여기 보이는 것과 같은 시멘트 공장은 기후 온난화의 주요 원인인 이산화탄소를 배출하는 주요 원천입니다. 하지만 이러한 오염 물질 중 일부는 새로운 유형의 연료로 전환될 수 있습니다. 이 소금은 수십 년 또는 그 이상 안전하게 보관할 수 있습니다.
이번 기사는 기후 변화의 속도를 늦추고, 그 영향을 줄이며, 급변하는 세상에 지역사회가 대처할 수 있도록 돕는 새로운 기술과 행동들을 살펴보는 시리즈의 또 다른 이야기입니다.
이산화탄소(CO2)는 지구 온난화의 주요 원인 가스로, 지구 대기를 데우는 여러 활동의 결과물입니다. 대기 중에서 CO2를 추출하여 저장하는 아이디어는 새로운 것이 아니지만, 특히 비용 부담 측면에서 실현하기는 쉽지 않습니다. 새로운 시스템은 이러한 문제를 기존과는 조금 다른 방식으로 해결합니다. 바로 기후 온난화를 유발하는 이산화탄소를 화학적으로 연료로 전환하는 것입니다.
11월 15일, 매사추세츠 공과대학(MIT)의 연구진은 학술지 Cell Reports Physical Science에 획기적인 연구 결과를 발표했습니다.
새로운 시스템은 두 부분으로 나뉩니다. 첫 번째 부분은 공기 중의 이산화탄소를 포름산염이라는 분자로 변환하여 연료를 생산하는 것입니다. 이산화탄소와 마찬가지로 포름산염은 탄소 원자 1개, 산소 원자 2개, 수소 원자 1개를 포함하고 있으며, 그 외에도 여러 원소를 함유하고 있습니다. 이번 연구에서는 나트륨이나 칼륨에서 추출되는 포름산염을 사용했습니다.
대부분의 연료전지는 수소를 연료로 사용하는데, 수소는 가연성이 높은 가스로 운송을 위해서는 파이프라인과 고압 탱크가 필요합니다. 하지만 연료전지는 포름산염으로도 작동할 수 있습니다. 새로운 시스템 개발을 이끈 재료과학자 리 주에 따르면, 포름산염은 수소와 비슷한 에너지 함량을 가지고 있습니다. 리 주는 또한 포름산염이 수소에 비해 몇 가지 장점이 있다고 지적했습니다. 포름산염은 더 안전하고 고압 저장이 필요하지 않습니다.
MIT 연구진은 이산화탄소로부터 생성한 포름산염을 연료 전지로 활용하기 위한 실험을 진행했습니다. 먼저, 포름산염을 물과 섞은 후 연료 전지에 주입했습니다. 연료 전지 내부에서 포름산염은 화학 반응을 통해 전자를 방출했습니다. 이 전자들은 연료 전지의 음극에서 양극으로 흐르며 전기 회로를 완성했습니다. 실험 기간 동안 이 전자들의 흐름, 즉 전류는 200시간 동안 지속적으로 발생했습니다.
MIT에서 리 교수와 함께 연구하는 재료 과학자 젠 장은 자신의 팀이 10년 안에 이 새로운 기술을 대량 생산할 수 있을 것이라고 낙관하고 있다.
MIT 연구팀은 화학적 방법을 이용해 이산화탄소를 연료 생산의 핵심 성분으로 전환했습니다. 먼저, 이산화탄소를 고알칼리 용액에 노출시켰는데, 이때 수산화나트륨(NaOH), 즉 흔히 양잿물로 알려진 용액을 사용했습니다. 이 용액은 화학 반응을 일으켜 탄산수소나트륨(NaHCO3), 즉 베이킹소다를 생성합니다.
그런 다음 전원을 켰습니다. 전류는 새로운 화학 반응을 일으켜 베이킹 소다 분자의 모든 산소 원자를 분해하고 포름산나트륨(NaCHO2)을 남겼습니다. 그들의 시스템은 이산화탄소(CO2)에 있는 탄소의 거의 전부, 즉 96% 이상을 이 소금으로 변환했습니다.
산소를 제거하는 데 필요한 에너지는 포름산염의 화학 결합에 저장됩니다. 리 교수는 포름산염이 잠재 에너지를 잃지 않고 수십 년 동안 이 에너지를 저장할 수 있다고 언급했습니다. 그런 다음 포름산염이 연료 전지를 통과할 때 전기를 생성합니다. 포름산염 생산에 사용되는 전기가 태양광, 풍력 또는 수력 발전에서 나온다면 연료 전지에서 생성된 전기는 청정 에너지원이 될 것입니다.
