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[신소재 신기술(78)] 유기 태양 전지 패널, 햇빛 20% 전기 변환 성공…실리콘 대체 가능성 높여
- 미국 과학자들이 새로운 유기 태양 전지 패널을 개발해 햇빛의 20%를 전기로 변환하는 데 성공했다. 유기 태양 전지판(Organic Solar Cell)은 빛을 흡수해 전기를 생산하는 태양 전지의 한 종류다. 기존의 실리콘 태양 전지판과 달리 탄소 기반의 유기 반도체 물질을 사용해 제작된다. 캔사스대학교 연구진이 유기 반도체에 햇빛의 20%를 전기로 변환해, 태양 에너지 분야에 혁신을 가져올 수 있는 가능성을 제시했다고 인터레스팅엔지니어링이 보도했다. 수년 동안 실리콘은 태양 에너지 환경을 지배해왔다. 실리콘의 효율성과 내구성 덕분에 태양광 패널에 가장 많이 사용하는 소재가 된 것. 하지만 실리콘 기반 태양전지는 딱딱하고 생산 비용이 비싸서 곡면에 적용하는 데 한계가 있었다. 유기 반도체는 실리콘 태양 전지 패널보다 저렴하고 유연하며, 다양한 색상과 투명도를 구현할 수 있어 차세대 태양 전지 소재로 주목받고 있다. 유기 태양 전지판은 얇고 가벼우며, 플라스틱 기판 등 다양한 소재에 적용할 수 있어 곡면이나 불규칙한 표면에도 설치가 가능하다. 게다가 유기 물질은 실리콘보다 독성이 적고 재활용이 용이해 환경 친화적이다. 유기 반도체는 이미 휴대전화, TV, 가상현실(VR)헤드셋과 같은 가전제품의 디스플레이 패널에 사용되지만 상업용 태양광 패널에는 아직 널리 사용되지 않는다. 유기 반도체인 탄소 기반 소재는 더 낮은 비용과 더 큰 유연성으로 실행가능한 대안을 제공한다. 하지만 지금까지는 빛을 전기로 변환하는 효율성이 낮아 실리콘 태양 전지 패널을 대체하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구를 주도한 캔자스 대학교의 물리학 및 천문학 부교수인 와이런 챈 박사는 "이러한 재료는 벽에 페인트를 칠하는 것처럼 용약 기반 방법을 사용해 임의의 표면에 코팅할 수 있기 때문에 태양광 패널의 생산 비용을 잠재적으로 출 수 있다"고 설명했다. 이러한 유기 반도체는 단순히 비용 절감에만 그치지 않는다. 특정 파장의 빛을 흡수하도록 조정할 수 있어 새로운 가능성을 열어준다. 챈은 "이러한 특성 덕분에 유기 태양 전지 패널은 차세대 친환경적이고 지속 가능한 건물에 사용하기에 특히 적합하다"고 덧붙였다. 이번 연구는 유기 반도체의 일종인 비풀러렌 악셉터(NFA)의 높은 효율성에 대한 의문에서 시작됐다. 연구진은 NFA가 기존 유기 반도체보다 뛰어난 성능을 보이는 이유를 규명하는 과정에서 예상치 못한 현상을 발견했다. 특정 조건에서 NFA의 전자가 에너지를 잃는 대신 주변 환경으로부터 에너지를 얻는 현상을 관찰한 것이다. 이는 뜨거운 커피가 주변으로 열을 잃는 것과는 반대되는 현상으로 양자역학과 열역학의 결합으로 설명될 수 있었다. 연구진은 첨단 기술인 시간 분해 이광자 광전자 분해법을 활용해 1조분의 1초보다 짧은 시간 동안 전자의 에너지 변화에 추적했다. 그 결과 NFA의 전자가 양자역학적 특성으로 인해 여러 분자에 동시에 존재하는 것처럼 보이며, 이러한 현상이 열역학 제2법칙과 결합해 열흐름의 방향을 역전시키는 것을 확인했다. 이러한 역전된 열 흐름은 NFA의 전자가 주변 환경으로부터 에너지를 흡수하고 전하 분리 과정을 촉진해 전류 생성 효율을 높이는 데 기여한다. 연구진은 이번 발견이 태양 전지 효율을 20%까지 끌어올려 실리콘 태양 전지와의 격차를 좁히는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 또한 이러한 에너지 획득 메커니즘은 태양 전지 뿐만 아니라 이산화탄소를 유기 연료로 변환하는 광촉매 등 다른 재생 에너지 분야에도 적용될 수 있을 것으로 전망했다. 이는 유기 반도체 기반 기술의 잠재력을 극대화하고, 지속가능한 에너지 시스템 구축에 기여할 수 있는 중요한 발견으로 평가된다. 이번 연구는 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)' 저널에 게재됐다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(78)] 유기 태양 전지 패널, 햇빛 20% 전기 변환 성공…실리콘 대체 가능성 높여
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[우주의 속삭임(27)] '어두운 혜성', 과거 지구에 물 공급 가능성 제기
- 지구 근처에서 혜성처럼 움직이며 물과 얼음을 포함할 수 있는 소행성인 '어두운(Dark) 혜성'은 대부분 화성과 목성 사이에서 왔으며 지구 근처에 있는 모든 물체의 최대 60%를 차지할 수 있다는 연구 결과가 나왔다고 스페이스닷컴이 전했다. 더불어 이들 어두운 혜성이 과거 지구에 물을 공급했을 가능성도 제기됐다. 어두운 혜성은 2023년 코넬 대학의 대릴 셀리그먼이 이끄는 연구팀이 6개를 식별하면서 처음으로 드러났다. 소행성은 태양의 중력에 따라 궤도를 돈다. 그러나 여섯 개의 어두운 혜성은 태양의 중력만으로는 설명할 수 없는 궤도를 나타낸다. 일반적으로 혜성은 가열될 때 얼음이 승화되어 추진력을 받아 속도를 높이며 가스를 방출해 궤도를 변경할 수 있다. 방출된 가스는 혜성을 안개와 같은 물질로 덮고 꼬리를 형성한다. 그러나 셀리그먼 팀이 발견한 6개의 어두운 혜성은 가스 방출로 인한 안개나 꼬리가 없다. 눈에 보이는 가스 방출이 없음에도 불구하고, 혜성의 얼음이 승화되는 방출은 있을 것으로 추정됐고, 이 때문에 어두운 혜성이라는 별명이 붙었다. 셀리그먼 교수가 포함된 미시간 대학의 아스터 테일러 교수 연구팀은 계속해서 컴퓨터 시뮬레이션에 동적 모델링 기술을 적용함으로써 어두운 혜성의 궤도를 추적, 이 혜성이 어디에서 왔는지를 알아냈다. 이 어두운 혜성이 지구 근처 궤도에 도달할 수 있음도 확인했다. 연구 결과는 이카루스 저널에 발표됐다. 연구 결과, 어두운 혜성은 거의 화성과 목성 사이의 소행성대에서 유래한 것으로 나타났다. 또한 이번 연구는 소행성대에 있는 어두운 혜성 표면 아래에 많은 얼음이 존재할 것이라고 예측했던 1980년대의 초기 이론을 증명했다. 나사의 다운(Dawn) 임무는 왜행성 세레스에서 얼음을 발견했고 소행성 베스타에서 얼음이 있을 것이라는 강한 증거를 발견했는데, 이들 둘 다 주요 소행성대다. 그러나 세레스와 베스타는 대부분의 소행성보다 훨씬 크며, 태양계 초기에 완전한 행성으로 성장하지 못한 원시행성의 잔해로 추정된다. 훨씬 더 작은 소행성에도 얼음이 존재하는지 여부는 확실하지 않았지만, 이번 어두운 혜성 연구에 따르면 실제로 얼음이 존재하는 것으로 나타났다. 활성 소행성(꼬리까지 달려 혜성처럼 움직이는 소행성대의 물체)과 어두운 혜성 사이의 연관성에 대해서는 여전히 논쟁이 있지만, 테일러 박사는 어두운 혜성 및 활성 소행성이 지구의 물 공급원이었을 가능성이 있다고 추정했다. 테일러는 "어두운 혜성이 지구에 물을 공급했는지를 확신할 수는 없지만, 지구의 물 공급에 대한 논쟁이 여전히 남아 있으며, 우리의 연구는 어두운 혜성이 태양계의 나머지 부분 어딘가에서 지구가 얼음을 얻는 또 다른 경로라는 것을 보여준다"고 말했다. 연구팀의 계산과 모델링에 따르면 지구 근처 물체의 최대 60%가 어두운 혜성일 수 있다. 나사의 오시리스 렉스(OSIRIS-REx) 탐사선이 최근 샘플을 채취했던 소행성 베누(Bennu)도 가스 방출 활동을 했음이 드러났으며, 이는 지구에서는 볼 수 없지만 미세한 가스를 방출하는 소행성이 흔할 수 있음을 암시한다. 지구 근처를 공전하는 물체의 수명은 중력에 의해 태양이나 목성 또는 행성으로 흩어지기까지 약 1000만 년 정도다. 따라서 지구 근처의 물체가 현재 숫자를 유지하려면 어두운 혜성이 소행성대에서 나오는 새로운 물체로 지속적으로 보충되어야 한다. 테일러는 "우리가 생각했던 것보다 소행성대에 더 많은 얼음이 있을 수 있다"고 말했다. 어두운 혜성은 '2003 RM'을 제외하고 일반적으로 크기가 수십m 정도에 불과하며 빠르게 회전하고 있다. 파악하지 못하는 상당히 적은 양의 가스 방출은 어두운 혜성의 빠른 회전과 작은 크기의 원인이다. 얼음 조각이 승화하기 시작하면 생성된 증기가 소행성 표면을 통해 폭발하며 가스 방출 기둥을 생성한다. 가스 방출에 의해 전달된 추진력은 소행성을 결국에는 부서질 만큼 빠르게 회전하도록 한다. 그 결과 생성된 파편도 가스를 배출하면서 회전하기 시작하고 점차 오늘날 우리가 볼 수 있는 작은 어두운 혜성의 크기로 작아진다고 연구팀은 밝혔다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(27)] '어두운 혜성', 과거 지구에 물 공급 가능성 제기
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[우주의 속삭임(25)] 화성 탐사선, 그랜드 캐년보다 긴 신비한 협곡 포착
- 유럽우주국(ESA)이 화성 탐사선을 통해 화성 표면에서 600km에 이르는 뱀 같이 긴 협곡 이미지를 포착했다고 발표했다. 화성 표면은 긁힌 자국과 흉터로 가득 차 있는데, 아가니페 포사(Aganippe Fossa)라는 이름의 이 협곡은 가파른 벽이 있는 도랑 같은 홈 중 하나다. 더 구체적으로 아가니페 포사는 '그라벤(graben)'이라고 불리는 것이다. 그라벤은 나란한 두 개 이상의 정단층 사이에 발달된 길고 낮은 협곡 지대를 말한다. 스페이스닷컴에 따르면 ESA 관계자는 "최근 그랜드 캐년보다 긴 협곡 아가니페 포사가 포착됐으며, 이것이 어떻게, 언제 생겨났는지 아직은 확신할 수 없다. 그러나 화성의 거대한 타르시스(Tharsis) 화산 밑에서 솟아오르는 마그마로 인해 화성의 지각이 늘어나고 갈라지면서 형성된 것으로 보인다"고 밝혔다. 행성 명명의 가장 흔한 방법에 따라, 아가니페 포사라는 이름도 고대 그리스 신화에서 따왔다. 테르메소스 강의 딸인 아가니페는 그리스 헬리콘 산기슭에서 발견되는 샘의 요정(님프)이었다. 아가니페 포사는 화성의 가장 큰 화산 중 하나인 아르시스 몬스의 기슭에 있다. 포사는 도랑을 의미하는 라틴어에서 파생됐으며, 행성이나 행성을 도는 위성(달) 표면의 길고 좁은 협곡을 의미한다. 이번에 공개된 이미지는 2003년부터 화성 궤도를 돌고 있는 유럽 최초의 화성 임무인 ESA의 마스 익스프레스(Mars Express)가 촬영한 것이다. 화성 착륙선인 비글2호는 분실됐지만, 궤도선 마스 익스프레스는 화성에 대한 조사를 진행하고 있다. 광물 지도 작성, 대기 연구, 지각 하부 조사, 위성인 포보스와 데이모스를 탐사한다. 마스 익스프레스는 고해상도 스테레오 카메라로 아가니페 포사의 이미지를 포착하는 한편, 다양한 표면 특징도 매우 자세하게 공개했다. 울퉁불퉁하고 고르지 못한 언덕과 함께 매끄럽고 완만하게 경사진 절벽을 보여준다. ESA에 따르면 이 지형은 고대 빙하와 연관되었을 가능성이 있는 아르시스 몬스 화산 기저부 주변 10만 평방km의 고리 모양의 '후광'이 특징이다. 이 후광은 화산의 북서쪽 측면에만 형성됐는데, 이는 얼음이 자리잡는 반대 방향의 바람으로 인해 발생했을 가능성이 높다고 한다. ESA는 또 이 지역의 바람에 날린 먼지와 모래 역학에 대해 “이는 더 어두운 물질이 더 밝은 땅에 퇴적된 결과로, 행성 표면에 "얼룩말과 같은" 패턴을 생성했다. 그 표면에는 화산이 활동했던 시기 용암 흐름의 증거도 보여준다"고 설명했다. 아가니페 포사는 화성에 있는 많은 알베도(달이 반사하는 태양광선) 특징 중 하나다. 이는 지구에 있는 망원경을 통해서도 볼 수 있다. 궤도선을 통해 천문학자들은 화성 표면의 독특한 지형에 대한 이례적인 정보를 획득했다. ESA는 "마스 익스프레스가 매우 생산적이고 다양한 정보를 제공해 화성에 대한 이해 증진에 기여했다"고 밝혔다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(25)] 화성 탐사선, 그랜드 캐년보다 긴 신비한 협곡 포착
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[우주의 속삭임(24)] 달의 시간은 지구보다 얼마나 빠를까?
