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2024-11-21 (목)

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[신소재 신기술(134)] UC 버클리, '뜨거운 이산화탄소 가스 포집' 획기적 기술 개발

산업 공정에서 발생하는 뜨거운 이산화탄소를 포집할 수 있는 혁신적인 기술이 개발됐다. 시멘트나 강철을 생산하는 산업 플랜트는 강력한 온실가스인 이산화탄소를 대량으로 배출하지만, 배기가스가 너무 뜨거워 최첨단 탄소 제거 기술을 사용할 수 없다. 배기가스를 냉각하려면 많은 에너지와 물이 필요하며, 이는 일부 가장 오염이 심한 산업에서 이산화탄소 포집 기술을 도입하는 장벽으로 작용한다. 그런데 UC 버클리의 화학자 연구진이 스펀지처럼 작용해 산업 배기가스와 비슷한 높은 온도에서 이산화탄소를 포집할 수 있는 소재를 발했다. UC 버클리 공식 홈페이지에 따르면, 발견된 소재는 금속-유기 프레임워크(MOF)의 일종으로, 사이언스 저널에 게재됐다. 발전 또는 산업 플랜트 배기가스에서 탄소를 포집하는 주요 방법은 액체 아민을 사용하여 이산화탄소를 흡수하는 것이다. 그러나 이 방법은 섭씨 40~60도 사이에서만 효율적으로 작동한다. 시멘트 제조 및 제강 공장은 200도를 넘는 배기가스를 생성하고 일부 산업 배기가스는 500도에 달한다. 아민이 추가된 MOF 하위 분류를 포함해 현재 시범 운영 중인 새로운 소재는 150도 이상의 온도에서는 분해되거나 덜 효율적이다. 이렇게 뜨거운 이산화탄소를 가져와 기존의 탄소 포집 기술을 적용하려면 적절한 온도로 냉각해야 하고, 비싼 인프라가 필요하다. 이번 연구를 진행한 UC 버클리 커티스 카쉬 박사는 "우리 기술이 탄소 포집 방식을 근본적으로 바꿀 수 있을 것"이라며 "개발된 MOF가 전례 없이 높은 온도에서 이산화탄소를 포집할 수 있다는 것이 입증됐다. 과거의 다공성 소재로는 불가능했던 것"이라고 설명했다. 아민 기반 탄소 포집에 대한 일반 연구에서 벗어나 고온에서도 작동하는 MOF의 새로운 매커니즘을 수립했다는 것이다. 개발된 소재는 다공성 결정질 금속 이온 및 유기 링커 배열을 특징으로 하며, 내부 면적은 스푼당 약 6개의 축구장 크기에 달해 이산화탄소를 흡착하기에 충분히 넓은 면적이다. 연구진은 시뮬레이션에서 새로운 MOF가 평균 20%~30%의 이산화탄소 농도를 보이는 시멘트 및 철강 제조 플랜트의 배출가스와 약 4% 농도의 이산화탄소를 포함한 천연가스 발전소의 배출가스에서 뜨거운 이산화탄소를 포집할 수 있음을 보여주었다. 포집된 이산화탄소를 지하에 저장하거나 연료 또는 기타 부가가치 화학 물질을 만드는 데 사용하는 것은 온실가스를 줄이는 핵심 전략이다. 지구 온난화와 기후 변화에 대응하는 유력한 솔루션으로 각광받고 있다. 재생 에너지 발전과 달리 화석연료를 주로 사용하는 산업 플랜트는 지속 가능성을 확보하는 것이 더욱 어렵기 때문에 이산화탄소 포집이 매우 중요하다. 아민 기반 흡착제는 수십 년 동안 탄소 포집 연구의 초점이었다. MOF는 원래 독일 아우크스부르크 대학교의 연구진이 발견했다. MOF가 이산화탄소로 채워지면 이산화탄소의 분압을 낮추어 제거하거나 탈착할 수 있다. MOF는 재사용한다. 연구진은 MOF를 변형해 다른 가스를 흡착할 수 있는지 추가 확인 작업에 나서고 있다. 이 소재가 더 많은 이산화탄소를 흡착할 수 있도록 기능 개선도 진행하고 있다.
- 경제
2024-11-20
스타트업 율리시스, 자율 로봇 이용해 해초 심어 바다 되살린다

해초의 힘은 상상 이상이다. 해초는 해저 면적의 0.1%에 불과하지만, 식물과 물고기의 해양 생태계를 지원하고, 오염된 바닷물을 정화하고, 막대한 양의 탄소를 포집하는데 기여한다. 그러나 기후 변화 등 여러 요인으로 인해 해초가 파괴되고 있으며 매년 전 세계적으로 7%씩 줄고 있다. 해초가 파되되는 상황을 되돌리기 위해 율리시스 에코시스템 엔지니어링(Ulysses Ecosystem Engineering)이 해초 복원에 나섰다고 테크크런치가 전했다. 자율 로봇을 활용해서다. 샌프란시스코에 본사를 둔 율리시스의 자율 로봇은 해초 씨앗을 적재하고 해저의 특정 지역으로 이동해 씨를 심도록 프로그래밍되어 움직인다. 율리시스의 공동 창업자 겸 CEO인 아킬 부라카라는 "자율 로봇은 사람이 손으로 해초 씨앗을 심는 것보다 복원 속도를 100배나 높일 수 있었으며, 다른 로봇보다 비용이 훨씬 적게 든다"고 말했다. 회사의 제이미 웨더번 CTO는 2023년 초 스코틀랜드 서해안에서 친구들과 서핑을 하면서 아이디어를 얻었다. 친구 중 한 명이 스코틀랜드에서 해초를 심었던 자원봉사 경험을 언급했던 것. 당시 자원봉사자들이 고통스럽게 해초를 심었지만 험한 날씨에 그냥 쓸려나갔다고 한다. 웨더번은 로봇으로 해초를 심는 아이디어를 부라카라에게 제안했고, 콜름 오브라이언과 윌 오브라이언이 공동 창업자로 참여하면서 회사가 탄생했다. 창업과 동시에 로봇 개발이 시작됐다. 로봇 개발 경험을 해양 생물학에 접목시킨 것이다. 해초 심는 로봇 율리시스는 2024년 초 출시됐으며, 그 후 민간 기업과 정부 기관 공급을 통해 100만 달러에 달하는 매출을 올렸다. 이 스타트업은 플로리다와 호주 등지의 여러 정부 기관과 대규모 해초 복원 프로젝트 파트너십을 맺고 있다. 율리시스 에코시스템은 로우어카본 캐피탈(Lowercarbon Capital)이 주도하고 벤처캐피탈 슈퍼오가니즘(VC Superorganism)과 리젠 벤처스(ReGen Ventures) 등이 참여한 200만 달러의 펀딩 라운드를 발표했다. 회사는 투자자금을 활용해 제품 개발 및 개발자 영입을 진행할 계획이다. 회사는 전 세계 각국 정부가 해초 복원에 나서고 있기 때문에 시의적절한 비즈니스라고 판단하고 있다. 올해 초 유럽연합은 2050년까지 다양한 생물 서식지를 복원하는 데 초점을 맞춘 새로운 규정을 통과시켰으며, 규정에서는 특히 해초의 복원을 강조하고 있다. 부라카라는 조만간 자율 로봇의 새로운 기능을 테스트할 것이라고 밝혔다. 해초에서 씨앗을 수확한 다음 필요한 곳에 씨앗을 옮겨 심을 수 있는 기능이다. 회사는 해초에서 시작해 대상 범위를 대폭 확대한다는 구상이다. 이 자율 로봇이 해안 관리, 해안 보안 및 기타 생물 복원 등 다른 영역으로 확장할 수 있는 다양한 플랫폼에 연결될 수 있다는 것이다. 오브라이언은 "바다는 새로운 영역으로 기술 솔루션이 많지 않고, 해류를 다루는 매우 어려운 분야이기 때문에 민간 기업의 우주 개발 시대를 연 스페이스X 수준의 혁신이 필요하다"며 율리시스가 그 역할을 하겠다는 목표를 밝혔다. 한편 수중 로봇을 구축하려는 경쟁자도 있다. 테라뎁스(Terradepth)는 상업 및 공공용으로 해저 지도화에 나서기 위해 3000만 달러 이상을 모금했다. 노르웨이 엘럼(Eelume)도 해양 탐험에 집중하고 있다.
- IT/바이오
2024-11-11
[신소재 신기술(124)] COF 소재, 탄소 포집 능력 극대화⋯소량으로도 효과 탁월

소량의 물질로 대기 중 이산화탄소를 효과적으로 제거하는 새로운 탄소 포집 기술이 미국에서 개발됐다. 이산화탄소를 비롯한 온실가스는 배출은 쉽지만, 이를 다시 포집하는 것은 어려운 과제였다. 대기 중 탄소를 제거하는 기술은 기후 위기의 영향을 줄이는 중요한 방법이지만, 아직 많은 기술이 설계 단계에 있거나 효율성이 낮아 실질적인 효과를 거두기가 어려웠다. 미국 캘리포니아 버클리캠퍼스(UC Berkeley) 연구팀은 대기 중 이산화탄소(CO₂)를 직접 포집하는 과정을 단순화하는 새로운 기술을 개발했다고 홈페이지를 통해 발표했다. 해당 내용은 IFL사이언스에서 다루었다. 현재 이산화탄소를 포집하는 기술은 크게 자연 기반 기술과 인공 기술로 나눌 수 있다. 먼저 자연 기반 기술에는 나무를 심고 관리하는 방법이 있다. 가장 오래되고 검증된 방법이지만 토지 이용에 제약이 있고 효과가 나타나기까지 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 또한 토양의 탄소를 제거해 대기 중 이산화탄소 농도를 낮추는 방법과 해조류 등을 통해 해양의 이산화탄소 흡수 능력을 향상시키는 해양 기반 기술이 있다. 인공 기술 중 직접 공기 포집(DAC)은 공기 중 이산화탄소를 직접 포집해 저장하거나 활용하는 기술이다. 이는 토지 사용 면적이 적고, 이산화탄소를 직접 제거해 효과가 빠르다. 그밖에 이산화탄소를 암석이나 광물과 반응시켜 탄산염 형태로 저장하는 기술, 바이오에너지 탄소 포집 및 저장(BECCS) 등이 있다. 나사(NASA) 과학자들에 따르면 인간 활동의 여파로 현재 이산화탄소 수치는 산업혁명 이전보다 50% 더 높다. COF 소재란? UC버클리 연구팀이 이번에 개발한 새로운 탄소 포집 기술인 다공성 소재 '공유 결합 유기 골격(COF)'은 기존 DAC 기술의 한계 중 하나인 물이나 기타 오염 물질에 의한 분해 없이 주변 공기에서 CO₂를 포집한다. 이 기술의 핵심은 '공유 결합 유기 골격-999(COF-999)'라는 소재이다. COF-999는 규칙적인 내부 기공을 가진 단단한 결정 구조로, 이산화탄소와 상호 작용하는 아민(amine, NH₂ 그룹)으로 내부가 장식되어 있다. 아민은 이산화탄소를 흡착한 후 방출하는 사이클을 통해 탄소를 포집하고 저장하는 데 사용될 수 있다. 이 기술은 기존 탄소 포집 기술의 한계를 극복하는 획기적인 발전으로 평가 받는다. 기존 탄소 포집 기술은 이산화탄소 농도가 높은 곳에서 효과적으로 작동했다. 반면, 연구팀이 개발한 새로운 다공성 물질은 공기 중의 이산화탄소가 다공성 물질 사이를 통과하면서 흡착되는 방식으로, 대기 중의 낮은 이산화탄소 농도를 효율적으로 제거할 수 있다. 연구 책임자인 오마르 야기 교수는 "이 물질을 튜브에 넣고 버클리의 바깥 공기를 통과 시켰더니 공기 중 이산화탄소가 완전히 제거되었다"며 "성능 면에서 비교할 대상이 없을 정도로 획기적인 기술"이라고 강조했다. 소량으로도 높은 탄소 포집 효과 연구팀은 250g의 물질로 1년에 20kg의 이산화탄소를 제거할 수 있을 것으로 예상했다. 팀은 이는 다 자란 나무가 1년 동안 공기 중의 이산화탄소를 제거하는 것과 같은 효과를 지닌다며, 기존 탄소 포집 시스템과 함께 사용하여 효율성을 높일 수 있다고 설명했다. 야기 교수는 "COF-999는 화학적 및 열적으로 안정적인 구조를 가지고 있으며, 에너지 소비가 적고 100회 이상 사용해도 성능 저하가 없다"며 "대기 중 탄소 포집에 가장 적합한 물질"이라고 설명했다. 머신러닝 활용으로 기술 개선 기대 연구팀은 머신러닝 기술을 활용해 이 기술을 더욱 발전시킬 계획이다. 이와 더불어 기후 위기를 늦추기 위해서는 배출량 감소 노력과 파리협정 준수가 중요하다고 강조했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-10-25
삼성전자, '탄소 제로' 반도체 공장 만든다…친환경 기술 개발 박차

