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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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[신소재 신기술(41)] 극한의 강도와 인성 가진 혁신적인 합금
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중국, 인류 최초 달 뒷면 샘플 수집해 지구 귀환 미션 나선다
- 중국이 최초로 달 뒷면의 샘플을 수집해 지구로 가져오는 우주 미션에 나선다고 스페이스뉴스가 전했다. 중국은 이를 위해 임무를 수행할 달 착륙선 창어 6호를 공개했다. 우주선을 실어 나를 로켓 창정 5호는 지난달 말 하이난도 원창 위성발사센터 기지로 이동됐다. 창어 6호의 임무는 지구에서는 직접 볼 수 없는 달 뒷면에 착륙해 최대 2kg의 달 샘플을 수집, 이를 지구로 가져오는 것이다. 이 임무는 과거에 시도된 적이 없는 세계에서 첫 번째 미션이다. 이를 중계하기 위한 Queqiao-2 중계 위성은 이미 지난 3월 19일 발사됐다. 이 중계 위성은 달 뒷면에 있는 창어 6호와 지구의 지상국 사이의 통신을 위해 달 궤도에 머무른다. 중국은 아직 창어 6호의 발사 시기를 공개하지 않았지만 현재까지의 정보를 종합하면 발사는 5월 3일 금요일로 예상된다. 창어 6호는 달 뒷면의 서쪽 150~158도, 남쪽 41~45도에 위치한 아폴로 분화구의 남쪽을 착륙 목표로 삼고 있다. 아폴로는 수많은 달의 미스터리를 풀어줄 일부 실마리를 갖고 있을 것으로 기대되는 거대한 남극-에이컨(SPA) 분지 내에 있다. 중국 국가우주국(CNSA) 산하 달탐사우주공학센터(LESEC)는 "창어 6호는 달 역행 궤도 설계 및 제어 기술, 지능형 샘플링, 이륙 및 상승 기술, 달 뒷면의 자동 샘플 채취 등의 목표를 성공적으로 달성할 것“이라고 밝혔다. 또한 창정 5호 로켓과 창어 6호 탐사선의 상태는 양호하며 발사를 위한 모든 준비는 정상적으로 진행되고 있다고 부연했다. 창정 5호는 액체수소와 산소를 동력으로 하는 직경 5m, 높이 57m의 로켓이다. 또한 4개의 등유-액체산소 사이드 부스터를 사용한다. 이 로켓은 중국에서 가장 크고 가장 강력한 발사체로 알려져 있다. 창어 6호는 목표를 달성하기 위해 총 8200kg에 달하는 4개의 우주선 복합체를 사용할 예정이다. 서비스 모듈은 달 궤도에 진입하는 데 필요한 추진력을 제공한다. 착륙선은 달 뒷면에 착륙해 샘플을 수집할 예정이다. 이들은 상승체에 의해 달 궤도로 다시 발사될 것이며, 서비스 모듈과 랑데부해 도킹하게 된다. 서비스 모듈은 지구를 향해 되돌아가고 지구에 재진입해 샘플을 안전하게 전달할 재진입 캡슐을 방출하게 된다. 미션에 성공하면 달의 역사와 태양계에 대한 지식을 깊이 해 줄 샘플이 수집될 것이다. 이 샘플은 왜 가까운 쪽과 먼 쪽 달 암석의 구성에 차이가 있는지를 설명헤 즐 것으로 기대된다. 이 임무에는 프랑스, 스웨덴, 이탈리아, 파키스탄 큐브위성의 국제 과학 탑재체도 포함될 예정이다. 이 협력은 우주 탐사 분야에서 국제 협력을 강화하려는 중국의 노력을 반영한다는 설명이다. 프랑스는 달 지각에서 나오는 라돈 가스 방출을 감지하는 가스 탐지(DORN: Detection of Outgassing RadoN) 장비를 제공한다. 스웨덴은 ESA의 지원을 받아 NILS(달 표면의 음이온) 탑재체를 제공한다. 이탈리아로부터는 패시브 레이저 역반사경을 지원받아 탑재한다. 큐브위성은 파키스탄 국립우주국 SUPARCO와 중국 상하이 자오퉁 대학교가 공동으로 제작했다. 창어 6호는 2030년까지 유인 달 탐사를 포함하는 중국의 우주 미션의 일부다. 중국은 2030년대에 국제 달 연구기지(ILRS) 프로그램을 통해 영구 달 기지를 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 많은 국가와 기관들이 이 프로젝트에 동참했다.
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중국, 인류 최초 달 뒷면 샘플 수집해 지구 귀환 미션 나선다
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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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[우주의 속삭임(1)] 은하계에서 가장 큰 항성 블랙홀 발견
- 천문학자들이 은하계에서 가장 큰 항성 블랙홀을 발견했으며, 그 질량은 무려 태양의 33배에 달하는 것으로 밝혀졌다고 PHYS가 전했다. 파리 천문대 국립과학연구센터(CNRS)의 천문학자 파스콸 파누조는 '가이아 BH3'라는 이름의 이 블랙홀은 유럽 우주국의 가이아(Gaia) 미션에서 수집한 데이터에서 우연히 발견되었다고 밝혔다. 가이아는 독수리자리 방향으로 지구에서 2000광년 떨어진 BH3에 위치해 있다. 가이아 망원경은 하늘에 있는 별들의 정확한 위치를 알려준다. 그 덕분에 천문학자들은 별들의 궤도를 특성화하고 '가이아 BH3' 블랙홀의 존재 확인은 물론 질량까지 측정하는 데 성공했다. 지상 망원경을 통해 추가로 관측한 결과, '가이아 BH3' 블랙홀은 이미 은하계에서 발견된 기존의 항성 블랙홀보다 질량이 훨씬 더 큰 블랙홀이라는 것이 확인됐다. 파누조는 "지금까지 발견되지 않은 채 숨어 있던 거대 질량 블랙홀을 발견할 것이라고는 아무도 예상하지 못했다. 이것은 일생에 단 한 번 있을 수 있는 놀라운 발견이었다“라고 말했다. 이 블랙홀은 자신만의 궤도를 운항하는 동반성에서 '흔들리는' 움직임을 발견하면서 나타났다고 한다. 항성 블랙홀은 생애 마지막에 거대한 별이 붕괴하면서 생성되며, 아직 생성 여부가 알려지지 않은 초거대 질량 블랙홀보다는 규모가 작다. 이들 초거대 질량 블랙홀들은 이미 중력파를 통해 먼 은하계에서 발견되었다. '가이아 BH3'는 비활성(휴면) 블랙홀이며 너무 멀리 떨어져 있고 X선을 방출하지 않아 감지하기 어려웠다고 한다. 가이아 망원경은 종래 은하수에서 처음 두 개의 비활성 블랙홀(가이아 BH1 및 가이아 BH2)을 식별한 바 있다. 가이아는 지난 10년 동안 지구에서 150만km 떨어진 곳에서 은하계를 관측해 왔으며, 2022년에는 18억 개가 넘는 별의 위치와 움직임을 보여주는 3D 지도도 제작했다.
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[우주의 속삭임(1)] 은하계에서 가장 큰 항성 블랙홀 발견
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나사, 일본과 달 탐사용 '우주 이동 주택' 제작…도요타가 설계
- 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)가 미국 항공우주국(나사·NASA)과 협력, 달 탐사를 위한 우주 이동 주택을 만들기로 합의했다고 전문 매체 드라이브닷컴, 빌트 등이 보도했다. 이동 주택이라고는 하지만, 지상에 고정된 조립식 주택이나 농막과는 달리 바퀴가 달려 움직이는 캠핑카와 유사한 형태다. 모리야마 마사히토 일본 문부과학성 장관은 나사의 빌 넬슨 국장과 JAXA가 '달 탐사를 위한 유인 탐사선 및 무인 탐사선을 위한 가압 이동 주책 차량을 설계, 개발, 운영키로 하는' 계약에 서명했다. 이 이동 주택 차량은 세계 최대의 자동차 제조업체 중 하나인 일본 도요타와 JAXA가 공동으로 설계하고 제작할 예정이다. 우선 달 탐험을 위해 투입된다. 이 주택은 우주비행사가 몇 주 동안 달에서 생활할 수 있는 '이동 생활 공간 및 실험실'로 설계될 예정이다. 새 이동 주택 차량은 길이 5.7m, 폭 5.19m, 높이 3.6m로 미니버스 2대와 맞먹는다. 9평에 달하는 면적이어서 우리나라 농막 건축 최대 기준인 6평보다 넓다. 실제 이동 주택이라고 말할 만큼 충분한 생활 공간이 만들어지는 셈이다. 이동 주택 차량에는 특히 달에서도 우주복을 입지 않고 생활할 수 있는 객실도 만든다. 해당 객실은 지구의 중력 및 대기와 거의 유사한 환경을 갖추게 된다. 여기에서는 두 명의 우주비행사가 한 달 동안 거주할 수 있다. 이 이동 주택 차량은 수소 동력 연료전지로 구동된다. 물은 낮 동안(태양열로 구동) 전기분해 장치에 공급되며, 물을 수소와 산소로 전환한다. 산소는 깨끗한 공기를 제공하고, 수소는 연료 전지를 통해 밤에 전기로 변환된다. 연료 전지는 부산물로 물을 생성해 낮에 전기분해 장치로 보내지게 된다. 미쓰비시중공업은 해양 기술 분야의 경험을 바탕으로 전기분해 장치 개발을 지원한다. 주행 거리는 거의 1만km에 달하고 자율주행도 가능하도록 디자인한다. LiDAR(라이더) 센서를 사용해 분화구와 암석을 피하면서 움직이고, 알려지지 않은 오프로드 지형을 탐색하게 된다. 현재 계획에 따르면 도요타는 이 이동 주택 차량을 2031년에 출시한다. 이것이 나사의 아르테미스 프로그램의 일부가 될 수도 있다는 분석도 있다. 아르테미스 프로그램에는 2026년부터 달까지 유인 비행한다는 계획도 들어 있다. 희망 사항이지만, 이 이동 주택 차량이 아르테미스 7 임무부터 사용될 가능성도 있다. 넬슨 국장은 "우주비행사가 며칠, 최대 몇주 동안 달 표면에 머물 수 있기 때문에, 과거에는 가본 적이 없는 지역까지 탐험할 수 있게 될 것이다. 차량은 이동 주택이자 달 실험실이자 달 탐험가다. 이곳은 우주비행사들이 거주하고, 일하고, 달 표면을 탐색할 수 있는 곳으로, 우리 모두의 위대한 발전으로 이어질 것"이라고 기대했다. 계획에 따르면 이동 주택 차량은 달의 남극 지역을 집중 탐험한다. 이곳의 어두운 분화구에는 얼음 형태의 물이 있다.