- 달에서는 지구보다 시간이 더 빨리 흐르는 것으로 확인됐다. 미 항공우주국(나사·NASA) 과학자들의 새로운 연구에 따르면 달에서의 시간은 지구보다 하루에 약 5700만분의 1초(57마이크로초) 빨리 흐르는 것으로 나타났다고 사이언스얼러트, IFL사이언스, ZME 사이언스 등 다수 외신이 보도했다. 이는 아폴로 우주선의 조종사들이 달에 마지막으로 발은 디딘 후 52년 동안 달의 시간은 지구보다 약 1.1초 더 길어졌다는 뜻이다. 1.1초는 큰 차이처럼 보이지 않을 수 있으며, 매일 달의 시간이 지구보다 5700만분의 1초씩 더 늘어나는 것도 마찬가지일 것이다. NASA)의 새로운 연구 결과에 따르면, 이 작은 차이는 나사가 오랫동안 기다려온 달 유인 탐사 임무를 시작할 때 항법 시스템 동기화에 영향을 미칠 수 있다. 나사 등 우주 기관은 달과 화성에 기지를 건설하는 것을 목표로 하고 있기 때문이다. 현재 달에는 합의된 표준 시간대가 없다. IFL사이언스에 따르면 무인 임무는 일반적으로 우주선의 원주국에 해당하는 시간을 사용하는 반면, 유인 아폴로 임무는 발사 순간부터 계산하는 지상 경과 시간(GET)를 사용했다. 달에 로봇, 그리고 언젠가는 인간이 거주하게 되면 이러한 시간 차이로 인한 문제가 발생할 수 있으며, 미국은 이를 해결하기 위해 달 표준시를 설정하려고 한다. 사람들은 그것을 달의 시간대라고 부르기도 한다. 아직 동료 심사를 거치지 않은 arXiv 프리프린트 서버에 게시된 새로운 논문은 "달 표준시 설정은 달에서의 활동 및 작업을 동기화하는 데 필수적"이라고 설명했다. 논문에는 "여러 착륙선, 로버 및 궤도선이 관련된 임무에서 공통 시간 기준을 갖는 것은 모든 장치가 효과적으로 조정하고 충돌을 피하며 협력을 강화하는 데 도움이 된다. 정확한 시간은 지구와 달 임무 간 통신에 매우 중요하며, 안정적인 데이터 송수신을 가능하게 하고 자율 시스템이 원활하게 작동하도록 보장한다"고 명시되어 있다. 연구팀은 이 논문에서 달 표면, 지구 표면, 그리고 태양계 질량 중심에서의 상대적인 시간 속도를 계산했다. 연구팀은 "태양계 질량 중심(SSB) 좌표 기준 프레임과 지구 표면 간의 상대론적 시간 변환은 잘 알려져 있지만, 달 표면에 대한 유사한 변환은 확립되지 않았다"고 언급하며, "특히 두 시간 척도의 시간 경과에 따른 변화를 설명하는 상수가 필요하다"고 덧붙였다. 시간 팽창과 원자 시계 아인슈타인의 일반 상대성 이론 후 중력이 시간을 늦출 수 있다는 사실은 알려져 있었다. 하지만 지구와 달의 중력 차이로 인한 시간 왜곡을 측정하는 것은 쉽지 않았다. 최근 10여년 동안에야 서로 상대적으로 움직이거나 다른 중력에서 두 물체 간의 작은 시간 차이를 감지할 수 있을만큼 민감한 원자 시계가 개발됐다. 약 50년 동안 유인 달 탐사가 중단되면서 과학자들은 지구와 달 사이의 미세한 시간 차이에 대해 연구할 필요성을 느끼지 못했다. 달의 중력은 지구의 6분의 1에 불과하지만 우주 비행사들이 잠시 머물렀기 때문에 문제가 되지 않았다. 그러나 이제 미국은 2026년 유인 달 탐사선 아르테미스 임무를 앞두고 달의 시간대 설정에 민감하게 움직이고 있다. 5700만분의 1초 차이는 크게 걱정할 정도는 아니지만, 고려하지 않을 경우 달 탐사 작전에 문제를 일으킬 수 있기 때문이다. 백악관의 최근 메모에는 NASA에 올해 12월 31일까지 새로운 시간 촉도에 대한 계획을 수립하라고 지시했다. 과학기술 대통령 보좌관이자 백악관 과학기술정책실(OSTP) 실장인 Arati Prabhakar는 NASA와 다른 기관들에게 새로운 달 시간 시스템 개발 협력을 지시하는 메모에서 "지구의 송신기 시계와 달의 수신기가 인식하는 시간 차이를 고려하지 않으면 거리 측정 오류가 발생할 수 있다"고 밝혔다. 이어 "우주선 도킹이나 착륙과 같은 정밀 작업에는 현재 방법보다 더 높은 정확도가 필요하다"고 했다. NASA는 늦어도 2026년 말까지, 또는 우주 비행사를 다시 달에 보내는 아르테미스 첫 번째 임무가 발사되기 전까지 이러한 시스템을 구현해야 한다. NASA는 아르테미스 임무를 통해 달 가지 건설 가능성을 탬색할 계호기이며, 이는 언젠가는 화성 탐사의 발판이 될 수도 있다. 슬라바 투리셰프가 이끄는 NASA 제트 추진 연구소의 물리학자들은 태양계의 공통 질량 중심과 관련하여 지구와 달의 시간 변화를 계산해 57마이크로초(5700만분의 1초)라는 수치를 도출했다. 미국 국립표준기술연구소의 다른 팀이 지난 2월 발표한 연구에 따르면 시간 스트레칭의 상대적 차이는 56.02마이크로초였다. 두 결과 모두 동료 검토를 거치지 않았기 때문에 음력 시간에 대한 최종값은 아직 결정되지 않았다. 달 시간의 최종 정의는 여러 기관과 국제기구의 검증을 거쳐야 한다. 예를 들어, 국제 도량형국과 국제 천문 연맹은 8월에 회의를 가질 예정이다. 달 표준시 설정 전에 더 많은 논의와 계산이 이루어질 것이며, NASA와 다른 우주 기관들이 어떤 시스템을 제시할지 지켜봐야 한다. 그러나 NASA는 이미 달에는 29.5일 주기의 낮과 밤이 있기 때문에 일광 절약 시간제는 적용되지 않을 것이라고 명확히 밝혔다. 또한, 지구 자전 속도가 이상하게 느려져 하루가 약간 길어지는 현상과 인간의 활동이 지구 자전에 미치는 영향도 주목해야 한다. 이 논문은 arXiv 프리프린트 서버에 게시됐다.
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[우주의 속삭임(24)] 달의 시간은 지구보다 얼마나 빠를까?
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[신소재 신기술(73)] 물로 전기 생산하는 휴대용 발전기, 워터릴리 터빈
- 물을 전기로 바꿔주는 '수차(워터릴리 터빈)'가 개발돼 가정에서 지속가능한 에너지 생산에 힘을 보태고 있다. 태양광 패널만이 자가 발전의 유일한 수단은 아니다. 가정에서 에너지를 생산하는 방법은 점점 다양해지고 있으며, 그중 하나가 물을 전기로 바꾸는 '워터릴리 터빈(WaterLily Turbine)'이다. 워터릴리 터빈은 흐르는 물과 강에서 에너지를 쉽게 활용할 수 있는 휴대용 발전기다. 이 장치는 휴대폰 충전도 가능하며, 초기 투자 비용은 비교적 저렴하고 에너지 생산 과정은 무료라고 에코뉴스가 전했다. 물을 전기로 변환하는 이 바퀴는 캐나다에 본사를 둔 씨포매틱스(Seaformatics) 제품으로, 오지 등 전기가 없는 지역에서 전자 기기에 전력을 공급할 수 있다. 워터릴리 터빈의 주요 부품은 내구성 있는 케이스 안에 있는 프로펠러다. 이 장치를 물에 담그거나 바람이 불면 프로펠러가 회전해 전기를 생산한다. 생산된 전기는 방수 케이블을 통해 휴대폰, 카메라, 보조 배터리 등을 충전하는 데 사용된다. 물로 휴대폰 충전 가능 워터릴리 터빈은 악천후에도 발전을 멈추지 않는다. 비나 눈이 내리는 날, 흐린 날에도 꾸준히 물이 흐르기만 하면 전기를 생산할 수 있다. 따라서 야외 활동, 캠핑, 전기가 없는 오지 등에서도 유용하게 사용할 수 있다. 씨포매틱스는 최대한의 전력 생산과 휴대성을 고려해 프로펠러를 설계했다. 그 결과 약 1.4kg의 휴대용 터빈이 탄생했으며, 최대 15W의 전력을 생산할 수 있다. 이 정도 출력이면 휴대폰, 카메라, 소형 전자기기, 보조 배터리, 캠핑용 조명이나 스피커 등을 충전하기에 충분하다. 15W 에너지와 극한의 에너지 효율 워터릴리 터빈은 물의 흐름 속도에 따라 1mph에서 최대 7mph 이상의 흐름에서 최대 15W까지 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 융통성 덕분에 완만한 개울부터 강이나 급류까지 다양한 환경에서 사용할 수 있다. 소규모로 전기를 생산하는 것은 쉽지 않지만 워터릴리 터빈과 같은 가정용 발전 장치는 에너지 생산과 자가 소비의 미래를 이끌어 갈 것으로 보인다. 이러한 기술은 탄소 배출량 감소에도 기여하며, 가정에서도 친환경 에너지 생산을 가능하게 할 것이다.