삼성전자가 지속가능한 반도체 사업을 위해 새로운 친환경 탄소 포집 기술을 도입한다. 황경순 삼성전자 SAIT(옛 삼성종합기술원) 에어사이언스 리서치센터장(부사장)은 18일 부산 벡스코에서 열린 한국화학공학회 추계학술대회에 기조강연자로 나서 반도체의 지속가능성을 위한 센터의 비전을 소개했다. 황 센터장은 "기존 탄소 포집 기술은 공간 효율성이 낮고 인체 유해한 물질도 배출할 가능성이 있어 도심에 위치한 반도체 사업장에 적합하지 않다. 따라서 친환경적이고 소형화된 탄소 포집 기술을 개발하는 것이 목표"라며 새로운 탄소 포집 기술의 중요성을 강조했다. 삼성의 에어사이언스 리서치 센터는 2022년 SAIT 내 미세먼지연구소와 탄소포집활용센터를 결합해 설립됐다. 황 센터장은 탄소중립 분야 권위자로, 미국 텍사스대 교수직을 휴직하고 지난해 6월 부임했다. 그는 "환경적 지속 가능성이 기업의 중요한 과제로 부상하면서, 글로벌 IT 기업들이 2030년 탄소중립을 선언하는 추세"라며 이러한 움직임은 삼성에도 영향을 미치고 있다고 전했다. 삼성은 2022년 새로운 환경 경영 전략을 발표하고 2050년 탄소 중립을 목표로 설정했다. 이를 위해 반도체 업계 최초로 탄소 포집 연구 센터를 설립하고 관련 기술 개발에 적극적으로 나서고 있는 것. 황 센터장은 "배출되는 탄소를 포집하여 활용하고, 2040년까지 오염 물질 배출량을 자연 상태 수준으로 맞추는 목표를 설정했다. 이는 기존 기술의 한계를 극복해야 하는 어려운 과제다. 따라서 저희 센터는 이러한 목표 달성을 위해 새로운 기술 개발에 주력하고 있다"고 밝혔다. 이어 "배출가스 저감을 위해 현재 95%인 RCS(공정가스 통합처리시설)의 불소 함유 가스 제거율을 100%까지 높이고, 질소산화물(NOx) 배출 농도는 20ppm에서 0.03ppm 수준으로 낮추는 것을 목표로 하고 있다"고 설명했다. 또한 공정 중 발생하는 가스를 즉시 플라즈마를 이용해 제거하는 POU 기술 개발과 이를 RCS와 결합하는 연구도 진행하고 있다고 덧붙였다. 아울러 "수소 분야에서는 중국이 주도하는 알칼리 수전해 기술이나 고가의 촉매를 사용하는 PEM 방식 대신, SOEC(고체산화물수전해) 기술 개발에 집중하고 있다. 특히 전극 계면 및 촉매 열화 문제 해결에 주력하고 있다"고 전했다. 그러면서 황 센터장은 "개발 중인 CCU(탄소 포집·활용) 기술을 반도체 사업장뿐 아니라 전 사업장과 협력사까지 확대 적용할 계획이다. 또한, 이 기술을 활용하여 신사업 창출을 지원하고, DS(디바이스솔루션) 사업 경쟁력 강화는 물론 사회 공헌에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다. PEM 방식이란? 수소 분야에서 중국이 사용하고 있는 PEM 방식은 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 즉 양성자 교환막 연료 전지를 말한다. 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지의 한 종류로, 다른 연료 전지 기술에 비해 높은 에너지 효율과 낮은 작동 온도를 갖는 장점이 있다. 그러나 백금 등 고가의 촉매를 사용해야 하고, 내구성이 낮으며 연료 순도에 민감한 단점이 있다. SOEC 방식이란? 삼성에서 중점을 두고 있는 SOEC는 'Solid Oxide Electrolyzer Cell'의 약자로, 고체산화물 수전해 전지라고 한다. 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 기술 중 하나로 고온에서 작동하는 것이 특징이다. 기존의 수전해 기술에 비해 효율이 높고 다양한 에너지원을 활용할 수 있어 차세대 수소 생산 기술로 주목받고 있다. 장점으로는 고온 작동으로 인해 전기 에너지 소비량이 작소, 수소 생산 효율이 높다. 전기 외에도 열에너지를 직접 활용할 수 있어 폐열이나 태양열 등 다양한 에너지원을 사용할 수 있다. 고순도의 수소를 생산할 수 있어 추가적인 정제 과정이 필요하지 않다. 재생에너지를 사용할 경우 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있다. 단점으로는 고온 작동으로 인해 내구성 확보 및 소재 개발에 어려움이 있다. 또한 고온에 도달하는 시간이 필요해 시동 시간이 느리다. 게다가 고온 작동 환경 구축 및 소재 개발 비용이 높다. SOEC의 활용도는 다양하다. 재생에너지, 원자력 발전소 등과 연계해 대규모 수소를 생산할 수 있다. 또한 산업 공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 수소 생산에 활용할 수 있다. 더 나아가 잉여 전력을 이용하여 수소를 생산하고 저장하는 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다.
- IT/바이오
2024-10-18
수출입은행, 청정수소 산업 육성 위한 금융 지원 확대⋯"선도국가 도약 발판"

한국수출입은행(이하 '수출입은행')이 대한민국을 청정수소 선도국가로 도약시키기 위한 핵심 전략으로 수소 산업 밸류체인 전반에 대한 금융지원 강화에 나섰다. 17일 수출입은행은 국내 기업의 글로벌 경쟁력 확보와 탄소 감축 목표 달성을 위해 수소 생산, 저장, 운송, 활용에 이르는 전 과정에 대한 금융 지원을 확대한다고 발표했다. 이번 지원 방안의 핵심은 대출 한도 확대 및금리 수수료 우대 정책이다. 수출입은행은 수소 관련 사업에 대한 대출 한도를 최대 10%까지 확대하고, 기업 규모에 따라 금리 및 수수료 감면 혜택을 제공하여 기업들의 자금 부담을 완화할 계획이다. 이를 통해 국내 기업들이 글로벌 수소 시장에서 경쟁 우위를 확보하고, 청정수소 생태계 조성에 적극적으로 참여할 수 있도록 지원한다는 방침이다. 특히, 수소 산업 생태계 기반 조정을 위한 초기 단계 사업 발굴에도 적극적으로 나선다. 시업 타당성 조사 지원 대상 사업 선정시 수소 분야 사업에 가점을 부여하여 초기 사업 개발과 잠재력있는 사업군 확보를 지원한다. 이는 미래 성장 동력으로 주목받는 청정수소 산업의 발전을 가속화하고, 관련 산업 생태계를 조성흐는 데 크게 기여할 것으로 기대된다. 수출입은행 관계자는 "수소 경제 활성화는 탄소 중립 시대를 향한 필수적인 과제"하며, "수충입은행은 기업들의 수요에 부응하는 맞춤형 금융 지원을 통해 국내 청정수소 산업의 경쟁력 강화와 지속 가능한 성장을 뒷받침할 것"이라고 강조했다. 청정수소란 무엇인가? 한편, 청정수소는 생산과정에서 탄소를 거의 배출하지 않는 수소를 말한다. 수소는 생산 방식에 따라 색깔로 구분되는 데, 청정수소는 그린수소와 그레이수소, 블루수소를 포함한다. 먼저 그린수소는 태양광, 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 이용해 물을 전기 분해하여 생산하는 수소다. 탄소 배출이 없어 가장 이상적인 청정수소로 꼽힌다. 그레이수소는 수소 생산 과정에서 이산화탄소(CO₂)가 발생하는 수소를 말한다. 이러한 방식으로 생산되는 수소는 부생수소, 천연가수 개질 등이 있다. 한국중부발전에 따르면 부생수소는 석유화학 공정이나 철강을 만들 때 발생하는 부산물로 나오는 수소를 말한다. 천연가스 개질은 천연가스를 고온·고압의 수증기로 분해해 수소를 만드는 방식으로 수소 1kg를 생산하는 데 10kg의 이산화탄소가 배출된다. 반면, 블루수소는 천연가스 등 화석 연료를 개질하여 수소를 생산하는 과정(그레이수소 생산 과정)에서 발생하는 이산화탄소를 포집·저장·활용(CCUS) 기술을 통해 탄소를 제거해 생산하는 수소다. 그린수소에 비해 비용이 저렴하지만, CCUS 기술의 완성도에 따라 탄소 배출량이 달라질 수 있다. 높은 성장성 청정수소 산업의 미래는 매우 밝다고 할 수 있다. 전 세계적으로 기후 변화 대응과 탄소 중립 달성을 위해 청정에너지로의 전환이 가속화되면서, 청정수소는 미래 에너지 핵심 요소로 주목받고 있다. 맥킨지 보고서에 따르면, 2050년 전 세계 수소 시장 규모는 약 2940조원에 달할 것으로 예상된다. 특히 청정수소는 정체 수소 시장의 60% 이상을 차지할 것으로 전망된다. 다양한 활용성 청정수소는 전력생산과 운송 연료, 철강이나 화학 등 다양한 분야에서 산업 연료로 활용될 수 있다. 수소는 연료전지를 통해 전력 생산에 활용될 수 있으며 석탄 화력 발전소를 대체해 온실가스 감축에 기여할 수 있다. 또한 수소전기차, 수소트럭, 수소열차, 수소선박, 수소드론 등 다양한 운송 수단의 연료로 사용될 수 있다. 그밖에 철강이나 화학, 시멘트 등 탄소 배출이 많은 산업 공정에서 탄소를 대체하는 원료 및 연료로 사용될 수 있다. 건물에서도 수소의 활용성은 뛰어나다. 가정이나 건물용 연료 전지 시스템에 수소를 활용해 전력과 열을 공급하는 친환경 건물을 구현할 수 있다. 한국 정부는 2019년 '수소 경제 활성화 로드맵'을 발표하고, 수소 생산, 저장, 운송, 활용 등 전 분야에 걸쳐 지원 정책을 추진하고 있다. 미국, 유럽연합(EU), 일본, 중국 등 주요 국가들도 청정수소 산업 육성을 위한 정책과 투자를 확대하고 있다.
- 산업
2024-10-17
북해 해안에서 미세플라스틱 핫스팟 발견⋯"플라스틱 오염 심각"

