에너지
대기 물 수확 – 중력을 활용하여 이 기술을 발전시키는 방법
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물은 아마도 우리 행성이 다루어야 할 가장 귀중한 자원일 것입니다. 행성의 70%를 차지하고 있음에도 불구하고, 우리가 마시고, 목욕하고, 농지를 관개하는 데 사용하는 담수는 부족합니다. 전 세계 물의 3%만이 담수이며, 그 3% 중 2/3는 빙하에 얼어 있거나 사용이 불가능합니다.
물 부족의 결과는 전 세계에 반영된 현상입니다. 전 세계적으로 약 11억 명이 물에 접근하지 못하고 있습니다. 전 세계에서 총 27억 명이 연중 최소 한 달 이상 물 부족을 겪고 있습니다.
물 부족은 또한 부적절한 위생과 같은 많은 다른 문제를 초래합니다. 이는 24억 명이 취약해지고 콜레라와 장티푸스와 같은 질병에 노출되는 문제이며, 그 외에도 많은 치명적인 설사 질환을 야기합니다.
증가하는 인구와 끊임없이 확대되는 물 수요는 항상 갈등을 빚어왔습니다. 행성의 인구가 많아질수록 물 시스템에 대한 압박도 커집니다.
증가하는 오염 수준은 행성의 강, 호수, 그리고 대수층에 큰 피해를 주었습니다. 더욱 안타까운 것은 전 세계 습지의 절반 이상이 사라졌다는 사실입니다.
과학 공동체가 시대에 맞춰 진화하지 못하고 사라져 가는 물의 위협에 대응하는 해결책을 제시하지 못한다면, 우리의 농업 시스템은 곧 물이 부족해 식량 불안정 등 여러 문제를 초래하게 될 것입니다.
하지만 다행히도 전 세계 과학 공동체는 이 도전에 맞서고 있습니다. 오늘은 앞으로 다룰 섹션에서 이러한 획기적인 해결책 중 하나를 논의하고, 더 깊이 살펴볼 것입니다.
중력만을 이용해 공기에서 물을 추출하는 장치
국제 연구원 팀, KAUST 교수 Qiaoqiang Gan이 이끌고,는 전기 없이도 작동하고 중력만으로 공기에서 물을 추출할 수 있는 장치를 설계했습니다. 이 장치는 이미 비용이 많이 드는 에너지 공급이 필요 없으며, 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 재료로 만들 수 있습니다.
실험 논문은 ‘방사 냉각 및 대기 물 수확을 위한 수직 이중면 구조의 윤활 표면’이라는 제목으로, 대기 물 수확을 보다 효율적으로 만들고자 합니다.
방사 냉각에서 물 수확 과정이 크게 개선됩니다. 방사 냉각은 응축기 온도를 주변 온도 이하로 크게 낮추어 추가 에너지 없이 대기 물 수확을 가능하게 합니다.
방사 냉각 시스템이 직면하는 문제 중 하나는 전통적인 하늘을 향한 응축기가 낮은 냉각 전력 밀도를 가지고, 물방울이 표면에 고정된 채 남아 있어 활성 응축수 수집이 필요하다는 점입니다.
연구진은 이 문제에 대한 해결책으로 윤활 표면(LS) 코팅을 제안했습니다—이는 고도로 확장 가능한 폴리디메틸실록산 엘라스토머에 실리콘 오일을 윤활제로 사용하여 수직 이중면 구조의 응축기 측에 적용한 것입니다.
이 설계의 장점은 여러 가지입니다. 첫째, 지역 냉각 전력을 효과적으로 두 배로 늘립니다.
둘째, 접촉선 고정을 제거하여 수동적인 중력 구동 물 수집을 가능하게 합니다. 그 결과, 인공적인 가습 공기 흐름 없이도 야외 환경에서 0 × 30 cm² 샘플의 AWH 용량이 크게 증가했습니다.
윤활 표면(LS) 코팅의 수동 물 수집 속도는 m²당 21 g·h⁻¹에 도달했으며, 이는 초소수성 표면의 두 배인 10 g·m⁻²·h⁻¹보다 높습니다. 실내 환경에서는 성능이 더욱 향상되어, 시스템이 이론 한계의 87%까지 응축 속도를 달성하고 전체 응축수의 90%까지 수동적으로 수집했습니다.
올바르게 수행된 대기 물 수확의 이점
대기의 물량은 지구 모든 강의 담수량을 합친 것보다 여섯 배 많습니다. Gan 교수에 따르면:
“이 물은 대기 물 수확 기술을 통해 수집될 수 있습니다.”
그리고 위에서 언급한 솔루션으로 프로세스를 효율적으로 수행하면 채택자에게 더욱 수익성이 높아집니다. 시스템의 이점을 설명하면서, Gan 교수 연구팀의 박사후 연구원인 Dan Daniel 교수는 다음과 같이 말했습니다,
“이 시스템은 전기를 전혀 소비하지 않아 에너지 절감 효과가 있습니다. 또한 압축기나 팬과 같은 기계 부품에 의존하지 않아 전통적인 시스템에 비해 유지보수가 감소하고 추가적인 절감 효과를 가져옵니다.”