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[신소재 신기술(73)] 물로 전기 생산하는 휴대용 발전기, 워터릴리 터빈
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[신소재 신기술(72)] 새로운 에어로젤, 100% 태양 반사율과 뛰어난 복사냉각 효과 달성
- 중국 과학자들이 젤라틴과 DNA로 이루어진 새로운 생분해성 에어로젤을 개발해 태양 반사율 100%를 달성했다. 에어로젤은 90% 이상 공기로 이루어진 매우 가벼운 고체 물질이다. 세상에서 가장 가벼운 고체 중 하나인 에어로젤은 공기보다 약간 무거운 정도이며, 뛰어난 단열성을 지녀 극한의 온도에서도 열 전달을 효과적으로 막을 수 있다. 최근 중국 쓰촨대학 연구팀은 젤라틴과 DNA로 구성된 에어로젤을 개발해 태양 반사율 104%와 뛰어난 복사 냉각 효과를 달성했다고 인터레스팅 엔지니어링이 보도했다. 미국 과학진흥협회(AAAS)의 공식 성명에 따르면, 이 에어로젤은 생분해성이며 탁월한 복사 냉각 효과를 제공한다. 연구팀은 새러운 에어로젤은 가시광선 영역에서 104%의 반사율을 달성했으며, 이는 광 발광 효과에 의한 것이라고 밝혔다. 에어로젤의 발광은 젤라틴과 DNA가 촘촘하게 연결된 네트워크에서 비롯되며, 이는 발색단들을 함께 모아 시스템의 비복사 전이를 억제하는 데 기여한다. 이 냉각 소재는 특수한 층상 디자인과 빛에 노출될 때 독특하게 빛나는 방식으로 인해 많은 태양광을 반사할 수 있다. 또한 생분해성일 뿐만 아니라 수리와 재활용이 가능해 기존 냉각 소재에 대한 친황경적인 대안을 제시한다. 바이오매스 원료의 냉각 소재 특히, 이 소재는 바이오매스 원료를 사용하여 '워터 용접'이라는 공정으로 제작됐다. 높은 태양 복사 조건에서 주변 온도를 섭씨 16도까지 낮출 수 있으며, 수리와 생분해가 가능하다. 이 연구의 제1저자인 지안웬 마(Jian-Wen Ma)는 젤라틴과 DNA는 구조적으로 균일한 에어로젤을 얻기 위해 동결 건조 공정을 통해 졸-겔 방식으로 설계됐다고 말했다. 마 연구원은 "에어로젤의 다층 구조는 햇빛의 다중 산란/반사를 허용하여 태양 반사율을 효과적으로 향상시킨다"고 말했다. 이 새로운 접근 방식은 에너지 소비가 많고 온실가스 배출량이 많은 기존 냉각 시스템의 문제를 극복하는 것을 목표로 한다. 바이오폴리머 기반 소재를 사용하여 장기적인 안정성과 최소한의 환경 영향을 제공한다. 냉각 소재는 맑음, 흐림 등 다양한 기상 조건에서 테스트에 성공했다. 또한 이 바이오매스 에어로젤은 자연 환경에서 미생물에 의해 생분해될 수 있으며, 고온 용해-재겔화-동결 건조 과정을 통해 재활용할 수 있다. 과학자들은 현재 에어로젤의 잠재적인 실용적인 응용 분야를 모색하고 있으며, 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성을 긍정적으로 전망하고 있다. 이 연구는 지난 7월 4일 저널 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(72)] 새로운 에어로젤, 100% 태양 반사율과 뛰어난 복사냉각 효과 달성
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수출입은행, UAE 역대 최대 규모 태양광발전 사업에 1.5억달러 금융 지원
- 한국수출입은행은 한국서부발전이 수주한 아랍에미리트(UAE)아즈반 태양광발전 사업에 1억5000만 달러 규모의 프로젝트파이낸싱(PF)을 제공한다고 8일 발표했다. 이 사업은 UAE 사막 지역에 충사업비 9억 달러 이상을 투입해 설비용량 1500MW(1.5GW) 규모의 태양광발전소를 건설하고 운영하는 프로젝트다. 이는 국내 기업이 수주한 태양광발전 사업 중 단일 사업으로는 설비 용량과 사업비 측면에서 모두 역대 최대 규모다. 1500MW의 태양광 발전소는 매우 큰 규모다. 일반 가정에서 사용하는 태양광 발전 시스템은 보통 3~5kW(0.003~0.005MW) 정도다. 1500MW는 이보다 30만~50만배 큰 규모이다. 일반적인 원자력 발전소 1기의 발전 용량은 약 1000MW에 달한다. 따라서 1500MW는 원자력 발전소 1.5기와 맞먹는 규모로 볼 수 있다. 서부 발전은 프랑스 전력공사(EDF)의 신재생에너지 자회사인 EDF-R과 컨소시엄을 구성해 국내 최초로 UAE 태양광 발전사업을 수주했고, 사업주체로서 사업 전반을 총괄한다. 앞서 한국서부발전은 지난 3월 22일 1500MW 규모의 아랍에미리트 카즈나 태양광 입찰을 따내기 위해 프랑스 국영 발전회사의 신재생 발전 자회사인 EDF_R과 공동개발협약(JDA)에 서명했다고 밝혔다. 수출입은행은 사업 입찰 초기부터 금융지원(여신 의향서)를 밝혀, 서부발전의 자금 조달 경쟁력을 높여 수주에 기여했다. 수출입은행 관계자는 "중동 태양광 발전 사업 입찰에서 우리 기업의 추가 사업 수주를 적극 지원해 친환경 에너지 전환에 이바지하겠다"고 말했다.
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- 산업
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수출입은행, UAE 역대 최대 규모 태양광발전 사업에 1.5억달러 금융 지원
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[우주의 속삭임(23)] 달의 신비한 소용돌이는 '지하 마그마' 때문?
- 달의 표면은 회색의 여러 반점 모양으로 유명하다. 망원경을 들여다 보면 달의 표면에서는 또한 밝게 보이는 반점도 발견된다. 달 소용돌이로 알려진 이러한 특징적인 반점들이 지난 1600년대에 처음 발견된 이후, 천문학계는 그 기원이 무엇인지를 계속 탐구해 왔다. 학계에 잘 알려진 ‘라이너 감마’ 소용돌이와 같은 밝은색의 반점 영역은 오늘날까지도 수수께끼로 남아 있다. 라이너 감마는 달 표면 밝게 보이는 반점 형상의 평평한 지대다. 그런 가운데 스탠포드 대학교와 세인트루이스 워싱턴 대학교(WUSL) 과학자팀이 반점에 대한 새로운 연구 결과를 내놓아 주목된다고 사이언스얼라트가 전했다. 새로운 이론을 제시한 것이다. 이 연구는 '지구물리학 연구저널: 행성(Journal of Geophysical Research: Planets)'에 게재됐다. 지구와 달리 달은 태양의 하전 입자로부터 자신을 보호하기 위해 자기장을 발생시키지 않는다. 이는 태양풍이 달 표면과 충돌할 때 화학 반응을 일으켜 시간이 지남에 따라 암석이 더 어둡게 만든다. 즉, 달의 일부 반점처럼 보이는 주머니는 작은 자기장에 의해 보호되는 것으로 보인다. 지금까지 학자들이 발견한 모든 밝은 음영의 달 소용돌이는 이 지역의 자기장들 중 하나와 일치한다. 그러나 그 안에 있는 모든 암석이 반사되는 것은 아니며, 달의 모든 자기장이 소용돌이를 포함하는 것도 아니다. 그렇다면 여기에서는 무슨 일이 벌어지고 있는 것일까. 최근 일부 연구에서는 달과 미세 운석의 충돌이 하전된 먼지 입자를 일으킬 수 있으며, 이 입자가 표면에 도달하는 곳마다 국지적인 자기장이 생성되고 이로 인해 태양풍이 반사된다는 주장이 나왔다. 그러나 스탠포드와 WUSL의 연구팀은 그 가설에 대해 이의를 제기했다. 무언가 다른 힘이 달의 소용돌이를 자화시켜 태양풍 입자를 편향시켰다는 것이다. WUSL의 행성 과학자 미하일 크로친스키는 "충돌로 인해 이러한 유형의 자기 이상 현상이 발생할 수 있지만, 충격에 의한 것이라고 확신할 수 없는 모양과 크기의 소용돌이가 있다"고 지적했다. 크로친스키는 이에 대해 "지각 아래로부터의 힘도 작용할 수 있다"고 제안했다. "지하에 용암이 있다는 것이고, 자기장에서 천천히 냉각되면서 자기 이상 현상을 일으켰다"는 것이다. 연구팀은 그 근거로 달 표면 아래에서 한때 암석이 녹아 흐르고 있었던 레이더 영상 증거를 제시했다. 냉각된 마그마의 지하 흐름은 수십억 년 전의 화산 활동 시기를 나타낸다. 연구팀은 이 마그마 냉각 속도 모델을 사용, 달에 풍부하게 존재하고 화산암에서 흔히 발견되는 일메나이트라는 티타늄-산화철 광물이 어떻게 자화 효과를 낼 수 있는지 조사했다. 그들의 실험은 적절한 조건에서 일메나이트의 느린 냉각이 달의 지각과 상부 맨틀 내의 금속 철 및 철-니켈 합금 입자를 자극해 강력한 자기장을 생성할 수 있음을 보여준다. 팀은 "이 효과가 달 소용돌이와 관련된 강한 자기 영역을 설명할 수 있다"고 결론지었다. 이 결론이 입증되기 위해서는 지하 마그마에 티타늄 함량이 충분해야 한다. 그러나 지금까지 달의 국지적 자기장에 대해 알려진 대부분은 공중을 도는 우주선의 레이더를 사용해 얻은 데이터 측정에서 얻어진 것이다. 실제로 정확히 이해하려면 달 표면을 직접 시추해야 한다. 나사(NASA)는 이를 구체적으로 규명하기 위해 2025년 루나 버텍스(Lunar Vertex) 임무의 일환으로 라이너 감마 소용돌이에 탐사선을 직접 보낸다. 향후 수 년 안에 이 수수께끼를 해결할 증거가 수집될 것으로 기대된다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(23)] 달의 신비한 소용돌이는 '지하 마그마' 때문?