이 신기술을 대량 생산하려면 "풍부한 알칼리성 용액 자원을 찾아야 한다"고 이 교수는 말했다. 그는 알칼리 현무암이라는 암석을 연구했는데, 이 암석은 물과 섞으면 알칼리성 용액으로 변한다.
파르잔 카제미파르는 캘리포니아주 산호세 주립대학교의 엔지니어입니다. 그의 연구는 지하 소금층에 이산화탄소를 저장하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 그는 대기에서 이산화탄소를 제거하는 것은 항상 어렵고 비용이 많이 든다고 말합니다. 따라서 이산화탄소를 포름산염과 같은 유용한 제품으로 전환하는 것이 수익성이 높다는 것입니다. 제품 가격이 생산 비용을 상쇄할 수 있기 때문입니다.
대기 중 이산화탄소를 포집하는 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. 예를 들어, 리하이 대학교의 과학자 연구팀은 최근 대기 중 이산화탄소를 걸러내 베이킹소다로 전환하는 새로운 방법을 개발했습니다. 다른 연구 그룹들은 이산화탄소를 특수 암석에 저장하여 고체 탄소로 변환한 후, 이를 에탄올이라는 알코올 연료로 가공하는 연구를 진행하고 있습니다. 하지만 이러한 프로젝트들은 대부분 소규모로 진행되어 대기 중 높은 이산화탄소 농도를 줄이는 데 아직까지는 큰 영향을 미치지 못하고 있습니다.
이 사진은 이산화탄소를 연료로 사용하는 집을 보여줍니다. 사진 속 장치는 이산화탄소(빨간색과 흰색 기포 속 분자)를 포름산염(파란색, 빨간색, 흰색, 검은색 기포)이라는 염으로 변환합니다. 이렇게 생성된 포름산염은 연료 전지에서 전기를 생산하는 데 사용될 수 있습니다.
카제미파르는 최선의 선택은 "먼저 온실가스 배출량을 줄이는 것"이라고 말했습니다. 이를 위한 한 가지 방법은 화석 연료를 풍력이나 태양열과 같은 재생 에너지원으로 대체하는 것입니다. 이는 과학자들이 "탈탄소화"라고 부르는 전환 과정의 일부입니다. 하지만 그는 기후 변화를 막으려면 다각적인 접근 방식이 필요하다고 덧붙였습니다. 그는 탈탄소화가 어려운 분야에서 탄소를 포집하기 위해서는 이러한 새로운 기술이 필요하다고 강조했습니다. 예를 들어 제철소와 시멘트 공장을 들 수 있습니다.
MIT 연구팀은 자신들의 신기술을 태양광 및 풍력 발전과 결합했을 때 얻을 수 있는 이점도 기대하고 있습니다. 기존 배터리는 에너지를 몇 주 동안 저장하도록 설계되었지만, 여름철 햇빛을 겨울이나 그 이후까지 저장하려면 다른 접근 방식이 필요합니다. 리 교수는 "포름산 연료를 사용하면 더 이상 계절적인 저장에만 국한되지 않고 여러 세대에 걸쳐 에너지를 저장할 수 있을 것"이라고 말했습니다.
금처럼 반짝이지는 않겠지만, "포름산염 200톤을 아들딸들에게 유산으로 남겨줄 수 있다"고 리 씨는 말했다.
알칼리성: 용액에서 수산화 이온(OH-)을 생성하는 화학 물질을 설명하는 형용사입니다. 이러한 용액은 산성 용액과 반대되는 개념으로 알칼리성이라고도 하며, pH는 7보다 큽니다.
대수층: 지하에 물을 저장할 수 있는 암석층. 이 용어는 지하 분지에도 적용됩니다.
현무암: 검은색 화산암으로, 일반적으로 밀도가 매우 높습니다(화산 폭발로 인해 내부에 가스 덩어리가 남은 경우는 제외).
결합: (화학에서) 분자 내 원자(또는 원자단) 사이의 반영구적인 연결. 결합은 참여하는 원자들 사이의 인력에 의해 형성된다. 일단 결합이 형성되면 원자들은 하나의 단위처럼 작용한다. 구성 원자들을 분리하려면 열이나 다른 형태의 에너지를 분자에 공급해야 한다.
