와우! 과학

[고든 정의 TECH+] 공기 중 수증기를 물 자원으로…신기술 개발 중

작성 2018.06.23 15:11 ㅣ 수정 2018.06.23 15:11
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▲ 실험실 환경에서 전하를 띤 수증기를 물로 바꾸는 시스템.(MIT)


지구는 물의 행성입니다. 물론 기본적으로는 금속 핵을 지닌 암석 행성이지만, 표면 대부분이 액체 상태의 물인 행성이기도 합니다. 하지만 아이러니하게도 지구에 사는 우리는 항상 물 부족을 겪고 있습니다. 우리가 쓸 수 있는 깨끗한 담수가 필요량보다 부족하기 때문입니다. 따라서 많은 나라에서 생존에 꼭 필요한 물 자원을 안정적으로 확보하기 위해 댐과 저수지를 만들고 지하수를 개발합니다. 그게 여의치 않을 경우 바닷물을 민물로 바꾸는 해수 담수화 플랜트를 이용해 물을 확보합니다. 여기에 더해 과학자들은 눈에 보이지 않는 수증기에서 답을 찾고 있습니다.


아무리 건조한 사막이라도 사실 공기 중에는 상당량의 물 분자가 기체로 존재합니다. 그래서 과거부터 이를 이용해 사막에서 식수를 구하는 기술이 존재했습니다. 하지만 양이 너무 적어 실용적인 물 공급 방식은 될 수 없었습니다. 기본적으로 수증기를 물로 바꾸기에는 매우 건조한 환경이기 때문입니다.

미국 캘리포니아 대학의 연구팀은 금속 유기구조체 MOFs(metal-organic framework)가 이 문제에 대한 새로운 해결책이 될 수 있는지 연구했습니다. 이들이 지난해 발표한 지르코늄 기반의 금속 유기물구조체 MOF-801는 별도의 에너지원 없이 태양 에너지만으로 수증기를 물로 응결시킬 수 있습니다. 격자 구조의 분자가 물 분자를 결합해 큰 물방울로 성장시키는 원리입니다.

연구팀은 애리조나주 사막에서 실제 성능을 테스트했습니다. 그 결과 1㎏의 MOF-801이 하루 200㎖의 물을 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다. 많은 양은 아니지만, 물이 매우 부족한 사막 내륙 지역에서 식수 등 꼭 필요한 물을 별도의 에너지원 없이 얻을 수 있다는 점이 매력입니다. 하지만 지르코늄은 대량으로 제조하기에는 너무 비싼 금속이기 때문에 연구팀은 훨씬 저렴한 알루미늄을 사용한 MOF-303을 개발하고 있습니다. 앞으로 이를 통해 안정적인 식수 공급은 물론 전력 공급도 어려운 지역에 식수 공급을 더 원활히 하려는 것이 목표입니다.

최근 미국 매사추세츠공과대(MIT) 연구팀 역시 간단한 방법으로 수증기를 물로 바꾸는 기술을 개발했지만, 일반적으로 생각하기 어려운 독특한 환경에서 물을 얻기 위해 노력하고 있습니다. 바로 화력 발전소입니다. 원자력 발전소와 화력 발전소는 모두 물을 끓인 증기를 이용해 터빈을 돌려 발전을 합니다. 그런데 이 과정에서 상당량의 물을 수증기의 형태로 그냥 날려 보내고 있습니다. 물 자원이 풍족하고 발전량이 지금보다 적던 시절에는 큰 문제가 아니었지만, 현재는 양이 많아지면서 점차 문제가 되고 있습니다.

발전소의 굴뚝을 통해 날아가는 뜨거운 증기는 간단히 물로 바꾸기 어렵습니다. 금속망을 이용해서 물을 표면에서 응결시키는 장치의 경우 불과 몇 %의 물만 회수하고 나머지는 그냥 내보내게 됩니다. 연구팀은 여기에 이온 빔을 이용해서 작은 물방울이 전하를 띄도록 만들었습니다. 그러면 금속망을 통과할 때 금속 표면에 전하를 띈 상태로 달라붙어 훨씬 많은 양의 물이 응결되게 됩니다. (사진) 물론 이 과정에서 에너지가 들어가지만, 순수한 물을 정제하기 위해서도 에너지가 들어간다는 점을 생각하면 충분히 감당이 가능한 수준입니다.

연구팀이 생각하는 큰 장점은 거의 순수한 증류수를 얻게 된다는 점입니다. 예를 들어 바닷물을 이용해도 담수를 얻을 수 있어 별도의 고가 해수 담수화 플랜트 없이도 담수를 얻을 수 있습니다. 일단 기술적, 경제적 타당성을 검증하기 위해 MIT의 가스 화력 발전소에 먼저 프로토타입 장치를 설치해 테스트할 계획입니다. 연구팀은 600㎹급 발전소에서 연간 5억6780만 ℓ의 물을 회수할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

하지만 이런 신기술 가운데 기술적, 경제적 타당성이 있어 상용화되는 것은 극히 일부에 불과합니다. 혁신적 기술은 그렇게 쉽게 개발되는 것이 아니기 때문입니다. 그러나 우리는 물 없이는 생존이 불가능하기 때문에 깨끗한 물을 안정적으로 확보할 필요성은 점점 커지고 있습니다. 결국 우리는 댐과 저수지, 지하수 개발 같은 전통적인 물 자원 확보 방식은 물론 이전까지 없었던 새로운 방법을 통해 물 자원을 확보하게 될 것입니다.



사진=실험실 환경에서 전하를 띤 수증기를 물로 바꾸는 시스템.(MIT)

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

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