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[기후의 역습(21)] 알래스카 주노 빙원, 1980년대보다 5배 빨리 사라져
- 북미 대륙 최북단 알래스카는 빙하의 땅이다. 무려 1000개 이상의 빙하가 존재한다. 그중에서도 대표적인 알래스카 주노 빙원이 빠르게 녹고 있으며, 그 속도도 가속화되고 있다고 한다. 새로운 연구에 따르면 현재 주노 빙원은 지난 1980년대에 비해 4.6배 빠르게 줄어들고 있다고 연합뉴스가 AP통신을 인용해 3일 전했다. 연구는 영국 뉴캐슬 대학, 미국 매사추세츠주 니콜스 대학 등의 공동 연구팀이 수행했으며, 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 최신호에 실렸다. 연구는 18세기까지의 데이터를 추가해 지난 1948년부터 약 3855㎢(약 1500평방 마일)에 달하는 빙상의 얼음과 눈의 양을 정밀하게 추적하고 분석했다. 그 결과 이곳 빙하는 1850년경 소빙하기 말기에 정점을 찍고 그 이후 서서히 줄어들었으며, 약 10년 전부터는 녹는 속도가 급속히 빨라진 것으로 나타났다. 뉴캐슬 대학 빙하학자 베단 데이비스 박사는 기후 변화로 인해 겨울이 짧아지고 여름이 점점 길어지고 있으며 얼음이 녹는 계절과 시간이 늘어나고 길어지고 있다고 밝혔다. 니콜스 대학 환경과학과 마우리 펠토 교수도 얼음이 매우 빨리 녹고 있으며, 현재 물로 녹아내리는 얼음의 양이 초당 평균 약 5만 갤런에 달한다고 설명했다. 데이비스는 "알래스카는 2000~2020년까지다른 어느 곳보다 더 많은 얼음이 사라지고 있다"고 우려했다. 분석에서는 1948~2005년 사이에 주노 빙원의 빙하가 4개 녹아서 사라졌는데, 2005~2019년 사이에는 무려 64개가 사라진 것으로 밝혀졌다. 많은 이름 없는 빙하들이 사라진 가운데, 큰 빙하 중 하나인 앤틀러(Antler) 빙하도 완전히 사라진 것으로 확인됐다. 빙하학자들은 빙원이 얇아지는 '죽음의 나선' 현상을 경고하며, 가속이 가장 우려된다고 경고했다. 빙원은 빙하의 집합체인 반면, 빙상은 대륙 전체에 걸쳐 존재하는 얼음으로 그린란드와 남극 대륙 단 두 곳만 남아 있다. 알래스카 주노 빙원에서 가장 유명한 빙하는 관광 명소인 멘덴홀 빙하(Mendenhall Glacier)다. 연방기상데이터에 따르면 북극은 1980년 이후 알래스카의 기온이 섭씨 1.5도 상승하는 등 세계의 다른 지역보다 약 4배 빠르게 온난화되고 있다. 게다가 해마다 일기 변화가 극심해지고 있다. 펠토 교수는 미국 스키 대표팀 구성을 위해 지난 1981년 주노 빙원을 방문한 이후 빙하 연구에 몰두하고 있다. 그는 “1981년에는 빙하를 타고 바닥까지 내려가는 것이 가능했지만 현재는 녹은 눈으로 인해 가장자리에 호수가 생겼고 크레바스가 열리면서 스키를 탈 수 없을 정도가 됐다“고 말했다. 얼음이 녹아내린 곳의 어두운 암석은 태양열을 흡수해 땅을 따뜻하게 만들고, 얼음이 녹는 현상을 증폭하고 가속화하는 피드백 효과를 낸다. 더 많은 눈이 녹아 내린다는 것이다. 핵심은 눈 또는 얼음과 맨땅의 경계선인 스노우 라인(snow line·설선)인데, 이 경계선이 계속 위쪽으로 이동하고 있는 것이 문제라고 보고서는 지적했다. 지구 온난화로 눈으로 덮여 있던 지역이 녹고 있기 때문이다. 특히 주노 빙원의 구조가 다소 평평해 더욱 취약하다는 것. 다만 주노 빙원의 눈이 모두 녹아도 전 세계 해수면 상승에는 큰 영향을 미치지 않을 것이라고 연구진은 예상했다. 자연 관광지이자 문화적인 명소가 사라지는 타격은 피할 수 없다. 전문가들은 이번 연구가 현실적으로 설득력 있으며, 다른 연구팀의 관측과도 일치한다고 밝혔다. 세계빙하모니터링서비스(World Glacier Monitoring Service)의 마이클 젬프 소장은 "빙하를 구하기 위해서는 긴급하고 실질적인 조치가 필요하다"고 강조했다.
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[기후의 역습(21)] 알래스카 주노 빙원, 1980년대보다 5배 빨리 사라져
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[우주의 속삭임(22)] 태양 입자 폭발, 지구 오존층 파괴…방사선 노출 위험 고조
- 핀란드와 영국, 미국 등 국제 연구팀이 태양에서 발생하는 강력한 입자 폭발 현상이 지구의 오존층을 심각하게 파괴해 장기간 지구 표면에 방사선 노출량을 증가시킬 수 있음을 밝혔다고 PHYS.org가 2일(현지시간) 보도했다. 올해 5월초 발생한 강력한 오로라는 태양 폭풍이 방출하는 방사선 에너지를 보여주는 사례였다. 태양은 때때로 더 파괴적인 현상을 일으키기도 한다. '태양 입자 방출(solar particle events)'이라고 알려진 이 현상은 태양 표면에서 직접 방출되는 양성자 폭발로, 마치 탐조등처럼 우주 공간으로 뻗어 나갈 수 있다. 연구에 따르면, 지구는 약 1000년마다 극심한 태양 입자 방출 현상에 노출되며, 이는 오존층에 심각한 손상을 입히고 지표면의 자외선(UV) 복사량을 증가시킬 수 있다. 지난 7월 1일 미국 국립과학원 아카데미 회보에 게재된 논문에서 연구팀은 이러한 극한 상황이 발생했을 때 나타나는 현상을 분석했다. 또한 지구 자기장이 약화되었을 때 이러한 현상이 지구 생명체에 미치는 영향이 매우 클 수 있음을 보여줬다. 이 논문의 주저자는 판란드 오울루대학교(University of Oulu)의 프레이드리그 아르세노비치(Predrag Arsenovic)이며, 공동 저자는 영국 레딩대학교(University of Reading)의 매튜 오웬스(Mathew Owens), 미국 콜로라도대학교 볼더(University of Colorado Boulder)의 마이크 록우드(Mike Lockwood), 오울루대학교의 일리야 우소스킨(Ilya Usoskin), 레딩대학교의 루크 바나드(Luke Barnard) 등이다. 극지방 자기장, 오로라 형성 지구 자기장은 태양에서 방출되는 전하를 띤 방사선을 막아주는 중요한 보호막 역할을 한다. 일반적인 상태에서 지구 자기장은 거대한 막대 자석처럼 기능하며, 한쪽 극에서 나온 자기장 선이 다른 극으로 돌아가는 형태를 띠고 있다. 극지방에서는 자기장 선이 수직으로 배열되어 일부 이온화된 우주 방사선이 상층 대기까지 침투해 공기 분자와 상호작용하며 오로라를 생성한다. 그러나 지구 자기장은 시간이 지남에 따라 크게 변화한다. 지난 세기 동안 북극 자기는 연간 약 40km 속도로 캐나다 북부를 가로질러 이동했으며, 자기장 강도는 6% 이상 약화됐다. 지질학적 기록에 따르면, 지구 자기장이 매우 약하거나 완전히 사라진 시기가 수백년 또는 수천 년 지속된 경우도 있었다. 고대에 자기장을 잃고 그 결과 대기의 대부분을 잃은 화성을 살펴보면 지구 자기장이 없다면 어떤 일이 일어날지 알 수 있다. 지난 5월 지구에 오로라 발생 직후 강력한 태양 입자 방출 현상이 화성을 강타했다. 이로 인해 화성 탐사선 오디세이의 작동이 중단됐고, 화성 표면의 방사선 수치가 흉부 X선 촬영시 받는 방사션보다 약 30배나 높은 수준을 기록했다. 태양의 외기는 '태영풍'이라고 알려진 전자와 양성자의 끊임없이 변동하는 흐름을 방출한다. 그러나 태양 표면은 태양 입자 방출 현상에서 에너지, 주로 양성자인 에너지 폭발을 산발적으로 방출한다. 이는 종종 태양 플레어와 관련 있다. 오존 감소, 방사선 증가 양성자는 전자보다 훨씬 무겁고 더 많은 에너지를 가지고 있기 때문에 지구 대기의 더 낮은 고도애 도달해 공기 중의 기체 분자를 들뜨게 자극한다. 그러나 이러한 들뜬 분자는 육안으로 볼 수 없는 X선만 방출한다. 매 태양 주기(약 11년)미디 수 백건의 약한 태양 입자 방출 현상이 발생하지만, 과학자들은 지구 역사 전체에 걸쳐 훨씬 더 강력한 사건의 흔적을 발견했다. 가장 극단적인 것 중 일부는 현대 장비로 기록된 것보다 수전 배 더 강했다. 이러한 극단적인 태양 압자 방출 현상은 대략 수천 년마다 발생한다. 가장 최근의 사건은 993년 경에 발생했다. 즉각적인 영향 외에도 태양 입자 방출 현상은 상층 대기에서 오존을 고갈시킬 수 있는 일련의 화학 반응을 일으킬 수도 있다. 오존은 유해한 태양 자외선을 흡수해 시력과 DNA를 손상시킬 수 있으며, 피부암 위험을 증가시키고 기후에도 영향을 미친다. 새로운 연구에서 연구팀은 극심한 태양 입자 방출 현상의 영향을 조사하기 위해 대규모 컴퓨터 모델을 사용했다. 연구팀은 이러한 사건이 1년 정도 오존층을 고갈시켜 지표면의 자외선 수치를 높이고 DNA 손상을 증가시킬 수 있음을 발견했다. 그러나 지구 자기장이 매우 약한 시기에 태양 양성자 사건이 발생하면 오존 손상이 6년 동안 지속되어 자외선 수치가 25% 증가하고 태양에 의한 DNA 손상률이 최대 50%까지 증가할 수 있다. 진화와 자가장과의 상관관계 그렇다면 약한 자기장과 극심한 태양 양성자 사건의 이러한 치명적인 조합은 얼마나 자주 일어날까. 이 두 현상은 상대적으로 자주 함께 발생할 가능성이 크다. 실제로 이러한 사건의 조합은 과거 지구의 여러 가지 미스터리한 사건을 설명할 수 있다. 가장 최근의 약한 자기장 기간(북극과 남극의 일시적인 전환 포함)은 4만2000년 전에 시작되어 약 1000년 동안 지속됐다. 유럽에서 마지막 네안데르탈인의 멸종과 호주에서 거대 웜뱃과 캥거루를 포함한 유대류 거대 동물군의 멸종과 같은 몇가지 주요 진화 사건이 이 시기에 발생했다. 훨씬 더 큰 진화적 사건 또한 지구의 자기장과 관련이 있다. 남호주 플린더스 산맥의 화석에 기록된 에디아카라기 말(약 5억6500만년) 다세포 동물의 기원은 2600만 년 동안 자기장이 약하거나 없는 시기 이후에 발생했다. 마찬가지로 캄브리아기 대폭발(약 5억3900만년 전)에서 다양한 동물 그룹의 급속한 진화는 지자기 및 높은 자외선 수준과 관련이 있다. 관련 없는 여러 그룹에서 눈과 단단한 몸 껍질의 동시 진화는 '빛으로부터의 도피'에서 유해한 자외선 유입을 감지하고 피하는 가장 좋은 수단으로 설명됐다. 이제 막 첫발을 뗀 진화와 자기장과의 연구는 지구 생명체의 역사와 미래에 대한 이해를 넓히는 데 중요한 영향을 미칠 수 있다. 아울러 지구 온난화로 인한 자기장 변화가 생태계에 미칠 영향을 예측하고 대비하는 데 도움을 줄 수 있다.