영국 북해 해안에서 미세 플라스틱 오염 핫스팟이 발견되어 해양 오염의 심각성을 드러냈다. 영국 환경·어업·양식 과학센터(CEFAS) 연구팀은 2022년 북해 해역에서 특수 제작된 '뉴스턴 미세 플라스틱 카타마란(기계식 유량계와 플라스틱 포집망이 달린 부유식 뗏목)'을 이용하여 미세 플라스틱 농도를 측정했다. 그 결과, 북해 남부 해안에서 미세 플라스틱 농도가 최대 2만5000개/㎢ 이상으로 나타났으며, 평균 농도는 약 8700개/㎢ 이상으로 나타났으며, 평균 농도는 약 8700/㎢ 에 달했다. 이는 인근 스코틀랜드 해역(평균 4500개/㎢)이나 북동 대서양(평균 3200개/㎢)보다 훨씬 높은 수치이다. 최대 5mm에 달하는 미세 플라스틱의 주요 성분은 폴리에틸렌(67%), 폴리프로필렌(16%), 폴리스티렌(8%) 등으로, 일상생활에서 흔히 사용되는 비닐봉투, 플라스틱 용기, 장난감 등에서 발생하는 것으로 추정된다. 중플라스틱(5~25mm)과 거대플라스틱(25mm) 이상은 각각 2000개/㎢과 1000개/㎢의 농도로 존재했으며 주로 큰 플라스틱이 분해되어 파생된 파편과 필라멘트로 구성되어 있지만 마이크로비즈와 필름도 발견됐다. 연구팀은 이러한 미세 플라스틱 핫스팟이 해류를 통해 다른 나라에서 유입된 플라스틱 쓰레기의 영향을 받았을 것으로 분석했다. 영국에서는 2018년부터 화장품과 퍼스널 케어 제품에 마이크로비즈 사용이 금지되었지만, 북해 해안에서 발견된 플라스틱은 해류를 타고 다른 나라에서 이 지역으로 유입된 것으로 추정된다. 모든 해양 쓰레기에서 11가지 색상의 플라스틱이 확인되었으며, 대부분 흰색으로 비닐봉지에서 비롯된 것으로 나타났다. 연구팀은 북해의 미세 플라스틱 오염 농도는 스페인 북부 해안(2017년, 약 25만4000개/㎢), 포르투갈 서부 해안(2019년, 약 4만개/㎢), 카나리아 제도(2024년, 약 100만개/㎢) 등 다른 지역보다는 낮지만, 해양 생태계에 심각한 위협이 될 수 있다는 점을 강조했다. 연구팀은 플라스틱 오염 문제를 위해 영국 해양 전략, 북동 대서양 환경 전략, 유엔 환경 계획 등 다양한 국가 및 국제적 노력이 필요하다고 강조했다. 이번 연구 결과는 프론티어스 인 마린 사이언스(Frontiers in Marine Science)에 게재됐다. 플라스틱 수요는 매년 4억톤을 초과하는 등 꾸준히 증가하고 있다. 한국의 잠실에 있는 롯데타워는 무게가 약 75만톤이다. 플라스틱 4억톤은 롯데타워 약533개를 합친 것과 같은 엄청난 양이다. 참고로 롯데타워는 높이 553m로 2024년 10월 2일 기준 세계에서 여섯 번째로 높은 빌딩이다. 최근 연구에 따르면 미세 플라스틱은 호흡만으로도 우리 몸에 침투할 수 있다. 지난 9월 16일 JAMA 네트워크 오픈 저널에 발표된 연구에 따르면 미세 플라스틱이 처음으로 인간의 후각 중추에서 발견됐다. 입자의 크기는 5.5 마이크론에서 26.4 마이크론까지 다양했다. 그동안의 연구에서는 뇌 장벽이 미세 플라스틱과 같은 독성 입자가 뇌에 들어가지 못하도록 막는 것으로 여겨졌다. 해당 연구는 뇌에서 처음으로 미세 플라스틱이 발견된 것으로 연구진은 치매와 같은 신경계 질환을 일으킬 수 있다고 우려했다. 이전 연구에서는 인간의 폐, 태반, 내장, 간, 혈액, 고환, 심지어 정액에서도 미세 플라스틱이 발견됐다. 인체 곳곳에서 미세 플라스틱이 검출되고 있는 현실은 매우 우려스럽다. 마래 세대를 위해 바다, 육지, 그리고 우리가 숨쉬는 공기까지 플라스틱 오염을 줄이기 위한 전 세계적인 노력이 시급하다.
- 생활경제
2024-10-02
[기후의 역습(63)] 영구동토층 해빙으로 북극-아북극 산불 급증

극심한 기후 변화로 영구동토층인 북극 지역에 산불이 급증할 것이라는 암울한 연구 결과가 나왔다. 국제 기후 과학자 및 영구동토층 전문가 팀의 연구에 따르면, 새로운 기후 컴퓨터 모델 시뮬레이션 결과 지구 온난화로 인해 영구동토층 해빙이 가속화되고, 이로 인해 북부 캐나다 및 시베리아의 아북극 및 북극 지역에서 산불이 급격히 증가할 것으로 예상된다고 네이처닷컴과 PHYS 등 다수 외신이 24일(현지시간) 보도했다. 최근 관측 결과 따뜻하고 건조한 기후 조건으로 인해 이미 북극 지역의 산불이 심화되고 있는 것으로 나타났다. 미래 인위적 온난화가 산불 발생에 미치는 영향을 이해하고 시뮬레이션하기 위해서는 가속화된 영구동토층의 해빙의 역할을 고려하는 것이 중요하다. 영구동토층 해빙은 토양의 수분 함량을 크게 좌우하며, 이는 산불 발생의 핵심요소다. 최근 기후 모델들은 지구 온난화, 북부고위도 영구동토층 해빙, 토양 수분 및 화재 사이의 상호작용을 완전히 고려하지 않았다. 이번 새로운 연구는 가장 포괄적인 지구 시스템 모델 중 하나인 '커뮤니티 지구 시스템 모델'에서 생성된 영구동토층 및 산불 데이터를 사용했다. 이 모델은 토양 수분, 영구동토층 및 산불 사이의 결합을 통합적으로 파악하는 최초의 모델이다. 온실가스 배출 증가의 인위적인 영향과 자연 발생적인 기후 변화를 더 잘 구분하기 위해 과학자들은 1850년부터 2100년까지의 기간(SSP3-7.0 온실가스 배출 시나리오)을 다루는 50개의 과거-미래 시뮬레이션 앙상블을 사용했다. 이 시뮬레이션은 최근 한국의 부산 IBS 기후물리센터와 미국 콜로라도 볼더 국립대기연구센터 과학자들이 IBS 슈퍼컴퓨터 Aleph에서 수행했다. 이 앙상블 모델링 접근 방식을 통해 연구팀은 21세기 중후반까지 아북극 및 북극 지역에서 인위적인 영구동토층 해빙이 상당히 광범위하게 진행될 것임을 입증했다. 많은 지역에서 과도한 토양 수분이 빠르게 배출되어 토양의 수분이 급격히 감소하고, 이후 지표면 온난화 및 대기 건조가 발생한다. 부산에 있는 IBS 기후물리학 연구원의 연구 주저자이자 박사후 연구원인 김인원 박사는 "이러한 조건은 산불을 심화시킬 것"이라고 말했다. 연구팀은 이러한 조건들이 산불을 심화시킬 것이라고 경고했다. 모델 시뮬레이션 결과 21세기 후반에는 불과 몇 년 만에 사실상 화재가 거의 없는 상태에서 매우 강렬한 화재로 갑작스럽게 전환되는 것으로 나타났다. 이러한 미래 산불 추세는 대기중 이산화탄소 농도 증가로 인해 고위도 지역의 식물 바이오매스가 증가할 가능성이 높다는 사실로 인해 더욱 악화될 것으로 전망된다. 이른바 '이산화탄소 비료 효과'는 추가적인 화재 연료를 제공한다는 것. 참고로 이산화탄소 비료 효과는 대기 중 이산화탄소 농도가 증가하면 식물의 광합성 속도가 빨라져 성장이 촉진되는 현상을 말한다. 쉽게 말해 이산화탄소는 식물에게 비료와 같은 역할을 한다고 볼 수 있다. 식물이 더 빠르게 성장하면 화재가 발생할 경우 연료가 추가되는 것과 같은 효과를 내 화재 위험이 더 높아질 수 있다. 공동연구자인 노르웨이 트론헤임에 있는 노르웨이 과학기술대학의 한나 리 부교수는 "복잡한 영구동토층 환경이 미래를 더 잘 시뮬레이션하기 위해서는 확장된 관측 데이터 세트를 사용하여 지구 시스템 모델에서 소규모 수문학적 과정을 더욱 개선해야 할 필요성이 있다"고 강조했다. 이번 논문의 공동 저자이자 ICCP 책임자 겸 부산대학교 명예 교수인 악셀 팀머만 박사는 "산불은 이산화탄소, 검은 탄소 및 유기 탄소를 대기중으로 방출하여 기후에 영향을 미치고 북극 영구동토층 해빙 과정에 피드백을 줄 수 있다"고 지적했다. 팀머만 교수는 "하지만 화재 배출과 대기 과정 사이의 상호작용은 아직 지구 시스템 컴퓨터 모델에 완전히 통합되지 않았으며, 이러한 측면을 추가로 고려하는 것이 다음 단계가 될 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스에 게재됐다. 실제로 2023년 캐나다 북부에서 미국 플로리다 주 크기의 지역을 태운 기록적인 산불이 발생했다. BBC에 따르면 2023년 캐나다 산불은 엄청난 이산화탄소를 배출했다. 과학자들은 캐나다의 한대 삼림이 지구 온난화를 유발하는 탄소를 포집하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 이례적으로 화재가 발생하면 전 세계 기후 변화 예측에 영향을 미칠 수 있다고 우려하고 있다. 지난 8월 28일 캘리포니아 공과대학과 캐나다, 네덜란드 등 국제 연구팀이 네이처 저널에 발표한 자료에 따르면, 캐나다 화재로 인한 총 배출량을 약 647테라그램의 탄소로 계산했다. 1테라그램은 백만 미터톤이다. 이는 지난 10년 동안 약 29테라그램에서 82테라그램 사이를 오르내렸던 캐나다의 전형적인 산불 배출량을 훨씬 웃도는 수치다. 또한 이는 캐나다의 연간 총 탄소 배출량보다 5배 많으며, 작년에 740테라그램의 탄소를 배출한 인도와 비슷한 수준이었다. 2023년 캐나다 산불보다 더 많은 탄소량을 배출한 나라는 중국, 미국, 인도뿐이었다. 인류의 생존을 위협하는 탄소 배출량을 실질적으로 감소하기 위해 각국 정부와 기관이 더욱 머리를 맞대야 할 시기다.
- IT/바이오
2024-09-25
[기후의 역습(57)] 과학자들, 기후 변화 대응에 기여할 새로운 목재 유형 발견

