지속가능성
초음파 기술이 대기 물 수확을 초고속으로 강화한다
TL;DR
MIT의 초음파 장치는 습한 공기에서 물을 추출하는 효율이 열 기반 시스템보다 최대 45배 높아져, 사이클을 몇 시간에서 몇 분으로 단축합니다. 재생 에너지와 결합해 규모화한다면, 건조하고 외딴 지역에서 실용적인 오프그리드 깨끗한 물 생산이 가능해질 수 있습니다.
얇은 공기에서 깨끗한 물: 대기 수분 수확 기본
전 세계 많은 지역에서 담수는 귀중한 자원입니다. 접근 방법 중 하나는 담수화이지만, 현재까지 이는 매우 에너지 집약적인 방식이며, 최근 태양광 기술의 일부 진전이 현실에 가까워졌다고 해도 마찬가지입니다.
해수 담수화는 중앙아시아, 몽골, 칠레 산악지대, 사하라 사막 대부분과 같은 내륙 건조 지역에서도 실현 가능하지 않습니다.
또 다른 방법은 공기 중에 존재하는 물을 포집하는 것입니다. 많은 사막은 실제로 대기 습도가 꽤 높지만, 기후적 이유로 비와 구름이 형성되지 않습니다.
이것이 대기 물 수확의 약속입니다. 우리는 이전에 실리콘 코팅을 결합한 수동 냉각이 중력 기반 물 수확 효율을 향상시킬 수 있는 방법과 새로운 흡착 폴리머도 도움이 될 수 있습니다에 대해 다뤘습니다.
연구자들은 이제 대기 습도 수확을 더욱 개선하려고 연구하고 있으며, 이는 공상 과학 소설 듄 세계의 물 수확 “윈드트랩”에 점점 가까워지고 있습니다.
MIT 팀은 독일 기업 SmarAct Metrology GmbH & Co. KG와 협력하여 초음파를 사용해 대기 물 흡착 효율을 높였습니다. 그들은 그 결과를 Nature Communications^1에 “High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction”라는 제목으로 발표했습니다.
대기 물 흡착 설명
공기 중 물을 수확하는 한 방법은 물을 “흡착”하는 폴리머를 사용하는 것입니다.
흡착은 고체 물질, 즉 “흡착제”가 표면과 접촉하는 가스나 용액의 분자를 끌어당기는 능력이며, 여기서는 공기 중 수증기와 물방울을 의미합니다.
일상 생활에서 우리는 상업용 포장에 사용되는 실리카 겔과 같은 흡착제를 알고 있습니다. 이는 실제로 비교적 효율적인 과정이며, 주변 물을 많이 수집할 수 있습니다.
문제는 폴리머가 물을 방출하도록 만드는 것입니다. 일반적으로 이러한 폴리머를 탈착하기 위해 약 100°C의 열이 필요하며, 이는 물론 에너지 효율이 낮고 비용이 많이 듭니다.
“물 포집에 매우 뛰어난 어떤 물질도 그 물을 놓고 싶어하지 않습니다. 따라서 물을 물질에서 끌어내기 위해 많은 에너지와 귀중한 시간이 필요합니다.” – Svetlana Boriskina, Principal research scientist
새로운 폴리머를 사용해도 낮은 온도에서 물을 방출하는 데 열을 이용하면 과정이 느려 수십 분에서 몇 시간이 걸리는 문제가 있습니다. 결과적으로 대부분의 물 흡착 시스템은 밤에 물을 포집하고 낮에 태양열로 방출해야 합니다.
반대로 초음파를 사용하면 물 수확 시간을 몇 분으로 단축할 수 있으며, 필요에 따라 수행할 수 있습니다.
초음파의 잠재력
초음파, 즉 초음파 파동은 20킬로헤르츠(20,000 사이클/초) 이상의 주파수로 전파되는 음압 파동입니다. 이들은 바이오프린팅 및 원격 의료 기기 전원 공급과 같은 첨단 응용 분야에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
초음파는 물 분자와 이를 흡착한 물질을 분리시키기에 적절한 주파수로 진동하는 것으로 보입니다.