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[우주의 속삭임(22)] 태양 입자 폭발, 지구 오존층 파괴…방사선 노출 위험 고조
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[우주의 속삭임(21)] 중국, 달 샘플서 '그래핀' 발견…달 기원에 도전장
- 중국 달 탐사선이 달에서 채취한 샘플에서 자체 토착 탄소인 그래핀이 발견돼 달의 기원에 도전장을 내밀고 있다. 달의 기원에 대해서는 여러 가지 가설이 존재하지만, 현재 가장 유력한 가설은 '거대 충돌설'이다. 약 45억년 전 원시 지구와 화성 크기의 천체 테이아(Theia)가 충돌해 두 천체가 합쳐지고, 그, 충격으로 떨어져 나간 파편들이 지구 주위를 돌며 뭉쳐져 달이 형성됐다는 이론이다. 이 가설은 달 샘플의 화학적 구성, 달 공전 궤도, 지구와 달의 자전축 기울기 등 여러 증거를 통해 뒷받침되고 있다. 중국 지린 대학교 과학자들은 2020년 12월 창어 5호가 달 표면에서 채취한 샘플을 분석하는 과정에서 특이하게 그래핀을 발견했다. 연구팀은 자연 상태에서 생성된 '소수층 그래핀(few-layer graphene)'을 달 샘플에서 처음으로 발견했다고 국영 통신사 글로벌 타임스가 보도했다. 이는 향후 인류가 달 현지 자원을 활용하는 계획에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 욱각형 벌집 모양으로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루는 소재다. 그래핀은 원자 한 층으로 이루어져 세상에서 가장 얇은 물질이다. 쉽게 말하면 연필심에 사용되는 흑연을 아주 얇게 한 겹만 떼어낸 것으로 볼 수 있다. 이번 발견은 달의 초기 지질학적 진화 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있으며, 달이 지구와 소행성의 충돌로 형성되었고 탄소 대부분이 이 충돌에서 유래했다는 기존 이론에 의문을 제기할 수 있다고 퓨처리즘은 전했다. 연구팀은 "널리 받아들여지는 '거대 충돌 이론'은 (미국 우주선) 아폴로 샘플의 초기 분석에서 파생된 '탄소 결핍 달'이라는 개념에 의해 강력하게 뒷받침되어 왔다"고 논문에서 밝혔다. 그러나 이번 연구 결과는 달에서 '탄소 포집 과정'이 존재하며, '토착 탄소의 점진적 축적'이 일어났음을 시사한다. 이는 '달의 화학 성분 및 역사에 대한 이해를 재정립할 수 있는 발견'이라는 점에서 중요하다. 연구팀은 비파괴 화학 분석 방법인 '라만 분광법'을 사용하여 소수층 그래핀의 존재를 확인했다. 소수층 그래핀은 2~10개 층으로 이루어진 그래핀으로, 실험실에서도 제조될 수 있다. 연구팀은 이 물질이 태양풍이 달 표면을 강타하고 초기 화산 폭발이 일어나는 과정에서 형성되었을 가능성을 제시했다. 순수한 '토착 탄소'의 존재는 약 44억 5000만 년 전 화성 크기의 소행성이 지구와 충돌하여 달이 형성되었다는 기존 가설에 배치되는 점이다. 그러나 연구팀은 이전 연구 결과와 마찬가지로 운석 충돌이 달에서 흑연 탄소 형성에 기여했을 가능성도 인정했다. 연구팀은 "자연 그래핀의 특성에 대한 심층적인 연구는 달의 지질학적 진화에 대한 더 많은 정보를 제공할 것"이라고 말했다. 한편, 중국은 무인 달 탐사선 창어-6호가 세계 최초로 달 뒷면의 샘플을 채취해 지난 6월 25일 내몽골에 성공적으로 착륙했다. 창어-6호는 달 뒷면에 있는 거대한 분화구인 남극 에이컨 분지(South Pole-Aitken Basin) 분지에서 달 토양을 수집해 지구로 53일만에 귀환한 것. 최대 2kg(4.4 파운드)에 달하는 이 샘플은 지난 26일 새벽 베이징으로 공수돼 중국 우주 기술 아카데미(CAST)로 이송됐다. 스페이스닷컴에 따르면 중국이 달 뒷면에처 채취한 샘플은 2020년 창어-5호가 수집한 샘플과 마찬가지로 재료를 분류한 다음 중국 전역의 과학자 및 기관의 연구에 사용할 수 있도록 제공될 예정이다. 이 자료는 2년 후 국제 그룹과 연구자들의 응용 프로그램에 제공될 가능성이 높다고 한다. 미 항공우주국(나사·NASA)의 자금 지원을 받은 연구원들은 지난해 말 달 샘플에 대한 접근을 신청할 수 있는 특별 허가를 받았다. 과학자들은 이 샘플이 달, 지구, 태양계의 형성에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대하고 있다. 중국은 우주 강국으로 자리매김하기 위해 2026년 창어-7호를 달 남극에 발사하고, 2028년에는 창어-8호를 발사해 자원 활용에 집중할 계획이다. 아울러 중국은 2030년까지 우주비행사를 달 남극에 보낼 계획이다. 달 남극은 인간의 생존에 필수적인 물과 각종 희토류 등이 있는 것으로 알려져 인도와 미국 등 세계 각국의 탐사 목표지로 급부상했다.
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[우주의 속삭임(21)] 중국, 달 샘플서 '그래핀' 발견…달 기원에 도전장
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[신소재 신기술(66)] 혁신적인 '빛 수확 시스템', 태양 전지 효율 38% 개선
- 독일 과학자들이 태양 전지의 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 혁신적인 광 수확 시스템을 개발했다. 율리우스 막시밀리안 대학교(JMU) 연구팀은 전체 가시광선 스펙트럼을 흡수하여 태양 에너지를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 새로운 시스템을 설계했다고 인터레스팅엔지니어링과 인티펜던트 등 다수 외신이 27일(현지시간) 보도했다. 연구 환경에서 실험 결과, 이 시스템은 입사광의 38%를 형광으로 변환하여, 기존 시스템 대비 비약적인 발전을 이루었다. 현재 상용화된 태양 전지에 사용되는 광 수집 시스템은 효율성이 낮다. 실리콘 등 무기 반도체 재료로 제작되어 가시광선 전체 스펙트럼을 흡수할 수 있지만, 흡광도가 매우 낮아 더 많은 빛을 흡수하기 위해 두꺼운 실리콘 층이 필요하며, 이는 태양 전지의 무게 증가로 이어진다. 연구팀은 광합성을 통해 넓은 스펙트럼의 빛을 활용하는 식물과 박테리아 등 자연 시스템에서 영감을 얻어, 네 가지 메로시아닌 염료를 사용하여 빛 수확 안테나를 설계했다. 이 염료들은 정교하게 접히고 쌓여 초고속으로 에너지를 효율적으로 전달할 수 있다. 이 혁신적인 빛 수확 시스템 프로토타입은 네 가지 염료 성분이 흡수하는 파장(자외선 U, 적색 R, 보라색 P, 청색 B)을 따서 URPB라고 명명됐다. 보도자료에 따르면 연구팀은 광 수확 시스템 성능을 검증하기 위해 형광 양자 수율(시스템이 형광 형태로 방출하는 에너지의 양)을 측정했다. 네 가지 염료를 개별적으로 사용할 경우, 빛 에너지의 약 1~3%만 수집할 수 있다. 하지만 새로운 시스템에서는 이들을 통합적으로 활용하여 빛의 38%를 유용한 에너지로 변환하는 데 성공했다. JMU의 프랑크 뷔르트너 박사는 "이 시스템이 무기 반도체와 유사한 구조를 가지고 있어 '가시광선 범위 전체에 걸쳐' 빛을 흡수할 수 있다"고 설명했다. 또한 유기 염료의 높은 흡수율을 기반으로 자연광 수확 시스템처럼 얇은 층을 사용하여 상당한 양의 빛 에너지를 수집할 수 있다고 강조했다. 이변 연구 결과는 '헤테로메릭 염료 폴더머를 위한 초분자 엑시톤 밴드 엔지니어링에 의한 범색광 수확 안테나'라는 제목으로 '화학 저널(Chem)'에 게재됐다.
