룹이 주도했다. 실리콘은 전자 제품과 컴퓨팅에서 매우 중요한 소재로, 반도체 기술의 동의어처럼 사용된다. '실리콘 밸리'라는 지명도 실리콘의 중요성을 반영한다. 실리콘은 다양한 조건에서 전기를 전도하도록 만들 수 있으며, 지각에서 두 번째로 풍부한 원소로 쉽게 구할 수 있는 장점이 있다. 지난 수십 년 동안 실리콘은 컴퓨터의 엄청난 확장을 촉진했지만, 실리콘의 순도 문제는 슈퍼컴퓨터 등 고급 시스템에서 제한 요소로 작용했다. 실리콘은 자연 상태에서 실리콘-28(Si-28), 실리콘-29(Si-29), 실리콘-30(Si-30) 등 세 가지 안정적인 동위원소로 존재한다. Si-28은 전체 실리콘의 약 92.23%를 차지하며, Si-29는 약 4.67%, 희귀한 Si-30은 약 3.10%를 차지한다. 이번 연구의 공동 감독자인 데이비드 제이미슨 교수는 "자연적으로 발생하는 실리콘은 대부분 Si-28이지만, 약 4.5% 존재하는 동위원소 Si-29가 문제를 일으킨다"고 지적했다. 그는 "실리콘-29는 각 원자의 핵에 여분의 중성자가 있어 작은 불량 자석처럼 작용해 양자 일관성을 파괴하고 컴퓨팅 오류를 일으킨다"고 설명했다. 연구팀은 이온 주입기를 사용해 컴퓨터 칩에 Si-28 빔을 발사해 Si-29의 불순물을 제거했다. 그 결과 Si-29 함량이 4.5%에서 0.0002%로 감소했다. 제이미슨 교수는 "이온 주입기를 조정해 실리콘을 이 수준으로 순수하게 정제할 수 있다"고 밝혔다. 이번 연구를 주도한 리처드 커리 교수는 "이 획기적인 발전으로 양자 컴퓨팅을 구축하는 작업이 상당히 가속화될 것"이라고 말했다. 커리 교수는 "우리는 실리콘 기반 양자 컴퓨터를 구성하는 데 필요한 중요한 ‘벽돌’을 효과적으로 만들었다"라고 비유하면서, "이 기술은 인류를 변화시킬 잠재력을 가진 기술(양자 컴퓨팅)을 실현 가능하게 만드는 중요한 단계"라고 덧붙였다. 이번 발견은 과학 학술지 커뮤니케이션 머티리얼스-네이처에 게재됐다. 양자 컴퓨터는 큐비트 수가 많을수록 더 강력하지만, 오류에 더 취약하다. 양자 컴퓨팅의 구성 요소인 큐비트는 매우 민감하여 안정적인 환경이 필요하기 때문이다. 온도 변화 등 환경의 아주 미세한 변화도 컴퓨터 오류를 일으킬 수 있다. 다시 말하면, 양자 컴퓨터는 양자 물리학의 무한한 영역을 활용해 일반 컴퓨터가 할 수 없는 일을 수행할 수 있다. 그러나 정보를 처리하고 저장하는 양자 비트(큐비트)는 미세한 온도 변동이나 실리콘 불순물과 같은 사소한 간섭으로 인해 '일관성'을 잃을 수 있다. 그로 인해 오늘날 과학자들이 사용하는 양자 컴퓨터는 절대 온도(-273도)에 가까운 냉장고에 넣어 두는 경우에만 오류 없이 작동할 수 있다. 큐비트는 중첩과 얽힘 같은 고유한 특성을 가지며, 이를 통해 많은 계산을 병렬로 수행할 수 있다. 하지만 큐비트는 환경에 매우 민감하여 쉽게 양자 상태를 잃을 수 있다. 이를 디코히어런스라고 한다. 이러한 취약성 때문에 양자 오류 수정 기술이 필요하다. 실리콘은 기존 컴퓨팅의 기반이 되는 물질로, 연구자들은 실리콘이 확장 가능한 양자 컴퓨터의 해답이 될 것으로 기대하고 있다. 천연 실리콘의 동위원소 문제를 해결한 멜버른 대학교의 과학자들은 Si-29와 Si-30의 원자를 제거하여 양자 컴퓨터에 적합한 고품질의 초순수 실리콘을 만들어냈다. 슈퍼 컴퓨터를 능가하는 양자 컴퓨터는 단 30개의 큐비트로 작동된다. 이 프로젝트에서 실험을 수행한 라비 아차리아 박사는 "고품질 실리콘 큐비트를 생성하는 능력은 지금까지 사용된 실리콘의 순도에 의해 제한되었다. 우리가 보여준 획기적인 순도는 이 문제를 해결한다"고 설명했다. 제이미슨 교수는 "우리의 기술은 인공지능, 보안 데이터, 통신, 백신 및 의약품 설계, 에너지 사용, 물류 및 제조 등 사회 전반에 걸쳐 획기적인 변화를 약속하는 안정적인 양자 컴퓨터로 가는 길을 열어준다"고 밝혔다. 그는 "이제 우리는 매우 순수한 실리콘-28을 생산할 수 있게 됐다. 다음 단계는 많은 큐비트에 대해 동시에 양자 일관성을 유지할 수 있음을 입증하는 것이다. 큐비트가 30개에 불과한 양자 컴퓨터는 일부 응용 분야에서 오늘날의 슈퍼컴퓨터 성능을 능가할 것"이라고 덧붙였다. 새로운 의약품 설계나 정확한 일기 예보는 오늘날의 슈퍼 컴퓨터로는 계산이 너무 어려운 영역이다. 커리 교수는 "대규모 데이터를 처리할 수 있는 능력을 재고할 수 있는 기술을 통해 우리는 기후 변화의 영향을 해결하고, 보안 통신과 백신 설계 등 의료 문제를 해결하는 등 복잡한 현실 문제에 대한 솔루션을 찾을 수 있을 것"이라고 말했다. 이번 연구 성과는 1917년 어니스트 러더퍼드의 '원자 쪼개기' 발견, 1948년 '더 베이비'의 전자 저장 프로그램 컴퓨팅 최초 시연 등 맨체스터 대학교의 과학 혁신 역사와 맞물려 중요한 이정표가 될 것으로 보인다. 연구팀은 이번에 발견한 초순수 실리콘이 큐비트가 많은 양자 컴퓨터가 더 오랫동안 안정적으로 작동하는 데 도움이 될 것이며, 다음 단계는 이를 테스트하는 것이라고 말했다.
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[퓨처 Eyes(37)] 양자 컴퓨팅, 초순수 실리콘 개발로 큰 도약
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미세 플라스틱, 인간과 개 고환 조직에서도 발견⋯생식 기능 저하 우려
- 미세 플라스틱이 인간 태반과 생쥐의 뇌뿐만 아니라 인간과 개의 생식기에서도 발견됐다. 미국 뉴멕시코주 앨버커키에 있는 뉴멕시코대학(UNM) 연구팀은 인간과 개의 고환 조직에서 미세 플라스틱을 다량 검출했다고 밝혀 미세 플라스틱이 인간의 생식 건강에 미칠 수 있는 영향에 대한 우려가 커지고 있다. 앞서 수행된 연구에서 미세 플라스틱은 인간의 태반과 장기, 생쥐의 뇌에서도 검출됐다. 지난 4월 10일 '환경 건강 관점(Environmental Health Perspectives)'에 발표된 연구 중 하나는 건강한 쥐에게 폴리스티렌 마이크로스피어(polystyrene microspheres)를 4~8주 동안 먹이는 실험이었다. 이후 과학자들은 폴리스티렌 마이크로스피어를 섭취한 쥐의 경우 뇌, 간, 신장 등의 조직에서 미세 플라스틱 조각이 검출된 것을 확인했다. 또한 미세 플라스틱을 먹은 쥐에게서 담석증 형성이 가속화됐다는 연구 결과도 나왔다. 세계보건기구(WHO)에 따르면, 미세 플라스틱은 일반적으로 크기가 5mm 이하인 불용성 고체 고분자 입자를 말한다. 그보다 더 작은 1㎛(마이크로미터) 이하의 입자는 일반적으로 미세 플라스틱이 아닌 나노 플라스틱으로 불린다. UNM 간호대학 교수인 샤오중 '존' 유(Xiaozhong 'John' Yu) 박사가 이끄는 연구팀은 '독성 과학(Toxicological Sciences)' 저널에 발표한 새로운 논문에서 사람 23명과 개 47마리의 고환에서 12종의 미세 플라스틱을 발견했다고 보고했다. 유 박사는 "우리 연구에서는 모든 인간과 개의 고환에 미세플라스틱이 존재한다는 사실이 밝혀졌다"고 말했다. 연구팀은 새로운 분석 방법을 사용해 조직 검체에서 미세 플라스틱의 양을 정량화할 수 있었으며, 특정 플라스틱 종류와 개의 정자 수 감소 간의 상관관계를 밝혀냈다. 인체 생식계에 미치는 다양한 환경 요인을 연구하는 유 박사는 최근 들어 중금속, 농약, 내분비계 교란 물질 등이 전 세계적으로 사람들의 정자 수 및 질적 저하에 관련이 있다고 말했다. 유 박사는 인간 태반에서 미세 플라스틱 존재를 입증한 매튜 캠펜 박사(뉴멕시코 대학교 약대 교수)와의 대화를 통해 미세 플라스틱의 인체 검출에 다른 원인이 있을지도 모른다는 의문을 갖게 됐다고 한다. 이를 계기로 유 박사는 캠펜 박사의 연구실에서 태반 연구에 사용했던 것과 동일한 실험 방법을 사용해 연구를 설계했다. 연구팀은 뉴멕시코 검시관 사무소로부터 익명 처리된 인체 조직(7년 보관 후 폐기)을 입수했으며, 개 조직은 앨버커키시 동물 보호소와 중성화 수술을 시행하는 사설 동물 병원에서 제공했다. 연구팀은 시료를 화학적으로 처리해 지방과 단백질을 분해하고 각 시료를 초원심 분리기로 회전시켜 플라스틱 덩어리를 얻었다. 그런 다음 금속 컵에 담긴 플라스틱 펠릿을 섭씨 600도까지 가열했다. 연구팀은 질량 분석기를 사용해 특정 온도에서 다양한 종류의 플라스틱이 연소할 때 배출되는 가스를 분석했다. 개의 경우 고환 조직에서 미세 플라스틱의 평균 농도는 1g당 122.63μg(마이크로그램, 1g의 백만분의 1)였다. 인체 조직에서는 329.44μg/g으로 개보다 거의 3배 높았다. 이는 캠펜 박사가 태반 조직에서 발견한 미세 플라스틱 평균 농도보다도 훨씬 높았다. 유 박사는 "처음에는 미세 플라스틱이 생식 기관에 침투할 수 있을지 의문이 들었다"라면서도 "개에 대한 결과를 처음 받았을 때 저도 놀랐다. 인간에 대한 결과를 받았을 때는 더욱 놀랐다"고 말했다. 폴리에틸렌(PE) 최다 검출 연구팀에 따르면 인간과 개의 조직에서 가장 흔하게 발견되는 폴리머는 폴리에틸렌(PE)이었다. 이는 플라스틱 가방과 병 제조에 사용된다. 개에게는 산업, 도시 및 가정용 배관과 여러 다른 용도로 사용되는 PVC가 그 뒤를 이어 검출됐다. 유 박사는 연구팀은 화학적으로 보존된 인간 시료에서는 정자 수를 세어볼 수 없었지만, 개의 경우 시료의 정자 수를 셀 수 있었으며, 조직 내 PVC 농도가 높을수록 정자 수가 적다는 상관관계를 발견했다고 말했다. 하지만 PE 조직 농도와는 관련성이 없었다. 그는 "플라스틱 종류에 따라 잠재적인 기능과 상관관계가 있을 수 있다"며 "PVC는 정자 생성을 방해하는 많은 화학물질을 방출할 수 있으며, 내분비계 교란을 일으키는 화학물질을 포함하고 있다"고 말했다. 이 연구는 몇 가지 이유로 인간과 개의 조직을 비교했는데, 그 중 하나는 개가 사람과 함께 살고 환경을 공유하기 때문이다. 또한 개와 사람은 생물학적 특징도 일부 공유하고 있다. 유 박사는 "쥐나 다른 동물에 비해 개는 인간에 더 가깝다"고 말했다. 이어 "생리적으로 그들의 정자 생성은 인간에 더 가깝고 농도도 인간과 더 유사하다"면서 개의 정자 수도 감소하는 것으로 보인다고 전했다. 그는 "개와 인간이 정자 수 감소에 기여하는 공통적인 환경 요인을 공유하고 있는 것 같다"고 부연했다. 미세플라스틱은 플라스틱이 햇빛의 자외선에 노출되어 매립지에서 분해될 때 발생한다. 바람에 날리거나 인근 수로로 운반될 수 있으며, 일부 조각은 나노미터(10억 분의 1미터) 단위로 측정될 정도로 매우 작다. 매년 강과 바다호 흟러드는 플라스틱 폐기물은 800만톤에 달하는 것으로 알려졌다. 전 세계적으로 플라스틱 사용이 계속 증가함에 따라 플라스틱은 이제 환경에 어디에나 존재한다. 심지어 남극 대륙의 크릴 새우에도 미세 플라스틱이 발견됐다. 유 박사는 OMI 부검 시료에 포함된 남성의 평균 연령이 35세로, 플라스틱 유통량이 적었던 수십 년 전부터 플라스틱에 노출되기 시작했다는 점에 주목했다. 그는 "그 어느 때보다 많은 플라스틱이 환경에 존재하는 지금이 젊은 세대에게 더 큰 악 영향을 미칠까 우려스럽다"고 말했다. 그는 이번 연구 결과가 미세 플라스틱이 고환의 정자 생산에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 이해하기 위한 추가 연구의 길을 제시한다고 말했다. 유 박사는 "아직 밝혀지지 않은 것이 많다. 우리는 잠재적인 장기적인 영향이 무엇인지 살펴볼 필요가 있다"면서 "미세 플라스틱이 정자 감소에 기여하는 요인 중 하나인 걸까요?"라고 반문했다. 유 박사는 "우리는 사람들을 겁주고 싶지 않다"며 이번 연구 결과에 대해 사람들이 당황하지 않기를 바란다고 밝혔다. 그는 "우리는 과학적으로 데이터를 제공하고 사람들에게 미세 플라스틱이 많다는 사실을 알리고 싶다. 우리는 플라스틱 노출을 피하고, 생활 방식을 바꾸고, 행동을 바꾸기 위해 스스로 선택할 수 있다"며 플라스틱의 폐해를 줄이자고 강조했다.