탄소: 지구상의 모든 생명체의 물리적 기반이 되는 화학 원소입니다. 탄소는 흑연과 다이아몬드 형태로 자유롭게 존재합니다. 석탄, 석회석, 석유의 중요한 구성 요소이며, 화학적으로 자가 결합하여 화학적, 생물학적, 상업적 가치가 있는 다양한 분자를 형성할 수 있습니다. (기후 연구에서) 탄소라는 용어는 때때로 이산화탄소와 거의 같은 의미로 사용되어, 특정 행위, 제품, 정책 또는 과정이 대기 온난화에 장기적으로 미칠 수 있는 잠재적 영향을 지칭하는 데 쓰입니다.
이산화탄소(CO2)는 모든 동물이 호흡하는 산소가 섭취하는 탄소가 풍부한 음식과 반응할 때 생성되는 무색, 무취의 기체입니다. 이산화탄소는 석유나 천연가스와 같은 화석 연료를 포함한 유기물이 연소될 때도 발생합니다. 이산화탄소는 지구 대기에 열을 가두는 온실 가스입니다. 식물은 광합성을 통해 이산화탄소를 산소로 전환하고, 이 과정을 이용하여 스스로 양분을 만듭니다.
시멘트: 두 재료를 결합하여 굳히는 데 사용되는 결합제 또는 두 재료를 접착하는 데 사용되는 걸쭉한 접착제. (건축) 모래나 쇄석을 결합하여 콘크리트를 만드는 데 사용되는 미세하게 분쇄된 재료. 시멘트는 일반적으로 분말 형태로 만들어지지만, 물에 젖으면 진흙 같은 슬러리가 되어 마르면서 굳어집니다.
화학 물질: 두 개 이상의 원자가 일정한 비율과 구조로 결합(결합)하여 이루어진 물질. 예를 들어, 물은 두 개의 수소 원자가 하나의 산소 원자에 결합된 화학 물질입니다. 물의 화학식은 H₂O입니다. "화학 물질"은 또한 여러 화합물 간의 다양한 반응으로 인해 나타나는 물질의 성질을 설명하는 형용사로도 사용될 수 있습니다.
화학 결합: 원자들 사이에 작용하는 인력으로, 결합된 원소들이 하나의 단위처럼 기능하게 할 만큼 충분히 강합니다. 어떤 인력은 약하고, 어떤 인력은 강합니다. 모든 결합은 전자를 공유(또는 공유하려는 시도)함으로써 원자들을 연결하는 것으로 보입니다.
화학 반응: 물질의 물리적 형태 변화(예: 고체에서 기체로)가 아닌 분자 또는 구조의 재배열을 수반하는 과정.
화학: 물질의 구성, 구조, 성질 및 상호작용을 연구하는 과학 분야. 과학자들은 이 지식을 이용하여 미지의 물질을 연구하고, 유용한 물질을 대량으로 생산하거나, 새롭고 유용한 물질을 설계하고 만들어낸다. (화합물에 대해) 화학은 또한 화합물의 화학식, 제조 방법 또는 일부 성질을 지칭하기도 한다. 이 분야에서 일하는 사람들을 화학자라고 한다. (사회과학에서) 사람들이 협력하고, 잘 지내고, 서로의 존재를 즐기는 능력.
기후 변화: 지구 기후의 중대한 장기적 변화. 이는 자연적으로 발생하거나 화석 연료 연소 및 삼림 벌채를 포함한 인간 활동의 결과로 발생할 수 있습니다.
탈탄소화: 이산화탄소와 메탄과 같은 탄소 기반 온실가스를 대기 중으로 배출하는 오염 유발 기술, 활동 및 에너지원에서 의도적으로 벗어나는 것을 의미합니다. 목표는 기후 변화에 영향을 미치는 탄소 가스의 양을 줄이는 것입니다.
전기: 음전하를 띤 입자인 전자의 움직임으로 인해 발생하는 전기적 전하의 흐름.
전자: 음전하를 띤 입자로, 일반적으로 원자의 바깥쪽 궤도를 돌며, 고체에서 전기를 운반하는 역할을 합니다.
엔지니어: 과학과 수학을 이용하여 문제를 해결하는 사람. 동사로 쓰일 때는 문제를 해결하거나 충족되지 않은 요구를 해결하기 위해 장치, 재료 또는 공정을 설계하는 것을 의미합니다.
에탄올: 에틸알코올이라고도 불리는 알코올의 일종으로, 맥주, 와인, 증류주 등의 알코올 음료의 기본 재료입니다. 또한 용매 및 연료(예: 휘발유와 혼합)로도 사용됩니다.