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[신소재 신기술(66)] 혁신적인 '빛 수확 시스템', 태양 전지 효율 38% 개선
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[우주의 속삭임(20)] 소행성 베누 샘플서 생명체 구성요소인 인산염 발견
- 미국 항공우주국(나사·NASA)의 소행성 연구 우주 탐사선 오시리스-렉스(OSIRIS-REx)가 소행성 베누(Bennu)로부터 채취한 4.3온스(121.6g)의 샘플을 분석한 결과 생명체의 구성 요소인 인산염이 발견됐다. 나사는 공식 홈페이지에서 "오시리스-렉스 샘플 분석팀은 소행성 베누가 우리 태양계를 형성하는 성분들을 함유하고 있음을 발견했다"고 밝혔다. 베누의 먼지에는 생명체에 필수적인 구성 요소인 탄소와 질소, 유기 화합물이 풍부한 것으로 나타났다는 것. 지구로 가져온 베누 샘플에는 또한 마그네슘-나트륨 인산염이 포함돼 연구팀을 놀라게 했다. 이는 베누 우주선이 수집한 원격탐사 데이터에서는 나타나지 않았었다. 점토 광물, 특히 사문석(뱀 문양의 돌)이 대부분인 이 샘플은 지구 지각 아래층 맨틀 물질이 물과 만나는 지구의 대양 중간 능선에서 발견되는 암석과 유사한 유형이다. 지구로부터 떨어져 나갔을 가능성을 시사하는 대목이다. 이는 점토 형성에 그치지 않고 탄산염, 산화철, 황화철 등 다양한 광물을 만들었다. 그 중에서도 가장 놀라운 발견은 수용성 인산염의 존재였다. 인산염은 오늘날 지구상에 알려진 모든 생명체의 생화학 구성 요소다. 지난 2020년 JAXA(일본우주항공연구개발기구)의 하야부사2 임무에서 채취한 소행성 류구(Ryugu) 샘플에서도 유사한 인산염이 발견됐었다. 그러나 베누 샘플에서 검출된 마그네슘-나트륨 인산염은 어떤 운석 샘플에서도 유례가 없을 정도로 순도가 탁월하다. 연구진은 이것이 베누의 역사에 대한 귀중한 단서를 제공한다고 지적했다. 연구진의 단테 로레타 애리조나 대학 박사는 "베누 샘플에서 나타난 각종 원소, 특히 인산염의 존재와 상태는 과거 소행성에 물이 존재했음을 암시한다"며 “베누는 과거 한때 습한 행성이었을 수 있지만, 이는 추가 조사가 필요하다"고 말했다. 나사의 제이슨 드워킨 박사도 오시리스-렉스가 과거에는 습했으며 질소와 탄소가 풍부했을 것으로 추정되는 원시 소행성 베누 샘플을 가져왔다"고 밝혔다. 베누는 물이 존재한 역사가 있었을 가능성에도 불구하고, 화학적으로 원소 비율이 태양과 매우 유사한 원시 소행성으로 남아 있다. 로레타는 "가져온 샘플의 구성에서 45억 년 이상 전 우리 태양계 초기 모습을 엿볼 수 있다. 이 샘플은 생성된 이래 녹거나 재응고되지 않은 원래의 상태를 유지하면서 고대의 기원을 보여준다"고 의미를 부여했다. 연구진은 샘플을 통해 소행성 베누에 탄소와 질소가 풍부하다는 사실을 확인했다. 이 원소들은 베누의 물질이 탄생한 환경과 함께, 단순한 원소가 복잡한 분자로 변환하는 화학적 과정을 이해하는 데 매우 중요하다. 지구상의 생명체의 기원을 밝히는 기초를 마련할 가능성도 있다. 태양계 형성의 복잡한 과정과 지구에 생명체가 출현한 프리바이오틱 화학을 밝히는 열쇠를 쥐고 있다는 것이다. 향후 수 개월 안에 미국과 전 세계의 연구소가 휴스턴에 있는 나사의 존슨 우주센터로부터 베누 샘플의 일부를 제공받게 된다. 베누 샘플 분석이 활발해지고, 더 많은 연구 결과가 발표될 것이라는 기대다. 2016년 9월 발사된 오시리스-렉스 우주선은 지구 근처 소행성 베누로 이동해 베누 표면에서 암석과 먼지 샘플을 수집했고 2023년 9월 이 샘플을 지구로 가져왔다. 나사의 고다드 우주 비행센터가 오시리스-렉스 임무를 관리했다. 이 임무는 국제적인 협력 아래 이루어졌으며 CSA(캐나다 우주국), JAXA 등이 함께했다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(20)] 소행성 베누 샘플서 생명체 구성요소인 인산염 발견
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[우주의 속삭임(19)] 우주의 새벽에 최초로 병합되는 은하핵 '퀘이사 쌍' 발견
- 은하계는 광대하지만, 여전히 충돌하고 합쳐지며 겹쳐진다. 그런 가운데 일본 에히메 대학의 마쓰오카 요시키 교수를 필두로 한 국제 천문학자 팀이 지금까지 발견된 것 중 가장 먼 우주 가장자리에서 한 쌍의 퀘이사(Quasar)를 발견했다고 퍼퓰러사이언스가 전했다. 연구팀은 하와이에 있는 지상 제미니 노스(Gemini North) 및 스바루 망원경으로 이를 관측하고 데이터를 분석했다. 발견된 두 개의 은하핵 퀘이사는 먼지와 가스가 중앙의 초거대 블랙홀로 떨어지는 가운데 서로 합쳐(병합)지고 있다. 그 과정에서 이 퀘이사 쌍은 엄청난 양의 빛을 방출했다. 연구팀은 이 빛을 찾아냈고, 이것이 두 개의 퀘이사 쌍임을 밝혔다. 연구팀은 발견된 퀘이사 쌍이 우주의 새벽(Cosmic Dawn: 빅뱅 이후 약 5000만~10억 년), 즉 초창기 우주 여명기에 해당하는 은하핵이라고 말했다. 특히 우주의 새벽 중에서도 우주 암흑기를 끝내고 별과 은하와 같은 요즘과 같은 천체가 구성되기 시작하고 어두운 우주가 처음으로 빛으로 가득 찰 무렵인 ‘재이온화 시기’에 해당하는 천체다. 퀘이사란? 우주는 빅뱅 이후 거의 140억 년 동안 팽창해 왔다. 초기 우주는 지금보다 매우 작았으며 은하계 서로 상호 작용하고 병합될 가능성이 컸다. 퀘이사는 거대 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성되는 발광체를 말한다. 블랙홀은 퀘이사의 중심에 있으며, 주위에는 원반이 둘러싸고 있고, 원반 물질은 소용돌이 모양으로 회전하며 블랙홀로 빨려 들어간다. 은하 병합은 가스와 먼지가 초거대 질량의 블랙홀로 떨어지면서 퀘이사를 밝게 빛나게 하는 에너지다. 블랙홀로 떨어지는 원반 물질의 중력 에너지는 빛 에너지로 바뀌고, 여기에서 거대한 빛이 방출된다. 즉, 퀘이사는 지구에서 멀리 떨어진 우주 가장자리에서 발견되는 광원으로서, 멀리 떨어져 있기 때문에 우주 탄생 초창기인 우주의 새벽 시기의 천체다. 재이온화 시대의 의미 천문학자들은 우주의 재이온화 시대를 빅뱅 이후 대략 4억 년으로 잡는다. 우주 탄생 직후 우주 온도가 높았을 때는 수소의 양성자와 전자가 분리돼 이온화된 상태였다. 시간이 지나면서 우주의 온도는 낮아졌고, 양성자와 전자는 중성수소 원자로 결합됐다. 이를 우주 재결합시대라고 한다. 그 후 일어난 우주 재이온화는 중성수소 원자가 양성자와 전자로 다시 이온화되던 시기를 말한다. 천문학자들에 따르면 재이온화 시대 당시의 수소 이온화는 우주 역사에서 매우 중요한 시대였다. 이 시기는 우주의 암흑시대의 종말이며, 오늘날 지구상에서 볼 수 있는 별이 빛나는 은하구조의 시작이었다. 이번에 발견된 방합 중인 퀘이사는 우주 암흑기를 지나 최초의 별과 은하가 나타났던 우주의 새벽 기간, 그 중에서도 우주 재이온화 시대에서 나타난 것이다. 빨간색 광원 퀘이사 쌍의 합병 천문학자들은 우주의 재이온화 시대에 퀘이사가 수행한 정확한 역할을 이해하기 위해 우주의 초기 및 먼 시대에서 퀘이사를 찾고 있다. 마쓰오카 교수는 "재이온화 시대 퀘이사의 통계적 특성은 재이온화의 진행과 기원, 우주의 새벽 동안 초거대 블랙홀의 형성, 퀘이사 은하의 최초 진화 등 많은 것을 말해준다"고 말했다. 재이온화 시대에 약 300개의 퀘이사가 발견됐지만, 쌍을 이루는 퀘이사가 관측된 것은 이번이 처음이다. 연구팀의 퀘이사 발견은 우연이었다. 망원경으로 촬영한 이미지를 검토하다가 희미한 빨간색 광원을 발견했던 것. 팀은 그러나 나타난 붉은 색 광원 두 개가 퀘이사 쌍이었는지를 확신할 수 없었다. 팀은 스바루 망원경과 제미니 노스의 분광기를 사용해 빛을 분석했고, 결국 두 개의 블랙홀을 품은 퀘이사 쌍임을 확인했다 또한 둘 사이에 가스로 이어진 다리 구조도 찾아냈다. 연구팀은 감지된 빛의 일부가 실제로 퀘이사 자체에서 나오는 것이 아니라고 추정했다. 팀은 또한 중앙에 있는 두 개의 블랙홀이 태양 질량의 약 1억 배에 달하는 크기임을 밝혔다. 발견된 현상을 종합해 보면 두 퀘이사는 대규모의 합병을 진행하고 있음을 시사했다. 재이온화 시대의 병합 퀘이사 존재는 오랫동안 예상돼 왔지만, 이번에 처음으로 확인된 순간이었다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(19)] 우주의 새벽에 최초로 병합되는 은하핵 '퀘이사 쌍' 발견
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그린란드 암석에서 37억 년 전 지구 자기장 명백한 증거 발견
- 지자기(지구의 자기장)가 없으면 지구상에 생명체는 존재할 수 없다. 지자기는 유해한 우주(방사)선이나, 태양에서 방사되는 태양풍으로부터 인류를 포함한 생물을 보호하고 있기 때문이다. 그러나 현재까지 지구에서 자기장이 처음 형성된 시기에 대한 신뢰성 높은 연대값은 밝혀지지 않았다. 영국 옥스퍼드대와 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구팀이 그린란드에서 지구 자기장의 역사를 한층 끌어올리는 명백한 증거를 발견했다고 포브스지가 보도했다. 연구팀은 그린란드 남서부 이스아 지역에 있는 태고의 바위 층을 조사했다. 이스아 바위 층에는 최초의 대륙군 경계를 따라 퇴적된 철을 많이 포함한 퇴적물과 마그마성 암석이 포함되어 있다. 철 입자는 매우 약한 자석으로 기능하며, 결정화 과정에 의해 고정화될 때 자기장의 강도와 방향을 모두 기록할 수 있다. 연구팀 분석 결과 이 암석에 37억 년 전 최소 15µT(마이크로테슬라) 이상의 자기장 강도가 기록돼 있는 것을 발견했다. 이는 현대의 자기장 강도인 30µT와 맞먹는다. 테슬라는 자기장의 세기를 나타내는 단위다. µT는 100만분의 1테슬라로 매우 미약한 자기장인데, 지구 자기장은 사람이 감지하지 못하는 매우 미약한 수준이다. 지구 자기장은 정확히 31.869µT이며 냉장고 모터 자석의 경우 5000µT에 달한다. 연구팀의 이번 분석 결과는 철을 포함한 암석 샘플 전체에서 얻은 가장 오래된 지자기 강도 추정치를 제공하고 있다. 이는 호주에서 채취된 34억~42억 년 전 암석에서 발견된 지르콘 결정만을 토대로 한 과거 연구에 비해 정확하고 신뢰성 있는 분석이라는 평가다. 팀을 이끌었던 옥스퍼드대 지구과학부 클레어 니콜스 교수는 “이렇게 오래된 암석에서 신뢰할 수 있는 기록을 추출하는 것은 매우 어려운 작업이었다. 오랜 시간 샘플을 분석해 자기장 신호가 나타난 것을 확인했다”면서 “이는 지구상에서 태고적 생명체가 처음 탄생할 무렵의 자기장 역할을 해명할 수 있는 중요한 진전”이라고 설명했다. 지자기는 내핵의 완만한 굳어짐에 따른 밀도 변화로 인해 유체의 외핵 속에서 녹은 철이 섞여 발전 작용이 생기면서 발생한다. 지구 형성 초기에는 고체 내핵이 아직 형성되지 않았기 때문에 초기 자기장이 어떻게 유지되었는지에 대해서는 여전히 밝혀지지 않았다. 그런데 이번 연구는 지구 초기의 발전을 구동하던 메커니즘이 현재의 지자기를 발생시키고 있는 고체화 과정과 같았음을 시사하고 있다. 또 이번 연구는 현재 알려진 형태의 지구 대기의 발달에서 지자기의 역할, 특히 가스의 대기 유출에 관한 새로운 정보를 제공할 가능성도 있다. 강한 자기장이 방패가 되어 대기가 태양풍에 의해 훼손되는 것을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 전하 입자나 원자를 가속해 우주 공간에 방사하는 것도 가능해진다는 것이다. 연구팀은 앞으로 캐나다, 호주, 남아프리카에 있는 다른 태고의 바위 층을 추가 조사함으로써 지구 대기 중 산소가 급증하기 약 25억 년 이전 시대의 지자기에 대해 분석을 진행할 계획이다. 태고의 지자기 강도와 변동성에 관한 이해는 지구 자기장이 지표면에서 생명체가 살아가는 데 필수적인지의 여부와 대기의 진화에서의 역할을 규명하는 핵심이 된다. 지자기의 강도는 비교적 일정하게 유지된 반면, 태양이 젊어 더 활동적이었던 과거에는 태양풍이 지금보다 매우 강력했던 것으로 알려져 있다. 결국 시간이 지나면서 태양풍으로부터 지표를 보호하는 작용이 강화됐으며, 그 결과 생물이 해양에서 벗어나 대륙으로 이동해 오늘날의 생명 생태계가 만들어졌음을 시사한다. 연구 결과는 '지구물리연구저널(Journal of Geophysical Research)'에 발표됐다.