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미세 플라스틱, 인간과 개 고환 조직에서도 발견⋯생식 기능 저하 우려
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[기후의 역습(6)] 기후변화로 뇌 질환 악화…치매·우울증·뇌전증 등에 악영향
- 기후 변화와 기상 재해가 치매나 뇌졸중 등 뇌 질환과 정신 질환을 앓는 환자들의 건강에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 높다는 연구 결과가 나와 주목된다. 이 분석은 UCL(유니버시티 칼리지 런던)이 주도하는 연구팀이 밝힌 것으로, 결과는 영국 의학 전문지 '랜싯 신경학(Lancet Neurology)'에 게재됐다고 메디칼익스프레스가 전했다. 보고서에서 연구팀은 기후 변화가 뇌와 신경 질환을 앓고 있는 사람들에게 큰 영향을 미칠 수 있다고 전제하고, 건강 유지 및 불평등 악화를 막기 위해 기후 변화에 대한 이해도를 높이는 것이 시급하다고 강조했다. 해당 연구는 1968~2023년까지 전 세계에 걸쳐 발표된 332편의 논문을 종합 검토하는 방대한 작업을 통해 이루어졌다. 팀은 뇌졸중, 편두통, 알츠하이머병, 수막염, 간질 및 다발성 경화증 등 19가지의 신경계 질환과 함께 불안, 우울증, 정신분열증 등 흔하지만 심각한 여러 정신 질환에 대한 기후 변화의 영향을 다각도로 진단했다. 산제이 시소디야 교수(UCL 퀸스퀘어 신경학 연구소)가 이끈 연구팀은 기후 변화가 신경 질환에 미치는 영향과 규모가 상당하다고 밝혔다. 시소디야 교수는 "기후 변화가 뇌 상태, 특히 뇌졸중과 신경계 관련 질환에 미치는 영향에 대한 명확한 증거가 나왔다. 극단적으로 높거나 낮은 온도를 포함한 기후 변화는 뇌 질환에 영향을 미쳤으며 특히 계절적으로 특이한 기상의 경우에 더욱 그렇다“고 설명했다. 연구팀은 주변 온도가 높거나 열파가 심한 환경에서 뇌졸중으로 인해 입원, 장애 또는 사망률이 증가했다는 사실을 발견했다. 이는 2010~2019년 사이 보험금 청구 사례를 분석한 논문에서 밝혀진 것이다. 인지 장애는 환경 변화에 적응하는 행동을 제한한다. 이 때문에 치매 환자의 경우 극한 기온 변화 또는 홍수나 산불과 같은 기상 재해로 인해 피해를 입기 쉽다고 연구팀은 지적했다. 이는 허약해지는 체력, 복합 질병 및 향정신성 약물 등으로 인해 더욱 악화되며, 더 큰 기온 변화나 폭염 등으로 인해 치매 환자들의 입원 및 사망률이 높아진다. 뇌졸중으로 이어지기도 하며, 수면 부족으로 인해 뇌전증에도 악영향을 미친다는 것이다. 연구팀은 또 악천후의 심각성 증대, 지구 온도 상승 등 악화되는 환경으로 뇌잘환 위험 노출은 갈수록 높아지고 있다고 지적했다. 시소디야 교수는 지금까지 기후 변화를 연계해 사람들의 건강을 추정하는 연구는 많이 이루어지지 않았다고 말했다. 기후 변화가 뇌 질환에 미치는 영향은 향후의 정책적 대응을 어렵게 만드는 만큼 개인과 조직 건강 모두에 유용한 정보를 생성하려면 역동적으로 움직여야 한다는 지적이다. 그는 "기후 변화와 기상 재해에 따른 뇌질환과 정신질환 분야의 영향은 기후 정책을 더욱 복잡하게 만들 것”이라며, 취해야 할 조치를 시급히 진행해야 한다고 강조했다.
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- IT/바이오
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[기후의 역습(6)] 기후변화로 뇌 질환 악화…치매·우울증·뇌전증 등에 악영향
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[먹을까? 말까?(15)] 희귀 햄버거, 미국 젖소 조류독감 감염으로 안전 점검 필요
- 최근 미국에서 젖소의 조류독감 감염으로 양이나 사슴 등 동물의 고기로 만든 희귀 햄버거의 위생 안전 문제가 수면위로 떠오르고 있다. 양고기 햄버거는 양고기 특유의 독특한 풍미와 약간의 지방 함량이 특징이다. 일반적으로 양파, 마늘, 허브 등 양념을 듬뿍 넣어 만들며, 페타 치즈, 후무스 등 양오긱와 잘 어올리는 토핑을 추가하기도 한다. 미 농무부(USDA)는 미국에서 젖소에서 H5N1 조류독감 바이러스가 검출된 후 생고기에 대한 즉각적인 조류독감 실험실 테스트에 나섰다. CNN은 지난 16일(현지시간) 젖소에서 검출된 H5N1 조류 독감 바이러스에 대한 새로운 USDA 테스트 결과에 대해 보도했다. 미국 농무부의 실험실 테스트 결과, 생 소고기에서 H5N1 조류 독감 바이러스는 발견되지 않았다. 그러나 이 테스트는, 희귀 햄버거를 먹는 것이 왜 위험한지를 상기시켜주었다. 햄버거 패티, 얼마나 익히는 게 안전할까? 농무부는 최근 젖소에서 H5N1 조류 독감 바이러스가 검출된 후 안전한 식품 취급 요령을 확인하기 위해 실시한 일련의 테스트의 일환으로, 대체 바이러스를 갈은 소고기에 섞은 다음 다양한 시간과 온도에서 패티를 조리하는 실험을 진행했다. 연구원에 따르면 중간 크기의 햄버거 패티를 섭씨 145도까지 조리한 햄버거나 160도까지 조리한 웰던 버거에서는 바이러스가 발견되지 않았다. 그러나 120℃ 이하로 익힌 패티에서는 살아있는 바이러스가 일부 발견됐다. USDA의 고병원성 조류 인플루엔자 수석 고문 대행인 에릭 디블은 "바이러스는 '훨씬, 훨씬 낮은 수준'으로 존재했다"고 말했다. 그러나 낮은 온도에서 익힌 햄버거 패티에 존재하는 소량의 바이러스가 사람을 병에 걸리게 할 수 있는지는 아직 알려지지 않았다. 디블은 USDA는 이미 살모넬라균이나 대장균과 같은 박테리아에 의한 감염을 피하기 위해 식품 온도계로 측정한 내부 온도를 160℃까지 조리할 것을 소비자에게 권고하고 있다고 지적했다. 그는 "이미 권장되고 있는 안전한 식품 취급이나 안전한 조리 관행을 바꿀 필요는 없다고 생각한다"고 말했다. 디블은 지난 5월 6일부터 5월 12일까지 전국 실험실에서 소의 H5N1 조류 독감에 대한 1100건의 검사를 처리했으며, 그 중 278건이 양성으로 추정된다고 말했다. 그는 같은 동물에서 여러 샘플을 채취하거나 검사를 합칠 수 있기 때문에 검사 건수가 검사한 동물의 수나 양성 판정을 받은 동물의 수를 반영하지 않는다고 경고했다. 약 600건의 검사는 주(Stste)를 이동하는 젖소에 대한 검사를 의무화하는 USDA의 새로운 명령에 따라 수행됐다. 또 다른 450건의 검사는 감염 증상을 보이는 젖소를 대상으로 실시됐다. 희귀 햄버거, 먹어도 안전한가? 그렇다면 소고기가 아닌 사슴 고기 등으로 만든 희귀한 햄버거 패티는 어떨까. 사슴고기 햄버거는 소고기보다 높은 단백질 함량과 낮은 지방 함량을 가지고 있다. 사슴 고기 특유의 맛을 살리기 위해 소금, 후추와 같은 간단한 양념으로만 맛을 내기도 하고, 버섯이나 베이컨, 크랜배리 소스 등 다양한 토핑을 활용해 풍미를 더하기도 한다. 그러나 미국에서는 지난 4월 만성소모성질병(CWD: Chronic wasting disease), 즉 '좀비사슴병(광록병)'을 앓고 있던 사슴 고기를 먹은 사냥꾼 2명이 비슷한 신경 질환을 앓고 사망한 소식이 뒤늦게 알려지면서 CWD가 동물에서 인간으로 전염될 수 있다는 우려가 제기됐다. CWD에 감염된 사슴은 체중 감소, 균형 조정력 상실, 무기력증, 체중 감소, 침흘림, 사람에 대한 두려움 부족 등의 현상이 나타나기 때문에 '좀비사슴병'이라고도 불린다. 샌안토니오에 있는 텍사스 대학교 건강과학센터의 연구원들은 지난 2022년 CWD를 앓고 있었던 사슴 고기를 먹은 두 명의 사냥꾼이 CWD와 같은 신경 질환인 산발성 크로이츠펠트야콥병(CJD) 발병한 후 어떻게 사망했는지를 보고했다. 연구진은 두 번째로 사망한 남성이 77세였으며 정신적인 혼란과 공격성을 나타냈고, 치료를 진행했지만 한 달 안에 사망했다고 밝혔다. 올해 4월 초 미국 신경과 학회 연례 회의에서 발표된 사례 보고서에서 연구원들은 "사망한 환자의 병력은 CWD가 동물로부터 인간으로의 전염 가능성을 시사한다"라고 적어 사슴고기 섭취에 주의보를 내렸다. 연구 결과는 ‘노롤로지’ 저널에 게재됐다. 그밖에 사슴고기 외에도 악어고기, 말고기, 코끼리고기 등 다양한 희귀 고기로 만든 햄버거가 있다. 미국 뉴욕에 있는 바이트 카페(Bite Cafe)는 특이한 재료를 사용한 햄버거를 제공하는 곳으로 악어고기, 사슴 고기 등을 햄버거 메뉴에 포함시켰다. 호주 루버거(RooBerger)는 캥거루 고기를 사용한 햄버거를 파는 매장으로 유명하지만 사슴고기 등 다른 희귀 고기를 사용하는 햄버거도 있다. 희귀 햄버거 패티의 맛에 대한 호기심 때문에 건강을 잃지 않도록 주의하는 것이 바람직하다. 한편, 미국에서는 젖소의 조류독감 바이러스 검출로 우유를 마시는 것이 안전한가에 대한 우려도 제기됐다. 미 연방 식품의약국(FDA)에 따르면 저온살균처리된 우유는 마셔도 안전하다는 대답이다. 저온살균공정은 1860년대에 발명됐다. 1860년대에 프랑스 미생물학자 루이 파스퇴르는 와인과 맥주를 가열하면 부패를 일으키는 미생물이 죽는다는 사실을 발견했다. 이는 당시 프랑스에서 매우 심각한 문제였다. 섭씨 63도(화씨 143)도에서 30분간 가열하는 방법으로 '저온살균법'으로 알려지게 된 이 가열 과정은 제2차 세계대전 이전에 미국에서 채택됐다. 당시 미국에서 발생하는 식중독 질병의 23%가 우유로 인해 발생했다. 1973년에 연방 정부는 미국 내 전역에서 판매되는 모든 우유를 저온 살균하도록 요구했고, 1987년에는 원유의 주 간 판매를 금지했다.