올 여름 역대급 폭염이 이어진 가운데 튤립나무가 기후 변화에 직접적인 영향을 미치는 탄소 포집 효과가 탁월하다는 연구 결과가 나왔다. 한국 기상청에 따르면 지난 8월 폭염일수는 16일로, 2016년 16.6일에 이어 관련 통계를 집계한 1973년 이래 두 번째로 많았다. 또한 지난달 열대야 수는 11.3일로 통계 집계 이후 처음으로 두자릿수를 기록했다. 오래된 나무와 숲이 이산화탄소를 더 많이 흡수하고, 저장한다는 것은 이전의 여러 연구에서 확인됐다. 튤립나무에 대한 연구에서 탄소포집 잠재력이 큰 새로운 목재 구조가 확인됐다고 사이테크데일리가 11일(현지시간) 보도했다. 폴란드 야기에우워 대학교(Jagiellonian University)와 영국 케임브리지 대학교 연구진은 세계적으로 유명한 나무와 관목들의 목재 미세 구조를 진화적으로 조사하던 중 튤립나무에 대한 연구에서 탄소 포집 잠재력이 큰 새로운 목재 구조가 확인됐다고 사이테크데일리가 11일(현지시간) 보도했다. 연구팀은 목련과의 친척이자 30미터 이상 자라는 튤립나무가 활엽수와 침엽수 어느 쪽에도 속하지 않는 독특한 목재를 가지고 있음을 확인한 것이다. 이 획기적인 발견은 빠르게 성장하는 튤립나무를 조림지에 심어 탄소 격리 효율을 높이는 새로운 가능성을 제시한다. 목재 구조의 새로운 발견 최근 국제학술지 '신식물학자(New Phytologist)'에 발표된 연구에서 연구진은 저온 주사 전자 현미경(cryo-SEM)을 사용하여 수분이 함유된 상태의 목재 세포벽 나노 구조를 이미지화했다. 그 결과, 튤립나무(Liriodendron tulipifera)와 중국 튤립나무(Liriodendron chinense) 두 종의 고대 리리오덴드론(Liriodendron) 속 나무들이 활엽수 친척들보다 훨씬 더 큰 마크로피브릴을 가지고 있음을 발견했다. 마크로피브릴은 2차 세포벽 내 층에 정렬된 긴 섬유를 말한다. 탄소 포집에 대한 함의 연구 책임자인 야기에우워 대학교의 얀 우이차코프스키(Jan Łyczakowski) 박사는 "튤립나무는 침엽수나 할엽수와는 구별되는 중간적인 마크로피브릴 구조를 가지고 있다"며 "튤립나무는 약 300만~5000만년 전 목련나무에서 분기되었는데, 이 시기는 대기 중 이산화탄소 농도가 급격히 감소하던 시기와 일치한다. 이는 튤립나무가 탄소 저장에 매우 효율적인 이유를 설명하는 데 더움이 될 수 있다"고 말했다. 연구팀은 이 '중간 목재' 또는 '축적 목재'의 더 큰 마크로피브릴이 튤립나무의 빠른 성장 뒤에 있는 원인이라고 추측한다. 우이차코프스키는 " 두 종의 툴립나무는 탄소를 매우 효율적으로 포집하는 것으로 알려져 있으며, 확대된 마크로피브릴 구조는 대기 중 탄소 이용 가능성이 감소했을 때 더 많은 양의 탄소를 쉽게 포집하고 저장하도록 돕는 적응일 수 있다"며 "튤립나무는 탄소 포집 조림에 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 일부 동남아 국가에서는 이미 튤립나무 조림을 통해 효율적으로 탄소를 포집하고 있으며, 이제 우리는 이것이 튤립나무의 새로운 목재 구조와 관련이 있을 수 있다고 생각한다"고 덧붙였다. 케임브리지 대학교 식물원에서 얻은 진화적 통찰 이 발견은 케임브리지 대학교 식물원의 살아있는 컬렉션에서 33종의 나무를 조사하여 침엽수(소나무, 침엽수 등 겉씨식물)와 활엽수(참나무, 물푸레나무, 자작나무, 유칼립투스 등 속씨식물)에서 목재 초미세구조가 어떻게 진화했는지 탐구하는 과정에서 이루어졌다. 우이차코프스키는 "목재 구조가 어떻게 진화하고 외부 환경에 적응하는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없다"며 "이번 조사에서 우리는 이전에 관찰된 적이 없는 완전히 새로운 목재 초미세구조외 전형적인 겉씨식물 침엽수 대신 속씨식물과 유사한 활엽수를 가진 겉씨식물 계통을 발견하는 등 몇 가지 중요한 새로운 발견을 했다"고 말했다. 그는 이어 "목재의 주요 구성 요소는 2차 세포벽이, 건축에 의존하는 목재의 밀도와 강도를 부여하는 것은 바로 이 세포벽의 구조다. 2차 세포벽은 또한 샐물권에서 가장 큰 탄소 저장소이므로, 기후 변화 완화를 돕는 탄소 포집 프로그램을 발전시키기 위해서는 2차 세포벽의 다양성을 이해하는 것이 중요하다"고 덧붙였다. 목재 초미세 구조 목재 초미세구조는 목재의 미세한 구조, 즉 재료 구성 요소의 배열과 조직을 의미한다. 저온 주사 현미경을 사용한 이번 목재 조사는 2차 세포벽, 마크로피브릴 등에 초점을 맞췄다. 2차 세포벽은 주로 셀룰로오스와 기타 복합 당으로 구성되며, 리그닌이 함침되어 전체 구조를 단단하게 만든다. 이러한 구성 요소들은 마크로피브릴을 형성하며. 2차 세포벽 내에 뚜렷한 층으로 배열된 긴 정렬 섬유를 만든다. 마크로피브릴은 현재 저온 주사 현미경으로 측정할 수 있는 가장 작은 구조이며, 두께는 약 10~40나노미터이다. 셀룰로오스 마크로피브릴(3~4나노미터)과 기타 구성 요소로 이루어져 있다. 목재 초미세 구조 연구는 목재 가공, 재료 과학, 나무의 생태 및 진화적 측면 이해 등 다양한 분야에 중요하다. 나무 성장과 목재 침착 뒤에 숨은 생물학적 메커니즘을 이해하는 것은 탄소 포집량 계산에도 유용한 정보를 제공한다. 목재 샘플은 케임브리지 대학교 식물원 컬렉션 코디네이터 마르고 애플(Margeaux Apple)과 협력하여 식물원 내 나무에서 채취했다. 겉씨식물과 속씨식물 개체군이 분기하고 진화함에 따라 그 진화 역사를 반영하기 위해 선별된 나무에서 지난 봄 성장기에 침착된 신선한 목재 샘플을 수집했다. 저온 전자 현미경 사용한 역대 최대 목본 식물 조사 케임브리지 대학교 세인즈버리 연구소 현미경 핵심 시설 관리자인 레이먼드 와이트먼(Raymond Wightman) 박사는 "우리는 자이언트 세쿼이아, 울레미 소나무, 그리고 모든 꽃 피는 식물과 분리되어 진화한 가장 오래된 현존 식물군의 유일한 생존 종인 암보렐라 트리코포다(Amborella trichopoda)와 같은 '살아있는 화석'을 비롯하여 세계에서 가장 상징적인 나무들을 분석했다"고 말했다. 와이트만 박사는 "우리의 조사 데이터는 목재 나노 구조와 세포벽 구성 사이의 진화적 관계에 대한 새로운 통찰력을 제공했으며, 이는 속씨식물과 겉씨식물 계통에 따라 다르다. 속씨식물 세포벽은 겉씨식물에 비해 마크로피브릴이라고 불리는 더 좁은 기본 단위를 가지고 있으며, 이 작은 마크로피브릴은 암보렐라 트리코포다 조상에서 분기된 후 등장했다"고 덧붙였다. 우이차코프스키와 와이트먼은 또한 마황류(Gnetophytes) 계통의 두 겉씨식물인 그네툼속(Gnetum gnemon, 그네툼 그네몬)과 그네툼 에둘레(Gnetum edule)의 세포벽 마크로피브릴을 분석하여 둘 다 속씨식물의 활엽수 세포벽 구조와 동일한 2차 세포벽 초미세 구조를 가지고 있음을 확인했다. 이는 마황류가 일반적으로 속씨식물에서만 볼 수 있는 활엽수 유형 구조를 독립적으로 진화시킨 수렴 진화의 한 예이다. 이 조사는 2022년 영국에서 네 번째로 더운 여름으로 기록된 기간 동안 진행됐다. 와이트먼은 "저온 전자 현미경을 사용한 목본 식물 조사 중 역대 최대 규모일 것"이라며, "세인즈버리 연구소가 케임브리지 대학교 식물원 부지 내에 위치하고 있기 때문에 이처럼 많은 신선한 수화된 목재에 대해 대규모 조사를 할 수 있었다. 우리는 2022년에 모든 샘플을 수집했다. 이른 아침에 샘플을 수집하고, 샘플을 초저온 슬러시 질소에 동결시킨 다음 자정까지 샘플을 이미징했다"고 설명했다. 그는 "이 연구는 식물원이 현대 연구에 기여하는 데 지속적인 가치와 영향을 보여준다. 이 연구는 케임브리지 대학교 식물원 컬렉션에서 같은 장소에서 함께 자라는 진화적 시간을 통해 표현된 다양한 식물이 없었다면 불가능했을 것이다"라고 말했다. 참고문헌: Jan J. Lyczakowski와 Raymond Wightman의 「수렴 및 적응 진화가 종자 식물의 현존 계통에서 2차 세포벽 미세 구조의 변화를 주도했다」, New Phytologist .DOI: 10.1111/nph.19983
- IT/바이오
2024-09-12
[신소재 신기술(92)] 선박이 배출하는 탄소 포집, 짠 물로 바꿔 바다에 저장하는 원자로 나왔다

국제해운선이 차지하는 세계 무역의 비중은 80%에 달한다. 해운 부문은 전 세계 탄소 배출량의 약 3%를 차지한다. 그러나 기후 변화가 심각한 현재 해운은 기후 목표를 달성할 수 있는 단계에 오르지 못하고 있다. 지난해, 해운을 규제하는 유엔 기관인 국제해사기구는 다른 산업들과 연계해 2050년까지 제로를 달성하는 것을 목표로 해운 산업의 탄소 배출을 강화했다. 그러나 메탄올, 수소, 암모니아 등 저배출 연료의 공급은 빠르지 않다. 캘리포니아 공과대학(칼텍)의 화학 해양학자 제스 애드킨스가 연료 연소로 인해 배출되는 탄소를 바닷물 소금으로 전환할 수 있는 원자로를 화물선에 장착함으로써 탄소 제로에 도움을 줄 수 있다는 아이디어를 제안했다고 CNN이 보도했다. 애드킨스는 이 방법으로 탄소를 10만 년 동안 가두어 둘 수 있다고 밝혔다. 이 아이디어는 바다에서 이미 자연적으로 일어나고 있는 현상과 비슷하다. 원자로를 설계하고 테스트하는 스타트업 칼캐리아(Calcarea)를 설립한 애드킨스는 이 방법이 지구가 수십억 년 동안 자연적으로 진행해 온 반응이라고 언급했다. 해수는 대기로 방출되는 탄소의 약 3분의 1을 자연스럽게 흡수해 물을 산성화하고 바다에 풍부한 탄산칼슘을 용해시킨다. 탄산칼슘은 산호의 뼈대, 조개 및 바다 바닥의 대부분의 퇴적물을 구성하는 모든 것들을 만든다. 용해된 탄산칼슘은 물 속의 탄소와 반응해 중탄산염을 형성하고 탄소를 가두어 둔다. 바닷물에는 현재 이미 3만8000기가톤(38조 톤)의 중탄산염이 존재한다. 칼캐리아는 선박의 배기 가스를 선체의 원자로로 흘려보내 이런 자연적 과정을 모방하고자 한다. 대부분 탄산칼슘으로 구성된 암석인 석회암과 배기 가스 속의 탄소는 혼합물과 반응, 탄소를 중탄산염의 형태로 가두는 짠 물을 만든다. 애드킨스는 원자로를 통해 선박의 탄소 배출량의 약 절반을 포집해 저장하는 것을 목표로 하고 있다. 자연계에서는 이 반응이 1만 년 이상 걸리지만 칼캐리아의 원자로에서는 불과 1분이면 된다고 한다. 이는 탄소와 석회암을 서로 밀접하게 접촉시켜 이루어진다. 만들어진 짠 물은 바다로 방출되며, 이는 해양 생물이나 해수의 화학적 균형에 위협이 되지 않는다. 회사는 또 미립자 및 연소되지 않은 연료와 같은 다른 오염 물질과 기타 오염 물질을 제거하기 위해 필터를 추가하는 방안도 강구 중이라고 밝혔다. 애드킨스는 2년 동안 프로젝트를 진행한 후 2023년 1월 회사를 칼텍에서 분사했다. 칼텍의 학부생인 멜리사 구티에레즈, 엔지니어인 피에르 포린, 서던캘리포니아 대학교(USC) 교수이자 지구화학자인 윌 베렐슨 등 세 명이 공동 창립자로 참여했다. 회사는 350만 달러의 초기 자금을 조달하고 시스템 개발에 집중했다. 칼캐리아는 USC 주차장과 로스앤젤레스 항구에 각각 하나씩의 프로토타입 원자로를 건설했다. 5월 말, 칼캐리아는 국제 운송 회사인 로마(Lomar)와 연구개발 협력 계약을 맺었다고 발표했다. 애드킨스는 이를 통해 첫 번째 원자로가 선박에 장착될 것이라고 전했다. 애드킨스는 칼캐리아 솔루션이 해운 산업이 보다 친환경적인 연료로 전환하는 것과 함께, 해운의 탈탄소화에 도움을 줄 수 있다고 확신했다. 더 먼 미래에는 이 원자로가 대기에서 포집된 탄소를 지하에 저장하는 대안으로 활용될 수 있다고 부연했다.
- 산업
2024-08-08
[퓨처 Eyes(45)] 美 유타대, 공기 중 수분으로 식수 만드는 '마법 장치' 개발