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- IT/바이오
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그린란드 암석에서 37억 년 전 지구 자기장 명백한 증거 발견
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[신소재 신기술(62)] '기적의 소재'로 만든 태양광 패널, 에너지 혁명 앞당긴다
- '기적의 소재'로 불리는 페로브스카이트 실리콘 소재로 태양광 패널의 효율을 30% 이상 높이는 신기록을 수립했다. 세계 최대 태양광 패널 제조업체인 중국 롱기(Longi)그린에너지기술(주)의 연구원들은 직렬형 페로브스카이트-실리콘 태양전지를 사용하여 34.6%의 전력 변환 효율을 달성했다고 인디펜던트가 보도했다. 이 새로운 기록은 또한 대부분의 상용 태양광 패널에서 볼 수 있는 표준 실리콘 태양전지의 기록보다 7% 이상 더 효율적이다. 페로브스카이트는 배터리부터 통신, 재생에너지에 이르기까지 모든 분야를 크게 향상시킬 수 있는 잠재력으로 인해 차세대 태양광 소재로 주목받고 있다. 현재의 실리콘 태양전지 패널이 물리적 한계에 도달함에 따라 연구자들은 이제 태양 에너지를 더 잘 활용할 수 있는 차세대 직렬 전지를 찾고 있는 것. 페로브스카이트 실리콘 전지의 이론적 효율 한계는 43%로 표준 실리콘 전지의 한계인 29%를 훨씬 초과한다. 페로브스카이트 태양전지는 용액 공정을 통해 저온에서 제조 가능해 생산 비용을 크게 절감할 수 있다. 또한 짧은 시간 내에 실리콘 태양전지에 근접하는 효율성을 달성했으며, 이론적으로는 더 높은 효율을 달성할 수 있는 잠재력이 있다. 또한 유연하고 가벼운 특성으로 건물 외벽이나 창문, 휴대용 기기 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다. 최신 페로브스카이트-실리콘 태양전지 기록은 지난 3년 동안 태양전지 효율성 부문에서 세계 기록을 16번이나 깬 롱기(Longi)의 일련의 혁신에 이은 것이다. 회사 측은 중국 상하이에서 열린 제17회 국제 태양광 발전 및 스마트 에너지 컨퍼런스(SNEC)에서 사우디 에너지 기업인 ACWA 파워(Power)와 협력해 글로벌 에너지를 변화시키기 위한 새로운 '랜드마크' 계약과 함께 이번 신기록을 발표했다. 인디펜던트는 롱기는 현재 이 기술을 상용화하는 과정에 있는 여러 회사 중 하나이지만 신기술에 대해 더 자세한 내용은 공개되지 않았다고 전했다. 롱기는 성명에서 "전자 수송층의 박막 증착 공정 최적화, 고효율 결함 패시베이션 재료 개발 및 사용, 고품질 계면 패시베이션 구조 설계를 통해 신기록을 달성했다"고 밝혔다. 페로브스카이트에 대한 또 다른 업체로 영국의 옥스포드 PV는 독일에 생산 시설을 설립해, 올해 페로브스카이트 기반 태양전지 제품을 첫 고객에게 전달할 수 있기를 기대하고 있다. 한편, 페로브스카이트는 수분과 열, 빛 등 외부 환경에 취약해 장기적인 안정성 확보가 필요하다는 단점이 있다. 또한 대부분의 페로브스카이트 태양전지는 납을 함유하고 있어 환경과 건강 문제를 야기할 수 있다. 게다가 대면적화 기술 개발 및 상용화가 아직 미흡한 단계에 있다. 과학자들은 페로브스카이트의 이러한 문제를 해결하기 위해 관련 연구를 활발히 진행하고 있다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(62)] '기적의 소재'로 만든 태양광 패널, 에너지 혁명 앞당긴다
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[우주의 속삭임(18)] 토성 최대 위성 타이탄, 바다 파도로 해안선 침식 가능성 확인
- 토성 궤도를 도는 위성(달) 가운데 가장 큰 타이탄(Titan)은 활동적인 강, 호수 및 바다를 포함하는 태양계의 유일한 행성체이다. 타이탄의 강 시스템은 액체 메탄과 에탄으로 가득 찬 가운데 넓은 호수와 바다로 흘러 들어가며, 일부 호수는 지구의 오대호만큼이나 큰 것으로 추정된다. 타이탄의 넓은 바다와 호수는 지난 2007년 나사(NASA)의 카시니 우주선이 촬영한 이미지를 통해 확인됐다. 그 이후 천문학자들은 달의 신비한 환경에 대한 단서나 증거를 찾기 위해 수집된 이미지를 연구해 왔다. 그런 가운데, MIT 지질학자 연구팀이 타이탄의 해안선에 대한 최신 연구 결과를 발표했다고 PHYS가 전했다. 시뮬레이션을 통해 이루어진 연구는 타이탄의 넓은 바다가 파도에 의해 형성되었을 가능성이 있음을 시사한다. 연구팀은 타이탄 표면의 원격 이미지를 기반으로 파도 활동의 징후를 발견했다. MIT 팀은 먼저 지구에서 호수가 침식되는 방식을 모델링하고, 이 모델링을 카시니의 타이탄의 바다 이미지와 접목, 어떤 형태의 침식으로 인해 해안선이 생성되었는지를 확인했다. 그 결과 파도가 가장 합리적인 답이라는 사실을 발견했다. 물론 연구팀의 결과는 100% 확증은 아니다. 타이탄에 파도가 있다는 사실을 확인하려면 타이탄 표면의 파도 활동을 직접 관찰해야 한다. 그럼에도 불구하고 연구팀은 타이탄 바다의 해안선 침식의 가장 큰 원인은 파도라고 말할 수 있다고 밝혔다. "액체 메탄과 에탄의 파도가 해안에 부딪히고 폭풍이 몰아쳐 해안을 구성하는 물질을 침식한 것으로 추정된다"는 것이다. 이 연구는 '사이언스 어드밴시스'에 발표됐다. 타이탄에 파도가 존재한다는 사실은 카시니가 달 표면에서 액체 덩어리를 발견한 이후 논란이 된 주제였다. 파도의 증거를 찾기 위한 노력도 꾸준히 진행됐다. 일부 과학자들은 바다 표면에서 약간의 거친 면을 보았지만, 그것이 파도인지의 여부는 확인할 수 없었다. 타이탄의 바다에 파도 활동이 일어나는지 여부를 알면, 파도를 일으킬 수 있는 바람의 세기 등 타이탄의 기후에 대한 정보도 얻을 수 있다. 또한 타이탄의 바다가 시간이 지남에 따라 어떻게 진화할지 예측할 수 있다. 타이탄의 바다는 강이 흐르는 계곡이 교차하는 곳에서 액체의 양이 늘어나면서 형성된 것으로 보인다. 연구팀은 △ 해안 침식 없음 △ 파도에 의한 침식 △ 해안 물질을 용해시키는 '용해' 또는 해안의 자체 무게로 인해 일어나는 '균일한 침식' 등 세 가지 시나리오에 초점을 맞췄다. 그리고 시나리오 각각에 대해 시뮬레이션을 실시했다. 그리고 수백 가지의 다양한 해안선 모양에 대해 모델링을 반복하고 비교했다. 연구팀은 시뮬레이션 결과를 지구상의 실제 호수와 비교해 확인했다. 특히 타이탄에서 가장 크고 지도가 가장 잘 그려져 있는 네 개의 바다에 초점을 맞췄다. 카스피해와 유사한 크라켄 마레(Kraken Mare), 슈피리어호보다 다소 큰 리게이아 마레(Ligeia Mare), 빅토리아 호수보다 긴 풍가 마레(Punga Mare), 온타리오 라쿠스(Ontario Lacus) 등이다. 팀은 카시니 탐사선에서 촬영한 레이더 이미지를 사용해 이들 4개 바다의 해안선을 매핑하고 각 바다의 해안선에 모델링을 적용, 어떤 침식 메커니즘이 타이탄의 바다 해안선 모양을 가장 잘 설명하는지 확인했다. 그 결과, 4개의 바다가 모두 파도에 의한 침식 모델에 들어맞는다는 것을 발견했다. 이는 파도가 타이탄의 4개의 바다와 가장 유사한 해안선을 생성한다는 것을 의미한다. 연구팀은 현재 해안에서 반복적으로 부서질 수 있는 파도를 일으키려면 타이탄의 바람이 얼마나 강해야 하는지를 규명하는 데 주력하고 있다. 또한 타이탄의 해안선 모양을 통해 바람이 불어오는 방향을 파악하고 있다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(18)] 토성 최대 위성 타이탄, 바다 파도로 해안선 침식 가능성 확인
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[우주의 속삭임(17)] 휴스턴 대학교, 토성에서 거대한 계절적 에너지 불균형 발견
- 휴스턴 대학교(UH)가 토성에 엄청난 에너지 불균형이 존재한다는 사실을 밝혀냈다. 이는 우주 행성 과학의 발전을 촉진하고, 태양계의 가스 거대 행성인 토성에 대한 기존의 기후 모델에도 큰 영향을 미칠 수 있다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션에 게재됐으며, 대학 공식 홈페이지에도 실렸다. UH 물리학 리밍 리 교수를 중심으로 한 연구팀은 "토성에서 계절적 규모의 거대한 글로벌 에너지 불균형이 관찰된 것은 이번이 처음"이라며 "이는 천문학계에 행성의 형성과 진화에 대한 새로운 시각을 제시할 뿐만 아니라, 행성 및 대기 과학에 대해 정의하는 방식까지 변화시킨다“고 말했다. 연구진이 발견한 토성 에너지 불균형은 카시니 토성 탐사선이 미션을 수행하며 얻은 데이터를 토대로 한 분석을 통해 나타났다. 연구진은 “태양계의 모든 행성은 태양 복사의 형태로 태양으로부터 에너지를 얻고, 열을 방출하며 에너지를 소비한다. 그러나 거대 가스 행성인 토성은 열 구조와 기후에 영향을 미치는 깊은 내부 열의 형태로 또 다른 에너지를 갖고 있다"고 지적했다. 불균형은 원일점(태양에서 가장 먼 궤도 지점)에서 근일점(태양에 가장 가까운 궤도 지점)까지 거의 20%나 달라지는 토성의 큰 궤도 이심률로 인해 발생했다. 이로 인해 흡수된 태양 에너지에 계절적 변화가 크게 나타났다. 지구의 경우 궤도 이심률이 매우 작기 때문에 심각한 계절적 에너지 불균형은 나타나지 않는다. 따라서 지구의 내부 열은 미미하며, 지구 계절은 토성에서 몇 년 동안 지속되는 것에 비해 대단히 짧아 불과 수개월 지속될 뿐이다. 데이터는 또한 토성의 불균형한 에너지가 토성 대기의 지배적인 기상 현상인 거대 폭풍의 발달에 중요한 역할을 한다는 것을 보여 주었다. 이 데이터는 지구의 날씨에 대한 분석도 간접적으로 제공할 수 있다고 한다. 나사(NASA), 유럽우주국(ESA), 이탈리아우주국(ASI)의 공동 프로젝트인 카시니 탐사선은 1997년에 발사돼 거의 20년 동안 토성과 거대한 고리 및 위성을 탐사했다. 연구진의 리 교수는 토성의 복사 에너지를 관찰하는 세 가지 탑재 장비를 모니터링하기 위한 과학자로 참여하고 있다. 연구팀은 향후 10년 내에 탐사 임무가 계획되어 있는 천왕성을 포함한 다른 가스 거대 행성을 대상으로 관측을 지속한다는 계획이다. 이들 행성 역시 심각한 에너지 불균형을 나타낼 것이며, 특히 천왕성은 궤도 이심률과 매우 높은 경사도로 인해 가장 큰 에너지 불균형을 나타낼 것으로 예상하고 있다. 한편, 이번 연구에는 UH 외에도 나사, 위스콘신 대학교, 메릴랜드 대학교, 센트럴 플로리다 대학교, 캘리포니아 주립대 산타크루즈 캠퍼스와 프랑스 및 스페인의 학자들이 대거 참여했다.