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나사, 일본과 달 탐사용 '우주 이동 주택' 제작…도요타가 설계
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바이든 행정부, 중국 철강·알루미늄 관세 3배 인상 방침⋯통상갈등 격화 예고
- 조 바이든 미국 대통령이 중국산 철강과 알루미늄에 대한 관세를 3배 인상하는 방안을 예고했다. 가격 경쟁력을 앞세운 중국의 수입 제품이 밀려 드는 탓에 미국 내 관련 산업 노동자들이 피해를 보고 있다는 이유를 들었지만 대선을 앞두고 관련 노동자들의 지지를 끌어내기 위한 조치로 풀이된다. 로이터통신 등 외신들에 따르면 백악관은 17일(현지시간) "바이든 대통령이 미국무역대표부(USTR)에 중국산 철강 및 알루미늄 관세를 3배 인상하는 방안을 검토할 것을 지시했다"고 밝혔다. 교역 상대국의 불공정 무역 행위에 대한 보복을 규정한 '무역법 301조'를 활용, 현행 7.5%인 중국산 철강 및 알루미늄 관세를 3배 이상 올리겠다는 것이다. 바이든 대통령이 이날 직접 권고한 세율은 25%에 이른다. 바이든 대통령은 멕시코를 통해 수입되는 중국의 철강 및 알루미늄에 대한 관세 회피를 막기 위해 멕시코와 협력할 것도 지시했다. 백악관은 "중국산 철강 및 알루미늄 수입으로 미국 노동자들은 불공정한 경쟁에 직면해 있다"고 지적했다. 레이얼 브레이너드 백악관 국가경제위원회(NEC) 위원장은 "철강 같은 제조업 분야에서 중국은 이미 세계가 흡수할 수 있는 양 이상을 생산해내고 있다"며 "중국은 보조금 정책 등을 통해 인위적으로 낮아진 가격을 등에 업고 미국산 철강의 경쟁력을 떨어뜨리고 있다"고 말했다. 실제로 관세 인상 조치가 이뤄질 경우 중국의 보복으로 무역전쟁에 불이 붙을 수 있다. 캐서린 타이 USTR 대표도 전날 "수년 동안 중국의 제어를 받지 않는 비(非)시장 정책 등이 철강과 알루미늄, 태양광, 배터리, 전기차, 핵심 광물 등 광범위한 분야에서 미국에 미치는 영향을 지켜봤다"며 이에 대한 대응 방법을 강구하고 있다"고 밝히며 강경 기조를 확인했다. 로이터통신은 "미중 두 경제 대국 간 긴장이 고조되고 있는 상황에서 (바이든의 조치는) 중국의 반발을 부를 수 있다"고 전했다. 다만 중국산 철강 및 알루미늄의 미국 내 점유율이 최근 미국의 보호무역 기조와 맞물려 급락한 만큼, 관세 인상 여파는 제한적일 것으로 보인다. 미국 월스트리트저널(WSJ)등 외신에 따르면 지난해 미국의 중국산 철강 수입량은 59만8000톤으로 전년보다 8.2% 감소했다. 약 300만 톤을 수입하던 2014년과 비교해 수입량이 대폭 줄었다. 중국산 알루미늄 수입량 역시 약 20만 톤으로 미국의 전체 알루미늄 수입량(546만 톤)의 약 3.7%에 불과하다. 오는 11월 미 대선에서 맞붙는 전현직 대통령은 '중국 때리기' 정책을 앞다퉈 꺼내놓고 있다. 이미 재임 시절 중국과 무역전쟁을 벌였던 트럼프 전 대통령은 최근 "재집권 시 모든 중국산 수입품에 60% 이상의 관세를 매기겠다"며 무역전쟁 부활을 예고한 상태다. 바이든 대통령의 행보 역시 경합주(州)의 표심 잡기용이란 지적이 나온다. 그는 이날 대표적인 경합주 펜실베이니아의 피츠버그를 방문해 중국산 철강 및 알루미늄에 대한 관세 인상 조처를 공식화한다. US스틸 본사가 있는 피츠버그는 이른바 '블루칼라(생산현장 근로자)' 유권자 비중이 높다. 미국 워싱턴포스트는 "바이든 대통령은 값싼 중국산 수입품의 홍수로부터 미국 노동자들을 보호하겠다며 사실상 유권자들을 향해 구애하고 있다"고 평했다. 한편 중국상무부는 이날 중국의 해운, 물류, 조선분야를 대상으로 한 미국의 조사개시에 단호히 반대한다는 입장을 내놓으며 반발했다. 중국 상무부는 자국의 권리와 국익을 지키기 위해 모든 조치를 강구할 것이라고 경고했다.
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바이든 행정부, 중국 철강·알루미늄 관세 3배 인상 방침⋯통상갈등 격화 예고
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[신소재 신기술(32)] 획기적인 '종이 기반' 배터리 개발⋯"식물에서 영감 얻어"
- 일본에서 희귀 금속이 필요 없는 종이 기반의 물로 활성화되는 배터리가 개발됐다. 일본 도호쿠대학(東北大學)의 재료연구소(AIMR) 연구진은 GPS 센서나 맥박 산소 측정기 센서에 사용할 수 있는 종이 기반의 고성능 마그네슘-공기(Mg-air) 배터리를 개발했다고 오일 프라이스가 14일(현지시간) 보도했다. 이변 연구는 종이의 재활용성과 가벼운 특성을 활용해 보다 환경 친화적인 에너지원으로 발전할 수 있는 가능성을 제시했다. 연구 보고서 논문 '희귀 금속이 없는 고성능 물 활성화 종이 배터리: 웨어러블 센싱 장치를 위한 일회용 에너지원'은 'RSC 인터페이스 응용(RSC Applied Interfaces)' 저널에 게재됐다. 종이는 지난 2000년 동안 인류 문명의 필수품이었다. 종이는 일반적으로 중국 후한 시대 105년 경에 채륜이 발명했다고 알려져 있다. 하지만 최근 중국에서 기원전 2세기 경으로 거슬러 올라가는 종이가 발견되기도 해 종이의 정확한 기원은 알 수가 없다. 글 쓰기를 통해 그동안 인류 역사를 기록해온 종이가 이제는 배터리에 활용돼 친환경적인 미래를 여는 중요한 역할을 하게 됐다. 가볍고 얇은 종이 기반 디바이스는 금속이나 플라스틱 소재에 대한 의존도를 낮추는 동시에 폐기하기도 더 쉽다. 이 연구의 교신 저자인 히로시 야부(Hiroshi Yabu) 교수는 "우리는 식물의 호흡 메커니즘에서 이 장치에 대한 영감을 얻었다"고 말했다. 야부 교수는 "광합성은 배터리의 충전 및 방전 과정과 유사하다. 식물이 태양 에너지를 이용해 땅의 물에서 설탕을, 공기에서 이산화탄소를 합성하는 것처럼, 우리 배터리는 마그네슘을 기질로 활용해 산소와 물에서 전력을 생성한다"고 설명했다. 연구팀은 배터리를 제작하기 위해 마그네슘 호일을 종이에 접착하고 음극 촉매와 가스 확산층을 종이 반대편에 직접 추가했다. 종이 배터리는 1.8V(볼트)의 개방 회로 전압, 100mA/cm²의 1.0V 전류 밀도, 103mA/cm²의 최대 출력을 달성했다. 야부 교수는 " 이 배터리는 인상적인 성능 결과를 보여줬을 뿐 아니라 독성 물질을 사용하지 않고 엄격한 평가를 통과한 탄소 음극과 안료 전기 촉매를 사용해서 작동한다"라고 덧붙였다. 연구팀은 맥박 산소 측정기 센서와 GPS 센서에서 이 배터리를 테스트해 웨어러블 디바이스에 대한 다용도성을 입증했다.
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[신소재 신기술(32)] 획기적인 '종이 기반' 배터리 개발⋯"식물에서 영감 얻어"
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[신소재 신기술(31)] 나트륨 전고체 배터리 혁신으로 전기자동차 주행거리 2배 향상 가능
- 일본 과학자들이 현재 전기자동차(EV)의 주행 거리를 두 배 이상 늘릴 수 있는 차세대 충전 배터리로의 전환을 가속화할 수 있는 새로운 프로세스를 발견했다. 인디펜던스는 오사카 메트로폴리탄 대학 연구팀이 수행한 이 연구는 스마트폰부터 전기 자동차까지 모든 것에 사용되는 기존 리튬 이온 배터리에서 더 저렴하고 안전한 고체 나트륨 배터리로의 전환을 촉진하는 데 도움이 될 수 있다고 지난 12일(현지시간) 보도했다. 연구원들은 현재 사용되고 있는 리튬 이온 배터리보다 여러 가지 장점이 있는 고체 상태 나트륨 배터리에 주목했다. 고체 상태 나트륨 배터리 개발의 핵심적인 과제는 양산 제조였다. 이번에 개발된 새로운 공정은 배터리 성능에 중요한 역할을 하는 고체 전해질의 대량 합성에 초점을 맞추고 있다. 전고체 나트륨 배터리는 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 풍부한 재료로 만들어졌지만 지금까지 대량 생산이 어려웠다. 일본 오사카 메트로폴리탄 대학 연구팀은 전도성이 높은 전해질의 대량 합성을 통해 이러한 장애물을 극복할 수 있다고 주장했다. 연구팀은 학교 공식 홈페이지를 통해 "대량 합성으로 이어질 수 있는 공정을 통해 세계에서 가장 높은 나트륨 이온 전도성을 지닌 고체 황화물 전해질과 높은 성형성을 지닌 유리 전해질을 생산한다"고 밝혔다. 이번 연구를 주도한 오사카 메트로폴리탄 대학의 아츠시 사쿠다 교수는 "새로 개발된 공정은 고체 전해질과 전극 활성 물질을 포함한 거의 모든 나트륨 함유 황화물 물질 생산에 유용하다"고 말했다. 사쿠다 교수는 "이 공정은 또한 기존 방식에 비해 더 높은 성능을 발휘하는 소재를 쉽게 얻을 수 있어 향후 전고체 나트륨 배터리용 소재 개발의 주류 공정이 될 것으로 기대한다"고 말했다. 고체 황화물 전해질은 상업적 사용에 필요한 것보다 약 10배 높은 세계 최고 수준의 나트륨 이온 전도성을 제공한다. 리튬 이온 배터리에 사용되는 액체 전해질과 달리, 고체 전해질은 배터리를 떨어뜨리거나 잘못된 방식으로 충전할 때도 화재의 위험이 없다. 이러한 획기적인 기술은 전기차 산업에서 뛰어난 성능, 비용 절감, 지속 가능성 개선을 통해 가장 유망한 기술로 입증될 잠재력을 가지고 있다. 또한 이 기술은 전기차 배터리의 충전 용량을 대폭 개선해 주행거리 불안감을 해소할 수 있다. 일본 자동차 제조업체인 도요타는 전고체 배터리를 사용하면 현재 시판 중인 전기 자동차의 2배가 넘는 거리인 1200km의 주행거리를 제공할 수 있다고 주장했다. 이 새로운 배터리의 충전 시간은 10분 정도로 짧을 수 있다. 이번 연구는 '전고체 나트륨 배터리용 황화물 고체 전해질 합성을 위한 반응성 폴리설파이드 플럭스 Na2Sx 활용'이라는 제목의 논문으로 과학 저널 '에너지 저장 재료(Energy Storage Materials)'와 '무기 화학(Inorganic Chemistry)'에 게재됐다. 전문가들은 "그러나 전고체 상태 나트륨 배터리가 상용화되기 전에 추가적인 연구 개발이 필요하다"고 지적했다. 한편, PR뉴스와이어는 15일(현지시간) 보고서 "배터리 종류(나트륨-황, 나트륨-염), 기술 유형(수용액 및 비수용액), 최종 사용 분야(에너지 저장, 자동차, 산업), 지역(아시아 태평양, 유럽, 북아메리카)별 나트륨 이온 전지 시장 - 2028년까지 전망"을 인용해 전 세계 나트륨 이온 전지 시장은 2023년 5억 달러에서 2028년 12억 달러까지 연평균 성장률(CAGR)이 21.5%에 달할 것으로 예상된다고 전했다. 이 매체는 리튬 이온 배터리 대비 경제성으로 인해 나트륨 이온 배터리 시장 성장이 확대될 것으로 예상된다고 덧붙였다. 이는 풍력 및 태양열과 같은 재생 에너지의 변동성을 해결하기 위한 대규모 에너지 저장 장치에 적합하다는 것. 또한 나트륨 이온 배터리는 일반적인 원소인 나트륨을 사용하기 때문에 지속 가능성이 높은 옵션으로 자리 잡고 있으며, 전 세계적인 환경 영향 저감 노력과 맞물려 시장이 성장할 것으로 전망했다. 그러면서 이 시장의 주요 업체로는 중국의 리튬 배터리 제조기업인 닝보 산산(Ningbo Shanshan Co.)과 장시 정투 신에너지 기술(Jiangxi Zhengtuo New Energy Technology), 일본의 레소낙 홀딩스(Resonac Holdings Co.)와 미쓰비시 화학, 한국의 포스코 퓨처엠(POSCO FUTURE M), 독일의 SGL 카본 등이 있다고 덧붙였다.