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- 생활경제
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[먹을까? 말까?(15)] 희귀 햄버거, 미국 젖소 조류독감 감염으로 안전 점검 필요
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[기후의 역습(5)] 대기 중 이산화탄소 축적, 과거 어느 때보다 10배 이상 빨라져
- 오늘날 대기 중 이산화탄소 증가 속도는 지난 5만 년 어떤 시점보다도 최소 10배나 빠르다는 사실이 밝혀졌다. 고대로부터 쌓인 남극 얼음에 대한 상세한 화학적 분석을 통해 이 같은 사실이 드러났다고 연구 결과를 인용해 PHYS가 보도했다. 이번 연구는 미국 오리건 주립대학교 연구팀이 수행했으며, 결과 보고서는 미국 '국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)' 최신호에 실렸다. 연구 결과는 과거 지구의 급격한 기후 변화에 대한 중요한 새로운 지식을 제공하는 동시에 오늘날 기후 변화의 영향에 대처할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. 연구를 이끈 오리건 주립대 지구, 해양 및 대기과학대학의 캐슬린 웬트(Kathleen Wendt) 교수는 "과거를 연구하면 오늘날이 어떻게 다른지를 알 수 있는데, 연구 결과 나타난 오늘날의 이산화탄소 변화는 전례가 없는 규모다"라고 말했다. 웬트 교수는 "우리 연구는 지금까지 관찰된 과거의 자연적 이산화탄소 증가 속도를 크게 뛰어넘는 가장 빠른 속도임을 확인했으며, 이는 과거와 달리 주로 인간에 의한 배출로 인해 발생하는 것으로 그 속도는 과거 어느 때보다 최소 10배 더 높다"고 지적했다. 이산화탄소는 대기 중에 자연적으로 발생하는 온실가스다. 이산화탄소가 대기에 유입되면 온실효과로 인해 기후가 따뜻해지고 지구 온도가 올라간다. 과거에는 빙하기 주기 및 기타 자연적 원인으로 인해 이산화탄소 수준이 변동했지만, 오늘날에는 인간의 배출로 인해 그 수준이 급격히 상승하고 있다. 수십만 년에 걸쳐 남극에 쌓인 빙하에는 기포 상태로 갇혀 있는 고대 대기 가스가 포함되어 있다. 연구팀은 최대 3.2km 깊이까지 코어를 뚫어 수집한 얼음 봉 샘플을 채취, 그 속에 포함된 미량 화학물질을 분석하고 과거 기후에 대한 기록을 수행했다. 과거의 연구에서는 약 1만 년 전에 끝난 마지막 빙하기 동안 이산화탄소 수준이 평균보다 훨씬 더 높은 기간이 여러 번 있었던 것으로 나타났다. 그러나 과거의 측정은 급격한 변화의 전체 특성을 밝힐 만큼 상세하지 않았다. 웬트에 따르면 이는 과거에 무슨 일이 일어났었는지를 이해하는 데 제한적인 데이터였다. 웬트 박사팀은 과거 빙하기 등의 기간에 무슨 일이 일어났는지를 알아보기 위해 더욱 자세한 화학적 측정을 수행했다. 팀은 서남극 빙상에서 채취한 샘플을 분석하는 과정에서 특정한 패턴이 있었음을 확인했다. 대기 중 이산화탄소의 급증이 전 세계의 급격한 기후 변화와 관련된 하인리히이벤트(Heinrich Events)와 함께 발생했다는 것이다. 하인리히이벤트란 마지막 빙하기 동안 총 6번 발생한 것으로 알려진 기후 한랭화 사건으로, 빙산에 의해 운반된 다량의 암석 파편이 북대서양 해저에서 발견되면서 밝혀졌다. 연구팀은 하인리히이벤트는 빙상의 급격한 붕괴에 의해 발생했으며, 이는 열대 몬순, 남반구 서풍 및 바다에서 나오는 대량의 이산화탄소의 변화를 포함한 연쇄 반응으로 이어졌다고 추정했다. 이산화탄소 농도의 자연적인 상승 중 가장 긴 기간은 55년 동안 약 14ppm이 증가한 것이었다. 이런 이산화탄소 급증은 약 7000년에 한 번씩 발생했다. 그러나 오늘날의 이산화탄소 증가 속도로 계산하면 이 정도 이산화탄소가 증가하는 데는 5~6년밖에 걸리지 않는다. 과거 가장 증가 폭이 컸던 기간에 비해 10배나 빠른 것이다. 이산화탄소 증가 폭이 상대적으로 적었던 다른 기간에 비하면 그 이상이라는 것을 의미한다. 수집된 증거에 따르면 과거 자연적인 이산화탄소 상승기 동안 심해 순환에 중요한 역할을 하는 서풍도 강화돼 남극해에서 이산화탄소가 빠르게 방출됐다. 다른 연구에서는 기후 변화로 인해 이러한 편서풍이 다음 세기 동안 강화될 것이라는 예상도 나왔다. 만약 그런 일이 일어난다면, 남극해의 이산화탄소 흡수 능력이 크게 감소할 것이라고 연구팀은 지적했다. 웬트는 "우리가 방출하는 이산화탄소의 흡수를 일부 남빙양에 의존하지만, 남풍이 급격히 증가하면 흡수 능력이 크게 약화되고 기후 변화는 가속할 것이며 지구 온난화는 더 심해질 것"이라고 우려했다.
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- 경제
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[기후의 역습(5)] 대기 중 이산화탄소 축적, 과거 어느 때보다 10배 이상 빨라져
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[기후의 역습(4)] 기후 과학자 77%, "2.5°C 지구 온난화 피할 수 없다" 경고
- 기후 과학자 중 약 80%가 2100년까지 지구 온도가 최소 섭씨 2.5도 상승할 것으로 예상했다. 지구 온난화를 산업화 이전 수준 대비 1.5도로 제한하는 데 성공할 것이라고 생각한 과학자는 6%에 불과했다고 가디언이 전했다. 거의 4분의 3에 달하는 응답자는 세계 지도자들의 부족한 행동을 ‘의지 부족의 소치’라고 비난했으며, 60%는 화석연료 회사와 같은 기업의 이익이 온난화를 늦추는 기후 대응 조치의 진전을 방해하고 있다고 답했다. 남아프리카공화국의 한 과학자는 가디언지에 "남반부 주민들이 막대한 고통과 고난을 겪게 될 디스토피아에 가까운 미래를 우려한다"면서 "현재까지 세계의 반응은 비난받아 마땅하며, 우리는 바보들의 시대에 살고 있다"고 비판했다. 이번 설문 조사는 가디언의 대미언 캐링턴이 2018년부터 IPCC(기후 변화에 관한 정부 간 패널) 보고서의 선임 저자로 활동한 모든 전문가를 대상으로 실시했다. 연락처 정보가 제공되는 843명의 과학자 중 383명이 설문에 응답했다. 설문은 2100년까지 지구의 기온이 얼마나 상승할 것이라고 생각하는지를 물었다. 77%는 최소 2.5도 이상을 예측했고, 거의 절반은 3도 이상까지 예측했다. 캐링턴은 소셜미디어에 "기후 연구에 일생을 바친 전문가들의 개인적 고뇌가 너무 크다는 사실이 놀랍다"며 "답변에서는 ‘희망이 없다’, ‘망가졌다’, ‘격분했다’, ‘겁이 났다’, ‘압도당했다’ 등의 어구가 많이 사용됐다"고 적었다. 1.5도는 2015년 파리 협약에서 합의된 지구 온난화 목표다. 세계 지도자들은 온난화를 2도보다 훨씬 낮은 수준으로 유지하겠다고 약속했다. 그러나 현재 시행 중인 정책은 지구를 3도 이상으로 올려 놓을 것이라는 전망이다. 이번 조사는 기록적인 캐나다 산불과 극심한 폭염, 치명적인 홍수를 겪는 등 극한의 재난 직후에 이루어졌다. 2024년 첫 4개월은 모든 달이 역대 가장 더웠으며, 올해는 이미 전 세계적인 산호초 백화 현상이 네 번째로 발생했다. 호주의 태즈메이니아 대학 그레타 페클 교수는 “향후 5년 안에 우리는 심각한 사회적 혼란을 겪게 될 것”이라고 우려하고 "정부는 극단적인 사건의 연속으로 압도될 것이고, 식량 생산도 중단될 것이다. 미래에 대해 이보다 더 큰 절망을 느낄 수는 없다"고 토로했다. 과학자들은 화석연료 연소로 이익을 얻는 정부와 기업이 기후 대응 조치를 방해했다고 지적했다. 많은 과학자는 "불평등을 창출한 부유한 세계가 자국의 배출량은 줄이면서도 기후에 취약한 국가에 대한 지원은 거부하고 있다“고 비난했다. 런던 경제 대학의 스티븐 험프리스는 "특히 영미권(미국, 캐나다, 영국, 호주), 러시아와 중동의 주요 화석연료 생산국의 의사 결정권자들이 취약한 사람들이 고통받는 구조로 몰아가고 있다”고 말했다. 암울한 예측에도 불구하고 많은 과학자들의 연구는 이어지고 있다. 멕시코 국립자치대학교에서 기후 모델링을 연구하는 루스 세레소-모타 박사는 "연구가 계속되고 있기 때문에 권력자들이 몰랐다고 말할 수는 없다. 신경 쓰지 않는다는 것이 정확한 표현일 것"이라고 지적했다. 학자들은 젊은 세대의 인식과 기후 운동에서 희망을 찾는다. 온난화를 0.1도만 방지해도 1억 4000만 명을 보호할 수 있다는 사실을 강조하면서 공격적 대응을 주문하고 있다. 영국 엑서터 대학교의 피터 콕스 교수는 "기후 변화로 1.5도 이상으로 올라도 지구가 갑자기 위험해지지는 않는다. 2도를 넘기더라도 '게임 끝'은 아닐 것"이라고 말했다. 1.5도를 유지할 수 있다고 답한 과학자들은 재생 가능 에너지 및 전기자동차와 같은 기후 친화적 기술의 출시 속도와 가격 하락을 핵심 원인으로 꼽았다. 에너지 싱크탱크인 엠버(Ember)는 2023년 전 세계 전력의 30%가 재생에너지라고 보고하면서, 전력 부문 배출량이 감소하기 시작하는 '분기점'이 될 것이라고 예측했다. 다만, 낙관적인 과학자들조차도 기후 위기의 예측 불가능성에 대해서는 경계해야 한다고 경고했다. 유엔 코펜하겐 기후 센터의 헨리 뉴펠트 박사는 "우리는 1.5도 제한에 필요한 모든 솔루션을 갖고 있으며 향후 20년 안에 이를 구현할 것이라고 확신한다"고 말했다. 단 공격적인 대응으로 실기하지 않는다는 것이 전제라고 못박았다. 한편 과학자들은 기후에 변화를 가져오기 위해 인류가 할 수 있는 일에 대한 권장 사항도 제시했다. 험프리스는 ‘시민 불복종 운동’을 제안했고, 프랑스 과학자는 "더 공정한 세상을 위해 사람들이 싸워야 한다"고 강조했다. 콜롬비아 국제열대농업센터의 루이스 베르쇼 박사는 "전 인류가 합심해 협력해야 한다“고 말했다. 요컨대 기후 대응에 시민들이 더 공격적으로 나서야 한다는 의미다. 카디프 사회과학대학원 연구원인 애런 티에리는 이번 설문 조사 결과가 네이처지에 발표된 다른 과학적 의견 조사와 일치한다고 지적했다. 다른 조사에서도 2100년까지 3도 이상의 온난화가 예상된다고 예측했다.