극심한 물 부족 문제를 해결할 혁신적인 기술이 등장했다. 미국 유타 대학교 공학 연구팀은 공기 중의 수분을 포집하여 깨끗한 식수를 생산하는 소형 장치 개발에 성공했다고 테크익스플로어와 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 전했다. 지난 7월 26일 학술지 '셀 리포츠 피지컬 사이언스(Cell Reports Physical Science)'에 게재된 연구 내용에 따르면, 연구팀은 연료를 사용하는 흡착식 대기 중 물 포집(AWH) 장치를 개발했다. 이 장치는 특수 흡착제를 이용해 공기 중 수분을 흡수한 후, 열을 가해 물 분자를 액체 상태로 변환시키는 방식으로 작동한다. 현재 물 부족으로 어려움을 겪는 나라가 많다. 특히 중동과 북아프리카, 남아시아 지역은 극심한 물 부족에 시달리고 있다. 중동 및 북아프리카 지역은 전 세계에서 물 부족이 가장 심각한 지역으로, 인구의 83%가 물 부족에 시달리고 있다. 그중 예멘, 리비아, 요르단, 이란, 이라크 등이 심각한 물 부족 국가로 꼽힌다. 남아시아 인구의 74%도 물 부족에 노출되어 있으며, 인도, 파키스탄, 아프가니스탄 등이 대표적인 물 부족 국가다. 사하라 이남 아프리카 지역은 극심한 가뭄으로 인해 식수와 생활용수 부족 문제가 심각하며, 에티오피아, 케냐, 소말리아 등이 큰 어려움을 겪고 있다. 지구 대기에는 유타 주의 그레이트 솔트 호수를 800번 채울 수 있는 엄청난 양의 물이 존재한다. 대기 중에서 수분을 추출하는 기술은 만성적인 물 부족에 시달리는 전 세계 수십억 명에게 깨끗한 식수를 공급할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 다공성 물질을 흡착제로 사용 기존의 대기 중 수분 포집(AWR) 기술은 크기, 비용, 효율성 측면에서 여러 단점을 가지고 있었다. 그러나 유타대 공학 연구팀은 건조한 지역에서도 공기를 식수원으로 활용하는 데 한 걸음 더 다가갈 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 연구팀은 개발한 최초의 소형 급속 순환 연료 기반 AWH 장치를 공개했다. 이 2단계 프로토타입은 흡습성 물질을 사용해 습하지 않은 공기에서 물 분자를 끌어낸 다음, 열을 가해 물 분자를 액체 상태로 방출한다. 연구팀은 '금속 유기 골격체(MOF)'라는 다공성 물질을 흡착제로 활용했다. MOF는 레고 블록처럼 다양한 구조로 재배열할 수 있으며, 연구팀은 알루미늄 푸마레이트를 이용해 물 분자만 선택적으로 흡착하도록 설계된 MOF를 개발했다. 이 MOF는 흡착 과정에서 열을 방출하는 발열 특성을 가지고 있어, 열을 가하면 흡착된 물 분자를 쉽게 방출할 수 있다. 연구를 주도한 유타대 사마르 라오 기계공학과 조교수는 "공기 중의 수증기만 흡착하고 다른 것은 흡착하지 못하도록 만들 수 있다. 정말 선택적이다"라고 설명했다. 물, 하루 5리터 생산 이 연구의 수석 저자인 대학원생 네이션 오티즈와 함께 개발한 시제품은 1kg의 흡착제로 하루 5리터의 물을 생산할 수 있다. 즉, 3일 만에 15리터의 물을 생산할 수 있으며, 이는 일반적인 물 휴대량을 넘어서는 수준이다. 연구팀은 흡착제로 대기 중의 수분을 추출한 뒤 군용 캠핑 스토브를 활용해 열을 가하고 물을 응축시켜키는 방식을 채택했다. 이는 에너지 밀도가 높은 연료를 사용해 건조한 환경에서도 물을 효율적으로 생산할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이번 연구는 미국 국방부가 지원하는 DEVCOM 솔저 센터(Soldier Center) 프로그램의 일환으로 진행됐다. 군은 물 공급이 제한적인 외딴 지역에서 작전하는 병사들에게 수분을 공급하기 위한 기술 개발에 관심을 가지고 있다. 연구팀은 이 장치가 병사들이 큰 물통을 휴대하지 않고도 필요할 때마다 물을 생산할 수 있도록 해줄 것으로 기대하고 있다. 라오 교수는 "우리는 군인들이 작고 컴팩트한 물 생성 장치를 갖고 물이 가득 찬 큰 물통을 갖고 다닐 필요가 없도록 방위용 애플리케이션에 대해 특별히 살펴보았다"며 "이것은 말 그대로 수요에 따라 물을 생산할 것"이라고 말했다. 민간 활용 위해 특허 출원 중 연구팀은 이 기술을 군사용뿐만 아니라 일반 가정에서도 활용할 수 있도록 특허 출원을 진행 중이다. 특히 물 부족 문제를 겪는 지역에서 식수 공급에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 "기존 대기 중 물 포집 기술은 크기, 비용, 효율성 문제로 실용화에 어려움을 겪었지만, 이번에 개발한 장치는 이러한 문제를 해결하고 실용성을 높였다"며 "물 부족 문제를 겪는 전 세계 수십억 명에게 깨끗한 식수를 공급할 수 있는 잠재력을 지니고 있다"고 강조했다. 특히 가정에서 하루 평균 15~20리터의 식수를 소비한다는 점을 고려할 때, 이 장치가 가정용 식수 문제 해결에도 크게 기여할 것으로 기대된다. 하지만 아직 시제품 단계이며, 태양광 대신 연료를 사용하는 방식이기 때문에 환경 문제를 고려해야 한다는 지적도 있다. 연구팀은 앞으로 효율성과 안전성을 높이고, 실제 환경에서의 성능을 검증하는 추가 연구를 진행할 계획이다.
- 포커스온
2024-08-01
[퓨처 Eyes(44)] 바다를 이용한 탄소 포집, 지구 온난화 해결의 새로운 희망

지구 온난화 문제가 심화되는 가운데, 바다의 이산화탄소 제거 기술을 모방한 혁신적인 탄소 포집 기술이 개발돼 주목받고 있다. 탄소 포집 기술은 대기 중의 이산화탄소를 포집하여 저장하거나 활용하는 기술로, 지구 온난화의 주범인 이산화탄소 배출량을 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 해양의 탄소 흡수 방식을 모방한 탄소 직접 제거(CDR) 기술을 선도하는 에쿼틱 테크놀로지(Equatic Technology)는 캐나다 퀘벡주에 세계 최대 규모의 CDR 플랜트를 건설 중이다. 이 플랜트는 연간 10만 9500톤의 이산화탄소를 처리하고 3600톤의 녹색 수소를 생산할 예정이며, 이는 CDR 기술을 상업적 규모로 구현한 최초의 사례로 평가받는다고 비즈니스 인사이더가 전했다. CDR 기술은 대기 중 탄소를 직접 제거하는 기술로, 탄소 포집 기술 중 하나이다. 미국 UCLA 연구팀이 설립한 스타트업인 에쿼틱 테크놀로지는 로스앤젤레스와 싱가포르에서 이미 시범 공장을 운영하며 기술력을 입증한 바 있다. 이들의 핵심 기술은 바닷물에 전류를 흘려 탄소를 고체 형태로 저장하고, 부산물로 생성되는 녹색 수소를 판매하거나 시설 운영에 활용하는 것이다. 이 기술은 전기화학적 과정을 통해 이산화탄소를 탄산염 광물로 변환하여 영구적으로 저장하는 방식이다. 이는 탄소를 제거하는 동시에 에너지원을 생산하는 친환경적인 접근 방식으로, 지구 온난화 완화와 에너지 문제 해결에 동시에 기여할 수 있다. 바다, 매년 25% 탄소 제거 바다는 인간이 배출한 탄소를 가장 많이 흡수하는 곳 중 하나로, 매년 배출되는 탄소의 최대 25%를 제거한다. 바다는 대기 중 이산화탄소를 흡수하여 해양 생물의 광합성에 활용하거나 심해에 저장하는 역할을 한다. 연구에 따르면 바다가 탄소를 흡수하는 과정을 복제하면 지구 대기에서 수십억 톤의 이산화탄소를 제거하는 데 도움이 될 수 있다. 세계은행에 따르면 2020년 전 세계 평균 이산화탄소 배출량은 1인당 4.3메트릭톤(9500파운드, 약 4309kg)이었다. 인간 활동으로 인한 이산화탄소 배출량 증가는 지구 온난화를 가속화시키는 주요 원인이다. 온실가스를 줄이는 것만으로는 지구 온난화를 더 이상 막을 수 없기 때문에 탄소 포집과 저장은 기후 변화를 완화하는 중요한 도구가 될 수 있다. 탄소 제거 비용 톤당 100달러 목표 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술은 발전소나 산업 시설에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 지하 깊은 곳에 저장하는 기술이다. 에쿼틱의 퀘벡 플랜트는 바닷물에 전류를 흘려 물을 수소와 산소로 분리하고, 이 과정에서 생산된 산과 염기를 통해 탄소를 고체 형태로 저장한다. 이때 생성된 약알칼리성 슬러리는 냉각탑을 통해 대기 중 탄소를 추가로 흡수하는 데 사용된다. 이러한 과정을 통해 대기 중 이산화탄소 농도를 낮추고, 지구 온난화를 완화하는 효과를 기대할 수 있다. 에쿼틱 테크놀로지는 싱가포르에도 대규모 공장을 건설 중이다. 싱가포르 공장은 해수 담수화 플랜트에서 얻은 고농도 염수를 전해질로 사용해 전기 분해를 통해 산소와 수소를 생성하고, 탄소는 단단한 미네랄 형태로 저장한다. 이는 용존 및 대기 중 이산화탄소를 최소 1만 년 이상 안전하게 저장하며, 바다의 자연적인 탄소 저장 능력을 활성화하고 확장하는 효과를 가져온다. 에쿼틱 테크놀로지는 탄소 제거 비용을 톤당 100달러까지 낮추는 것을 목표로 한다. 이는 수소 판매를 통한 수익 창출로 가능할 것으로 예상되며, 대규모 탄소 제거를 현실화하고 지구 온난화 문제 해결에 기여할 수 있는 혁신적인 접근 방법이다. 탄소 제거 비용 절감은 탄소 포집 기술의 상용화를 위한 중요한 과제이다. 현재 탄소 제거 비용은 가장 비싼 기술인 직접 공기 포집(DAC)이 톤당 200~700달러가 소요된다. 반면, 생물 에너지 탄소 포집 및 저장(BECCS)은 톤당 15~80달러로 비교적 저렴한 편이다. 직접 공기 포집(DAC)은 대기 중 이산화탄소를 직접 포집하는 기술이며, 생물 에너지 탄소 포집 및 저장(BECCS)은 바이오매스 에너지 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 저장하는 기술이다. 해양 생태계 영향 추가 연구 필요 물론 대규모 탄소 제거 기술이 해양 생물에 미칠 수 있는 영향에 대한 우려도 존재한다. 하지만 에쿼틱 테크놀로지는 해수 필터 설치와 엄격한 국제 표준 준수를 통해 해양 생태계에 미치는 영향을 최소화하고, 탄소 제거량을 투명하게 측정할 계획이다. 탄소 포집 기술의 환경 영향 평가는 기술 개발 과정에서 반드시 고려해야 할 중요한 요소이다. 에쿼틱의 혁신적인 해양 탄소 포집 기술은 지구 온난화 문제 해결에 새로운 지평을 열고, 지속 가능한 미래를 위한 중요한 발걸음이 될 것으로 기대된다. 탄소 포집 기술의 발전은 기후 변화 대응에 있어서 중요한 역할을 할 것이며, 에쿼틱 테크놀로지의 노력은 이러한 변화의 선두에 있다.
- 포커스온
2024-07-25
[신소재 신기술(74)] 탄소 포집·저장 6배 높인 '하이드레이트'