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[우주의 속삭임(17)] 휴스턴 대학교, 토성에서 거대한 계절적 에너지 불균형 발견
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[우주의 속삭임(15)] 화성, 적도 근처 화산서 '물서리' 발견
- 화성의 적도 지역에서 처음으로 물서리(수분을 많이 포함하는 액체상의 서리)가 발견됐다고 스페이스닷컴이 전했다. 그동안 화성의 적도 지역에서는 서리가 존재할 수 없는 것으로 알려져 왔다. 물서리 발견은 화성에서 물이 어디에 존재하는지, 그리고 대기와 지표면 사이에서 물이 어떻게 순환되는지 파악하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 특히 이는 머지 않아 시작될 화성 유인 탐사에 요긴한 정보가 될 것이라는 지적이다. 물서리는 지난 2016년 화성에 도착한 엑소마스 TGO(ExoMars Trace Gas Orbiter)와 지난 2003년부터 화성 궤도에서 화성을 탐사해 온 마스 익스프레스(Mars Express)등 두 대의 유럽우주국(ESA) 우주선을 통해 브라운대학교 연구원 아도마스 발란티나스를 비롯한 연구진이 발견했다. 발견 당시 발란티나스는 스위스 베른 대학의 박사과정 연구원이었다. 발란티나스는 "화성 적도 지역은 산 정상에서도 높은 온도를 유지하기 때문에 서리가 형성되는 것이 불가능하다고 여겨 왔다. 여기에서 서리의 존재를 확인한 것은 의미가 크다. 이 지역에 서리가 형성되는 예외적인 과정이 작용했을 수 있음을 암시하기 때문"이라고 말했다. 믈서리가 발견된 곳은 화성에서 가장 큰 화산 지대인 타르시스 지역으로, 여기에는 12개의 대형 화산이 있다. 그 중 올림푸스 몬스는 화성에서는 물론 태양계 위성에서도 가장 높은 봉우리다. 높이는 무려 29.9km로 지구에서 가장 높은 에베레스트 산의 약 2.5배에 달한다. 물서리는 일출 무렵 몇 시간 동안만 나타난 후, 햇빛이 비추면 증발한다. 서리는 또한 대단히 얇은 층을 형성, 인간의 머리카락 두께인 약 0.01mm에 불과했다. 서리 층은 얇지만 여러 화산의 광대한 지역을 덮고 있기 때문에, 수분 총량은 약 60개의 올림픽 규모 수영장을 채울 정도인 2940만 갤런(1억 1100만 리터)에 달한다. 이 물은 화성의 표면과 대기 사이를 매일 순환한다. 타르시스 지역은 올림푸스 몬스와 함께, 아스크라에우스, 아르시아 몬스, 파보니스로 알려진 타르시스 몬테스 화산이 있다. 타르시스 몬테스는 에베레스트 산과 높이가 비슷하다. 물서리는 올림푸스, 아르시아 아스크라에우스 몬스, 케라우니우스 톨루스에서 발견되었다. 각각의 화산 봉우리에는 분화 중에 마그마 활동으로 생성된 칼데라라고 불리는 깊은 웅덩이가 있다. 소위 용암으로 굳어진 거대한 분화구다. 연구진은 타르시스 지역 위에서 순환하는 공기가 화산이 위치한 전역의 기후와 칼데라에 미세기후를 형성하고 있다고 추정했다. 서리 막이 만들어지는 것은 바로 이 미세기후 때문이라는 지적이다. 바람이 산의 경사면을 따라 이동하면서 표면의 습한 공기를 높은 고도로 끌어올리면 밤에 이 공기가 응축되고 서리를 형성한다는 것이다. TGO의 화성 표면 이미징 시스템(CaSSIS)의 연구원이자 베른 대학교의 학자인 니콜라스 토마스는 연구팀이 화성 화산 꼭대기에서 본 물서리는 칼데라의 그늘진 지역, 특히 기온이 낮은 지역에서 형성되는 것으로 보인다고 설명했다. 토마스는 이번 연구는 산 경사면에서 밀어 올리는 습한 공기가 서리로 응축될 수 있다는 것을 밝혀냈다는 점에서 큰 발견이며, 이는 지구와도 유사한 현상이라고 말했다. 이 연구 결과는 '네이처 지구과학(Nature Geoscience)' 저널에 게재됐다.
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[우주의 속삭임(15)] 화성, 적도 근처 화산서 '물서리' 발견
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[기후의 역습(13)] 네덜란드 과학자, 녹아내리는 북극 빙하 재동결 프로젝트 가동
- 지구 온난화로 인해 눈 덮인 북극의 빙하가 녹아 내리는 것을 막기 위해 과학자들이 이 지역 전체의 기후를 획기적으로 바꿀 계획을 세우고 있다. 월스트리트저널(WSJ)이 운영하는 동영상 채널에 따르면, 네덜란드의 과학자 팀이 기후 변화와 지구 온난화로 인해 치명적으로 줄어들고 있는 북극 빙하를 보전하기 위한 얼음 재동결 프로젝트를 시작했다. 그렇다고 이 프로젝트가 북극 전체를 아우를 정도로 거창한 것은 아니다. 북극을 거대한 냉동고에 넣는 것과 같은 엄청난 실행 계획은 아니지만, 햇빛을 반사함으로써 북극 온도를 낮추고 냉각시킴으로써 얼음을 늘린다는, 이론적으로나 실제적으로 실현 가능한 프로젝트라는 지적이다. 프로젝트들 중 일부는 이미 진행 중이라고 한다. 한 실험은 물을 얼음 표면으로 퍼 올려 얼게 해 북극의 눈 위에 보호층을 형성하는 것이다. 다른 실험은 과학자들이 태양에서 내리쬐는 직사광선을 반사할 수 있도록 눈 위에 반사 유리 구슬을 흩뿌리는 것이었다. 이들 프로젝트는 모두 지구공학의 한 솔루션으로서, 기후 변화로 인한 피해를 상쇄하기 위해 환경의 특정한 측면을 다루는 기술이다. 과학자들이 이런 프로젝트를 심각하게 고려하고 실행하는 것은 국가나 기업, 기관과 단체의 기후 변화 완화 노력이 충분하지 않기 때문이다. 지난해는 북극에서 기록상 역대 가장 따뜻한 해였다. WSJ 동영상에서 네덜란드의 스타트업 악틱리플렉션(Arctic Reflections)은 북극해 전역에서 전략적으로 선택된 장소에 바닷물을 퍼 올려 얼림으로써 얼음층을 두껍게 만들고, 북극 얼음을 열 차폐로 복원하는 실험을 진행하고 있다. 악틱리플렉션은 "빙상 경기를 위한 아이스링크를 건설하는 방식을 차용해 '들판에 물 뿌려 얼리기'와 같은 작업을 반복했다"고 밝혔다. 회사는 "아이스링크 건설 업체들의 얼음 얼리는 방식에서 영감을 얻어 이 프로젝트를 수행함으로써, 탄소 배출을 줄일 획기적인 기술이 적용되기까지 북극 얼음을 조금이라도 더 두껍게 복원하고 유지할 수 있을 것"이라고 기대했다. 얼음은 재생할 수 있다고 회사는 희망적인 메시지를 전하고 잇다. 이런 노력으로 빙하가 녹는 속도를 30% 정도 감소시킬 수 있지만, 여기에는 막대한 투자 및 국제적인 상호 협력과 공동 운영이 매우 중요하다는 지적이다. 유사한 프로젝트를 북극권에서 대폭 확장하는 데 드는 비용은 대략 5000억 달러에 이른다는 추산이다. 그러나 한 연구에서는 북극의 해빙으로 인해 기후 변화가 가속화하면 향후 3세기 동안 무려 130조 달러의 경제적인 손실이 발생할 수 있다고 경고하고 있다. 그러나 이 프로젝트는 기본적으로 1회용 반창고와 같이 일시적으로 상처를 가리는 솔루션일 수밖에 없다. 환경 변화에 대한 광범위한 대응책을 준비하는 임시방편의 의미가 크다는 지적이다.
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[기후의 역습(13)] 네덜란드 과학자, 녹아내리는 북극 빙하 재동결 프로젝트 가동
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