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- 경제
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[기후의 역습(4)] 기후 과학자 77%, "2.5°C 지구 온난화 피할 수 없다" 경고
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[우주의 속삭임(6)] 게자리 소재 '슈퍼지구' 행성 둘러싼 두꺼운 대기 발견
- 지구로부터 41광년 떨어진 게자리 지역에 존재하는, 지구보다 8배나 무거운 암석 행성 슈퍼지구(Super Earth) 주변에서 두꺼운 대기층이 감지됐다는 보고서가 발표됐다. ‘55 켄크리 e’로 알려진 소위 슈퍼지구는 이산화탄소와 일산화탄소로 뒤덮인 상당한 대기를 지닌 태양계 외부의 몇 안 되는 바위 행성 중 하나다. 대기층의 정확한 양은 불분명하다. 지구의 대기는 질소, 산소, 아르곤 및 기타 가스가 혼합되어 있다. 캔자스 대학의 천문학자 이안 크로스필드 교수는 "이번 연구는 아마도 이 행성에 대기가 있다는 가장 확실한 증거일 것"이라고 말했다. 이번 연구는 켈리포니아공대 연구팀이 미국 항공우주국(나사·NASA)과 협력해 진행했으며, 결과는 '네이처' 저널에 게재됐다. 슈퍼지구는 지구보다 크지만 해왕성보다는 작은 행성의 크기를 나타낸다. 화씨 4200도(섭씨 2315도)까지 올라가는 행성의 고온은 이 곳에 생명체가 살 가능성이 매우 낮다는 것을 의미한다. 다만 과학자들은 이번 발견이 생명체가 살기 좋은 다른 행성이 존재할 수 있다는 유력한 신호라고 지적한다. 이 외계 행성은 지구보다 8배 더 무겁고, 코페르니쿠스 항성을 너무 가깝게 돌기 때문에 낮과 밤의 면이 영구적으로 존재한다. 1광년은 6조 마일(96조km)에 달한다. 행성 표면은 마그마로 덮여 있다. 연구팀은 대기의 구성을 확인하기 위해 행성이 별 뒤로 지나가기 전과 후의 웹 우주 망원경 관측 결과를 연구했다. 그들은 행성에서 방출되는 빛과 별을 분리하고 그 데이터를 사용해 행성의 온도를 계산했다. 행성의 열은 표면 전체에 고르게 분포되고 있었으며 이는 두터운 대기가 존재함을 알려 준다. 행성에 덮인 마그마에서 나오는 가스는 대기를 안정적으로 유지하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 우주과학자들은 이 슈퍼지구를 탐구하면 지구와 화성이 냉각된 마그마와 함께 어떻게 먼저 진화했는지에 대한 단서를 얻을 수 있다고 밝혔다. 나사 제트 추진 연구소의 행성 과학자이기도 한 렌위 후 박사는 "이번 결과로 우리는 행성 진화의 초기 단계를 들여다 볼 수 있다"고 말했다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(6)] 게자리 소재 '슈퍼지구' 행성 둘러싼 두꺼운 대기 발견
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[우주의 속삭임(5)] '지구의 쌍둥이' 금성에서 물이 사라진 이유는?
- 행성을 연구하는 콜로라도대학 볼더 캠퍼스(University of Colorado Boulder)의 과학자들이 뜨겁고 사람이 살 수 없는 지구의 이웃 금성이 건조해진 이유를 밝혀 냈다고 PHYS가 보도했다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해 행성 대기의 수소 원자가 ‘해리성 재결합(dissociative recombination)’이라고 알려진 화학반응을 통해 우주로 수분을 날려버렸다는 사실을 발견했다. 이로 인해 금성은 과거의 추정치에 비해 매일 약 두 배의 물을 잃게 됐다고 한다. ‘해리’는 전자의 충돌에 의해 분자가 작게 분해되는 현상이며 해리성 재결합은 그 역작용을 말한다. 이번 연구 결과로 은하계 전역의 수많은 행성에서 물이 어떤 현상을 일으키는지 설명할 수 있다는 평가다. 이 연구 결과는 최신 '네이처' 저널에 발표됐다. 지구상의 모든 물을 토스트에 잼을 바르듯 지구 전체에 뿌리면 약 3km 깊이의 물 층이 생긴다. 같은 방식을 금성에 적용하면 금성은 발가락이 젖을 정도인 3cm 정도가 된다. 연구팀원이었던 대기 및 우주 물리학 연구소(LASP) 연구원 마이클 채핀 박사에 따르면 금성은 크기와 질량이 지구와 같지만, 물은 지구보다 10만 배 적다고 한다. 연구팀은 컴퓨터 모델을 사용해 금성을 거대한 화학 실험실로 가정하고 행성의 소용돌이치는 대기에서 발생하는 다양한 반응을 관측했다. 관측에서 금성 대기층에 있는 HCO+(수소, 탄소, 산소 각각의 원자 하나로 구성된 이온)라는 분자가 금성의 물 상실의 원인일 수 있다는 결과가 나왔다. 연구팀원인 LASP 에린 캔지 박사는 ”이번 발견을 통해 한때 지구와 거의 동일한 것으로 보였던 금성이 오늘날 이처럼 마른 이유에 대한 새로운 힌트를 제시했다“고 말했다. 캔지는 금성이 과거에도 사막이었던 것은 아니라고 지적했다. 과학자들은 수십억 년 전 금성이 형성될 때 금성에도 지구만큼 많은 물이 있었을 것으로 추정하고 있다. 그러나 어느 순간 재앙이 닥쳤다. 금성 대기의 이산화탄소 구름은 태양계에서 가장 강력한 온실효과를 일으켰고, 결국 표면 온도를 섭씨 480도까지 올렸다. 그 과정에서 금성의 모든 물은 증발했고 대부분 우주로 날아갔다. 그러나 당시의 증발은 금성이 오늘날처럼 완전히 건조한 이유나 계속해서 우주로 물을 상실하는 이유는 설명해 주지 못한다. 물병에 담긴 물을 버려도 여전히 일부 물기는 남아 있는데, 금성의 경우 지금은 남은 물방울도 거의 모두 사라졌다. 새로운 연구에 따르면 그 범인은 바로 HCO+라는 것이다. 연구팀은 금성의 상층 대기에서 물이 이산화탄소와 혼합되어 HCO+ 분자를 형성한다고 설명했다. 이전 연구에서도 연구원들은 HCO+가 화성이 많은 양의 물을 잃는 원인일 수 있다고 발표한 바 있다. 금성에서 HCO+는 대기에서 지속적으로 생성되지만, 오랫동안 잔존하지 못한다. 대기 중의 전자는 이러한 HCO+ 이온을 찾아 재결합하여 원자들을 분리한다. 그 과정에서 수소 원자는 우주로 빠르게 빠져나갈 가능성이 높아진다. 즉, 금성에서 물의 두 가지 구성 요소인 수소와 산소 중 하나인 수소를 빼앗아 가는 것이다. 물이 줄어들 수밖에 없는 상황이다. 연구팀은 금성의 건조 상태를 확실하게 설명할 수 있는 유일한 방법은 금성이 대기에 예상보다 많은 양의 HCO+를 보유하고 있는지의 여부라고 판단한다. 아직 금성 주변에서 HCO+의 양을 관측한 사례는 없다. 이번 연구 결과가 사실임이 증명되려면 HCO+가 실제로 금성 대기에서 가장 풍부한 이온이라는 것을 증명하는 것이라고 채핀은 말했다. 화성으로 향했던 우주 미션은 또 다른 변화를 맞이하고 있다. 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 우주 프로젝트가 금성을 목표로 하고 있다. 나사(NASA)가 계획한 비활성 가스, 화학 및 이미징에 대한 금성 대기 조사(다빈치, DAVINCI) 임무는 탐사선을 금성의 대기를 통해 금성 표면에 착륙시키는 것이다. 캔지는 "금성에 대한 프로젝트는 많지 않았지만 새로 계획된 임무들은 수십 년의 경험을 활용해 극한의 행성 대기, 진화 및 생명체 거주 가능성을 탐구할 것”이라고 기대했다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(5)] '지구의 쌍둥이' 금성에서 물이 사라진 이유는?
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[신소재 신기술(43)] 투명 소재로 광전지 새로운 가능성 열어
- 독일 라이프치히 물리학자들이 빛이 반투명 물질에서도 전기를 생성한다는 것을 증명했다. 반투명 소재는 빛에 노출되면 빛의 흡수량이 매우 적더라도 전기를 생성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 일부 물질은 특정 주파수의 빛에 투명하다. 이러한 물질에 빛을 비추면 이전의 가정과는 달리 전류가 생성될 수 있다. 라이프치히 대학교와 싱가포르 난양공과대학교의 과학자들이 이를 증명하는 데 성공했다고 오일프라이스가 전했다. 이 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 저널에 발표됐다. 이번 발견은 광전자 및 광전지 분야에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있다. 라이프치히 대학교 이론물리연구소의 인티 소데만 빌라디에고 교수는 "이는 광 증폭기, 센서, 태양전지와 같은 광전자 및 광전소자를 구성하는 데 새로운 패러다임을 열었다"고 말했다. 그의 동료인 시 리쿤은 "물질의 빛 흡수량이 매우 작은 경우에도 빛으로 전류를 구동하는 것이 가능하다. 이것은 중요한 새로운 통찰력이다"라고 전했다. 플로케 페르미 액체 인티 소데만 빌라디에고와 그의 동료들은 '플로케 페르미 액체(Floquet Fermi liquid)' 상태를 조사했다. 페르미 액체는 많은 양자 역학적 입자의 특수한 상태로, 일반적인 고전적인 입자와는 매우 다른 특성을 가지고 있다. 즉, 페르미 액체는 금이나 은과 같은 금속 속 전자의 전기 유체와 같은 일반적인 물질부터 저온에서 헬륨-3 원자의 유체와 같은 보다 이색적인 상황에 이르기까지 다양한 상황에서 발생할 수 있다. 이러한 액체는 저온에서 전기의 초전도체가 되는 등 '놀라운 특성'을 나타낼 수 있다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 영향을 받는 특수한 유형의 금속 상태다. 페르미 액체는 낮은 온도에서 전자들이 마치 자유롭게 움직이는 액체처럼 행동하는 금속 상태이다. 전자 상호작용은 약하며, 전자들은 페르미 에너지로 알려진 특정 에너지 수준에 집중된다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 페르미 액체가 영향을 받는 상태이다. 이러한 힘은 전자의 운동에 영향을 미치고 새로운 에너지 상태를 생성할 수 있다. 외부 힘은 특정 주기로 진동하며, 이를 '시간 주기성'이라고 한다. 예를 들면 레이저 빛, 자기장, 전기장 등이 외부의 힘에 해당된다. 또한 외부 힘은 전자의 에너지 스펙트럼에 새로운 에너지 상태를 생성한다. 이러한 새로운 상태는 '플로케 밴드'라고 불린다. 플로케 페르미 액체는 외부 힘에 비선형적으로 응답한다. 다시 말하면, 외부 힘의 크기에 따라 응답의 크기가 비례하지 않다. 외부 힘의 강도에 따라 플로케 페르미 액체는 절연체 또는 초전도 상태 등 다른 물질 상태로 변화할 수 있다. 플로케 페르미 액체의 응용 분야 플로케 페르미 액체는 광전자 소자, 예를 들어 태양 전지 및 LED의 성능 향상에 사용될 수 있다. 또 양자 컴퓨터 구현에 사용될 수 있는 새로운 유형의 큐비트를 제공할 수 있다. 아울러 고온 초전도 현상을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 플로케 페르미 액체는 아직 연구 초기 단계이지만, 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 가지고 있는 흥미로운 물질 상태이다. 소데만 빌라디에고 교수는 "우리 논문에서는 이러한 유체 상태의 몇 가지 특성을 설명한다"면서 "이를 연구하기 위해서는 빛에 의해 흔들리는 전자의 복잡한 상태에 대한 상세한 이론적 모델을 개발해야 했는데, 이는 결코 쉬운 일이 아니다"고 말했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(43)] 투명 소재로 광전지 새로운 가능성 열어
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[기후의 역습(2)] 북극에 내리는 비, 지구에 미치는 영향은?