대기에서 포집한 이산화탄소(CO₂)를 6배나 빠르게 저장하는 새로운 하이드레이트 기술이 개발됐다. 미국 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스 연구진이 개발한 새로운 대기 중 탄소 포집 하이드레이트 기술은 기존 방식보다 약 6배 빠른 속도로, 유해 화학 촉진제 없이 탄소를 저장할 수 있다고 테크익스로어와 어스닷컴 등 다수 외신이 보도했다. 미국화학회(ACS) 학술지 '지속 가능 화학 및 공학'에 발표된 이 연구에서 연구팀은 이산화탄소 하이드레이트를 초고속으로 형성하는 기술을 개발했다. 이 독특한 얼음 형태의 물질은 이산화탄소를 해저에 저장하여 대기 중 방출을 막는 역할을 한다. 탄소 포집에서 하이드레이트는 이산화탄소를 물 분자와 함께 얼음과 비슷한 고체 상태로 만드는 기술을 의미한다. 하이드레이트는 자체 부피의 최대 180배에 달하는 이산화탄소를 저장할 수 있다. 아울러 일정한 온도와 압력 조건에서 안정적으로 유지되므로 이산화 탄소 누출 위험을 줄일 수 있다. 연구를 이끈 바이바브 바라두르(Vaibhav Bahadur) 교수는 "우리는 대기 중 수십억 톤의 탄소를 안전하게 제거하는 방법을 찾는 엄청난 과제를 안고 있다"며 "하이드레이트는 탄소 저장을 위한 보편적인 해결책을 제공하며, 탄소 저장 분야에서 중요한 역할을 하려면 빠르고 대규모로 성장시키는 기술이 필요하다. 우리는 환경친화적인 방법으로 하이드레이트를 빠르게 성장시킬 수 있음을 입증했다"고 말했다. 이산화탄소는 가장 흔한 온실가스이며, 기후 변화의 주요 원인이다. 탄소 포집 및 저장 기술은 대기 중 탄소를 제거하고 영구적으로 저장하는 기술로, 지구 탄탄소화의 핵심 요소로 간주된다. 현재 가장 일반적인 탄소 저장 방법은 이산화탄소를 지하 저류층이 주입하는 것이다. 이 기술은 탄소를 포집하고 석유 생산을 증가시키는 이중 효과를 갖는다. 그러나 이 기술은 이산화탄소 누출 및 이동, 지하수 오염, 탄소 주입 관련 시 지진 위험 등 심각한 문제를 안고 있다. 또한 지하 저류층 주입에 적절한 지질학적 특징이 부족한 지역도 많다. 바하두르 교수는 하이드레이트가 대규모 탄소 저장을 위한 '차선책'이지만 주요 문제를 극복하면 '최선책'이 될 수 있다고 강조했다. 지금까지 탄소를 포집하는 하이드레이트 형성 과정은 느리고 에너지 집약적이어서 대규모 탄소 저장 수단으로 활용되기 어려웠다.. 이번 연구에서 팀은 기존 방법보다 하이드레이트 형성 기술을 6배 증가시켰다. 이러한 속도와 화학 물질을 사용하지 않는 공정은 대규모 탄소 저장에 하이드레이트를 더 쉽게 활용할 수 있게 한다. 이 연구의 핵심은 마그네슙으로, 화학촉진제 없이도 촉매 역할을 한다. 특정 반응기에서 이산화탄소를 고속 버블링으로 추가하면 빠르고 친환경적인 하이드레이트를 형성할 수 있다. 게다가 해수에서도 잘 작동하기 때문에 복잡한 담수화 공정이 필요하지 않다. 바라두르 교수는 "해저가 안정적인 열역학 조건을 제공하여 하이드레이트 분해를 방지하기 때문에 매력적인 탄소 저장 옵션이다"라며 "우리는 해안선을 가진 모든 국가에 탄소 저장을 가능하게 만들고 있으며, 이는 전세계적으로 탄소 저장 접근성과 실현 가능성을 높여 지속 가능한 미래에 더 가까워지게 한다"고 설명했다. 이번 연구 성과는 탄소 포집뿐만 아니라 해수 담수화, 가스 분리와 저장 등 다양한 산업에도 적용될 수 있다. 연구팀과 텍사스 대학교는 관련 기술에 대한 특허를 출원했으며, 상용화를 위한 스타트업 설립도 고려하고 있다. 하이드레이트 기술은 탄소 포집 및 저장 분야에서 혁신적인 기술로 주목받고 있으며, 지속적인 ㅇ녀구 개발을 통해 미래 탄소 중립 목표 달성에 기여할 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-07-10
[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.
- IT/바이오
2024-07-01
가정용 청소제품, 미세 플라스틱 방출 심각⋯환경과 인체 건강에 악영향

일상 생활에서 흔히 사용되는 가정용 청소제품에서 미세 플라스틱이 심각한 수준으로 방출되는 것이 확인됐다. 얼룩 등을 지울 때 주로 사용하는 멜라민 스펀지가 매월 수조개의 미세 플라스틱을 배출해 환경에 위험을 초래할 수 있다는 연구 결과가 발표됐다고 사이테크 데일리가 지난 23일(현지시간) 보도했다. 멜라민 스펀지는 뛰어난 세척력으로 종종 '매직 스펀지'로 불린다. 주방과 욕실 등 다양한 곳에서 사용되지만 마모 과정에서 발생하는 미세 플라스틱 섬유는 환경과 인체 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 미세 플라스틱은 크기가 5mm 미만인 작은 플라스틱 조각으로, 자연 분해되지 않고 환경에 오랫동안 잔류하며 상태계를 교란시킨다. 특히, 미세 플라스틱 섬유는 강이나 바다로 흘러들어가 해양 생물이 섭취할 수 있으며, 먹이 사슬을 통해 결국 인간에게까지 영향을 미칠 수 있다는 점에서 심각성이 크다. 미세 플라스틱은 체내에 축적되어 염증, 호르몬 교한, 면역 체계 악화 등 다양한 문제를 일으킬 수 있다는 연구 결과도 보고 되고 있다. 멜라민 스펀지는 특유의 연마성 덕분에 별도의 세제 없이도 흰색 신발의 얼룩이나 벽에 묻은 크레파스 등을 손쉽게 제거하는 기능으로 소비자 수요가 높다. 하지만 이 마법의 스펀지는 마모되면 미세 플라스틱 섬유를 배출한다는 치명적인 단점이 있다. ACS의 '환경 과학 및 기술'에 발표된 연구에 따르면 멜라민 스펀지는 매달 전 세계적으로 1조 개 이상의 미세 플라스틱 섬유를 방출하는 것으로 추정된다. 멜라민 폼은 폴리(멜라민 포름알데히드) 폴리머로 만들어진 놀라울 정도로 연마성이 좋은 소재다. 연구 저자인 유 수, 바오산 싱, 롱 지와 동료들은 멜라민 스폰지의 밀도와 스폰지가 문지르는 표면의 거칠기가 거품이 얼마나 빨리 분해되는지, 그리고 스폰지가 얼마나 많은 미세 플라스틱 섬유를 배출하는지 계산하는 데 어떤 영향을 미치는지 알아보고자 했다. 연구 저자는 중국 국립자연과학재단과 광둥성 중점 지역 연구 개발 프로그램의 지원을 받았다. 연구팀은 세 가지 유명 브랜드의 스펀지를 여러 개 구입한 후 질감이 있는 금속 표면에 반복적으로 문질러서 스펀지가 마모되도록 했다. 그 결과 밀도가 높은 폼으로 만든 스펀지가 밀도가 낮은 스펀지보다 더 천천히 마모되고 미세 플라스틱 섬유가 더 적게 생성된다는 사실을 발견했다. 다음으로 연구팀은 스펀지 한 개가 마모된 스펀지 1g당 약 650만 개의 섬유를 방출한다고 판단하고, 판매되는 모든 스펀지가 평균적으로 10%씩 마모된다고 가정했다. 한 달에 얼마나 많은 섬유가 방출될 수 있는지 대략적으로 파악하기 위해 2023년 8월 아마존의 월별 매출을 살펴봤다. 이 수치가 일정하게 유지된다고 가정했을 때, 연구팀은 멜라민 스펀지에서 매달 1조 5500억 개의 섬유가 방출될 수 있다고 계산했다. 그러나 이 수치는 온라인 소매업체 한 곳만을 고려한 것이므로 실제 방출되는 미세 플라스틱 섬유의 양은 훨씬 더 많을 수 있다. 연구팀은 미세 플라스틱 섬유의 방출을 최소화하기 위해 제조업체가 마모에 더 강하고 밀도가 높은 스펀지를 만들 것을 권장했다. 또한 소비자에게는 플라스틱을 사용하지 않는 천연 세제를 선택하고, 가정이나 폐수 처리장에서 미세 플라스틱 섬유를 포집할 수 있는 여과 시스템을 설치하도록 제안했다.
- 생활경제
2024-06-25
[신소재 신기술(56)] 탄소 포집 혁신, 전기 스펀지로 CO₂ 직접 흡수