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[신소재 신기술(31)] 나트륨 전고체 배터리 혁신으로 전기자동차 주행거리 2배 향상 가능
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NASA, 일본과 첨단 우주 탐사 협력…달 탐사선 계약 체결
- 미국 항공우주국(나사·NASA)이 일본과 공동으로 우주 탐사에 나선다. 먼저 달 탐사를 공동으로 수행할 것으로 보인다. 나사 빌 넬슨 국장과 일본 문부과학성 장관 모리야마 마사히토는 지속 가능한 달 탐사와 우주 개척을 공동으로 수행하기로 합의했다. 이 내용은 11일(현지시간) 나사 공식 홈페이지에 실렸다. 홈페이지 게시글에 따르면 일본은 달 탐사를 위한 유인 및 무인 탐사를 위한 가압 탐사선을 설계, 개발 및 운영할 예정이다. 나사는 로버를 달에 발사하고 인도하며, 이 과정에서 일본 우주비행사가 달 표면을 여행할 수 있도록 지원한다. 바이든 미 대통령과 일본 기시다 총리는 정상 회담에서 “미래의 아르테미스 임무를 통해 일본은 달에 착륙하는 최초의 비 미국인 우주비행사를 배출하게 될 것”이라며 “이는 미국과 일본 국민의 공동 목표”라고 발표했다. 아르테미스는 나사가 진행하는 우주인의 달 착륙 및 탐사 프로그램이다. 가압식 달 탐사선은 우주비행사가 달 표면에서 더 멀리 여행하고 더 오랜 시간 동안 작업할 수 있도록 고안되었다. 양국의 서명은 워싱턴에 있는 나사 본부에서 이루어졌다. 서명식에는 넬슨, 모리야마와 함께 JAXA(일본항공우주탐사국)의 야마카와 히로시 사장도 참석했다. 넬슨은 “별 탐구는 우주를 공개적으로, 평화롭게, 함께 탐사하는 국가들이 주도하고 있다. 미국과 일본이 주역이다. 미국은 이제 혼자서 달 표면을 걷지 않을 것이다. 새로운 탐사선을 통해 양국은 인류에게 도움이 되고 아르테미스 세대에게 달에 대한 획기적인 발견을 전할 것”이라고 말했다. 밀폐된 가압 로버는 우주비행사가 장기간 거주하고 일할 수 있는 이동 거주지 및 실험실 역할을 담당한다. 우주비행사가 더 멀리 여행하고 지리적으로 다양한 지역에서 과학적 연구를 수행할 수 있게 지원한다. 우주비행사 2명이 달 남극 근처 지역을 횡단하면서 최대 30일 동안 활동할 수 있게 된다. 나사는 약 10년 동안 아르테미스7 및 후속 임무에 가압 탐사선을 사용할 계획이다. 일본은 미국과의 달 탐사가 양국 파트너십의 새로운 시대의 상징으로 기억될 역사적인 사건이며, 파트너십을 바탕으로 JAXA와 함께 달 표면 탐사 능력을 대폭 확장하는 가압 로버 개발을 포함, 양국 우주비행사가 함께 탐사한다는 공동 목표를 실현할 것이라고 기대했다. 지난해 1월 체결했던 기본 협정은 우주 과학, 지구 과학, 우주 작전 및 탐사, 항공 과학 및 기술, 우주 기술, 우주 교통, 안전, 임무 보장 등을 포함하여 국가 간 광범위한 공동 활동을 촉진한다. 달 표면 탐사에 대한 합의 외에도 파트너십을 통해 향후 나사의 드래곤플라이 임무, 낸시 그레이스 로마 우주 망원경에 대한 일본의 참여를 보장한다. 태양의 자외선 복사를 관측해 태양 대기의 신비를 밝히는 JAXA의 차세대 태양관측위성 '솔라-C(SOLAR-C)' 개발에도 협력할 예정이다. 나사는 일본 우주비행사가 향후 아르테미스 임무에서 게이트웨이 승무원으로 일할 수 있는 기회를 제공하며, 일본은 게이트웨이의 환경 제어 및 생명 지원 시스템과 화물 운송을 제공하게 된다. 나사는 아르테미스 프로그램을 통해 최초의 여성, 유색인종 및 최초의 국제 파트너 우주비행사를 달에 착륙시키며, 새로운 과학적 연구를 수행한다는 계획이다.
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NASA, 일본과 첨단 우주 탐사 협력…달 탐사선 계약 체결
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[신소재 신기술(30)] 190% 양자 효율 달성! 태양 전지 혁신 이끌 새로운 양자 물질 개발
- 미국 펜실베이니아주 리하이 대학교의 연구진은 태양전지 패널의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 잠재력을 지닌 소재를 개발했다. 해당 물질을 태양 전지의 활성층으로 사용한 프로토타입은 평균 80%의 광전 흡수율, 높은 광여기 전하체 생성 속도, 최대 190%에 달하는 외부 양자 효율 (EQE)을 나타냈다고 과학 기술 전문 매체 테크익스플로어가 11일(현지시간) 전했다. 이는 실리콘 기반 물질의 이론적 쇼클리 퀴서(Shockley-Queisser) 효율 한계를 훨씬 뛰어넘는 수치이며, 태양전지용 양자 물질 분야를 새로운 차원으로 끌어올린 것이다. 쇼클리 퀴서 한계는 태양전지의 최대 효율을 결정하는 이론적 모델이다. 이 이론은 19661년에 물리학자 윌리엄 쇼클리에 의해 개발됐다. 이 한계는 단일 띠 구조를 가진 반도체 재료를 사용하는 태양전지의 최대 전력 변환효율을 설명하고 있다. 쇼클리 퀴서 한계는 이상적인 조건하에서 단일 접합 실리콘 태양전지의 최대 효율을 33%로 예측한다. 연구 논문을 저술한 치네두 에쿠마(Chinedu Ekuma) 리하이 대학교 물리학 교수는 "이 연구는 지속 가능한 에너지 솔루션에 대한 이해와 개발에서 중요한 도약을 의미하며, 가까운 미래에 태양 에너지 효율과 접근성을 재정의할 수 있는 혁신적인 접근 방식을 강조한다"라고 말했다. 에쿠마 교수와 리하이 박사과정 학생 스리하리 카스투아르가 함께 작성한 이번 연구 논문은 '사이언스 어드밴스' 저널에 발표됐다. 이 소재의 효율성은 주로 소재의 전자 구조 내에 태양 에너지 변환에 이상적인 방식으로 배치된 특정 에너지 레벨인 '중간 대역 상태'에 기인한다. 이러한 상태는 최적의 서브밴드 갭(물질이 태양광을 효율적으로 흡수하고 전하 캐리어를 생성할 수 있는 에너지 범위) 내에서 약 0.78 및 1.26전자볼트의 에너지 레벨을 갖는다. 또한 이 물질은 전자기 스펙트럼의 적외선 및 가시광선 영역에서 높은 흡수율을 보여 특히 우수한 성능을 발휘한다. 기존 태양 전지에서 최대 EQE는 100%이며, 이는 흡수된 태양광 한 개당 전자 하나를 생성 및 수집하는 것을 의미한다. 하지만 최근 몇 년 동안 개발된 일부 첨단 물질과 구성은 고에너지 광자로부터 둘 이상의 전자를 생성 및 수집할 수 있는 능력을 보여주었으며, 이는 100%를 초과하는 EQE를 나타낸다. 이러한 다중 엑시톤 생성(MEG) 물질은 아직 상용화되지 않았지만 태양 에너지 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 리하이대학교에서 개발한 물질의 경우, 중간대 상태는 반사 및 열 생성을 포함하여 기존 태양 전지에서 손실되는 광자 에너지를 포집할 수 있다. 연구팀은 층을 이룬 2차원 물질 사이의 원자적으로 작은 틈인 '반 데르 발스 갭(van der Waals gap)'을 활용하여 새로운 물질을 개발했다. 반 데르 발스 갭은 분자나 이온을 가둘 수 있다. 재료 과학자들은 일반적으로 다른 원소를 삽입하거나 '인터칼레이트(intercalate)'하여 재료 특성을 조정하는 데 이 틈새를 사용한다. 리하이대학교 연구팀은 새로운 물질을 개발하기 위해 게르마늄 셀레나이드(GeSe)와 주석 황화물(SnS)로 구성된 2차원 물질 층 사이에 0가 구리 원자를 삽입했다. 컴퓨터 응집 물질 물리학 전문가인 에쿠마 교수는 이 시스템의 광범위한 컴퓨터 모델링을 통해 이론적 가능성을 입증한 후 개념 증명으로 프로토타입을 개발했다. 그는 "빠른 반응과 향상된 효율은 첨단 태양광 응용 분야에 사용할 수 있는 양자 물질로서 Cu-인터칼레이티드 GeSe/SnS의 잠재력을 강력하게 보여주며, 태양 에너지 변환의 효율을 개선할 수 있는 길을 제시한다"라면서 "이는 전 세계 에너지 수요를 해결하는 데 중요한 역할을 할 차세대 고효율 태양전지 개발의 유망한 후보 물질이다"라고 말했다. 새로 설계된 양자 물질을 현재의 태양 에너지 시스템에 통합하려면 더 많은 연구와 개발이 필요하지만, 과학자들은 오랜 시간 동안 원자, 이온, 분자를 물질에 정밀하게 삽입하는 방법을 터득해 왔다. 이에 에쿠마 교수는 이러한 물질을 만드는 데 사용되는 실험 기술은 이미 고도로 발전했다고 지적했다.