- 지난 2021년 8월, 그린란드의 만년설 정상에 비가 내렸고 몬태나대학 빙하학자 조엘 하퍼 교수가 관련 데이터를 수집했다. 기후 변화 전문 매체 그리스트는 그린란드에서 엄청난 양의 눈이 녹아 눈선(눈이 시작되는 경계선)이 종전 높이에서 600m 이상 올라갔다고 전했다. 문제는 북극 빙하지대에 비가 자주 내리고 있으며, 이 현상이 지구에도 막대한 영향을 미치고 있다고 TCD(더쿨다운)가 보도했다. 빙하가 녹는 속도를 더욱 높인다는 것이다. 미국 지질조사국(US Geological Survey)에 따르면 그린란드 빙상을 포함한 빙하는 세계 담수의 약 4분의 3을 차지하고 있다. 이들은 철 따라 녹고 얼음을 반복하면서 해양의 해류 및 수자원을 조절한다. 빙하는 전 세계 많은 지역사회의 물 공급에 중요하며, 과도하게 녹아 내리면 해수면이 재앙적으로 상승할 것이다. 실제로 남북극의 빙하가 녹아내려 해수면 상승이 심각한 상황이기도 하다. 엎친 데 덮친 격으로 여기에 비까지 더해져 우려를 높이고 있다. 우리가 직면하고 있는 기후 변화의 상황이 더 악화될 수 있는 조짐이라는 경고다. 이런 추세가 계속된다면 빙하에 치명적인 타격을 입히게 된다. 북극의 비가 미치는 영향에 대한 연구는 비교적 최근부터 시작됐다. 과거에는 워낙 드문 현상이기 때문에 연구가 이루어지지 않았다. 하퍼 교수는 2021년 내린 비를 바탕으로 지난 2008년에도 같은 일이 벌어졌다는 것을 확인했다. 그 해 늦가을에도 무려 4일 동안 비가 내렸고 기온은 화씨 기준 50도 이상 올랐다. 북극은 강우량이 거의 없는 곳이다. 그나마 대부분이 눈이다. 그러나 지구 온난화가 진행되면서 비가 점점 더 자주 내리고 있다. 영구 동토층에 내리는 비는 눈과 다르다. 2008년 가을비가 내리는 나흘 동안 빗물은 눈과 얼음층 6m 이상까지 침투해 얼음의 기본 구조를 변화시켰다. 이는 빙하가 녹는 양과 그 물의 흐름을 변화시킨다. 또 비는 빙하를 변화에 더 취약한 구조로 바꾼다. 이는 미래에 눈과 비의 빈도와 강도가 약간만 달라져도 큰 영향을 미칠 것이라는 점을 시사한다. 이는 이미 대량으로 녹으면서 위험에 처해 있는 만년설과 빙하에 대한 또 하나의 위협이다. 인근 지역사회와 해안을 모두 위협하는 것이다. 콜로라도주립대 국립 빙설데이터센터 마크 세레즈 소장은 북극 빙하가 많이 녹을수록 날씨 변화가 가속화될 것이라고 예측했다. 그는 북극에 무슨 일이 일어나고 있는지를 관측하고 있지만 요즘은 놀라움의 연속이라고 말했다. 장기적으로 유일한 해결책은 대기 오염을 줄여 지구의 전체 온도를 낮추는 것이다. 개인은 화석연료 사용에서 청정에너지로 전환하고, 친환경을 지향하는 기업을 지원하고, 친환경 정책을 견지해야 한다는 지적이다.
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- 생활경제
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[기후의 역습(2)] 북극에 내리는 비, 지구에 미치는 영향은?
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[신소재 신기술(42)] 플라스틱 폐기물 90% 분해하는 혁신 기술
- 과학자들은 우리 시대 가장 심각한 환경 문제 중 하나인 플라스틱 오염을 해결하기 위한 독창적인 방법을 제시했다. 미국 캘리포니아 대학교 연구팀이 플라스틱을 먹는 매우 강한 포자가 함유된 플라스틱이 매립지에서 스스로 분해되는 기술을 개발했다고 네이처닷컴과 BBC, 뉴아틀라스 등 다수 외신이 집중 조명했다. 이 연구에서는 고온 용융 압출을 사용해 폴리머 분해 박테리아의 포자를 열가소성 폴리우레탄에 통합하는 바이오 복합재 제작을 시연했다. 플라스틱의 한 종류인 폴리우레탄은 강도와 탄성이 뛰어나 휴대폰 케이스부터 운동화까지 모든 제품에 사용되지만 재활용이 까다로워 주로 매립된다. 플라스틱에 첨가되는 박테리아의 종류는 식품 첨가물 및 프로바이오틱스로 널리 사용되는 고초균(枯草菌)으로 영문으로는 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 불린다. 고초균은 토양과 발효식품 등 다양한 환경에서 발견되는 세균이다. 또한 바실러스 서브틸리스 포자로 채워진 열가소성 폴리우레탄의 전반적인 인장 특성이 크게 개선되어 인성이 매우 향상됐다. 캘리포니아대학교 샌디에이고 라호야 캠퍼스의 김한솔 연구원은 "자연에서 플라스틱 오염을 완화할 수 있다는 희망이 있다"고 말했다. 공동 연구원 존 포코르스키는 "우리의 공정은 소재를 더욱 견고하게 만들어 플라스틱의 수명을 연장한다"고 말했다. 그는 "그리고 이 공정이 완료되면 폐기 방법에 관계없이 환경으로부터 플라스틱을 제거할 수 있다"고 설명했다. 포코르스키 연구원은 "이 플라스틱은 현재 실험실에서 연구 중이지만 제조업체의 도움을 받으면 몇 년 안에 실제 환경에 적용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 플라스틱은 강하고 다양한 용도로 사용되는 소재지만, 이러한 장점은 폐기 처리를 어렵게 만드는 요인이기도 하다. 플라스틱은 분해되는 데 수십 년 또는 수백 년이 걸리기 때문에 엄청난 양의 플라스틱 쓰레기가 매립지와 바다를 오염시키고 있는 실정이다. 연구팀은 플라스틱에 플라스틱 분해 박테리아 포자를 넣어 매립지에 폐기될 때 활성화되도록 만들었다. 이를 통해 5개월 만에 플라스틱 물질의 90%가 생분해되는 것이 확인됐다. 게다가 '플라스틱 분해 박테리아 포자'를 넣은 플라스틱은 실제로 사용하는 동안 일반 플라스틱보다 더욱 견고하고 강했다. 최근 몇 년 동안 과학자들은 플라스틱을 분해하는 능력을 갖춘 박테리아를 발견하고, 이 과정을 담당하는 효소를 분리하여 효율성을 높였다. 이를 통해 효소와 박테리아로 플라스틱을 처리하는 더 효율적인 재활용 시설이 구축될 수 있다. 하지만 재활용 시설로 옮겨지지 않는 플라스틱은 어떻게 될까. 앞서 지적했듯이 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 신발, 스포츠 용품, 휴대폰 케이스, 자동차 부품 등을 만드는데 일반적으로 사용되는 견고한 플라스틱 유형이지만 현재 재활용이 불가능하다. 연구팀은 TPU 폐기 처리를 위해 플라스틱 분해 박테리아 바실러스 서브틸리스의 포자를 플라스틱 자체에 직접 넣는 새로운 방법을 연구했다. 또한 연구팀은 포자를 넣은 플라스틱 제품이 너무 일찍 분해되지 않고, 정상적인 기간 동안 사용한 뒤 매립지나 자연 환경에서 폐기될 때만 생분해가 시작되도록 설계했다. 내열성 미생물로 온도 한계 극복 먼저 극복해야 할 문제는 플라스틱 제조에 사용되는 높은 온도였다. 플라스틱 가공시 사용되는 고온으로 인해 대부분의 박테리아 포자가 죽는다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 내열성 미생물을 유전공학적으로 제작했으며, 플라스틱 가공 온도인 135°C(275°F)에서 변형된 박테리아의 96~100%가 생존하는 것을 확인했다. 변형되지 않은 박테리아의 경우 생존율은 겨우 20%에 불과했다. 다음으로 연구팀은 박테리아가 플라스틱을 얼마나 잘 분해하는지 테스트했다. 이 과정은 토양의 영양분과 수분에 의해 시작된다. 플라스틱 무게의 최대 1% 농도에서 박테리아는 퇴비에 묻힌 후 5개월 이내에 플라스틱 물질의 90% 이상을 분해했다. 이 새로운 플라스틱은 사용 중 강도가 약화될 것으로 추정했지만, 실제로는 그 반대 효과가 나타났다. 포자를 넣어 만든 플라스틱은 일반 폴리우레탄(TPU)보다 최대 37% 더 강하고 인장 강도가 최대 30% 더 높은 것으로 나타났다. 연구팀은 포자가 강화 충전재 역할을 하는 것으로 추정했다. 연구팀은 이 기술은 확장 가능성이 높으며, 사용 중 더욱 견고하고 강하면서 재활용이 불가능한 TPU를 폐기 처리하는 새로운 방법을 열 수 있다고 말했다. 이를 다른 몇 가지 방법과 함께 사용한다면 플라스틱 오염 문제 해결에 진전을 이룰 수 있을 것으로 보인다. 플라스틱의 약 80%가 재활용되지 않고 매립지나 자연 환경에 축적되고 있는 실정다. 또한 폴리우레탄(PU)은 세계에서 6번째로 많이 생산되는 플라스틱이지만 재활용을 위한 거버넌스는 없다. PU 폐기물은 수지 식별 코드의 카테고리 7(PETE, HDPE, PVC, LDPE, PP, PS 이외의 기타 플라스틱)에 따라 잠재적으로 수거될 수 있지만, 미국에서는 일반적으로 이 카테고리의 플라스틱 중 0.3%만이 재활용되고 있다. 플라스틱 분해 과정에 박테리아 포자를 결합시킨 것은 산업 공정에서 재생 가능한 폴리머 충전재로서 살아있는 세포를 도입할 수 있는 흥미로운 기회를 제공했다는 평가를 받고 있다. 연구진은 잠재적으로 확장 가능한 이 기술이 재활용할 수 없는 TPU를 폐기하는 새로운 방법을 제시하는 동시에 사용 중에 더 튼튼하고 강하게 만들 수 있다고 말했다. 이 기술을 다른 몇 가지 방법과 결합하면 플라스틱 오염 문제를 해결하는 데 어느 정도 진전을 이룰 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 저널에 발표됐다.