이산화탄소(CO²)가 그 어느 때보다 빠르게 대기 중에 축적되고 있는 가운데 영국 과학자들이 전기 스펀지로 공기 중에서 직접 탄소를 포집하는 기술을 개발했다. 미국 국립해양대기청(NOAA)에 따르면 NOAA의 글로벌모니터링연구소가 마우나 로아 대기 관측소에서 측정한 이산화탄소 수준은 지난 5월 427ppm으로 급상승하며 동월 기준 최고치를 기록했다. 매년 5월은 이산화탄소가 북반구에서 가장 높은 수준에 도달하는 달이다. 이번 측정 수치는 2023년 5월에 비해 2.9ppm 증가한 것이며 NOAA의 50년 기록 중 5번째로 큰 폭의 증가이기도 하다. 2023년의 3.0ppm 증가를 고려하면, NOAA가 측정을 시작한 이래 2022~2024년까지 2년 동안의 상승폭으로도 최고 기록이다. 이처럼 이산화탄소의 축적이 역대급인 가운데 에너지가 적게 느는 혁신적인 공기중 직접 탄소 포집 기술이 개발돼 주목을 끌고 있다. 케임브리지 대학 연구원들은 충전된 활성탄을 사용해 기존 방법보다 더 효과적으로 공기 중 이산화탄소를 직접 흡수할 수 있는 저에너지 탄소 포집 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 9일(현지시간) 보도했다. 연구팀은 가정용 정수 필터에 일반적으로 사용되는 활성탄에 에너지를 공급하기 위해 배터리 충전 기술을 적용했다. 연구팀은 활성탄 '스폰지'를 CO₂와 가역적인 결합을 형성하는 이온을 충전함으로써, 이 충전된 물질이 공기에서 직접 CO₂를 성공적으로 포집할 수 있다는 사실을 발견했다. 연구를 주도한 유수프 하미드 화학과(Yusuf Hamied Department of Chemistry)의 알렉산더 포스 박사는 “대기 중 탄소 배출을 포집하는 것은 최후의 수단이지만 기후 위기의 심각성을 고려할 때 반드시 탐구해야 할 사항”이라고 말했다. 공기 직접 탄소 포집(DAC) 기술 스폰지와 같은 재료를 사용해 이산화탄소를 제거하는 공기 직접 탄소 포집(DAC) 기술은 탄소 포집을 위한 잠재적인 접근 방법 중 하나다. 그러나 현재의 접근 방식은 비용이 많이 들고 고온과 천연 가스 사용이 필요하며 안정성 부족 등의 단점이 잇다. 포스 박사는 "대기로부터 탄소 포집을 위해 다공성 물질을 사용하는 몇가지 유망한 연구가 진행됐다"며 "활성탄은 저렴하고 안정적이며 대량으로 생산되기 때문에 우리는 활성탄이 옵션이 될 수 있는 지 확인하고 싶었다"고 설명했다. 또한 충전된 활성탄 스폰지는 포집된 CO₂를 제거해 저장할 때 기존 방법보다 훨씬 낮은 온도를 필요로 하기 때문에 현재의 탄소 포집 방법보다 더 에너지 효율적일 수 있다. 연구 결과는 '네이처(Nature)' 저널에 게재됐다. 포스 박사는 "우리가 가장 시급하게 해야 할 일은 전 세계적으로 탄소 배출량을 줄이는 것이지만, 온실가스 순배출 제로를 달성하고 기후 변화의 최악의 영향을 제한하기 위해서는 온실가스 제거도 필요하다. 현실적으로 우리는 할 수 있는 모든 일을 해야 한다"고 말했다. 탄소 포집에서 활성탄의 역할 활성탄은 정수기 필터와 같은 많은 정제 응용 분야에서 사용되지만 일반적으로 공기 중에서 탄소를 흡수하고 보관하지는 못한다. 포스 박사 팀은 활성탄을 배터리처럼 충전할 수 있다면 탄소 포집의 적절한 재료가 될 수 있다고 제안했다. 연구팀은 활성탄을 수산화물이라는 화합물로 충전하면 이산화탄소와 가역 결합을 형성하기 때문에 탄소 포집에 적합할 것이라는 가설을 세웠다. 배터리를 충전할 때는 충전된 이온이 배터리 전극 중 하나에 삽입된다. 이후 연구팀은 배터리와 유사한 충전 프로세스를 사용해 저렴한 활성탄 천을 수산화물 이온으로 충전했다. 이 과정에서 천은 본질적으로 배터리의 전극과 같은 역할을 하며 수산화물 이온이 활성탄의 작은 기공에 축적된다. 충전 과정이 끝나면 활성탄을 배터리에서 제거해 세척해서 말린다. 연구팀은 충전된 활성탄 스폰지 테스트 결과 수산화물의 결합 메커니즘 덕분에 공기 중에서 직접 이산화탄소를 성공적으로 포집할 수 있는 것을 확인했다. 포스 박사는 "이것은 배터리와 같은 프로세스를 사용해 새로운 재료를 만드는 방법"이라면서 "CO₂ 포집 속도는 기존 방법과 비슷하다. 이 방법이 유망하다고 보는 것은 에너지를 훨씬 더 적게 사용한다는 점이다"라고 설명했다. 저온에서 수산화물-CO₂ 역전 포집된 CO₂를 정제하고 저장할 수 있도록 활성탄에서 탄소를 회수하기 위해서는 활성탄을 가열해 수산화물-CO₂를 역전시켜야 한다. 대기로부터 CO₂를 포집하는 데 현재 사용되는 대부분의 재료에서는 900°C와 같은 높은 온도까지 가열해야 하며 종종 천연 가스를 사용해야 한다. 그러나 케임브리지 팀이 개발한 충전된 활성탄 스폰지는 90~100°C만 가열하면 되며 이는 재생 에너지로 달성할 수 있는 온도다. 재료는 저항 가열을 통해 가열되며, 이는 본질적으로 재료를 안팎으로 가열해 프로세스를 더 빠르고 에너지 효율적으로 만든다. 하지만 아직 재료의 한계도 있다. 포스 박사는 "우리는 현재 포집할 수 있는 이산화탄소의 양을 늘리는 데 노력하고 있으며, 특히 성능이 저하되는 습한 조건에서 이산화탄소의 포집 양을 늘이기 위해 더욱 애쓰고 있다"고 말했다. 연구원들은 이 접근 방식이 탄소 포집 분야를 넘어 활용될 수 있다고 말했다. 기공과 활성탄에 삽입된 이온을 미세 조정해서 다양한 분자를 포집할 수 있기 때문이다.
- 포커스온
2024-06-10
[퓨처 Eyes(36)] 세계 최대 탄소 제거 공장, 아이슬란드에서 가동 시작

세계 최대 탄소 포집 공장 '매머드'가 아이슬란드에서 가동을 시작했다. 아이슬란드 헬리셰이디에 위치한 세계 최대 규모의 이산화탄소 제거 시설 '매머드(Mammoth)'가 가동을 시작했다고 더 버지, CNN, 패스트컴퍼니 등 다수 외신들이 보도했다. 매머드는 스위스 기후 기술 기업 클라임웍스(Climeworks)가 아이슬란드에 설립한 두 번째 상업용 '직접 공기 포집(DAC, Direct Air Capture)' 플랜트로, 2021년 가동을 시작한 이전 모델인 오르카(Orca)보다 10배 향상된 처리 능력을 갖추고 있다. 직접 공기 포집은 대기 중에서 직접적으로 이산화탄소를 포집하는 기술로, 화학 물질을 사용하여 공기로부터 탄소를 제거한 후 땅속 깊은 곳에 안전하게 저장하거나 재활용 또는 고체 제품으로 전환하는 방식으로 운영된다. 매머드는 클라임웍스가 운영하며, JP모건 체이스, 마이크로소프트, 스트라이프(Stripe), 쇼피파이(Shopify) 등 글로벌 기업들이 탄소 중립 실현을 위해 투자와 운영에 참여하고 있다. 아이슬란드에서 클라임웍스의 DAC 시설은 공기를 빨아들이는 팬이 달린 모듈식 '수집기 컨테이너'로 구성되어 있다. 이 발전소의 컨테이너 크기의 상자 안에는 팬이 이산화탄소(CO₂)를 직접 포집(DAC)하는 필터를 통해 외부 공기를 끌어들인다. 전체 작업은 아이슬란드의 풍부하고 깨끗한 지열 에너지로 구동된다. 외부에서 팬으로 끌어들인 이 공기는 이산화탄소를 흡수하는 특수 필터를 통과한다. 필터가 완전히 포화 상태가 되면 섭씨 약 100도(화씨 212도)까지 가열하여 이산화탄소를 방출한다. 클라임웍스는 포집된 탄소를 지하로 운반해 자연적으로 돌로 변형시켜 탄소를 영구적으로 가둘 계획이다. 이러한 CO₂ 격리 과정을 위해 클라임웍스는 아이슬란드 기업인 카브픽스(Carbfix)와 파트너십을 체결했다. CO₂를 포집한 후 카브픽스가 이를 물에 녹여 지하 깊은 곳으로 펌핑하면 현무암 암석과 자연적으로 반응해 대기 중으로 다시 유출되는 것을 방지한다. 이들은 CO₂를 물과 혼합한 다음 그 슬러리(고체와 액체의 혼합물 또는 미세한 고체입자가 물 속에 현탁된 현탁액)를 지하 깊은 곳으로 펌핑하여 결국 단단한 암석이 되게 한다. 화석 연료를 계속 사용함에 따라 DAC와 같은 차세대 기후 솔루션은 정부와 민간 기업에게 더 많은 관심을 받고 있다. CNN에 따르면 지구를 온난화시키는 대기 중 이산화탄소 농도는 2023년 사상 최고치를 기록했다 DAC 기술은 대기 중에 축적된 온실가스 배출을 제거해 기후 변화에 대응할 수 있는 방법 중 하나로 여겨지지만, 실질적인 영향을 미칠 만큼 규모를 확대할 수 있는지 여전히 검증 과정에 있다. DAC와 같은 탄소 제거 기술은 비용이 많이 들고, 에너지를 많이 소비한다는 비판을 받아왔다 국제환경법센터의 화석 경제 프로그램 디렉터인 릴리 푸어(Lili Fuhr)는 탄소 포집 기술에 대해 "불확실성과 생태학적 위험으로 가득 차 있다"고 말했다. 최근 가동된 매머드는 현재 가동 중인 DAC 공장 중 가장 큰 규모다. 하지만 큰 틀에서 보면 현재 진행 중인 다른 프로젝트에 비하면 상대적으로 작은 규모다. 아이슬란드에서의 클라임웍스의 운영은 이 기술이 작동할 수 있다는 것을 전 세계에 보여주기 위한 것이었다. 이제 미국 시장 성장에 발맞춰 이 초기 성공 사례를 재현할 수 있을지가 관건이라고 더 버지는 지적했다. 2017년 클라임웍스는 공기 중에서 이산화탄소를 빨아들여 탄산음료와 온실에서 사용하는 제품으로 판매한 최초의 기업이 되었다. 클라임웍스는 4년 후인 2021년에는 아이슬란드에 이산화탄소 포집 공장 오르카(Orca)를 설립해 마이크로소프트를 비롯한 고객을 위해 이산화탄소를 포집하고 지하에 영구적으로 격리하기 시작했다. 오르카는 지금까지 운영 중인 DAC 플랜트 중 가장 큰 규모였다. 매머드가 완전히 가동되면 오르카의 10배에 가까운 연간 약 3만6000톤의 이산화탄소를 포집할 수 있게 된다. 그러나 2022년 마이크로소프트에서만 약 1300만 톤의 이산화탄소를 배출한 것을 고려하면 클라임웍스의 탄소 제거량은 여전히 많은 양은 아니다. 클라임웍스는 2022년 6월부터 매머드 건설을 시작했으며, 세계 최대 규모의 플랜트라고 밝혔다. 공기에서 탄소를 포집하는 기계의 진공 부품인 72개의 '컬렉터 컨테이너'를 위한 공간이 있는 모듈식 설계로, 서로 쌓아 올려 쉽게 이동할 수 있다. 현재 12개가 설치되어 있으며 앞으로 몇 달 동안 더 추가될 예정이다. 앞서 ㅅ밝혔듯이 매머드는 최대 용량으로 연간 3만6000톤의 탄소를 대기에서 끌어낼 수 있을 것으로 클라임웍스는 예상했다. 이는 약 7800대의 가스 구동 자동차를 1년 동안 도로에서 퇴출시키는 것과 같은 효과다. 클라임웍스는 제거된 탄소 1톤당 정확한 비용은 밝히지 않았지만, 톤당 1000달러에 가까운 것으로 시사했다. 이는 이 기술을 저렴하고 실용적으로 만드는 데 중요한 임계값으로 널리 알려져 있다. 클라임웍스의 공동 설립자이자 공동 CEO인 얀 뷔르츠바허는 공장 규모를 확대하고 비용을 낮추면서 2030년까지 톤당 300~350달러에 이르고 2050년경에는 톤당 100달러를 달성하는 것이 목표라고 CNN에 말했다. 에든버러 대학교의 탄소 포집 및 저장 교수인 스튜어트 하젤딘은 "이 새로운 공장은 기후 변화와의 싸움에서 중요한 단계"라고 말했다. 탄소 오염을 포집하는 장비의 규모가 커질 것이라는 설명이다. 하젤딘은 그러나 이는 여전히 필요한 것의 극히 일부에 불과하다고 경고했다. 국제에너지기구에 따르면 전 세계의 모든 탄소 제거 장비는 연간 약 0.01만 미터톤의 탄소만 제거할 수 있다. 이는 2030년까지 세계 기후 목표를 달성하기 위해 필요한 연간 7000만 톤 제거와는 거리가 멀다. 한편, 매머드는 아직 진행 중인 프로젝트다. 현재 매머드에는 12개의 모듈형 컨테이너만 설치되어 있으며, 클라임웍스는 올해 안에 60개를 더 설치해 공사를 완료할 계획이라고 밝혔다. 클라임웍스 외에 다른 기업들도 대기 중 이산화탄소를 제거하기 위해 다양한 기술적 접근 방식을 취하고 있다. 2020년에 설립된 미국 기후 기술 스타트업인 헤어룸(Heirloom)은 암석 가루를 사용해 탄소를 빨아들인다. 헤어룸은 이산화탄소를 석회암과 같은 자연 광물에 결합시켜 영구적으로 저장하는 탄소 광화 기술을 사용한다. 헤어룸의 기술은 다른 '직접 공기 포집' 기술보다 저렴하도록 설계됐다. 이는 탄소 제거 기술을 더 저렴하고 확장 가능하게 만들 수 있음을 의미한다. 일부 연구자들은 많은 양의 에너지를 사용하지 않고도 CO₂를 포집해 저장할 수 있는 패시브 시스템을 연구하고 있다.
- 포커스온
2024-05-16
마이크로소프트, 나무 태워 탄소 포집⋯스웨덴 파트너와 330만 톤 탄소 제거 계약 체결