연구진은 전압이 가해지면 진동하는 납 지르코네이트 티타네이트(PZT)로 만든 평평한 세라믹 링을 설계했습니다.
“물은 파동과 함께 춤추는 듯하며, 이 목표된 교란이 물 분자를 방출시키는 운동량을 생성하고, 우리는 물방울이 흔들려 나오는 것을 볼 수 있습니다.” – Svetlana Boriskina, Principal research scientist
물을 흡착하기 위해, 연구진은 탄성도가 다양한 여러 종류의 PAM-LiCl AWH 하이드로겔을 사용했으며, 이들은 모두 리튬 및 염화 이온을 포함해 공기 중 물을 포집했습니다.
시험 결과, 이 장치는 몇 분 안에 각 샘플을 건조시킬 만큼 충분한 물을 흔들어 추출할 수 있었습니다.
전자 현미경으로 하이드로겔을 검사한 결과, 초음파가 겔을 손상시키지 않았음이 확인되었으며, 이 장치는 실용적인 사용에 충분히 내구성이 있음을 보여줍니다.
엄청난 효율 향상
지금까지 열 기반 물 방출은 한 번만 일어나었기 때문에, 과정의 효율은 매우 낮았으며, 최첨단 장치조차도 단지 9.5%의 효율을 보였습니다.
반면 MIT 시스템은 하루 동안 물을 반복적으로 생산할 수 있어 효율이 428%에 달하거나, 효율이 45배 증가합니다.
“하루에 얼마나 많은 물을 추출할 수 있는지가 핵심입니다.”라고 그녀는 말합니다. “초음파를 사용하면 물을 빠르게 회수하고, 반복해서 사이클할 수 있습니다. 이는 하루에 상당한 양이 될 수 있습니다.” – Svetlana Boriskina, Principal research scientist
따라서 장치가 열(줄 효과)으로 약간의 에너지를 낭비하긴 하지만, 지금까지 개발된 모든 다른 물 수확 방법보다 여전히 훨씬 효율적입니다.
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| 방법 | 에너지 원 | 사이클 속도 | 효율 (%) |
|---|---|---|---|
| 전통적인 열 기반 AWH | 태양열 | 사이클당 시간 | ~9.5% |
| MIT 초음파 추출 | 전기(태양광/풍력) | 사이클당 2분 | ~428% |
“사람들은 대기에서 물을 수확하는 방법을 찾아왔으며, 이는 특히 사막 지역과 담수가 전혀 없는 곳에서 큰 물 공급원이 될 수 있습니다.
이제 우리는 물을 빠르고 효율적으로 회수할 수 있는 방법을 갖게 되었습니다.” – Svetlana Boriskina, Principal research scientist
건조하고 외딴 지역에서의 실제 적용
우선, 이 장치의 가장 적합한 적용 분야는 에너지와 식수 인프라에 접근이 제한된 외딴 사막 지역이 될 것입니다.
열 기반 흡착과 달리, 이 장치는 초음파를 생성하기 위해 전력이 필요하므로, 분산형 에너지 생산이 필요합니다. 이는 다음 중 하나로 제공될 수 있습니다:
- MIT 실험에서 사용된 태양광 패널과 같은 형태.
- 풍력, 이는 밤에도 작동할 수 있어 습도가 더 높아져 시간당 2분 물 수확 사이클을 더 많이 수행할 수 있습니다.
- 재생 에너지 생산 + 배터리 시스템을 결합해 24시간 운영.
이상적인 사이클 주기를 테스트한 결과, 연구진은 물질이 1시간 동안 물을 흡수하고, 초음파로 2분에 방출한 뒤 사이클을 반복하는 것이 이상적인 리듬임을 발견했습니다.
더 중요한 것은, 초음파로 물을 추출하는 데 필요한 에너지가 열 기반 방식에서 보이는 서서히 감소하는 현상과 달리 일정하게 유지된다는 점입니다.
