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매우 높은 온도에서도 액체 금속을 이동시킬 수 있는 펌프 시스템이 개발됐다. 조지아 공대, 퍼듀 대학, 스탠퍼드 대학의 공동 연구팀이 만든 이 내열 세라믹 펌프는 섭씨 1,400도의 고온 환경에서도 액체 금속을 안정적으로 이동시킬 수 있음을 입증했다.
조지아 공대의 칼레브 아미와 그 동료들은 미국 고등연구계획국(Advanced Research Projects Agency)의 에너지 프로젝트(ARPA-E)의 지원을 받아 고온의 액체 금속을 다룰 수 있는 내열 시스템을 연구했다. 이를 위해 내열 세라믹을 사용했는데, 가장 큰 문제는 펌프였다.
섭씨 1,200도 이상의 고온 환경에서도 견디는 내열 소재는 이미 존재하지만, 내부에 있는 물질을 이동시킬 펌프는 개발하기 쉽지 않다. 그래서 연구팀은 두 개의 맞물린 기어를 이용한 외접기어펌프(external gear pump) 방식을 이용한 내열 세라믹 펌프를 개발했다.(사진)
외부에서 동력을 제공하므로 초고온 환경에서 작동하는 모터를 개발할 필요가 없기 때문이다. 다만 장시간 고온 환경에서 기계적 압력을 잘 견딜 수 있을지, 그리고 액체 금속이 새지 않을지가 문제였다.
다행히 연구팀이 개발한 새 펌프 시스템은 섭씨 1,200도의 고온에서 72시간 동안 완벽하게 작동해 액체 금속을 원하는 방향으로 이동시켰을 뿐 아니라 일시적으로 1,400도의 초고온에서도 견딜 수 있음을 입증했다. 이런 초고온 펌프 시스템은 고온 합금 제조 등 산업 분야에서도 응용될 수 있지만, 연구팀이 가장 기대하는 분야는 에너지 저장 시스템이다.
최근 건설되는 태양열 발전소 가운데는 태양열을 이용해서 질산염 화합물을 녹여 용융염(molten salt) 형태로 열에너지를 저장하는 경우가 늘어나고 있다. 그러면 태양광 발전과는 달리 해가 진 이후에도 24시간 발전이 가능하다. 그러나 열에너지 저장에는 많은 비용이 들어간다. 만약 용융염을 더 높은 온도로 보관하거나 혹은 이보다 더 높은 온도에서 녹는 금속 소재를 사용한다면 에너지 저장량을 늘리거나 반대로 비용을 절감할 수 있다. 어느 쪽이든 신재생에너지를 효과적으로 사용하는 데 유리해진다.
최근 풍력이나 태양에너지 같은 신재생에너지 보급이 빠르게 늘어나고 있지만, 에너지 공급이 매우 불규칙하거나 특정 시간대에만 에너지 생산이 가능하다는 것이 큰 약점이다. 초고온 내열 시스템으로 많은 에너지를 저장할 수 있다면 인류가 직면한 지구 온난화 문제와 에너지 문제를 해결하는 데 큰 보탬이 될 것이다.
고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com
