증발에 대한 새로운 이해가 광자를 통해 ‘광분자 효과’로 담수화 과정을 개선할 수 있다

온도, 습도, 공기 흐름, 압력은 액체 상태의 물이 수증기로 바뀌는 속도에 영향을 줍니다. 매사추세츠공과대학교(MIT)의 새로운 연구는 빛의 직접적인 역할도 제시합니다. 2023년에 발표된 연구에서 과학자들은 특정 조건에서 광자가 에너지를 먼저 모두 열로 바꾸지 않고도 물과 공기의 경계에서 물 분자 무리를 떼어낼 수 있다는 증거를 발견했습니다.

증발에 영향을 주는 알려진 요인

이번 발견의 의미를 이해하려면 먼저 증발 속도에 영향을 주는 기존 요인을 살펴볼 필요가 있습니다.

1. 열:물 분자는 끊임없이 움직입니다. 열에너지를 흡수하면 평균 운동에너지가 커집니다. 표면에서 충분한 에너지를 지닌 분자는 액체 내부의 인력을 극복하고 수증기로 빠져나갈 수 있습니다.
2. 표면적: 증발 속도는 물의 표면적에도 의존합니다. 표면적이 클수록 더 많은 분자가 공기에 노출되어 증발할 수 있습니다.
3. 습도:표면 가까이 있는 공기의 수증기 함량은 순증발량에 영향을 줍니다. 공기가 포화 상태에 가까워질수록 순증발은 대체로 느려집니다. 같은 온도에서는 건조한 공기가 습한 공기보다 증발을 더 촉진하는 경향이 있습니다.
4. 공기 흐름:바람과 공기 흐름은 표면 위의 수증기를 다른 곳으로 옮깁니다. 이에 따라 국소적인 습도가 낮아져 추가 증발이 촉진될 수 있습니다.
5. 압력:주변 압력이 낮아지면 물의 끓는점이 내려갑니다. 표면 증발에 미치는 영향은 온도, 수증기 분압, 수증기의 이동에도 달려 있습니다. 끓음과 표면 증발은 서로 다른 과정입니다.
6. 물의 온도: 외부 열원 외에도 물 자체의 온도가 요인입니다. 물이 따뜻할수록 분자들이 평균적으로 더 많은 에너지를 가지고 있어 더 빠르게 증발합니다.

일반적인 열적 증발에서는 충분한 에너지를 지닌 분자가 액체를 떠납니다. 온도, 습도, 압력, 공기 흐름, 노출된 표면적이 순증발 속도에 영향을 줍니다. 2023년 연구는 여기에 광자의 직접적인 기여가 있는지 조사했습니다.

기화, 증발, 응결의 차이

기화:액체가 기체로 변하는 과정을 통틀어 이르는 말로, 표면 증발과 끓음을 포함합니다. 끓을 때는 액체의 증기압이 주변 압력에 도달하면서 액체 내부에 수증기 기포가 생깁니다.

응결:응결은 수증기가 액체로 변하는 과정이며, 냉각 등이 원인이 될 수 있습니다.

표면 증발은 액체와 기체의 경계에서 일어나며 끓는점 아래에서도 발생할 수 있습니다.

어떻게 연구했나?

MIT 연구진은 많은 물을 머금을 수 있는 그물 구조 물질인 하이드로젤 속 물을 대상으로 실험과 시뮬레이션을 수행했습니다. 공급한 열에너지로 설명할 수 있는 양보다 더 많은 물이 증발했던 기존 측정 결과를 이해하는 것이 목적이었습니다.

연구진은 물을 포함한 하이드로젤에 태양광 시뮬레이터와 여러 파장의 빛을 비추고 질량 감소와 온도를 측정했습니다. 추가적인 열 유입을 줄이도록 광원을 차폐했습니다. 증발은 약 520나노미터의 녹색광에서 가장 강했습니다. 비슷한 열에너지를 공급하는 전기 가열에서는 같은 수준의 열적 한계 초과가 나타나지 않았습니다.