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[신소재 신기술(42)] 플라스틱 폐기물 90% 분해하는 혁신 기술
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[퓨처 Eyes(34)] 펭귄처럼 헤엄치는 수중 로봇, 쿼드로인 2세대 출시
- 인간 형태를 닮은 휴머노이드 로봇, 하늘을 나는 드론이 농업에 활용되며 속속 출시되는 가운데, 펭귄의 유영 방식을 모방한 수중 로봇이 공개됐다. 독일 수중 기술 기업 에보로직스(EvoLogics)는 최근 펭귄의 유영 방식을 모방한 개선된 수중 자율 운항체(AUV) 쿼드로인(Quadroin) 2세대를 출시했다고 뉴아틀라스가 보도했다. 에보로직스는 독일 베를린에 본사를 둔 수중 로봇 공학 기업으로, 혁신적이고 고성능의 수중 로봇, 데이터 네트워크, 센서 기술 개발에 주력하고 있다. 2005년 설립된 이 회사는 해양 연구, 오프쇼어 산업, 국방 분야에서 활용되는 다양한 제품과 솔루션을 제공하며 전 세계적인 명성을 얻었다. 쿼드로인은 2020년 에볼로지스가 헬름홀츠 센터 헤레온(Helmholtz-Zentrum Hereon) 연구소의 부르카르트 바셰크(Burkard Baschek) 교수와 협력하여 개발한 핑귄(PingGuin) 실험 AUV의 후속 제품이다. 핑귄의 디자인은 이 회사의 창업자인 루돌프 바나쉬(Rudolf Bannasch) 박사의 아델리(Adelie) 펭귄 운동 연구를 기반으로 구현됐다. 저항을 최소화하도록 설계된 쿼드로인은 최대 10노트(Knot)의 속도를 달성해 에너지 효율성을 극대화하고 다양한 현장 배치를 가능하게 한다. 노트는 해양에서 배의 속도를 나타내는 단위로, 1시간에 1해리(1.85km)를 가는 속도를 의미한다. 따라서 10노트는 1시간에 18.5km의 거리를 이동하는 속도에 해당한다. 일반적으로 선박의 느린 속도는 5노트 미만이며, 보통 속도는 5~10노트, 빠른 속도는 10노트 이상으로 분류된다. 물론 선박의 종류, 엔진 성능, 해양 환경 등에 따라 10노트의 속도는 느리거나 빠르게 느껴질 수 있다. 예를 들어 소형 요트의 경우 10노트는 상당히 빠른 속도이지만, 대형 컨테이너 선의 경우 10노트는 비교적 느린 속도에 해당한다. 펭귄 모방 수중 로봇 퀘드로인 사실 펭귄 모방 수중 로봇의 개념은 2009년까지 거슬러 올라간다. 당시 에보로직스는 독일 전기 자동화 기업 페스토(Festo)와 협력하여 펭귄과 유사한 아쿠아펭귄(AquaPenguin) 시연용 모델을 개발했다. 실제 쿼드로인은 2021년 5월 처음 공개되었는데, 펭귄의 유영 방식을 모방하여 제작되었으며, 헬름홀츠 센터 헤레온 연구소의 MUM(Modifiable Underwater Mothership) 프로젝트에 활용되고 있다. 이 프로젝트에서 쿼드로인은 다양한 센서를 탑재하고 무리를 지어 해류 데이터를 수집했다. 탑재된 센서는 수심별 온도, 압력, 용존 산소량, 전기 전도도, 형광 등을 정밀하게 측정할 수 있다. 다른 AUV와 마찬가지로 쿼드로인은 선박이나 해안에서 투입된 후 사전 프로그래밍된 수중 경로를 따라 자율적으로 이동하며 데이터를 수집한다. 수집된 데이터는 쿼드로인이 수면으로 올라갈 때 무선 전송되거나 기지로 돌아와 직접 다운로드받을 수 있다. 쿼드로인은 데이터를 와이파이(Wi-Fi) 또는 옵션인 이리듐 위성 모듈을 통해 전송한다. 이 두 시스템과 탑재된 글로벌 네비게이션 위성 시스템(GNSS)은 쿼드로인이 수면에 올라올 때 자동으로 뒤집히는 아치형 다기능 안테나를 사용한다. 추가적인 장점으로 안테나에는 빨간색과 초록색 LED 점멸등이 장착되어 사용자가 로봇을 회수할 때 쉽게 찾을 수 있도록 한다. 에보로직스 대표는 "새로운 쿼드로인이 올해 4분기에 양산에 돌입할 예정이며, 상업 고객들에게는 요청 시 가격 정보를 제공한다"고 밝혔다. 쿼드로인 활용 방안 쿼드로인은 다양한 해양 생물의 행동과 서식지를 관찰하고 데이터를 수집하는 데 활용될 수 있다. 이를 통해 해양 생태계에 대한 이해를 높이고 효과적인 보호 전략을 수립하는 데 기여할 수 있다. 또한, 해양 환경을 효과적으로 모니터링하는 데에도 활용될 수 있다. 쿼드로인은 수온, 염도, 용존 산소량 등 해양 환경 변수를 정밀하게 측정하고 실시간으로 데이터를 전송할 수 있다. 이를 통해 해양 오염, 기후 변화 등 해양 환경 문제를 파악하고 해결책을 모색하는 데 도움이 될 수 있다. 쿼드로인은 해저 지형을 정밀하게 측량하고 3D 모델을 구축하는 데 활용될 수 있다. 그로 인해 해양 자원 탐사, 해저 케이블 및 파이프라인 설치, 해양 구조 작업 등에 크게 활용될 수 있다. 또한, 쿼드로인은 해저 석유 및 가스 매장지를 효율적으로 탐색하고 개발 계획을 수립하는 데 활용될 수 있으며, 이를 통해 오프쇼어 에너지 개발의 효율성을 높이고 환경 영향을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 쿼드로인은 해저 사고 현장을 탐사하고 생존자를 구조하는 데 활용될 수 있으며, 해저 침몰선 및 잔해물을 탐색하고 인양하는 데에도 활용될 수 있다. 해양 국방 분야에도 활용 쿼드로인은 적군 함정 및 해양 활동을 정밀하게 정찰하고 정보를 수집하는 데 활용될 수 있으며, 이는 해상 작전의 효율성을 획기적으로 높이고 적의 위협을 사전에 예측하는 데 크게 기여할 수 있다. 또한, 쿼드로인은 해저 지뢰를 효과적으로 탐지하고 제거하는 데 활용될 수 있으며, 이를 통해 해상 통로의 안전을 확보하고 군함 및 상선의 안전을 보호하는 데 도움이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 쿼드로인은 해저 침몰선을 탐색하고 인양하는 데 활용될 수 있으며, 이를 통해 해양 역사 연구를 체계적으로 수행하고 침몰선에서 귀중한 유물을 발견하는 데 기여할 수 있다. 최근 미국 농업 분야에서는 드론과 인공지능(AI) 로봇 등 첨단 기술 도입이 활발하게 이루어지고 있다. 드론, 레이저 제초기, 로봇 손 등은 농작물 재배 및 가공 과정의 일부를 자동화할 수 있으며, AI 기반 시스템의 활용은 미래 농업의 새로운 가능성을 열어주고 있다. 수중 로봇 기술의 발전과 더불어 쿼드로인 또한 다양한 분야에서 활용될 것으로 전망된다. 하늘을 나는 드론이 다방면에서 활용되고 있는 것처럼, 쿼드로인 2세대는 아직 개발 초기 단계이지만, 앞으로 해양 분야뿐만 아니라 국방, 농업, 과학 연구, 레저 및 관광, 교육 등 다양한 분야에 새로운 변화를 가져올 것으로 기대된다. 한편 해양 강국인 한국은 한국해양과학기술원(KIOST), 한국해양연구원(KORDI), 한국과학기술원(KAIST), 포항공과대학교(POSTECH), 한화오션, HD현대중공업, 삼성중공업 등을 중심으로 자율 운항, 인공지능, 센서 기술, 통신기술, 로봇 공학 등의 핵심기술을 보유하고 있다. 특히 정부는 '해양 4.0' 산업 육성을 위해 수중 로봇 개발을 핵심 전략 분야로 지정하고 적극적으로 지원하고 있다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(34)] 펭귄처럼 헤엄치는 수중 로봇, 쿼드로인 2세대 출시
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[신소재 신기술(41)] 극한의 강도와 인성 가진 혁신적인 합금
- 미국 버클리 국립연구소 과학자들은 원자 수준에서 합금 결정의 꼬임이나 굽힘으로 인해 극한의 온도에서도 균열이 발생하지 않는 특별한 금속 합금을 발견했다. 과학 전문매체 사이테크데일리는 지난 4월 29일(현지시간) 로렌스 버클리 국립연구소와 UC 버클리의 연구원들이 개발한 신소재에 대해 거의 불가능에 가까운 강도와 인성으로 재료 과학자들에게 충격을 주는 혁신적인 새로운 합금이라고 전했다. 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄으로 구성된 금속 합금은 지금까지 거의 달성하기 불가능해 보였던 극한의 고온과 저온 모두에서 놀라운 강도와 인성을 보여주었다고 한다. 여기서 강도는 재료가 원래 모양에서 영구적으로 변형되기 전에 견딜 수 있는 힘의 양으로 정의되며, 인성은 파단(균열)에 대한 저항력을 의미한다. 광범위한 조건에서 굽힘과 파단에 대한 합금의 복원력은 더 높은 효율로 작동할 수 있는 차세대 엔진을 위한 새로운 종류의 재료에 대한 문을 열 수 있다고 평가된다. 이전에는 이러한 특성을 동시에 달성하는 것이 거의 불가능하다고 여겨졌다. 이 연구는 로버트 리치(Robert Ritchie) 박사가 이끄는 로렌스 버클리 국립연구소(Berkeley Lab)와 UC 버클리 팀과 디란 아펠리안(Diran Apelian) 교수가 이끄는 UC 어바인 팀, 엔리케 라베르니아(Enrique Lavernia) 교수가 이끄는 텍사스 A&M 대학교 팀의 협력으로 진행됐다. 이 연구는 최근 '사이언스(Science)' 저널에 게재됐다. 이 합금의 특징은 넓은 온도 범위에서 강도과 파손에 대한 놀라운 저항성을 가지고 있다는 것이다. 이는 차세대 엔진을 위한 새로운 소재 개발에 혁신을 가져올 수 있는 가능성을 열어준다. 새로운 금속 합금 RHEA/RMEA 연구팀은 이 합금의 놀라운 특성을 발견하고 원자 구조에서 발생하는 상호 작용으로 인해 이러한 특성이 어떻게 발생하는지 밝혀냈다. 이들은 특히 RHEA/RMEA(Refractory High or Medium Entropy Alloys)라고 불리는 새로운 금속 합금 계열에 속하는 합금에 집중했다. 리치 연구실의 박사 과정 학생인 제1저자 데이비드 쿡(David Cook)은 "열을 전기 또는 추력으로 변환하는 효율은 연료가 연소되는 온도에 따라 결정되며, 온도가 높을수록 더 좋다. 그러나 작동 온도는 이를 견뎌야 하는 구조 재료에 의해 제한된다"고 설명했다. 쿡 연구원은 "우리는 현재 고온에서 사용하는 재료를 더욱 최적화할 수 있는 새로운 금속 재료가 절실히 필요하다. 이 합금이 바로 그 가능성을 보여주는 것"이라고 덧붙였다. 기존 RMEA의 한계 돌파한 뛰어난 인성 대부분의 상업용 또는 산업용 응용 분야에서 사용되는 금속은 하나의 주요 금속에 소량의 다른 원소를 혼합하여 만든 합금이지만, RHEA/RMEA는 매우 높은 녹는점을 가진 금속 원소를 거의 동일한 비율로 혼합해서 만든다. 이로 인해 RHEA/RMEA는 과학자들이 아직 밝혀내지 못한 독특한 특성을 가지고 있다. 리치 박사 팀은 고온 응용 분야의 잠재력으로 인해 수년 동안 이러한 합금을 연구해 왔다. 해당 논문의 공동 저자인 푸닛 쿠마르(Punit Kumar)박사는 "저희 팀은 이전에 RHEA/RMEA에 대한 연구를 진행했으며 이러한 재료가 매우 강하지만 일반적으로 극도로 낮은 인성을 가지고 있다는 것을 발견했다. 따라서 이 합금이 예외적으로 높은 인성을 보이는 것을 발견했을 때 매우 놀랐다"고 말했다. 극한의 온도에서도 강도와 인성 유지 쿡에 따르면 대부분의 RMEA는 파단 인성이 10MPa√m 미만으로, 기록상 가장 부서지기 쉬운 금속 중 하나다. 골절에 견디도록 특별히 설계된 최고의 극저온 강은 이 소재보다 약 20배 더 강하다. 하지만 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄(Nb45Ta25Ti15Hf15) RMEA 합금은 상온에서 일반적인 RMEA보다 25배 이상의 강도를 기록하여 극저온 강철을 능가할 수 있었다. 연구팀은 -196°C(액체 질소 온도), 25°C(실온), 800°C, 950°C 및 1200°C의 총 5가지 온도에서 새로운 합금의 강도와 인성을 평가했다. 마지막 온도인 1200°C는 태양 표면 온도의 약 1/5에 해당한다. 마침내 연구팀은 합금이 추위에서는 가장 강도가 높고 온도가 상승함에 따라 다소 약해졌지만 여전히 넓은 범위에서 인상적인 수치를 자랑한다는 것을 발견했다. 인성은 기존 균열에 얼마나 많은 힘이 필요한지 계산해서 산출되며 모든 온도에서 높았다. 원자 배열의 비밀 풀기 거의 모든 금속 합금은 결정질이며, 이는 재료 내부의 원자가 반복 단위로 배열되어 있음을 의미한다. 그러나 완벽한 결정은 없으며 모두 결함을 포함하고 있다. 가장 눈에 띄는 결함은 결정 내 원자의 미완성 평면인 전위라고 불리는 결함이다. 금속에 힘이 가해지면 모양 변화를 수용하기 위해 많은 전위가 움직이게 된다. 예를 들어 알루미늄으로 만든 종이 클립을 구부리면 종이 클립 내부의 전위가 움직이면서 모양이 변한다. 그러나 낮은 온도에서는 전위의 움직임이 더 어려워지고, 그 결과 많은 재료가 저온에서 전위가 움직이지 못해 부서지기 쉽다. 