대기 물 수확의 미래 개선
차세대 흡착제 소재
이 방법은 리튬 하이드로겔을 사용했지만, 다른 흡착제 소재도 많이 존재합니다: 다른 하이드로겔, 금속-유기 프레임워크, 마이크로·나노 섬유 매트, 그리고 이들 소재의 조합.
각각은 대체 추출 방법과의 호환성을 향상시키기 위해 재평가 및 재설계가 필요합니다.
이러한 다른 흡착제의 내열성 및 내구성도 평가되어야 합니다.
초음파 효율 개선
NASA가 PZT 액추에이터에 대해 580일 동안 최대 1천억 사이클 테스트를 수행하고 눈에 띄는 손상이나 성능 저하가 없음을 확인했으므로, 장치의 초음파 발생 부품은 매우 내구성이 높을 것으로 예상됩니다.
하지만 이번 실험에 사용된 설계는 전력을 초음파로 변환하는 효율이 상대적으로 낮아 17~19%에 불과합니다.
단일 링형 액추에이터 대신 1~3 복합 압전 트랜스듀서 어레이 장치를 사용하면 효율을 35%까지 높일 수 있습니다.
더 큰 PZT 기반 초음파는 여기서 테스트된 작은 실험 장치보다 훨씬 효율적일 수 있습니다. 따라서 PZT 소재를 보정하고 개선하면 전체적으로 1,000% 이상의 효율도 달성 가능할 것입니다.
물 생성 타워를 향해?
또 다른 중요한 개선점은 초음파 추출이 흡착제 표면을 햇빛에 노출시킬 필요가 없다는 것입니다. 따라서 장치를 수직으로 겹쳐 쌓을 수 있으며, 원칙적으로 수직 행의 수에 제한이 없습니다.
태양광을 흡수하기 위한 대규모 필드 대신, 각 쌓인 장치에서 물을 흐르게 하는 대형 타워를 구축하여 보다 중앙집중식 설계를 구현할 수 있습니다.
물 부족을 해결하는 기업들
Xylem Inc.
(XYL )
유럽의 Veolia와 함께, Xylem은 물 정화, 폐수 처리 및 담수화 분야의 글로벌 리더입니다. 23,000명 이상의 직원을 고용하고(그 중 6,000명 이상이 엔지니어) 150개국에서 운영되며, 미국에 집중하고 35,000개 이상의 직접 산업 고객을 보유하고 있습니다.
주요 시장은 지방 자치단체의 식수 및 폐수이지만, 의료, 전력, 식음료, 석유·가스, 마이크로전자 등 다른 분야에도 물 관련 전용 솔루션을 제공합니다.
출처: Xylem
Xylem은 오존 발생기, UV 램프, 담수화 멤브레인, 초순수 발생기 등 물을 정화하거나 생산하는 데 필수적인 특허 장비를 제공할 수 있습니다.
하지만 터빈, 펌프, 배관, 주입 설비, 소프트웨어 등 물 관련 작업에 동일하게 중요한 “단순한” 장비와 유지보수, 수리, 설치 서비스를 제공하여 대부분의 물 적용 분야에 원스톱 솔루션을 제공합니다.
출처: Xylem
물 시장은 여전히 매우 분산된 형태이며, Xylem은 이 분야에서 가장 큰 기업 중 하나이지만, 800억 달러 규모의 주소 가능한 시장 중 10%의 점유율만을 차지하고 있습니다.
이 회사는 매출의 약 4%를 연구개발에 투자합니다. 영구 화학물질인 PFAS(과불소화합물)와 관련된 새로운 규제로부터 혜택을 받을 것이며, 6,000개 이상의 유틸리티 시설이 PFAS 처리를 필요로 합니다.
Xylem은 꾸준히 성장해 왔으며, 순이익은 2012년 2억 9700만 달러에서 2023년 6억 900만 달러로 증가했으며, 17~19%의 EBITDA 마진을 유지하고 있습니다.
전반적으로 이는 회사의 투자 프로필을 전통적인 산업 기업(주기적)보다 전체 경제와 함께 성장하거나 약간 상회하는 유틸리티 기업에 가깝게 만듭니다.
최신 Xylem (XYL) 주식 뉴스 및 개발
참조 연구
1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2