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[신소재 신기술(30)] 190% 양자 효율 달성! 태양 전지 혁신 이끌 새로운 양자 물질 개발
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샘 올트먼, 글로벌 AI 인프라 확장 협력 논의
- 샘 올트먼 오픈AI 최고경영자(CEO)가 인공지능(AI) 인프라 확장을 위해 각국의 정부 및 민간 리더들과 전략적 협력을 통해 AI 기술 개발에 필요한 핵심 자원의 공동 확보를 추진하고 있다. 11일 연합뉴스는 10일(현지시간) 블룸버그통신을 인용해 이같이 보도했다. 올트먼은 이번 주 아랍에미리트(UAE)에서 투자자들과 정부 관리들을 만나 대규모 AI 인프라 구축을 위한 민간 부문과 국가의 협력 방안을 논의한 것으로 전해졌다. 그는 이전에 서방 국가 관계자들과도 같은 주제에 대해 의견을 나누었으며, 곧 미국 워싱턴에서도 관련 회의를 개최할 계획이다. 최근에는 지나 러몬도 미국 상무부 장관과도 만났다. 또한 올트먼은 반도체 벤처 기업들을 지원하기 위해 전 세계 투자자들로부터 수십억 달러를 모으는 계획을 추진 중이다. 이 자금은 반도체 제조 공장 네트워크 구축에 할당될 예정이다. 그는 에너지 및 데이터센터의 용량 확대를 위해 혁신적인 에너지원의 필요성을 강조하며, 저렴한 태양광 발전이나 핵융합 기술이 AI 개발을 가속화할 수 있다고 제언했다. 파이낸셜타임스(FT)는 최근 AI 개발이 급속도로 진행됨에 따라, 전통적인 평가 방식으로 새로운 AI 모델의 안전성이나 정확성을 제대로 평가하기 어려운 상황이라고 전했다. AI 도구를 개발하고 테스트하고 투자하는 사람들 사이에서는 현재 널리 사용되는 평가 기준이 새 모델의 성능이나 안전성을 측정하는 데 적합하지 않다는 의견이 제기되고 있다. 익명을 요구한 관계자들에 따르면, 최신 AI 모델의 복잡성에 비해 전통적인 평가 도구는 너무 단순하고 이러한 복잡성을 충분히 반영하지 못한다고 지적한다. 에이단 고메즈 인공지능 스타트업 코헤어의 설립자이자 최고경영자(CEO)는 "공개된 평가 기준은 유효 기간이 있음을 인식해야 한다. 이는 평가 대상 모델에 적합한 경우에만 유용하며, 과거에는 이 유효 기간이 몇 년이었지만 현재는 몇 달로 단축되었다"고 밝혔다. 그는 또한 "기존 평가 기준을 초월하는 새로운 AI 시스템의 등장이 일상화되고 있다. 이로 인해 과거의 평가 방식은 더 이상 적용되지 않게 된다"고 설명했다. 마이크로소프트의 코드 저장소인 깃허브의 최고 법률 책임자 셸리 맥킨리는 "사람들은 신뢰할 수 없는 기술을 사용하지 않을 것이며, 신뢰할 수 있는 제품을 제공하는 것은 기업의 책임"이라고 강조했다.
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샘 올트먼, 글로벌 AI 인프라 확장 협력 논의
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미중 '균형적 성장' 협의…옐런 美 재무장관, 中 허리펑 부총리와 회동
- 재닛 옐런 미국 재무장관과 허리펑(何立峰) 중국 부총리가 5~6일(현지시간) 광저우(廣東省広州)시에서 회담을 가졌다고 중국 국영 CCTV 등 외신이 전했다. 미중 양국의 고위 경제 관리자 간 직접적인 대화는 긴장이 고조된 미중 관계속에서 이루어졌다. 균형 잡힌 경제 성장, 금융 시스템 안정, 자금세탁 방지를 위한 협력 방안에 대한 심도 있는 논의가 이루어졌다. 특히 양국은 글로벌 경제 회복에 기여할 수 있는 방안에 초점을 맞추었다. 옐런 재무장관은 회담에서 "중국의 과잉 생산 능력과 국가 안보와 밀접하게 연결된 경제 활동"에 대해 심각한 우려를 표명했다. 특히 전기차(EV)와 태양광 발전 패널 분야의 과잉 생산이 미치는 영향에 대한 우려를 강조했다. 옐런 재무장관은 미중회담에서 중국의 과잉 생산 능력 문제를 포함한 거시경제 불균형 문제를 집중적으로 논의할 계획임을 밝혔다. 이를 위해 양국은 전문가 TF를 구성해 심층적인 논의를 진행할 예정이다. 두 사람은 5일 저녁 만찬에 함께 참석해 화기애애한 분위기를 연출했다. 중국 SNS(사회관계망서비스)에는 옐런 재무장관이 젓가락을 능숙하게 사용하는 동영상이 올라왔고, 호의적인 댓글이 잇따랐다. 옐런 재무장관의 방중은 이번이 두 번째이며, 허리펑 부총리와의 회담은 세 번째다. 옐런 재무장관은 "미국은 중국과 건전한 경제 관계를 추구하며, 양측 모두에게 이익이 되는 관계를 원한다"고 강조했다. 또한 "미중 경제의 디커플링(분리)을 초래할 생각이 없다"고 설명하고 11월 대선에서 재선을 노리는 트럼프 전 대통령과의 차이점을 강조했다. 미 재무부의 목표는 단순히 관계 개선에만 있는 것이 아니다. 적극적인 대화는 우발적 충돌을 피하기 위한 수단에 불과하다. 미 재무부 고위 관리는 바이든 행정부가 2023년 8월 발표한 중국 대상 투자 규제를 '찬란한 성공 사례'로 평가한다. 반도체, 인공지능(AI), 양자 기술 분야를 대상으로 한 이 규제는 예상했던 격렬한 반발 없이 매끄럽게 진행됐으며, 이는 끈질긴 대화 노력의 결실이라고 강조한다. 관리는 "중국 정부의 직간접적인 지원에 힘입어 중국 기업들은 내수와 세계 시장 수요를 훨씬 뛰어넘는 막대한 생산 능력을 구축하고 있다"고 지적했다. 회담 직전 옐런 재무장관은 다른 장소에서 광저우 지역 미국 기업 경영자들과 만나 중국 경제에 대한 심각한 우려를 공유했다. 바이든 행정부는 2022년 인플레이션 감소법을 통해 태양광 패널과 전기차 산업에 대규모 보조금을 지원하고 있으며, 지난 3월에는 중국이 공정한 경쟁 질서를 저해한다는 이유로 미국을 세계무역기구(WTO)에 제소하기도 했다. 옐런 재무장관은 방중을 앞두고 지난 3일 중국의 과잉 생산에 맞서는 '당당한 정당방위'라는 명분으로 보조금 정책을 강력히 옹호했다. 미국, 일본, 유럽은 보조금 규칙 마련에 착수해 보호무역주의에 대한 비판을 차단하고 있다. 태양광 발전 분야에서 유럽연합 집행위원회는 지난 3일 중국 정부의 자국 기업 보조금이 EU 내 경쟁 질서를 왜곡할 우려가 있다며 철저한 조사에 착수했다. 중국은 미국 정부의 반도체 규제에 대해 거센 반발을 표출하고 있다. 미국과의 대화에서 이 문제가 주요 의제로 떠오를 것으로 예상되나, 바이든 행정부는 반도체를 첨단 군수품 개발과 직결된 안보 문제로 인식하고 있어 양보할 여지가 전혀 없다는 입장을 견지하고 있다.
