"공기 중 물 흡수해 식수로…독일 연구진, 스펀지형 신소재 개발"

독일 킬대학교 연구진 개발

독일 킬대학교(CAU) 연구진이 공기 중 수분을 식수로 바꿀 수 있는 스펀지 형태 신소재를 개발했다고 과학매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다.

이번 연구는 지중해 연안과 같은 건조 지역에 식수 공급 문제를 해결하는 데 큰 기여를 할 전망이다. 또  에너지 효율이 높은 냉방 기술 개발에도 활용될 수 있는 가능성을 제시했다. 연구 결과는 국제학술지 저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)와 인더스트리얼 앤드 엔지니어링 케미스트리 리서치(Industrial & Engineering Chemistry Research, I&EC)에 각각 게재됐다.

연구진이 개발한 소재는 습도가 낮은 환경에서도 공기 중 수분을 효과적으로 흡수하고, 비교적 낮은 온도의 열만으로 저장된 물을 방출할 수 있어 반복적인 물 생산에 적합하다. 특히 이번 연구는 실험실 수준을 넘어 상용화 가능성을 한층 높였다는 점에서 의미가 크다.

독일 킬대학 연구진이 대기 중 수분을 포집하는 스펀지 형태의 신소재를 개발했다. (출처=킬대학교)

CAU 무기화학연구소의 노르베르트 스톡 교수는 "기후 변화로 많은 지역이 기온 상승과 강수량 감소를 겪고 있다"며 "우리의 목표는 공기 중 수분을 식수로 전환할 수 있는 친환경 기술을 개발하는 것"이라고 말했다.

건조한 공기에서도 수분 흡수

연구는 대량의 물을 흡수하고 방출할 수 있는 다공성 소재인 금속-유기 골격체(MOF·Metal-Organic FRAMEwork)에 초점을 맞췄다. MOF는 미세한 기공이 촘촘히 연결된 구조를 갖고 있어 스펀지처럼 공기 중 수분을 빠르게 흡수할 수 있다.

연구팀은 기존 MOF 소재인 'CAU-10-H'를 개선했다. 이 소재는 상온에서 상대습도 18% 이상인 환경에서 수분을 흡수하며, 약 70도로 가열하면 저장된 수분을 방출한다. 여기에 전도성 탄소 구조체를 결합해 전기나 태양광으로 효율적으로 가열할 수 있도록 했다. 이를 통해 수분 방출 속도를 높였으며, 수 시간 안에 물 흡수와 방출을 반복하는 운용이 가능해졌다.

하루 최대 1.8리터(ℓ) 식수 생산 가능

실험 결과 이 복합 소재는 1g당 최대 0.17g의 물을 흡수하는 것으로 나타났다. 건조한 환경에서는 소재 1㎏으로 하루 최대 1.8리터의 식수를 생산할 수 있는 것으로 확인됐다.

논문 제1저자인 레세 베그너는 "이러한 특성 덕분에 이 소재는 건조 지역에서 식수를 생산하는 데 매우 적합하다"고 설명했다.

연구진은 이 소재가 식수 생산뿐 아니라 냉각 시스템의 효율 향상에도 도움이 될 수 있다고 밝혔다. 흡착식 냉각 시스템에 적용한 결과, 기존에 널리 사용되는 실리카겔보다 최대 3배 높은 냉각 성능을 보였다.

연구팀은 앞으로 데이터센터나 제빵 공장 등에서 발생하는 폐열을 활용해 흡착식 냉각 시스템을 구동할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이를 통해 냉방에 필요한 에너지 소비도 크게 줄일 수 있다는 설명이다.

연구진은 대량 생산에도 성과를 거뒀다. 칼레 메르틴 연구원이 이끄는 연구팀은 생산 규모를 약 30㎏까지 확대하는 데 성공했으며, 이는 기존 실험실 생산량의 약 60배에 달한다.  기술경제성 분석 결과 생산 단가는 ㎏당 약 12~14달러 수준으로 추산됐다.

스톡 교수는 "이번 성과는 우리 소재가 실험실을 넘어 경제성을 갖춘 규모로 생산될 수 있음을 보여준다"며 "실용적인 응용 가능성이 한층 현실에 가까워졌다"고 말했다.