Dan Daniel의 관찰에 대해 팀의 또 다른 박사후 연구원인 Shakeel Ahmad는 다음과 같이 덧붙였습니다:
“우리 코팅은 고정을 효과적으로 제거하여 물에 의해 구동되는 진정한 수동 물 수집을 가능하게 했습니다.”
전체적으로, 이 시스템은 대기 물 수확의 품질을 크게 향상시켜, 물 자원이 점점 더 부족해지는 이 세상에서 AWH를 진정한 청정 솔루션으로 만듭니다.
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대기 물 수확 시스템의 진보
2023년 10월, 과학 저널 ‘Energy’에 게재된 기사에서 AWH 방법과 관련된 기술, 성능, 재생 에너지 솔루션 및 타당성에 대한 포괄적인 검토를 수행했습니다. 이 검토는 대기 물 수확이 12,900 km³에 달하는 방대한 담수 공급원이 될 수 있음을 강조했습니다.
검토는 다음과 같이 말했습니다:
“대기 물 수확 시스템은 최근 몇 년간 건조 지역에 지속 가능한 물 공급원을 제공한다는 점에서 인기를 얻고 있습니다.”
다음 섹션에서는 탈습, 응축, 증기 압축 냉동 사이클(VCRC), 열전 냉각기(TEC), 에어컨 유닛, 연료 전지 및 통합 시스템을 포함한 이러한 진보들을 살펴볼 것입니다.
탈습 응축
탈습 물 수확 기술은 태양광, 풍력 또는 전기원을 통해 전력을 얻습니다. 이러한 기술은 압축기/냉매 기반 또는 건조제 기반일 수 있습니다.
첫 번째 유형은 이슬점 응축을 통해 작동하며 물증기가 응축될 수 있는 차가운 표면을 제공합니다. 반면 두 번째 유형은 흡착제를 사용해 물증기를 포화시킨 뒤 가열하고, 과포화된 물증기가 더 차가운 주변 공기와 접촉할 때 표면에 응축됩니다.
증기 압축 냉동 사이클(VCRC)
이 과정은 증기를 압축한 뒤 물이나 공기로 응축하고, 밸브 또는 동력 추출 엔진을 통해 저압 및 저온으로 팽창시키는 메커니즘을 의미합니다.
열전 냉각기
2023년, 국제 정보 및 공학 기술 협회(IIETA)는 열전 냉각 기술을 이용한 대기 물 수확에 관한 연구를 발표했습니다.
이 연구는 평균 대기 습도가 75%에서 85%인 인도네시아에서 물 부족을 완화하기 위한 대체 청정 물 공급원으로 대기 공기의 가능성을 탐구하고자 했습니다.
연구원들은 열 방출을 강화하기 위해 뜨거운 측면에 히트싱크와 팬을 추가한 열전 냉각기(TEC 1-12706)를 배치했습니다. 구리로 만든 냉각 코일은 열 흡수기와 대기 공기가 통과하는 응축기 역할을 동시에 수행했습니다.
코일(직경=7.9mm; 길이=1000mm)의 냉각원은 냉각기의 냉각 측에 부착된 워터 블록에서 얻었습니다. 실험 설정은 실험실, 주거 지역, 해안 지역 등 가능한 모든 환경 설정을 포함했으며, 히트싱크 냉각 팬의 공기 흐름 속도도 변동시켰습니다.
습도 범위 72.27%~83.01%에서 데이터를 수집했으며, 결과는 히트싱크 냉각 팬의 공기 질량 흐름 속도와 공기에서 추출 가능한 물량 사이에 직접적인 상관관계가 있음을 보여주었습니다.
또한 실험은 환경 유형이 추출된 물량에 미치는 영향을 흥미롭게 보여주었으며, 해안 지역에서 실험실 및 주거 지역보다 더 많은 물을 추출할 수 있었습니다.
구체적으로, 해안 지역에서는 공기 질량 흐름 속도가 0.092 kg/s였으며, 추출 가능한 물은 시간당 7.75 ml였습니다. 실험실에서는 성능이 시간당 5.5 ml로 감소했고, 주거 지역에서는 4.75 ml였습니다. 연구자들은 공기 냉각기와 코일 표면 사이의 접촉 면적을 최대화함으로써 물 추출량을 늘릴 수 있음을 이해했습니다.
에어컨 유닛
2024년 6월, 화학 및 환경 공학 사례 연구(Case Studies in Chemical and Environmental Engineering) 저널에 발표된 연구 논문은 에어컨 시스템을 비전통적인 물 공급원으로서 물 생산 가능성을 평가했습니다.
구체적으로, 이 연구는 응축된 물의 물리·화학적 특성을 조사하고 에어컨 시스템에서 생산된 응축수 샘플에 중금속이 존재하는지를 탐색했습니다.
평가 목적은 물 품질이 요르단의 식수 기준 및 FAO의 관개용 물 가이드라인에 부합하는지 확인하는 것이었습니다.