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미중 '균형적 성장' 협의…옐런 美 재무장관, 中 허리펑 부총리와 회동
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[퓨처 Eyes(30)] 한국형 인공태양, 1억도 플라즈마 세계 신기록 수립
- 한국 핵융합에너지연구원(핵융합연·KFE) 연구팀은 인공태양 연구에서 획기적인 성과를 달성하며 과학 역사에 찬란한 족적을 남겼다. 바로 1억도 플라즈마를 48초간 유지하는 놀라운 기록을 세운 것이다. 이는 핵융합 에너지 실현이라는 꿈에 한 발짝 더 다가선 뜻깊은 성과이다. KSTAR(한국 초전도 토카막 핵융합 연구장치)라는 인공태양 핵융합로를 활용한 이번 연구는 한국 과학자들의 탁월한 기술력을 여실히 보여준다. 1억도라는 극한의 온도를 48초간 유지하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이는 핵융합 에너지 개발 분야에서 세계 최고 수준의 기술력을 자랑하는 한국 과학의 위상을 더욱 굳건히 하는 계기가 되었다. 토카막(Tokamak)은 태양처럼 핵융합 반응이 일어나는 환경을 만들기 위해 초고온의 플라즈마를 자기장을 이용해 가두는 핵융합장치다. 플라즈마를 구속하는 D자 모양의 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛 모양의 진공용기 내에서 안정적인 상태를 유지하도록 제어한다. 1억도 플라즈마 48초간 유지 KFE는 한국의 '인공태양'으로 불리는 KSTAR가 최근 실험에서 핵심 부품을 업그레이드해 태양 중심핵 온도의 7배에 해당하는 1억도의 플라즈마를 48초 동안 연속 운전하는데 성공했다고 지난 3월 27일 밝혔다. 이는 2022년 기록했던 30초를 크게 뛰어넘는 놀라운 발전이며, 핵융합 기술의 지속적인 진보를 보여주는 명확한 증거이다. 플라즈마는 높은 온도에서 전자와 양이온이 분리되어 형성되는, 전기적으로 중성인 기체 상태이다. 이는 태양과 별의 뜨거운 심장부에서 발견되는 특별한 물질 상태이며, 핵융합 반응의 필수적인 요소이다. KSTAR는 한국 초전도 토카막 첨단연구의 정식 명칭으로, 2022년에 1억도 플라즈마를 30초간 유지하는 기록을 세웠다. 텅스텐 디버터로 안정성 향상 2023년 12월 31일부터 3개월간 진행된 최근 테스트에서 KSTAR은 텅스텐 디버터를 사용해 플라즈마의 안정성을 크게 향상시키고 유지 시간을 48초까지 늘리는 데 성공했다. 이는 이전 기록 30초를 크게 뛰어넘는 성과다. 또한 저감속 모드보다 안정적인 고성능 플라즈마 운전 모드인 'H 모드(H-mode)'를 102초 동안 장시간 유지하며 기록을 경신했다. H-모드는 토카막형 핵융합 장치 운전시 특정 조건 하에서 플라즈마의 가둠 성능이 약 2배 증가하는 현상이다. 이는 핵융합 연구 분야에서 획기적인 진보를 의미하며, 미래 에너지 문제 해결에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 1억도 운전을 추진한 고성능시나리오연구팀 한현선 박사는 "1억도 초고온 이온 플라즈마(High-Ti shot) 운전을 기존 30초에서 48초간 유지 달성하며 우리의 운전 방식이 40초대에서도 유효함을 확인했다. 지난해에는 플라즈마를 충분히 가열하고 유지할 파워가 부족해 실험이 어려웠다. 이번에는 중성자빔 가열장치의 성능 향상이 48초 유지의 바탕이 됐다"며 1억도 플라즈마의 장시간 운전은 초고온 플라즈마에 대한 이해를 높일 수 있는 자료이자 향후 핵융합 발전로에 쓰일 새로운 운전 모드 연구의 기반이 된다고 말했다. 텅스텐 재질 디버터(divertor)의 도입이 이러한 획기적인 성과를 가능하게 했다. 디버터는 핵융합 반응에서 발생하는 열과 불순물을 제거해 플라즈마 오염을 최소화하고 주변 장벽을 보호하는 역할을 한다. 텅스텐은 기존 탄소 재질보다 녹는점이 훨씬 높아 열 부하에 대한 내구성이 뛰어나다. 실험 결과, 텅스텐 디버터는 동일한 열 부하 상황에서 표면 온도 상승률이 25% 감소했다. KSTAR 연구 본부 고성능시나리오팀 김현석 선임연구원은 "디버터는 플라즈마의 열속이 집중되는 부분이다. 이번 테스트를 준비하면서 KSTAR처럼 토카막 내벽을 텅스텐으로 교체한 해외 융합 장치들의 사례를 토대로 KSTAR의 새로은 텅스텐 환경이 기본 카본 환경과 크게 다르지 않을 것으로 에상했다. 하지만 초기 실험에서 무언가 달랐다"고 전했다. 김 연구원은 "초기에 토카막 내벽 온도가 잘 안 올라갔다. 디버터는 소재만 바뀐 게 아니라 아랫부분의 구조(형상)도 기존 직선형에서 고래꼬리 형태로 바뀌었다. 형상과 소재 두 가지 요인이 복합적으로 작용해서 플라즈마 성질이 바뀌었는데, 바뀐 형태에서 어떻게 해야 좋은 성능을 발휘할 수 있을지 고민했다. 샷이 발생하면 과거의 형상을 만드는 것에서 시작해서 플라즈마 성능을 잠시 유지하고 안정이 되면 바뀐 디버터 형상으로 바꾸어 유리하는 전략으로 운전하며 기존 성능을 재현할 수 있엇다"고 설명했다. 핵융합은 두 개의 가벼운 원자핵이 합쳐져 더 무거운 원자핵을 만들면서 엄청난 양의 에너지를 방출하는 과정이다. 모든 금속 중 가장 높은 녹는점(3422°C)을 자랑하는 텅스텐은 핵융합 반응의 극한 환경에서도 흔들림 없이 자리한다. 또한 낮은 불순물 형성은 플라즈마 오염을 최소화하여 핵융합 반응의 순도를 높이는 데 기여한다. 프랑스에 건설 중인 ITER 실험로는 핵융합 에너지의 실현 가능성을 검증하는 국제 핵융합 연구의 중심 무대이다. 텅스텐 다이버터를 사용하는 ITER 실험로는 내년 첫 플라즈마 생성을 목표로 하고 있다. KSTAR의 이번 성과는 ITER 실험로의 성공적인 운영에 중요한 데이터를 제공할 것으로 기대된다. 한국핵융합연구소 소장은 이번 성과가 미래 핵융합 발전 시설 개발에 필요한 핵심 기술 확보에 중요한 발걸음이라고 강조했다. 연구팀은 앞으로 ITER 운영 및 미래 핵융합 발전 시설에 필수적인 핵심 기술 확보에 집중할 계획이다. 연구팀은 '토카막'이라 불리는 도넛 모양의 핵융합로 안에 뜨거운 플라즈마를 가두어 물을 가열하고 터빈과 발전기를 사용하여 생성된 증기를 전기로 전환함으로써 반응에서 순 양의 에너지를 획득할 수 있기를 희망한다. 토카막 융합로의 다양한 성과 한편, 전 세계 다른 토카막 핵융합로 또한 최근 몇 년 동안 중대한 성과를 거두었다. 지난해에는 중국 과학자들이 실험용 첨단 초전도 토카막 내부에 플라즈마를 403초 동안 유지하는 데 성공했다. 또한 영국은 JET(Joint European Torus) 장치를 사용해 핵융합 에너지 세계 기록을 수립했다. 뉴사이언티스트에 따르면 단 5초 동안이지만 약 1만 2000가구에 전력을 공급할 수 있는 69메가줄의 에너지를 생산했다. 미국 로렌스 리버모어 국립 연구소는 재래형 토카막 설계와는 크게 다른 레이저 기반 핵융합로인 내셔널 이그니션 퍼실리티(National Ignition Facility)에서 투입한 에너지의 두 배를 얻었다고 주장했다. 하지만 이러한 모든 연구 결과가 핵분열 원자로를 완전히 대체할 수 있는 핵융합 에너지 혁명으로 이어질지 여부는 아직 불확실하다. 위에서 언급한 것처럼 프랑스 남부 생폴레즈듀랑스 카다라쉬에 다국적 거대 핵융합 연구 시설 'ITER(국제핵융합실험로·International Thermonuclear Experimental Reactor)'가 건설되고 있다. ITER 총 사업 기간은 2007~2042년으로 건설과 운영, 방사능감쇄, 해체 등 4단계를 포함한다. 총건설비는 약 117.7억유 한국을 비롯해 중국, 인도, 일본, 유럽연합(EU·29개국) 등 35개국이 참여하는 이 프로젝트는 핵융합 에너지 상용화의 가능성을 판단하는 중요한 단계이며, 현재까지 건설된 토카막 핵융합로 중 가장 큰 규모를 자랑한다. 2007년 설립된 ITER는 2025년 완공 예정이다. 현재 우리가 사용하는 화석 연료 대신 안전하고 지속 가능한 에너지원 개발 가능성을 가진 ITER는 완공 후 핵융합 실험을 통해 핵융합 에너지의 실현 가능성을 평가할 계획이다. 프랑스의 ITER 시설이 완공되면 인공태양으로 불리는 핵융합에너지에 대한 실용성과 타당성 등에 대한 중요한 답변을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
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[퓨처 Eyes(30)] 한국형 인공태양, 1억도 플라즈마 세계 신기록 수립
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"파리 올림픽, 역대 최고의 지속 가능한 행사 될 것"
- 올여름 개최되는 파리 올림픽 및 패럴림픽 대회는 지속 가능성이라는 명제의 새로운 기준을 세울 것이라고 파리 올림픽 조직위원회가 호언했다고 세계경제포럼(WEF)이 홈페이지를 통해 전했다. 800회의 스포츠 경기, 1만 5000명의 선수, 4만 5000명의 자원봉사자, 1300만 끼에 달하는 식사 등 올림픽의 세부 내용에서 최고의 지속 가능성을 성취한다는 것은 만만치 않은 일이다. 실제로 주최 측은 이를 인류의 '가장 큰 도전'이라고 묘사했다. 그렇다면 파리 올림픽이 최고의 지속 가능한 행사가 되도록 주최측은 어떻게 준비할까. WEF는 주최 측이 밝힌 다양한 구상을 소개하고 있다. 지속 가능한 올림픽 구상 파리 올림픽은 지금까지의 준비상황만 놓고 보아도 올림픽 역사상 가장 친환경적인 대회로 평가받고 있다. 주최 측은 이번 대회에서 탄소 배출량을 과거 올림픽 평균의 절반으로 줄이겠다고 약속했다. 파리 2024 조직위원회는 "가장 지속 가능한 올림픽을 개최한다는 의미에서 탄소 배출량을 약 175만 톤으로 제한할 것“이라고 말했다. 2020 도쿄 올림픽, 2016 리우 올림픽, 2012 런던 올림픽을 포함한 이전 하계 올림픽에서는 평균 350만 톤의 탄소가 배출되었다고 한다. 특히 탄소 배출을 줄이는 것 외에도 전 세계의 환경 및 사회 프로젝트에 투자해 탄소 상쇄까지 도모한다. 재생에너지부터 어망 재활용까지 과거에는 올림픽 개최로 인해 일반적으로 새로운 경기장에 막대한 비용이 지출되었다. 그러나 파리에서는 95%의 경기를 기존 경기장이나 임시 인프라에서 개최한다. 신규 경기장 건설을 극소화한다는 의미다. 지난 1998년 월드컵 축구를 진행하기 위해 지어진 스타드 드 프랑스(Stade de France)에서 대부분의 행사가 개최될 예정이다. 올해 올림픽을 위해 건설하는 새로운 경기장은 생드니의 아쿠아틱스 센터뿐이다. 건설되는 센터도 자연 친화적인 태양열로 구동되며, 천연 바이오 기반 건자재와 재활용 자재를 사용하고 있다. 선수촌에서 소모하는 전기도 지열이나 태양광 발전 등 신재생에너지 생산을 통해 충당한다는 방침이다. 선수들은 재활용 어망으로 만든 매트리스와 강화 판지로 만든 침대에서 수면한다. 생물 다양성을 위해 선수촌 옥상에는 곤충과 새를 수용할 수 있는 울타리와 개구부가 설치돼 있다. 다양한 종을 유치하기 위해 선수촌 주변에 9000여 그루의 나무도 심었다. 2800동의 선수촌 아파트는 올림픽 경기가 모두 끝난 후 주택으로 개조될 예정이다. 지속 가능한 여행과 음식 지속 가능한 올림픽을 위한 또 다른 특징은 1000km의 자전거 도로와 거리에 새로 심은 20만 그루에 달하는 나무다. 선수 및 관계자들은 물론 관람객들까지 배려한다는 것이다. 파리 관광청은 자전거 도로의 증설로 3000대의 자전거가 추가로 이용할 수 있게 되었으며, 대부분의 올림픽 경기장은 대중교통으로 접근 가능하다고 밝혔다. 올림픽 기간 동안 약 1500만 명의 방문객이 파리를 방문할 것으로 예상된다. 또한 탄소 배출을 줄이고 폐기물을 줄이기 위해 제공되는 식물성 식품의 양을 두 배로 늘리고 일회용 플라스틱의 양을 절반으로 줄이겠다고 약속했다. WEF는 최신 '글로벌 위험 보고서 2024'에서 "대규모 집단이 채식과 지속 가능한 여행 등 다양한 저탄소 생활을 영위할 때 큰 변화를 가져올 수 있다"고 지적했다. WEF는 파리 올림픽이 이 같은 노력을 실천한다면 시장을 변화시키고 ‘기후 변화 완화에 대한 다이얼을 더 빨리 돌릴 수 있다’고 기대했다.