연구진은 가시광선 광자가 경계면의 물 분자 무리를 직접 떼어낼 수 있다는 가설로 결과를 설명하고 이를 광분자 효과라고 불렀습니다. 관측 결과는 비열적 증발 기여를 뒷받침합니다. 빛은 여전히 에너지를 공급하므로 에너지 보존 법칙은 유지됩니다.

왜 중요한가?

이 메커니즘이 후속 연구로 확인되고 실제로 활용될 수 있다면 산업과 환경과학에 응용될 가능성이 있습니다. 증발 제어는 새로운 재료, 열관리, 에너지 저장 및 회수 시스템 개발에 도움이 될 수 있습니다.

농업에서는 특정 파장의 노출을 제한하면 증발 손실을 줄이고 관개용수를 더 효율적으로 쓸 수 있는지 연구할 수 있습니다.

물방울과 다른 표면에서의 증발을 더 잘 이해하면 구름, 안개, 물 순환 모델을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

제약 및 식품 산업에서는 건조 공정의 효율을 높이고 수분 제거를 정밀하게 제어하는 데 활용할 가능성이 있습니다.

건물과 도시 환경에서는 태양에너지를 이용한 증발 냉각의 기회가 될 수 있습니다. 이는 개발 가능성이지, 해당 연구가 상용 시스템을 입증했다는 뜻은 아닙니다.

담수화의 잠재적 응용

연구진은 특히 태양에너지를 이용한 담수화를 응용 분야로 꼽았습니다. 생성된 수증기를 모아 담수로 응결시키는 공정이라면 증발 단계의 효율 향상이 도움이 될 수 있습니다.

담수화는 물에 녹아 있는 염분을 제거하는 과정입니다. 증발과 응결을 이용하거나 역삼투와 같은 막 공정을 사용할 수 있습니다. 태양에너지는 열이나 전기를 공급할 수 있습니다. 아래 기업들은 이 분야의 다양한 활동을 보여주는 사례이며, 해당 연구는 이들이 이미 광분자 효과를 사용한다고 입증하지 않았습니다.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): 케이맨 제도에 기반을 둔 Consolidated Water는 1973년에 설립됐습니다. 수처리 및 해수 담수화 시설을 설계·건설·운영하며 해수 처리에는 주로 역삼투를 사용합니다.

2023년 원문의 시장 현황에는 Consolidated Water의 다음 수치가 제시됐습니다.

시가총액: 465,675,764미국 달러

다음 해 예상 이익 기준 주가수익비율(P/E): 20.06

주당순이익(EPS): 자료 없음

Solar Water Plc: 이 영국 기업은 일조량이 많고 담수가 부족한 지역을 위한 태양광 돔 담수화 구상을 개발했습니다. NEOM은 2020년에 이 기술의 시범사업 계약을 발표했습니다.

Abengoa:이 스페인 그룹은 중동과 북아프리카 등을 포함해 대규모 담수화 시설 및 태양에너지 프로젝트 경험을 갖고 있습니다.

Abengoa는 여러 해 동안 재정난을 겪었습니다. 2023년 4월 도산 절차에서 생산 사업 부문을 Cox Energy에 넘기기로 결정됐습니다. 해당 사업에서는 물과 에너지 공정의 효율이 계속 중요합니다.

이 사례들은 물 공급에 대한 다양한 접근을 보여줍니다. 담수화는 건조 지역의 담수 수요에 기여할 수 있지만 에너지 사용, 비용, 농축 염수 처리도 함께 관리해야 합니다.

맺음말

이번 발견은 익숙한 개념과 과정에서도 새로운 메커니즘을 연구할 여지가 있음을 보여줍니다. 잠재적 활용 분야는 담수화와 건조에서 기후 모델링과 냉각까지 이어집니다.

Consolidated Water, Veolia, Solar Water Plc 같은 기업에는 과학적 진보가 장기적으로 개발 기회를 줄 수 있습니다. 실험실 결과를 신뢰할 수 있고 경제성 있는 해결책으로 바꾸려면 추가 시험이 필요합니다.