타이타닉의 강철 선체가 빙산에 부딪혔을 때 부서진 것도 바로 이 때문이다. 녹는 온도가 높은 원소와 그 합금은 이러한 현상을 극한으로 끌어올려 800°C까지 부서지기 쉽다. 하지만 이 RMEA는 액체 질소(-196°C)와 같은 낮은 온도에서도 잘 깨지지 않는 특성을 보이고 있다. 공동 연구자인 앤드류 마이너와 연구팀은 이 놀라운 금속 내부 특성을 이해하기 위해 버클리 랩 분자 파운드리의 일부인 국립 전자 현미경 센터의 4차원 주사 투과 전자 현미경(4D-STEM)과 주사 투과 전자 현미경(STEM)을 사용해 응력을 받은 샘플과 구부러지지 않고 금이 가지 않은 대조 샘플을 분석했다. 전자 현미경 데이터에 따르면 합금의 특이한 인성은 '꼬임 밴드(kink band)'라는 희귀 결함의 예상치 못한 부작용에서 비롯된 것으로 밝혀졌다. 꼬임 밴드는 가해진 힘으로 인해 결정 조각이 스스로 붕괴되어 갑작스럽게 구부러질 때 결정에 형성된다. 연구팀은 이전 연구를 통해 RMEA에서 꼬임 밴드가 쉽게 형성된다는 사실을 알고 있었지만 연화 효과가 격자를 통해 균열이 퍼지기 쉽게 만들어 재료의 강도를 낮출 것이라고 가정했다. 하지만 실제로는 그렇지 않았다. 쿡은 "우리는 원자 사이에 날카로운 균열이 있는 경우 꼬임 밴드가 실제로 손상을 멀리 분산시켜 균열의 전파에 저항하여 균열을 방지하고 매우 높은 파괴 인성을 이끌어 낸다는 것을 처음으로 보여주었다"라고 말했다. 한편, 리치는 "기계 엔지니어는 실제 세계에서 사용하기 전에 재료의 성능에 대한 깊은 이해가 당연히 필요하기 때문에 Nb45Ta25Ti15Hf15 합금을 제트기 터빈이나 스페이스X 로켓 노즐과 같은 것을 만들기 전에 훨씬 더 근본적인 연구와 엔지니어링 테스트를 거쳐야 한다"고 지적했다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(41)] 극한의 강도와 인성 가진 혁신적인 합금
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왜 쓰레기를 화산에 던져서 태워버릴 수 없을까
- 쓰레기를 용암이 끓고 있는 화산에 던져서 태우지 않는 이유는 무엇일까. 화산의 용암이 일부 쓰레기를 태울 정도로 뜨거운 것은 사실이다. 지난 2018년 하와이 빅아일랜드에서 킬라우에아 화산이 폭발했을 때, 용암류는 섭씨 1100도 이상이었다. 이는 금성 표면보다 더 뜨거운 온도다. 암석을 충분히 녹일 정도로 높은 온도였다. 쓰레기를 태우는 폐기물 소각로의 온도가 섭씨 1000~1200도임을 감안하면, 화산의 용암류로도 쓰레기를 태울 수 있을 것이라는 짐작을 하게 된다. 그러나 야후 테크에 실린 정보에 따르면 실제는 그렇지 않다. 모든 화산 용암이 그렇게 높은 온도인 것은 아니다. 하와이에서의 킬라우에아 화산 폭발은 현무암이라고 불리는 일종의 용암을 생성한다. 현무암은 다른 화산에서 분출되는 용암보다 훨씬 뜨겁고 더 유동적이다. 워싱턴주의 세인트 헬렌스 산에서 분출한 화산 등 일반적인 화산의 경우 현무암보다 더 두꺼운 데이사이트 용암(석영안산암 화산암)이다. 세인트 헬렌스 산에서 2004~2008년까지 분출된 화산은 표면 온도가 섭씨 704도 미만의 용암 돔을 생성했다. 다시 말해 쓰레기를 완전히 태울 충분한 고온이 형성되지 않는다는 의미다. 온도 외에도, 화산에서 쓰레기를 태울 수 없는 이유가 몇 가지 더 있다. 첫 번째로, 섭씨 1100도 온도의 용암은 음식물 찌꺼기, 종이, 플라스틱, 유리 및 일부 금속 등을 녹일 수는 있지만, 강철, 니켈 등 특수한 일부 물질들은 녹이지 못한다. 둘째, 지구에는 쓰레기를 버릴 수 있는 용암 호수나 용암으로 가득 찬 그릇 모양의 분화구가 있는 화산이 많지 않다. 지구상에 있는 수천 개의 화산 중, 과학자들이 발견한 활화산 용암 호수는 남극의 킬라우에아, 에레부스 산, 콩고민주공화국의 니라공고 등을 포함해 8개에 불과하다. 대부분의 활화산은 세인트 헬렌스 산과 같이 바위와 냉각된 용암으로 채워진 분화구이거나 오레곤주의 크레이터 호수처럼 물로 채워진 분화구들이다. 세 번째는 활성 용암 호수라 해도 이곳에 쓰레기를 버리는 것은 매우 위험하다는 사실이다. 용암 호수는 냉각된 용암의 지각으로 덮여 있지만, 그 지각 바로 아래는 용암이 녹아 있어 온도가 매우 높다. 암석이나 다른 물질들이 용암 호수의 표면으로 떨어지면 지각이 깨지고, 밑에 있는 용암의 흐름을 방해해 폭발을 일으키게 된다. 2015년 킬라우에아에서 이런 사태가 일어났다. 분화구 가장자리의 암석 덩어리가 용암 호수로 떨어져 큰 폭발을 일으켰고, 암석과 용암이 분화구 위로 분출됐다. 사람이 용암 호수에 쓰레기를 버린다면 불타 오르는 쓰레기와 폭발하는 용암을 피해 도망치는 방법을 고안해야 할 것이다. 화산에 쓰레기 버리면 유독가스 방출 용암 호수에 쓰레기를 안전하게 버릴 수 있다고 가정한다면 어떻게 될까. 플라스틱, 쓰레기, 그리고 금속이 연소되면 많은 유독 가스가 방출된다. 화산은 이미 황, 염소, 그리고 이산화탄소 등 수많은 유독 가스를 배출하고 있다. 유황 가스는 ‘보그(vog)’라고 부르는 산성 안개를 생성한다. 이는 식물을 죽이고 근처에 거주하는 사람들에게 호흡기 질환을 일으킬 수 있다. 이처럼 위험한 화산 가스에 쓰레기를 태울 때 발생하는 다른 가스가 섞이면 화산 근처의 사람과 식물에 더욱 해로울 것이다. 마지막으로, 많은 원주민 공동체는 화산을 신성한 장소로 여긴다. 예를 들어, 킬라우에아에 있는 할레마우마우 분화구는 하와이 원주민이 섬기는 불의 여신 펠레의 고향으로 여겨지고 있으며, 분화구 주변은 하와이 원주민에게는 신성한 지역이다. 화산에 쓰레기를 버리는 것은 그들에게는 큰 모욕이 될 것이다.
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- IT/바이오
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왜 쓰레기를 화산에 던져서 태워버릴 수 없을까
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인공지능, 기후변화 대처하는 식물 설계에 활용
- 과학자들이 인공지능(AI)을 활용해 기후 변화에 견딜 수 있는 식물을 설계하고 있다. 인공지능은 과학자들이 기후변화와 싸우고 지구 온도 상승을 억제하기 위해 식물을 개량하는 데 도움을 주고 있다고 웹사이트 피지스(phys. org)와 어스닷컴 등이 전했다. 기후변화 패널(IPCC)은 기후변화와 지구 온도 상승을 제한하기 위해서는 대기 중 이산화탄소를 제거하는 것이 필수적이라고 밝혔다. 미국 캘리포니아 라호야에 위치한 생명과학연구기관 솔크 연구소(Salk Institute) 과학자들은 기후 변화에 대응하기 위해 식물의 뿌리 시스템을 최적화해서 더 많은 이산화탄소를 더 오랜 기간 저장할 수 있는 식물의 자연적인 이산화탄소 흡수 능력 활용에 주목했다. 이 연구소의 '식물 활용 이니셔티브(Harnessing Plants Initiative)' 소속 과학자들은 기후변화 완화 식물을 설계하기 위해 'SLEAP'이라는 첨단 연구 도구를 사용하고 있다. 인공지능 SLEAP, 뿌리 성장 특징 추적 SLEAP은 사용하기 쉬운 인공지능 소프트웨어로서 다양한 뿌리 성장 특징을 추적한다. 솔크의 펠로우인 탈모 페레이라(Talmo Pereira)가 개발한 SLEAP은 당초 실험실에서 동물의 이동을 추적하기 위해 설계됐다. 페레이라는 현재 식물 과학자인 동료 연구원 볼프강 부쉬(Wolfgang Busch) 교수와 협력해 SLEAP을 식물에 적용하고 있다. 최근 '식물 게놈연구(Plant Phenomics)' 저널에 발표된 연구에서 부쉬 박사와 페레이라는 SLEAP을 사용해 식물 뿌리 형태 분석을 위한 새로운 프로토콜을 선보였다. 이 프로토콜은 뿌리가 얼마나 깊고 넓게 자라고, 뿌리 시스템이 얼마나 커지는 등 이전에는 측정하기 어려웠던 기타 물리적 특징을 분석한다. SLEAP을 식물에 적용한 결과 연구원들은 현재까지 가장 광범위한 식물 뿌리 시스템 형태 카탈로그를 구축할 수 있었다. 더욱이, 이러한 물리적 뿌리 시스템 특징을 추적하면 과학자들이 해당 특징과 관련된 유전자를 찾는 데 도움이 되며, 여러 뿌리 특징이 동일한 유전자에 의해 결정되는지 아니면 독립적으로 결정되는지를 판단할 수 있다. 이를 통해 솔크 연구팀은 식물 설계에 가장 유익한 유전자를 결정할 수 있다. 페레이라는 "이번 협업은 솔크 연구소의 과학이 특별하고 영향력 있는 이유를 실제로 보여주는 좋은 예"라고 말했다. 그는 "우리는 단순히 다른 분야의 지식을 '빌려오는' 것이 아니라, 더 큰 성과를 창출하기 위해 서로 동등한 위치에서 연구하고 있다"고 전했다. SLEAP을 사용하기 전에는 식물과 동물 모두의 물리적 특징을 추적하는 데 많은 노동이 필요했으며 이는 과학적 과정을 지연시켰다. 이전에는 연구원들이 식물 이미지를 분석하기 위해서는 이미지에서 식물 부분과 그렇지 않은 부분을 프레임 단위, 부분 단위, 픽셀 단위로 수작업으로 표시해야 했다. 그래야만 이전의 AI 모델을 적용해 이미지를 처리하고 식물 구조에 대한 데이터를 수집할 수 있었다. SLEAP의 독특한 점은 컴퓨터 시각(컴퓨터가 이미지를 이해하는 능력)과 딥 러닝(AI가 인간 뇌처럼 배우고 작업하도록 컴퓨터를 훈련하는 방법)을 모두 활용한다는 점이다. 이러한 조합을 통해 연구원들은 픽셀 단위로 이동하지 않고도 이미지를 처리할 수 있으며, 중간에 노동 집약적인 단계를 건너뛰고 이미지 입력에서 정의된 식물 특징으로 바로 넘어갈 수 있다. 부쉬 연구실의 생물정보학 분석가인 엘리자베스 베리건(Elizabeth Berrigan) 제1 저자는 "우리는 다양한 식물 유형에서 검증된 강력한 프로토콜을 개발했다. 이 프로토콜은 분석 시간과 인적 오류를 줄이고 접근성과 사용 편의성이 크며 실제 SLEAP 소프트웨어를 변경할 필요가 없었다"고 말했다. SLEAP의 기본 기술을 수정하지 않고 연구원들은 슬립 루트(sleap-roots)라는 SLEAP용 다운로드 가능한 도구킷을 개발했다. 슬립 루트는 오픈 소스 소프트웨어로 무료로 사용 가능하다. 슬립 루트를 사용하면 SLEAP는 뿌리 깊이, 질량, 성장 각도와 같은 뿌리 시스템의 생물학적 특성을 처리할 수 있다. 연구팀은 슬립 루트(sleap-roots) 패키지를 다양한 식물에서 테스트했다. 여기에는 대두, 쌀, 카놀라와 같은 농작물뿐만 아니라 모델 식물 종인 아라비도프시스 탈리아나(Arabidopsis thaliana)도 포함된다. 깊은 뿌리 시스템을 만드는 유전자 이해 높여 다양한 식물에서 시험한 결과 이 새로운 SLEAP 기반 방법은 기존 방법보다 1.5배 빠르게 주석을 달고, AI 모델을 10배 빠르게 훈련하고, 새로운 데이터에 대한 식물 구조를 10배 빠르게 예측하며, 모두 동일하거나 더 나은 정확도를 제공했다. 이러한 표형 데이터(예: 식물의 뿌리 시스템이 유난히 깊게 자라는 것)는 대규모 게놈 시퀀싱 노력과 함께 많은 숫자의 작물 품종에서 유전형 데이터를 밝히는 데 사용해 특히 깊은 뿌리 시스템을 만드는 유전자를 이해할 수 있다. 표형과 유전형을 연결하는 이 단계는 솔크 연구소의 목표인 더 많은 이산화탄소를 더 오랫동안 유지하는 식물을 만드는 데 중요하다. 이러한 식물은 더 깊고 더 강력한 뿌리 시스템을 설계해야 한다. 이 정확하고 효율적인 소프트웨어를 구현하면 식물 활용 이니셔티브는 원하는 표형을 표적 유전자에 아주 쉽고 획기적인 속도로 연결할 수 있다. 솔크의 식물 과학 부문 헤스 의장인 부쉬 박사는 "우리는 현재까지 가장 광범위한 식물 뿌리 시스템 형태 카탈로그를 만들 수 있었다. 이는 기후 변화와 싸우는 탄소 포집 식물을 만드는 연구를 실제로 가속화하고 있다"라고 말했다. 부쉬 박사는 "SLEAP은 탈모의 전문적인 소프트웨어 설계 덕분에 적용하고 사용하기 매우 쉬웠으며 앞으로 제 연구실에서 필수적인 도구가 될 것이다"라고 말했다. 페레이라가 SLEAP과 슬립 루트(sleap-roots)를 만들 때 접근성과 재현성을 가장 중요하게 고려했다. 연구원들은 NASA 과학자들과 토론을 시작하여 슬립 루트를 사용해 지구에서 탄소 포집 식물을 안내할 뿐만 아니라 우주에서 식물을 연구하는 데 도움이 되기를 기대한다. 솔크 연구소에서는 이미 SLEAP를 사용해 3D 데이터를 분석하는 새로운 도전에 착수하고 있다. SLEAP 및 슬립루트(sleap-roots)를 개선하고 확장하며 공유하는 노력은 앞으로 수년 동안 계속될 것이다. 솔크 연구소의 식물 활용 이니셔티브에서의 활용은 식물 설계를 가속화하고 연구소가 기후 변화에 대응하는 데 도움이 되고 있다.