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"파리 올림픽, 역대 최고의 지속 가능한 행사 될 것"
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일본과 EU, 칩 및 전기차용 첨단 소재 개발 추진
- 일본과 유럽연합(EU)이 칩과 전기차 배터리 등의 분야에서 첨단 소재 개발을 위해 공식적으로 협력할 계획이라고 닛케이 아시아가 31일(현지시간) 보도했다. 이는 중국에 대한 의존도를 줄이기 위한 노력의 일환이다. 유럽집행위원회 연구혁신총국을 관할하는 일리아나 이바노바 집행위원은 닛케이와의 인터뷰에서 오는 4월 예정된 협력 프레임워크 구축 계획을 밝혔다. 이바노바 집행위원은 "우리는 같은 생각을 가진 파트너로서 협력을 확대하고, 각자의 연구 및 혁신 프로그램에 따라 진정한 협력과 호혜의 정신으로 협업 기회를 추구하는 것을 중요하게 생각한다"고 말했다. 이어 "일본과 EU는 여전히 첨단 소재 혁신 분야에서 세계를 선도하고 있다"고 덧붙이며, 2020년에 이 산업에 대한 투자가 EU에서는 198억 유로, 일본에서는 140억 유로에 달할 것이라고 언급했다. 양측은 '첨단 소재에 관한 대화'라는 이름으로 주로 사무국 간 협력 제안에 대한 정기적인 논의를 시작할 예정이다. 첨단 소재를 연구하는 일본과 유럽의 기관들도 참여할 예정이다. EU는 양측이 재생 에너지, 모빌리티, 건설 및 전자 제품 관련 소재 분야에서 협력할 것을 요청했다. 특히 전기 자동차의 차세대 동력원으로 부상하고 있는 나트륨 이온 배터리의 개발이 예상되는 분야 중 하나이다. 이 배터리는 중국이 장악하고 있는 희귀 금속을 사용하지 않으며 기존 배터리보다 저렴한 비용으로 생산할 수 있다. EU는 또한 태양전지 패널의 변환 효율을 향상시킬 수 있는 금속 나노 입자에 대한 일본의 지식을 활용하기를 희망한다. 스마트폰의 에너지 절약을 도울 수 있는 나노 입자도 논의 중인 소재 중 하나이다. EU는 앞으로 첨단 소재에 연구비를 집중하고 개발 및 대량 생산에 상당한 지원을 제공할 계획이다. 이바노바 집행위원은 일본과 EU가 첨단 소재에 대한 국제 표준을 만드는 데 협력할 수 있기를 희망한다고 밝혔다. 이바노바 집행위원은 또 "나노 정보학을 기반으로 나노 물질의 안전성 평가를 위한 표준 방법을 개발하는 데 함께 일하고 싶다. 이러한 표준 방법은 첨단 기술 응용 분야의 안전 및 환경 관리를 보장하기 위해 OECD 내에서도 논의되고 있다"고 덧붙였다.
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일본과 EU, 칩 및 전기차용 첨단 소재 개발 추진
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[신소재 신기술(23)] 조약돌 활용해 초효율 에너지 저장 시스템 설계
- 스웨덴 과학자들이 조약돌을 활용해 에너지 저장 효율을 향상시킨 새로운 시스템을 설계했다. 과학 전문매체 더쿨다운은 27일(현지시간) 스웨덴의 KTH 왕립 공과대학교의 연구원들은 기존의 열에너지 저장 기술에 조약돌을 추가해 개선된 시스템을 개발했다고 보도했다. 현재 최첨단 태양열 에너지 시스템에서는 장기간 에너지를 저장하기 위해 용융염을 사용한다. 용융염은 녹는점이 800.7°C 이상일 때 액체 상태가 되는 녹은 소금으로, 일반적인 조건에서는 이온성 고체다. 그러나 용융염은 사용에 있어 작동 온도의 한계와 부식성, 비료로의 사용 가능성으로 인한 추가 비용 발생 등의 문제점을 가지고 있다. 반면, 조약돌은 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 재료다. KTH 연구팀은 조약돌을 사용한 시스템이 솔라스페이스(SolarPACE)에서 90% 이상의 높은 열효율을 달성하면서도 최대 800℃(화씨 1472도)까지의 열을 저장할 수 있음을 발견했다. 이는 용융염 시스템의 한계 온도인 600℃(화씨 111도)를 훨씬 초과하는 수치다. 이러한 혁신적인 발전은 태양 전지로부터 얻은 깨끗하고 재생 가능한 에너지를 저장하는 과정을 더욱 간단하고, 경제적이며, 효율적으로 만들 수 있음을 의미한다. 화석 연료와 같은 전통적인 에너지원에서 태양이나 바람과 같은 깨끗하고 재생 가능한 에너지원으로의 전환이 진행되면서, 미래에 사용할 에너지를 효과적으로 저장하는 방법이 중대한 도전 과제 중 하나로 부상했다. 가스는 간편하게 저장하고 사용할 수 있는 것과 달리, 태양 에너지는 그렇게 단순하게 다룰 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 열에너지를 저장하는 데 액체 주석, 수소, 황과 같은 다양한 재료를 사용한 여러 시스템을 개발했다. 한편, 조약돌을 활용한 에너지 저장 시스템을 연구하는 과학자들은 이 시스템을 효율적으로 작동시키는 데 필요한 추가적인 전력 소비와 같은 도전 과제에 직면해 있다. KTH 왕립 공과대학교 에너지부의 열과 전력 부문 책임자인 라파엘 게데즈 박사는 "공기와 암석을 이용한 축방향 포장재는 본질적으로 비용이 저렴하다고 할 수 있지만, 공기를 효율적으로 순환시키고 특히 전기가 비싼 시간에 대량의 전력을 소비할 수 있다는 점이 채택에 있어 주요한 장애물 중 하나"라고 말했다. 그럼에도 게데즈 박사와 그의 연구팀은 이 시스템을 상업적으로 실행 가능한 옵션으로 만들 수 있다고 낙관하고 있다. 게데즈 박사는 "우리의 연구는 실제로 적용되고 있으며, 최종 사용자와 기술 개발자 모두 산업 이해 관계자들과 긴밀히 협력하고 있다. 궁극적으로 넷제로를 지원하고 연구와 교육 프로그램을 통해 사회에 가시적인 영향을 창출하려는 동기에 의해 주도되고 있다"고 전했다.