마이크로소프트(MS)가 나무를 연료로 하는 발전소에서 이산화탄소를 포집하는 방식의 기후 변화 대응 전략을 두 배 이상 크게 강화하고 있다. 마이크로소프트가 스웨덴의 에너지 회사인 스톡홀름 엑서지(Stockholm Exergi)와 스톡홀름에 위치한 바이오매스 발전소에서 333만 톤의 탄소를 포집한다는 계약을 체결했다고 ICT 전문 매체 더버지가 전했다. 이는 현재까지 발표된 이 부문 최대 규모의 거래다. 포집하는 양은 휘발유 자동차 79만 대가 1년 동안 운행해 방출하는 탄소의 양과 맞먹는다. 이는 마이크로소프트가 2030년까지 회사가 생산할 것으로 예상되는 것보다 더 많은 탄소를 포집한다는 의미다. 마이크로소프트는 2050년까지 창립 이래 지금까지 배출한 만큼의 탄소를 대기에서 없애겠다는 기후 경영 목표를 수립한 바 있다. 이번 계약은 회사의 장기 목표 달성에도 크게 기여할 것이라는 기대다. 그러나 이에 대한 비판 여론도 만만치 않다. 나무 연료 발전소가 실제로 기후 변화 대응에 적절한 것인지, 아니면 상황을 오히려 악화시킬 것인지에 대해서는 아직 판단을 내리기 어렵다는 것이다. 생물다양성센터(Centre for Biological Diversity)와 세계 3대 환경보호단체 중 하나인 ‘지구의 벗(Friends of the Earth International)’ 등 저명한 환경 단체들은 이에 대해 ‘잘못된 해결책’이라고 비판했다. 지난 2018년에는 약 800명의 과학자들이 유럽의회에 바이오에너지를 위한 목재 사용 지원을 중단하라는 서한에 서명하기도 했다. 엑서지는 스톡홀름에서 산림 바이오매스라고도 알려진 산림 폐기물의 목재 펠릿과 잔여물을 사용해 발전소를 운영하고 있다. 지지자들은 이론적으로 발전소가 나무를 태워 방출하는 탄소를 포집하고, 나무는 탄소를 흡수하며 다시 자라나므로 탄소 중립 에너지원이라고 주장한다. 유럽연합 집행위원회도 바이오매스 연소가 유럽과 미국 전역의 산림 벌채와 관련되어 있음에도 불구하고 가장 큰 재생에너지원이라고 간주하고 있다. 마이크로소프트와 엑서지는 발전소에 장비를 추가, 탄소가 대기 중으로 배출되기 전에 대부분을 포집한다는 계획이다. 그렇게 하면 오히려 탄소의 마이너스 배출까지도 가능하다는 주장이다. 즉, 방출하는 총량보다 더 많은 탄소를 대기에서 제거한다는 것이다. 탄소 마이너스 배출 기술은 최근 여러 기업들이 연구와 채택을 진행하고 있다. 그러나 많은 연구 결과에 따르면 ‘탄소 포집 바이오에너지(BECCS)’에 대한 수학적인 계산은 정확하게 이루어지지 않는 것으로 나타났다. 굴뚝에서 탄소를 제거하는 장치는 탄소를 100% 포집할 수 없다. 또 숲을 개간하고 연료로 사용하기 위해 목재를 운반하는 과정에서 추가 배출이 발생한다. BECCS는 결국 탄소 중립이 아니며 실제로는 대기에 온실가스의 주범인 탄소 오염을 더한다는 사실이 밝혀졌다. 마이크로스프트는 이에 대해 공식적인 반응은 보이지 않고 있다. 회사는 작년 덴마크 에너지 회사인 오스테드(Ørsted)와 덴마크의 나무 연료 발전소에서 276만 톤의 탄소를 포집하는 또 다른 계약을 체결했다. 스톡홀름에서 이 발전소의 탄소 포집 장치의 건설은 엑서지가 다른 계약과 함께 정부 지원으로 충분한 추가 자금을 확보한다면, 내년에 시작될 예정이다. 그러면 계약에서 합의된 333만 톤의 탄소를 모두 제거하는 데 10년이 걸릴 것이다. 엑서지는 마이크로소프트와의 계약을 자사의 탄소 포집 기술에 대한 인증이라고 의미 부여했다. 회사는 “이번 계약은 우리 프로젝트의 중요성은 물론 품질 및 지속 가능성을 강하게 시사하고 있다”라고 말했다.
- 경제
2024-05-10
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.
- IT/바이오
2024-04-27
[신소재 신기술(34)] 수소 저장용 신소재, 칠수소화 세슘(CsH7)과 9수소화 루비듐(RbH9) 합성 화합물

러시아 스콜코보 과학기술연구소(스콜테크·Skoltech) 연구팀과 러시아 과학 아카데미 슈브니코프(shubnikov) 결정체 연구소 및 중국, 일본, 이탈리아 연구 기관의 과학자들은 현재 최고의 수소 저장 물질보다 4배 더 많은 양의 수소 기체를 "흡수"할 수 있는 수소 화학 저장 물질을 발견했다고 테크익스플로어가 17일(현지시간) 보도했다. 이 연구팀이 개발한 합성한 화합물인 칠수소화 세슘(CsH7)과 9수소화 루비듐(RbH9)은 각각 금속 원자당 최대 7개와 9개의 수소를 저장할 수 있는 획기적인 기술이다. 기존 금속 합금기술로는 금속 원자 하나당 약 2개의 수소 원자를 넣을 수 있었다. 수소를 효율적으로 저장하는 방법을 찾는 것은 미래의 지속 가능한 경제에 통합하는 데 매우 중요하다. 적절한 저장 기술을 갖춘 수소는 향후 고온의 산업 공정과 운송에 연료를 공급하고 전력망의 공급과 수요를 균형 있게 조절하는 역할을 할 수 있다. 이번 연구는 학술지 '첨단 에너지 재료(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다. 수소는 미래의 저탄소 경제에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 수소는 재생 가능하게 생산될 수 있고, 연료 전지나 연소를 통해 전기나 열을 생성하는 데 사용될 수 있다. 수소 에너지로 인해 가장 큰 이익을 얻을 수 있는 분야는 제철, 유리 및 시멘트 생산, 화학 산업 등이다. 국제 해운 및 일반적인 운송과 모빌리티 전반도 수소 에너지로 이익을 얻을 수 있다. 그 외에도 수소는 재생 가능 에너지의 불규칙한 공급을 포함해 잉여 에너지를 저장함으로써 전력망의 균형을 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 수소 발전의 광범위한 채택을 막는 가장 큰 장애물은 공기보다 14배 가볍고, 반응성이 높으며, 가두기 어렵고 폭발성이 있는 가스인 수소를 저장하는 안전하고 지속 가능하며 경제적인 기술력의 부족이다. 가스 실린더, 튜브, 극저온 탱크 및 파이프 라인에서 수소를 축적하고 운반하려면 압축 또는 액화하거나 수소 분자로 구성된 고체로 변환해야 할 수도 있다. 하지만 이 방법에는 몇 가지 문제점이 있다. 첫째, 이러한 처리에는 매우 많은 비용이 든다. 압축 및 냉장 과정은 최종적으로 수소가 제공하는 총 에너지의 약 20%~40%에 해당하는 에너지를 소비한다. 이는 매우 높은 손실이다. 둘째, 수소는 질량당 가장 에너지 밀도가 높은 화학 연료이지만 너무 가벼워 압축 또는 액화된 천연가스보다 단위 부피당 여전히 약 절반의 에너지를 보유한다. 이는 특히 차량에 불편하다. 셋째, 수소는 가장 작은 분자이기 때문에 컨테이너에서 쉽게 빠져나가고 심지어 금속 벽에도 침투해 벽을 부서지게 하고 균열과 누출을 일으킨다. 연구의 주요 저자 중 한 명인 스콜테크의 재료 과학 및 공학 박사 드미트리 세메노크(Dmitrii Semenok)는 "대안은 화학 저장"이라고 지적했다. 세메노크 박사는 "예를 들어 마그네슘-니켈 및 지르코늄-바나듐 합금과 같은 특정 물질은 금속 원자가 결정 구조를 형성하는 사이의 공극에 수소를 저장할 수 있다. 이러한 축전기는 상대적으로 밀도가 높고 안전하며 필요에 따라 가열 시 빠르게 수소를 방출한다"라고 설명했다. 그는 "하지만 수소를 포집하고 방출하는 데 필요한 조건과 얼마나 많은 충방전 사이클을 견딜 수 있는지에 따라 금속 합금을 조정할 수는 있지만, 금속 원자 하나당 약 2개의 수소 원자를 넣을 수 있다는 상대적으로 엄격한 제한이 있다. 이것이 가장 큰 지표다"라고 부연했다. 세메노크 박사는 "우리가 합성한 화합물인 칠수소화 세슘(세슘 헵타하이드라이드·CsH7)과 9수소화 루비듐(루비듐 비수소화물·RbH9)은 금속 원자당 각각 최대 7개와 9개의 수소 원자를 담고 있다. 이 두 물질은 대기압에서 안정적으로 수소가 풍부한 최초의 물질이 될 것으로 예상되지만, 후자는 추가 확인이 필요하다. 어쨌든 이 화합물에서 수소 원자의 비율은 알려진 모든 수소화물 중에서 가장 높으며 메탄 CH4보다 두 배나 높다"라고 말했다. 이 연구의 수석 연구자인 스코테크의 재료 발견 연구실 책임자 아르템 오가노프(Artem R. Oganov) 교수는 "우리는 수소가 풍부한 암모니아 보란 분말을 세슘 또는 루비듐과 반응시킨다"고 설명했다. 이렇게 하면 세슘 또는 루비듐 아미도보란으로 알려진 염이 생성된다. 열을 가하면 이러한 염이 세슘 또는 루비듐 일수화물과 다량의 수소로 분해된다. 오가노프 박사는 "실험은 대기압의 10만 배에 달하는 압력을 가하는 두 다이아몬드 사이의 셀에서 실행되기 때문에 여분의 수소가 결정 격자 공극으로 강제 이동하여 세슘 헵타하이드라이드와 루비듐 비수소화물(후자는 두 가지 다른 결정 격자 종류)을 형성한다"라고 말했다. 연구팀에 따르면 세슘과 루비듐은 원자의 크기가 커서 결정 구조에서 수소가 차지할 수 있는 빈 공간이 더 커지기 때문에 "예정된 운명"이라고 한다. 이 화합물의 형성은 연구팀의 시뮬레이션과 기본 물리 법칙에 기반한 계산의 예측과 일치했다. 화합물의 존재는 여러 분석 기법을 통해서도 확인됐다. X-선 분석, 라만 분광법, 반사/투과 분광법 등 다양한 분석 기법을 통해 화합물의 존재를 확인했다. 후자는 스콜테크의 하이브리드 포토닉스 연구소의 데니스 산니코프 연구원의 기여로 가능했다. 연구팀은 이제 약 1만기압의 낮은 압력에서 대규모 유압 프레스를 사용해 실험을 반복하여 더 많은 양의 세슘과 루비듐 폴리하이드리드를 얻고, 이 화합물이 지금까지 알려진 다른 폴리하이드리드와 달리 일단 합성되면 대기압에서도 안정적으로 유지되는지 검증할 계획이다.
- 포커스온
2024-04-19
[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.
- 포커스온
2024-04-12