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인공지능, 기후변화 대처하는 식물 설계에 활용
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[우주의 속삭임(2)] 태양 4곳 동시 폭발하는 희귀 현상 발생
- 미 항공우주국(NASA)의 태양활동관측위성(SDO: Solar Dynamics Observatory)이 태양의 거대한 영역 4곳이 동시에 폭발하는 희귀한 현상을 포착했다고 과학 전문 매체 IFL사이언스가 전했다. 태양의 폭발과 화기 분출은 흔히 발생한다. 특히 태양활동이 강한 태양극대기(또는 흑점극대기) 정점에 가까울 때 더욱 그렇다. 대개 11년 주기(슈바베 주기라고 함)로 극소기와 극대기가 반복된다. 극소기에는 태양면 위에 흑점이 가장 적게 나타나고, 극대기에는 100개 이상의 흑점이 나타난다. 슈바베 주기의 태양 흑점 수에 따라 코로나 질량 방출(CME)이 강도가 변하면서 발생하며, 때로는 지구에 화려한 오로라와 전파 정전을 일으키기도 한다. 국립기상청은 "태양 흑점은 자기장이 지구보다 약 2500배 더 강한 지역으로, 태양의 다른 어느 곳보다 훨씬 강도가 높은 지역"이라면서 "강한 자기장으로 인해 자기압은 증가하고 주변 대기압은 감소하는데, 이는 집중된 자기장이 태양 내부에서 표면으로 흐르는 뜨거운 가스의 흐름을 방해하기 때문에 주변에 비해 온도를 낮추게 된다"고 설명했다. 태양 표면에서의 큰 폭발은 이로 인해 발생한다. 드물게, ‘교감적 태양 플레어(Sympathetic Solar Flare)’라고 부르는 복수의 폭발이 동시에 발생할 수 있다. 한꺼번에 여러 곳에서 복수의 폭발이 일어나는 것이다. 이는 우연의 일치라고 생각됐지만 2002년 통계 분석 결과 그렇지 않은 것으로 드러났다. 이런 폭발은 자기 루프를 통해 연결될 때 발생한다. 더 드물게는 ‘슈퍼 교감적’ 태양 플레어로 확대돼 두 개 이상의 현상이 동시에 발생할 수 있다. 이번 4개 폭발이 그 예다. 현재로서는 태양 플레어에서 분출된 잔해가 지구에 도달할 지는 확실하지 않다. 스페이스웨더닷컴에 따르면, 만약 잔해가 지구로 떨어진다면 26일이 될 것이라고 예상했다. 그러나 피해는 없을 듯하다. 대부분의 지자기 폭풍과 마찬가지로 인류는 걱정할 것이 없을 것이라는 지적이다. 태양 폭발은 종종 오로라와 함께 전력망 및 무선 통신의 장애 등 소소한 문제를 일으킬 수 있다. 물론 드물기는 하지만 캐링턴 사건 규모의 태양폭풍이 발생할 수 있으며, 이는 지구에 더 큰 문제를 야기할 수 있다. 캐링턴 사건은 1859년 지구를 강타한 대규모 지자기 폭풍으로 유럽과 북미의 경우 밤에도 대낮처럼 주변이 환해질 정도였다고 한다. 당시 관측된 태양 플레어는 종전 기록을 갈아치웠으며, 이 정도의 폭풍이 오늘날 발생했다면 전력망 등에 재앙 수준의 피해를 일으킬 것이라는 분석이다.
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[우주의 속삭임(2)] 태양 4곳 동시 폭발하는 희귀 현상 발생
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[신소재 신기술(38)] 한국 과학자팀, 상온 상압에서 다이아몬드 최초 합성
- 한국 기초과학연구원 연구원들이 새로운 액체 금속 합금 시스템을 사용해 상온 상압에서 다이아몬드 합성에 성공했다. 기초과학연구원(IBS)은 다차원탄소재료연구단 로드니 루오프 연구단장 팀이 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 1기압과 1025°C의 상온 상압 조건에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 25일 밝혔다. 이 연구는 기존의 다이아몬드 합성 방법을 획기적으로 발전시킬 수 있는 성과라고 사이언스얼럿과 과학기술 웹사이트 Phsy 등에서도 비중있게 다뤘다. 기존의 다이아몬드 합성은 고온 고압(HPHT) 방법을 사용하며, 고온고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀 제한 크기 때문에 다이아몬드 크기도 작아서 약 1㎠로 제한된다. 일반적으로 다이아몬드는 액체 금속 촉매를 사용해 '기가파스칼 압력 범위'(일반적으로 5~6GPa, 1GPa는 약 1만 기압)와 1300~1600°C의 고온에서만 다이아몬드를 생산할 수 있다. 천연 다이아몬드는 지하 깊은 곳의 극식한 압력과 온도에서 형성되는 데 수십억년이 걸린다. 합성 다이아몬드는 최대 몃 주 동안 강력한 압착이 필요하다. IBS 연구팀이 이번에 개발한 액체 금속 혼합을 기반으로 한 새로운 방법은 기존 다이아몬드 합성 패러다임을 깨고,1025도 온도 및 1기압 압력 조건에서 처음으로 다이아몬드를 합성했다. 이는 우리가 해수면에서 느끼는 압력과 동일하며 일반적으로 요구되는 압력보다 수만 배 더 낮다. 연구팀은 빠르게 가열과 냉각이 가능한 'RSR-S'라는 냉벽 진공 장치를 자체 제작해 통상 3시간 걸리는 기존 장치들과 달리, 15분이면 끝날 수 있게 했다. RSR-S는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 장치다. 연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들어 하부 표면에서 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 성장하는 것을 확인했다. 이 연구는 '네이처(Nature)' 저널 온라인에 게재됐다. 현재 다양한 산업 공정, 전자 제품, 심지어 양자 컴퓨터에 사용되는 대부분의 합성 다이아몬드를 만드는 데 사용되는 공정은 며칠이 걸리며 훨씬 더 많은 압력이 필요하다. 이 새로운 기술이 그 잠재력을 발휘한다면 다이아몬드 제작은 훨씬 더 빠르고 쉬워질 것이다. UNIST 석좌교수이기도 한 루오프 소장은 "이 선구적인 돌파구는 인간의 독창성과 끊임없는 노력, 그리고 많은 공동 연구자들의 협력이 만들어낸 결과"라고 말했다. 연구팀은 "액체 금속을 사용하는 일반적인 접근 방식은 다양한 표면에서 다이아몬드의 성장을 가속화하고 발전시킬 수 있으며 아마도 작은 다이아몬드(씨앗) 입자에서 다이아몬드의 성장을 촉진할 수 있다"라고 썼다. 루오프 소장은 "우리는 대형 챔버(내부 용적이 100리터인 RSR-A 챔버)에서 파라미터 연구를 진행했는데, 공기를 펌핑(약 3분)하고 불활성 가스로 퍼지(90분)한 다음 다시 진공 수준으로 펌프 다운(3분)하여 챔버를 1기압의 매우 순수한 수소/메탄 혼합물로 채우고(다시 90분) 실험을 시작하는 데 3시간 이상 소요되는 시간 때문에 다이아몬드 성장을 위한 파라미터 탐색이 더뎠다!"고 밝혔다. 이어 성원경 박사는 "메탄과 수소의 혼합물에 노출된 액체 금속으로 실험을 시작하고 완료하는 데 필요한 시간을 크게 줄이기 위해 훨씬 더 작은 챔버를 설계하고 제작하도록 요청했다"고 말했다. 성 박사는 "우리가 새로 제작한 시스템 즉, 내부 용적이 9리터에 불과한 RSR-S은 총 15분 만에 메탄/수소 혼합물을 펌핑, 퍼지, 배출, 채우기까지 완료할 수 있다. 매개변수 연구가 크게 가속화되었고, 이를 통해 액체 금속에서 다이아몬드가 성장하는 매개변수를 발견할 수 있었다"라고 설명했다. 제1저자인 얀 공 UNIST 대학원생은 "어느 날 RSR-S 시스템으로 실험을 진행한 후 흑연 도가니를 식혀 액체 금속을 고형화한 후 고형화된 액체 금속 조각을 제거했을 때, 이 조각의 바닥면에 수 밀리미터에 걸쳐 '무지개 무늬'가 퍼진 것을 발견했다. 그 무지개 색이 다이아몬드 때문이라는 사실을 알게 되었다! 이를 통해 다이아몬드의 재현 가능한 성장에 유리한 매개변수를 파악할 수 있었다"라고 말했다. 연구팀은 또 '광 발광 분광법' 실험으로 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 준석해 다이아몬드 내 '실리콘 공극 컬러 센터' 구조도 발견했다. 이 구조는 액체 금속 합성 구성요소 중 하나인 실리콘이 탄소로만 이루어진 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 것이다. 실리콘 공극 컬러 센터 구조는 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고, 양자 현상(양자적인 특성)을 보인다. 그로 인해 향후 나노 크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨팅 분야의 응용이 기대된다. 논문 공동 저자인 메이후이 왕 박사는 "실리콘 공극 컬러 중심을 가진 이 합성 다이아몬드는 자기 감지 및 양자 컴퓨팅에 응용될 수 있을 것"이라고 말했다. 연구팀은 이러한 새로운 조건에서 다이아몬드가 핵을 형성하고 성장할 수 있는 메커니즘에 대해 심도 있게 연구했다. 시료의 단면을 고해상도 투과전자현미경(TEM)으로 촬영한 결과 다이아몬드와 직접 접촉한 고체 액체 금속에 약 30~40nm 두께의 비정질 표면 영역이 존재하는 것으로 나타났다. 공동 저자인 최명기 박사는 "이 비정질 영역의 상부 표면에 존재하는 원자의 약 27%가 탄소 원자였으며, 탄소 농도는 깊이에 따라 감소하는 것으로 나타났다"고 말했다. 연구팀은 또한 실리콘이 다이아몬드의 새로운 성장에 중요한 역할을 한다는 사실도 발견했다. 합금의 실리콘 농도가 최적 값보다 증가함에 따라 성장한 다이아몬드의 크기는 작아지고 밀도는 높아진다. 실리콘을 첨가하지 않으면 다이아몬드를 전혀 성장시킬 수 없었으며, 이는 실리콘이 다이아몬드의 초기 핵 형성에 관여할 수 있음을 시사한다. 루오프 소장은 "이 액체 금속에서 다이아몬드의 핵 형성과 성장에 대한 우리의 발견은 매우 흥미롭고 기초 과학을 위한 많은 흥미로운 기회를 제공한다. 이제 우리는 핵 형성과 그에 따른 다이아몬드의 빠른 성장이 언제 일어나는지 탐구하고 있다. 또한 탄소와 기타 필요한 원소의 과포화를 먼저 달성한 다음 온도를 빠르게 낮춰 핵 생성을 촉발하는 '온도 강하' 실험도 유망한 연구"라고 말했다.
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[신소재 신기술(38)] 한국 과학자팀, 상온 상압에서 다이아몬드 최초 합성
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