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[신소재 신기술(23)] 조약돌 활용해 초효율 에너지 저장 시스템 설계
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[신소재 신기술(18)] 재충전 가능한 콘크리트 배터리 개발
- 스웨덴에서 시멘트를 재충전 가능한 배터리로 전환하는 데 성공했다. 과학 기술 전문 매체 쿨다운(TCD)과 ZME 사이언스는 21일(현지시간) 스웨덴 찰머스 공과대학교(Chalmers University of Technology) 과학자들은 전기 전도성 섬유를 시멘트 기반 혼합물에 통합하는 방법을 발견했다며 이같이 보도했다. 찰머스 공과대학교의 연구원들은 세계에서 가장 흔한 건축 자재인 시멘트를 배터리로 전환하는 방법을 개발하고 있다. 이 혁신을 통해 콘크리트 슬래브를 배터리로 바꿀 수 있다. 이 개념은 가정과 건물에 전력을 공급하는 방식을 바꿀 수 있을 뿐만 아니라 시멘트 생산으로 인한 전 세계 대기 오염의 약 9%를 상쇄하는 데 도움이 될 수 있다. 21일 ZME사이언스에 따르면 콘크리트 산업은 대기 중으로 배출되는 탄소의 최대 9%를 차지하는 거대한 탄소 배출원이다. 공해는 치매와 뇌졸중 위험 증가와 관련이 있기 때문에 시멘트 충전 배터리는 더 깨끗한 공기와 더 건강한 정신과 신체를 의미할 수 있다. 이 프로젝트에 참여한 연구원 엠마 장(Emma Zhang) 박사는 "우리는 이 기술을 통해 향후 다층 건물의 전체 구간을 기능성 콘크리트로 만들 수 있을 것이라는 비전을 가지고 있다"고 찰머스의 논문 요약에서 밝혔다. 연구팀은 전통적인 표준 시멘트 제조법에 '소량'의 전기 전도성 탄소 섬유를 추가했다. 이를 통해 콘크리트 혼합물에 전도성과 강도를 더했다. 연구팀은 또한 철과 니켈을 각각 양극과 음극으로 사용하는 '금속 코팅 탄소 섬유 메쉬'도 추가했다. 과학자들이 콘크리트 배터리를 만들려고 시도한 것은 이번이 처음은 아니다. 그러나 이 새로운 방법은 에너지 밀도 측면에서 엄청난 발전을 이뤘다. 질량 대비 콘크리트가 저장할 수 있는 에너지의 양은 기존 배터리만큼 많지는 않지만, 찰머스 보고서에 따르면 다른 콘크리트 배터리 개념보다 최대 10배 더 우수하다. 장 박사는 "우리가 개발한 재충전 가능한 이 특별한 아이디어는 이전에 한 번도 탐구된 적이 없다. 이제 우리는 실험실 규모의 개념 증명을 갖게 됐다"고 밝혔다. 이어 "예를 들어 태양 전지 패널과 결합하여 전기를 공급하고 콘크리트 배터리로 작동하는 센서가 균열이나 부식을 감지할 수 있는 고속도로나 교량의 모니터링 시스템을 위한 에너지원이 될 수도 있다"고 말했다. 연구팀은 6번의 충전-방전 주기를 통해 발명품을 실행하여 콘크리트 배터리 혼합물을 완성했다. 이번 연구 결과는 '빌딩스(Buildings)' 저널에 실렸다. 시멘트 배터리는 실험실에서 테스트되었으며 작동했다. 하지만 에너지 밀도는 그다지 높지 않다. 현재는 평방미터당 7Wh(와트시), 리터당 0.8와트시에 불과하다. 이에 비해 스마트폰과 전기차에 전력을 공급하는 리튬이온 배터리의 에너지 밀도는 무려 250Wh/L~700Wh/L에 달한다. 상업용 배터리보다 시멘트 베터리 밀도가 훨씬 낮지만 콘크리트 건물은 거대하기 때문에 가치가 있다. 이론적으로 새 건물의 대형 콘크리트에 상당한 양의 콘크리트 배터리를저장할 수 있다. 구상되는 시멘트 배터리 애플리케이션은 LED 전원 공급부터 원격 위치의 4G 연결 제공, 심지어 콘크리트 인프라를 부식으로부터 보호하는 것까지 다양하다. 장 박사는 "예를 들어 태양전지 패널과 결합해 전기를 공급하고 콘크리트 배터리로 작동하는 센서는 균열이나 부식을 감지할 수 있는 고속도로나 교량의 모니터링 시스템을 위한 에너지원이 될 수도 있다"고 말했다. 연구팀은 요약문에서 시멘트 배터리의 실험적 조합이 상용화되기 전에 더 많은 테스트가 필요하다는 점을 인정했다. 연구팀의 루핑 탕(Luping Tang) 교수는 "우리는 이 개념이 미래의 건축 자재가 재생 에너지원과 같은 추가 기능을 갖도록 하는 데 크게 기여할 것이라고 확신한다"고 말했다. 한편, 미국 내 전문가들은 에너지 저장 솔루션을 개발하기 위해 자체적인 콘크리트 제조법을 연구하고 있다. 매사추세츠 공과대학의 연구원들은 시멘트, 물, 카본 블랙이라는 물질을 사용해 슈퍼커패시터(또다른 배터리로 전기 에너지를 저정하는 장치)를 만들어 집의 기초를 배터리로 전환하고 있다. 슈퍼커패시티는 화학 반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 게면에서의 이온 이동이나 표면 화학 반응을 통해서 작동한다. 불과 몇 초 내의 빠른 충전과 방전이 가능하며 수십만 번의 충전과 방전 사이클을 견딜수 있는 긴 수명과 안정성 등이 특징이다. 하지망 아직 배터리만큼 높은 에너지밀도를 가지고 있지 않아 모든 뷴야에 대체할 수 없다. 이러한 발명은 미래를 위한 여러가지 잠재력을 가지고 있다. 그러나 최대 100년까지 지속될 수 있는 콘크리트 구조물의 수명에 맞춰 배터리의 수명을 연장하고 효과적인 재할용 방법을 개발해야 하는 과제를 안고 있다.
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[신소재 신기술(18)] 재충전 가능한 콘크리트 배터리 개발
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목성의 위성 유로파, 얼음 지각 두께 최소 20km
- 미국 천문학자들이 목성의 얼음 위성인 유로파의 얼음 지각 두께가 최소 20km(킬로미터)에 달한다고 밝혔다. 행성 과학자들은 최근 충돌 크레이터(분화구) 이미지와 물리 법칙을 이용해 유로파의 얼음 두께를 측정했다. 유로파는 얼음 지각으로 둘러싸인 지구의 두 배에 달하는 바닷물이 있는 암석의 위성이다. 과학자들은 오랫동안 유로파가 태양계에서 외계 생명체를 찾기에 가장 좋은 곳 중 하나라고 추정했다. 생명체의 존재 가능성과 성격은 얼음 껍질의 두께에 따라 크게 달라지는데, 천문학자들은 아직 이 부분을 밝혀내지 못했다. 20일(이하 현지시간) 과학전문 웹사이트 피즈닷오그(Phys. ORG)에 따르면 미국 퍼듀대학교 과학대학 지구, 대기 및 행성 과학과의 브랜든 존슨 부교수와 연구 과학자 시게루 와키타 등 행성 과학 전문가로 구성된 연구팀이 유로파의 얼음 지각의 두께가 최소 20km에 달한다고 발표했다. 또다른 매체 IFL사이언스도 이날 갈릴레오 탐사선의 데이터 분석에 따르면 유로파의 바다를 보호하는 얼음 지각의 두께는 최소 20km에 달하는 것으로 시사한다고 전했다. 행성 과학자들은 유로파의 대형 분화구를 연구하고 다양한 모델을 실행하여 어떤 물리적 특성의 조합이 그와 같은 표면 구조를 만들 수 있는지 조사했다. MIT의 시게루 와키타(Shigeru Wakita) 박사가 이끄는 팀은 유로파의 '타이어(Tyre)'와 '칼라니쉬(Callanish)'로 알려진 두 개의 분지가 지각 두께를 결정하는 데 핵심이 될 수 있음을 발견했다. 타이어(Tyre)와 칼라니쉬(Callanish)는 모두 다중 고리 분지다. 와키타 박사와 연구팀은 적절한 크기의 소행성이 서로 다른 두께의 지각에 충돌할 때 어떤 일이 일어날지 모델링하고 두께가 20km 이상인 얼음만이 유로파 표면과 같은 결과를 가져올 것이라고 추정했다. 이 연구는 학술 저널 ‘사이언스 어드밴스’에 게재됐다. 와키타 박사는 "유로파의 이렇게 큰 분화구에 대한 연구는 이번이 처음이다"라고 말했다. 그는 "이전 추정치에서는 두꺼운 바다 위에 매우 얇은 얼음층이 있는 것으로 나타났다. 그러나 우리 연구에 따르면 두꺼운 얼음층이 있고, 그 두께가 너무 두꺼워 이전에 논의되었던 얼음 대류가 일어났을 가능성이 높다"고 설명했다. '얼음 대류(Ice convection)'는 얼음 내부에서 열이나 다른 물리적 성질의 차이로 인해 발생하는 물질의 이동 과정을 말한다. 얼음 대류의 기본 원리는 물질이 온도에 따라 밀도가 변한다는 점에 기반한다. 이 현상은 특히 대규모 얼음층이나 얼음이 두꺼운 행성의 위성, 예를 들어 유로파와 같은 곳에서 중요한 역할을 할 수 있다. 얼음 대류는 얼음의 내부나 얼음과 액체 물 사이에서 열을 전달하는 중요한 메커니즘 중 하나다. 유로파의 얼음 층 아래에 있는 액체 물이 얼음 층과 접촉하는 부분에서 얼음을 녹이면 상대적으로 더 따뜻한 물이 위로 상승하고, 냉각되어 얼음이 될 때 다시 내려갈 수 있다. 과학자들은 오랫동안 유로파의 얼음 두께에 대해 논쟁을 벌여왔지만, 아무도 직접 방문해서 측정한 적이 없다. 이에 과학자들은 유로파의 얼음 표면에 있는 크레이터(분화구)를 활용했다. 존슨 박사는 1998년 유로파를 탐사한 우주선 갈릴레오의 데이터와 이미지를 사용해 충돌 크레이터를 분석해 유로파의 얼음 지각 구조를 분석했다. 행성 물리학 및 거대 충돌 분야의 전문가인 존슨은 태양계의 거의 모든 주요 행성을 연구해 왔다. 그는 "충돌 크레이터는 행성을 형성하는 가장 보편적인 표면 과정"이라며 "분화구는 우리가 지금까지 본 거의 모든 고체에서 발견된다. 분화구는 행성을 변화시키는 주요 동인"이라고 부연했다. 존슨은 "유로파의 분화구의 크기와 모양을 이해하고 수치 시뮬레이션으로 그 형성을 재현함으로써 얼음 지각의 두께에 대한 정보를 유추할 수 있다"고 덧붙였다. 유로파는 얼어붙었만, 빙하 속에는 바위로 이루어진 핵이 있다. 하지만 얼음 표면은 정체되어 있지 않다. 해양의 판구조론과 대류, 얼음 때문에 유로파는 표면이 자주 바뀐다. 유로파는 표면에 크레이터가 거의 없는 특이한 위성으로 얼음 지각이 계속해서 새로 생성되면서 크레이터를 없앴다는 주장이 힘을 얻고 있다. 이는 지표면 자체의 나이가 5000만 년에서 1억 년에 불과하다는 것을 의미하는데, 인간과 같이 수명이 짧은 생물에게는 오래된 것처럼 보이지만 지질학적 시기로 보면 젊다는 지적이다. 표면이 매끄럽고 젊다는 것은 분화구가 명확하게 구분되어 있고 깊지 않다는 것을 의미한다. 분화구는 유로파의 암석 중심부에 대한 많은 정보를 전달하기보다는 얼음 지각과 그 아래 존재할 수 있는 수중 바다에 대해 더 많은 것을 담고 있다. 존슨은 "얼음의 두께를 이해하는 것은 유로파의 생명체 존재 가능성에 대한 이론을 세우는 데 필수적이다"라고 말했다. 그는 "얼음 지각의 두께는 그 안에서 어떤 과정이 일어나고 있는지를 제어하며, 이는 지표와 바다 사이의 물질 교환을 이해하는 데 매우 중요하다. 이는 유로파에서 일어나는 모든 종류의 과정을 이해하는 데 도움이 되며, 생명체의 가능성을 이해하는 데도 도움이 될 것"이라고 말했다. 국립과천과학관에 따르면 천문학자들은 이전 연구를 통해 목성의 위성인 유로파, 가니메데, 칼리스토에 지구의 바다보다 6배나 되는 양의 물을 표면 아래에 품고 있다는 사실을 발견했다. 생명체가 살기 위해서는 물, 원소, 에너지라는 3가지 요소가 필요하다. 외행성계 위성에는 이 3가지 요소가 적절하게 있는 것으로 추측되고 있다. 목성은 태양에서 멀기 때문에 표면 온도가 영하 110도이며, 목성의 위성인 유로파의 표면 온도는 영하 220도에 이른다. 유로파의 얼음 지각의 두께는 생명체가 존재할 수 있는 잠재적인 물 존재의 환경을 숨기고 있을 수 있다. 물 존재는 행성에서 생명의 가능성을 탐색하는 데 있어 중요한 요소 중 하나가 될 수 있다. 그러나 실제로 생명체가 존재하는지 여부를 확인하기 위해서는 유로파에 대한 추가적인 탐사와 연구가 필요하다.