이 연구는 재생 가능한 담수 자원이 전 세계적으로 가장 경제적으로 취약한 국가 중 하나인 요르단에서 수행되었으며, 2021년 1인당 가용량은 약 61 입방미터에 불과했습니다.
시험 결과는 샘플이 식수 가이드라인(20 °C 이하)과 관개용 처리수 기준(25 °C 이하)에서 지정된 허용 한도 대부분을 충족함을 나타냈습니다. 샘플의 온도 범위는 16 °C에서 20 °C 사이였으며 평균은 18 °C였습니다. 응축수 샘플의 pH 값은 7.16에서 7.25 사이였으며 평균은 7.20이었습니다.
연료 전지
또 다른 연구는 2020년 12월 호 Applied Energy에 발표되었으며, 연료 전지의 전기화학적 물을 증기 압축 사이클 기반 대기 물 발생기(VCC-AWG)에 재사용하는 방안을 제안했습니다.
이 솔루션 메커니즘은 연료 전지 배기가스가 주변 열교환기를 통과하면서 전기화학 폐열을 제거하고, 자연 대기보다 높은 상대 습도로 VCC-AWG에 유입되도록 활용했습니다.
과학자들은 높은 상대 습도가 에너지 투입당 담수 생산량을 증가시킬 수 있다고 제안했습니다. 결과는 상대 습도 0.75에서 2킬로와트 연료 전지를 추가하면 시간당 최대 3 kg의 담수를 생산했으며, 이는 연료 전지를 제외했을 때보다 50% 더 높은 수치였습니다.
특정 에너지 소비가 kg당 200 Wh인 경우, VCC-AWG는 연료 전지 출력에 약간의 손해를 감수하면서 통합될 수 있습니다.
통합 시스템
마지막으로, 여러 연구자들은 건조제 휠과 증발기 냉각기를 결합하여 냉각된 공기와 응축수를 동시에 제공하는 혁신적인 통합 시스템을 제안했습니다.
더 중요한 것은, 이러한 통합 시스템이 건조 환경에서 뛰어난 물 수확 능력을 입증했다는 점입니다. 예를 들어, 한 실험에서 얻은 데이터에 따르면, 1 m³ 탈습 시스템이 상대 습도 50~70%에서 카타르 가정에 하루에 15 리터 이상의 담수를 제공할 수 있었습니다.
전 세계 과학 공동체가 지속적으로 대기 물 수확 가능성을 탐구하고 그 한계를 확장해 온 반면, 기업들은 대량 채택에 적합한 솔루션을 제시했습니다. 다음 섹션에서는 이러한 기업 몇 곳을 간략히 살펴보겠습니다.
#1. Atoco
출처: Atoco
Atoco의 물 수확 기술은 상대 습도가 20% 이하인 건조한 조건에서도 대기 중에서 순수한 물을 포집하고 생성할 수 있습니다.
우리가 논의를 시작한 연구와 마찬가지로, Atoco 솔루션은 전기를 사용하지 않는 수동 모드로 작동하여 오프그리드 운영을 가능하게 하며 탄소 발자국이 없습니다.
Atoco가 새로운 망상 재료를 사용하여 생산한 물은 매우 순수하여 추가 여과가 필요 없습니다. 이는 WHO 및 EPA 기준(식수 경우)과 FAO 물 품질 기준(농업용) 등 전 세계 표준을 완전히 충족합니다.
망상 화학의 창시자인 Prof. Omar Yaghi가 설립한 Atoco는 기후 변화의 원인과 결과를 모두 해결하고, 지속 가능하고 회복력 있는 변혁적 솔루션을 대기 물 수확 분야에서 개발함으로써 지구 온난화와 물 부족 문제에 대응할 수 있다고 믿습니다.
#2. Watergen
Watergen은 이스라엘의 선구적인 기업으로, 대기 식수 장치(AWG) 시장의 글로벌 리더이며, 가장 효율적이고 경제적인 식수를 생산하는 기계를 제공합니다. 그 솔루션은 전 세계 65개국 이상에 제공되고 있습니다.
상업용 Gen-L 솔루션은 하루에 최대 6,000리터를 생산할 수 있으며, 소형 Genny 솔루션은 하루에 30리터를 제공합니다. 이 두 제품 사이에는 모든 유형의 요구에 맞는 솔루션이 있습니다.
2022년, Watergen은 SMV Jaipuria Group과 전략적 합작 투자를 발표했으며, 향후 2~3년 동안 인도에 물-공기 기술 제품을 도입하기 위해 5천만 달러 이상의 투자를 계획했습니다.
맺음말
전체적으로, 세계는 풍부하게 보유한 또 다른 자연 자원인 대기 공기를 능숙하게 활용함으로써 물 부족 문제에 정면으로 맞설 준비가 되어 있습니다.
하지만 생산 비용을 낮추고 에너지 사용을 없거나 최소화하여 환경적으로 지속 가능한 프로세스를 구현함으로써 한계를 확장하기 위한 추가 작업이 필요합니다.
물 부족 국가 대부분은 저소득 경제국입니다. 이들은 대중에게 저렴하고 가능한 가장 원활하게 배치할 수 있는 솔루션이 제공되어야 합니다.