필터: (명사) 크기나 기타 특성에 따라 어떤 물질은 통과시키고 어떤 물질은 통과시키는 것. (동사) 크기, 밀도, 전하 등의 속성을 기준으로 특정 물질을 선택하는 과정. (물리학에서) 빛이나 기타 방사선을 흡수하거나 특정 성분의 통과를 선택적으로 차단하는 스크린, 판 또는 물질층.
포름산염: 지방산의 산화 형태인 포름산의 염 또는 에스테르를 나타내는 일반적인 용어입니다. (에스테르는 특정 산의 수소 원자가 특정 유형의 유기 그룹으로 치환되어 형성된 탄소 기반 화합물입니다. 많은 지방과 에센셜 오일은 천연 지방산 에스테르입니다.)
화석 연료: 석탄, 석유(원유), 천연가스 등과 같이 수백만 년에 걸쳐 지구 내부에서 박테리아, 식물 또는 동물의 잔해가 분해되어 형성된 모든 연료를 말합니다.
연료: 제어된 화학 반응이나 핵 반응을 통해 에너지를 방출하는 모든 물질. 화석 연료(석탄, 천연가스, 석유)는 가열될 때(일반적으로 연소점까지) 화학 반응을 통해 에너지를 방출하는 대표적인 연료입니다.
연료 전지: 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치. 가장 흔한 연료는 수소이며, 유일한 부산물은 수증기이다.
지질학: 지구의 물리적 구조, 구성 물질, 역사 및 지구에서 일어나는 과정과 관련된 모든 것을 설명하는 형용사입니다. 이 분야에서 일하는 사람들을 지질학자라고 합니다.
지구 온난화: 온실 효과로 인해 지구 대기 전체의 온도가 점진적으로 상승하는 현상. 이러한 현상은 대기 중 이산화탄소, 염화불화탄소 및 기타 가스 농도 증가로 인해 발생하며, 이러한 가스의 상당수는 인간 활동에서 배출됩니다.
수소: 우주에서 가장 가벼운 원소입니다. 기체 상태일 때는 무색, 무취이며, 매우 가연성이 높습니다. 많은 연료, 지방, 그리고 생체 조직을 구성하는 화학 물질의 구성 요소입니다. 수소는 양성자(핵) 하나와 그 주위를 도는 전자 하나로 이루어져 있습니다.
혁신: (동사: 혁신하다; 형용사: 혁신적인) 기존의 아이디어, 프로세스 또는 제품을 더 새롭고, 더 똑똑하고, 더 효율적이며, 더 유용하게 만들기 위해 조정하거나 개선하는 것.
가성소다: 수산화나트륨(NaOH) 용액의 총칭. 가성소다는 비누를 만들 때 식물성 기름이나 동물성 지방 및 기타 재료와 혼합되는 경우가 많다.
재료 과학자: 재료의 원자 및 분자 구조와 전반적인 물성 사이의 관계를 연구하는 연구자. 재료 과학자는 새로운 재료를 개발하거나 기존 재료를 분석할 수 있습니다. 밀도, 강도, 융점과 같은 재료의 전반적인 물성을 분석하면 엔지니어 및 기타 연구자들이 새로운 응용 분야에 가장 적합한 재료를 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다.
분자: 화학 화합물의 가장 작은 단위인 전기적으로 중성인 원자들의 집합체. 분자는 한 종류의 원자로만 구성될 수도 있고, 여러 종류의 원자로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 공기 중의 산소는 두 개의 산소 원자(O₂)로 이루어져 있고, 물은 두 개의 수소 원자와 하나의 산소 원자(H₂O)로 이루어져 있다.
오염물질: 공기, 물, 사람, 음식 등 무언가를 오염시키는 물질. 오염물질 중에는 살충제와 같은 화학물질이 있다. 방사선, 과도한 열이나 빛도 오염물질에 해당한다. 잡초나 외래 침입종 또한 생물 오염의 한 형태로 볼 수 있다.
강력한: 매우 강하거나 강력한 것(예: 세균, 독, 약, 산)을 나타내는 형용사.
재생 가능: 무한정으로 보충될 수 있는 자원(예: 물, 녹색 식물, 햇빛, 바람)을 나타내는 형용사입니다. 이는 공급량이 제한되어 고갈될 수 있는 비재생 가능 자원과 대조됩니다. 비재생 가능 자원에는 석유(및 기타 화석 연료) 또는 비교적 희귀한 원소 및 광물이 포함됩니다.