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목성의 위성 유로파, 얼음 지각 두께 최소 20km
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행성 잡아먹는 행성 확인…천문학자, 쌍둥이별 8% 증거 포착
- 천문학자들이 행성을 잡아 먹는 행성의 증거를 발견했다. 쌍둥이별 12개 중 1개는 행성을 삼킨 행성일 수 있다는 새로운 연구 결과가 나왔다. 과학 기술 전문매체 스페이스닷컴과 과학 기술 웹사이트 사이키(Phys.org) 등 다수 외신은 20일(현지시간) 국제 연구팀 아스트로3D(ASTRO 3D)의 천문학자들은 적어도 12개의 별 중 1개에서 행성을 잡아 먹는 증거를 발견했다고 보도했다. 이번 연구 결과는 이날 학술 저널 '네이처(Nature)'에 게재됐다. 이전 연구에서는 적색 거성 등 별의 마지막 단계에서 행성 삼킴 현상이 확인됐다. 또 다른 증거는 별이 때때로 행성을 삼킬 수 있음을 시사했지만, 얼마나 자주 발생할 수 있는지에 대해서는 확실하지 않았다. 국제 연구팀은 행성 삼킴에 대해 더 많은 것을 밝히기 위해 동시에 태어난 동일한 구성을 가진 쌍둥이 별을 연구했다. 쌍둥이 별은 동일한 가스와 먼지로 이루어진 모성 구름에서 태어났기 때문에 사실상 동일한 구성을 가져야 한다. 그러나 연구 결과 약 8%가 성분이 다르게 나타났다. 이처럼 소위 '공동 출생' 별 사이의 주요 화학적 차이는 한 별이 다른 별을 삼켰다는 신호일 수 있다. 연구팀은 유럽 우주국의 가이아 위성을 사용해 91개의 쌍둥이 별을 식별했다. 이 별들은 백만 천문 단위(AU) 미만으로 서로 상대적으로 가깝게 위치하며 공동 출생일 가능성이 높다. 천문 단위인 AU는 태양과 지구 사이의 평균 거리로, 약 9300만 마일(1억 5000만 킬로미터)에 해당한다. 분자가 가열되면 분자는 그 분자가 구성하는 원소에 해당하는 고유한 빛 파장 스펙트럼을 방출한다. 따라서 먼 별에서 오는 빛을 분석하는 과학자들은 별 분자가 매우 높은 온도에 노출되면 별의 원소 구성을 추론할 수 있다. 아스트로 3D 연구진이 이끄는 연구팀은 쌍둥이별(쌍성) 중 하나가 행성이나 행성 물질을 삼키고 있기 때문에 차이가 발생한다는 사실을 발견했다. 과학자들은 칠레에 있는 유럽남방천문대의 초대형 망원경, 칠레에 있는 6.5m 마젤란 망원경, 미국 하와이에 있는 10m 켁(Keck) 망원경을 사용해 이 공동 출생 별에서 나오는 빛을 분석했다. 연구팀은 이 쌍성 중 약 8%, 즉 12쌍 중 1쌍에서 행성을 삼킨 흔적을 보이는 별이 있다는 것을 발견했다. 이는 쌍둥이 별과 비교했을 때 화학적 구성이 달랐다는 뜻이다. 호주의 모내시 대학교 아스트로 3D 연구원이자 논문의 수석 저자인 팬 리우 박사는 "우리는 함께 여행하는 쌍둥이 별을 관찰했다. 그들은 동일한 분자 구름에서 태어났기 때문에 동일해야 한다"라고 설명했다. 리우 박사는 "매우 정밀한 분석 덕분에 쌍둥이별 간의 화학적 차이를 확인할 수 있었다. 이는 별 중 하나가 행성이나 행성 물질을 삼켜 그 구성이 바뀌었다는 매우 강력한 증거를 제공한다"고 말했다. 행성 삼킴 현상은 연구팀이 조사한 91쌍의 쌍성 중 약 8%에서 나타났다. 이 연구가 설득력있는 이유는 별이 적색거성과 같은 마지막 단계의 별이 아니라 주계열성이라고 불리는 생애 전성기에 있었다는 것이다. 리우 박사는 "이것은 별이 매우 거대한 공이 될 때 후기 단계의 별이 주변 행성을 삼킬 수 있다는 이전 연구와는 다르다"고 말했다. 이 발견은 행성계의 장기 진화 연구에 광범위한 영향을 미친다. 공동 저자이자 호주국립대학교(ANU)의 ASTRO 3D 연구원인 유안 센 팅 부교수는 "천문학자들은 이런 종류의 사건은 불가능하다고 여겼다. 그러나 우리 연구의 관측을 통해 그 발생 빈도는 높지 않지만 실제로 가능하다는 것을 알 수 있다. 이것은 행성 진화 이론가들이 연구할 수 있는 새로운 창을 열었다"고 말했다. 이 연구는 가이아 천체망원경 위성으로 확인된 모든 밝은 항성의 전체 샘플을 분광학적으로 관측하는 대규모 협력 프로젝트인 C3PO(Complete Census of Co-moving Pairs of Objects) 프로그램의 일부로, 팬 리우, 유안 센 팅, 데이비드 용 부교수(ANU의 ASTRO 3D 소속)가 공동으로 이끌고 있다. ASTRO 3D 책임자인 엠마 라이언-웨버 교수는 "이번에 발표된 연구 결과는 ASTRO 3D의 핵심 연구 주제인 우주의 화학적 진화에 대한 큰 그림에 기여한다. 특히 화학 원소의 분포와 별에 의해 소비되는 것을 포함한 그 이후의 여정을 밝혀준다"고 말했다. 호주 스윈번 공과대학교, 아일랜드 코크 대학교, 카네기 천문대, 오하이오 주립대학교, 미국 다트머스 대학교, 헝가리의 콘콜리 천문대, 막스 플랑크 천문학 연구소의 과학자들이 이 연구에 참여했다. 별들이 행성을 삼키고 있는지, 아니면 항성계가 탄생하면서 남겨진 행성의 구성 요소를 삼키고 있는 것인지는 여전히 불확실하다. 연구팀은 두 가지 모두가 해당될 가능성이 있다고 말했다.
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행성 잡아먹는 행성 확인…천문학자, 쌍둥이별 8% 증거 포착
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제임스 웹 우주망원경, 원시 별에서 에탄올과 얼음 성분 발견
- 제임스웹 우주 망원경이 행성 형성 초기 단계의 젊은 두 개의 원시별에서 메탄과 아세트산 등 다양한 복합 유기 분자를 발견했다. 웹 스페이스 텔레스콥은 13일(현지시간) 국제 천문학 연구이 미국 항공우주국(NASA·나사)의 제임스 웹 우주망원경을 이용하여 항성 형성 초기 단계인 두 개의 원시 별 IRAS 2A와 IRAS 23385 주변에서 복합 유기 분자(COMs)를 포함한 다양한 얼음 화합물을 발견했다고 밝혔다. 이 연구는 이전의 암흑 성운 연구에서 탐지된 다양한 얼음체 연구를 기반으로 이루어졌다. 연구팀이 웹의 중적외선 망원경(MIRI)을 사용해 검출한 복합 유기 분자에는 에탄올(알코올)과 아세트산(식초의 주성분)이 포함된다. 이는 잠재적으로 생명체가 거주할 수 있는 환경을 형성하는 데 중요한 물질들이다. 이번 연구는 이러한 복합 유기 분자가 얼음 상태에서 형성될 수 있다는 것을 시사하며, 우주에서의 복합 유기 분자 생성 과정에 대한 이해를 넓혀줄 것으로 기대된다. 네덜란드 라이덴 대학교의 팀 리더인 윌 로차(Will Rocha)는 "이 발견은 천체화학의 오랜 질문 중 하나에 기여한다"고 말했다. 로차 박사는 "우주에 존재하는 복잡한 유기 분자, 즉 COM의 기원은 무엇일까? 기체 상에서 만들어질까, 아니면 얼음에서 만들어질까? 얼음에서 COM이 검출된 것은 차가운 먼지 입자 표면의 고체상 화학 반응이 복잡한 종류의 분자를 만들 수 있음을 시사한다"라고 설명했다. 이번 연구에서 고체상에서 검출된 COM을 포함한 여러 COM은, 이전에는 따뜻한 기체상에서 검출되었기 때문에 얼음의 승화에서 비롯된 것으로 추정된다. 승화란 액체가 되지 않고 고체에서 바로 기체로 변하는 것을 말한다. 따라서 천문학자들은 얼음에서 COM을 검출함으로써 우주에 존재하는 다른 더 큰 분자의 기원에 대한 이해를 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 과학자들은 또한 원시 별 진화의 훨씬 후기 단계에서 이러한 COM이 행성으로 어느 정도까지 운반되는지 탐구하기를 원한다. 차가운 얼음 속의 COM은 따뜻한 기체 분자보다 분자 구름에서 행성을 형성하는 원반으로 운반하기가 더 쉽다고 여겨진다. 따라서 이러한 얼음 COM은 혜성과 소행성에 포함될 수 있으며, 이는 형성되는 행성과 충돌하여 생명체가 번성할 수 있는 재료를 제공할 수 있다. 또한 연구팀은 개미에 쏘였을 때 타는 듯한 느낌을 주는 개미산, 메탄, 포름알데히드, 이산화황 등 더 간단한 분자도 검출했다. 연구에 따르면 이산화황과 같은 황 함유 화합물은 원시 지구의 대사 반응을 주도하는 데 중요한 역할을 했을 가능성이 있다. 특히 연구 대상 중 하나인 저질량 원시 별 IRAS 2A는 우리 태양계의 초기 단계와 유사할 수 있다는 점이 주목할 만하다. 이 원시 별 주변에서 발견된 화합물들은 우리 태양계 형성 초기 단계에 존재했고, 이후 원시 지구로 운반되었을 가능성이 있다. 과학 프로그램의 조정자 중 한 명인 라이덴 대학교의 이원 반 디스호크(Ewine van Dishoeck)는 "이 모든 분자들은 원시 별이 진화함에 따라 얼음 물질이 행성을 형성하는 원반으로 안쪽으로 운반될 때 혜성과 소행성의 일부가 될 수 있으며 결국 새로운 행성계가 될 수 있다"고 말했다. 연구팀은 향후 관측 자료를 통해 우주화학적 진화 과정을 단계별로 더욱 명확하게 규명할 것을 기대하고 있다. 이 연구는 '천문학 및 천체물리학(Astronomy & Astrophysics)' 저널에 게재됐다.
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제임스 웹 우주망원경, 원시 별에서 에탄올과 얼음 성분 발견
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