극도로 건조한 사막의 공기 속에서 마실 물을 추출할 수 있는 방법이 개발됐다.

이 기술은 지구 상의 아무리 건조한 곳이라도 공기 중에 수분이 섞여있다는 점에 착안해 아이디어를 구체화했다. 이 방법이 실용화되면 모든 것이 말라붙는 건조한 사막에서 생존의 열쇠 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 아울러 기후 변화에 따라 사막화하는 지역에서나 외계 행성 탐사 등에서도 활용 가능성을 점쳐볼 수 있다.

미국 매서추세츠 공대(MIT) 연구진은 새로운 물 추출 시스템의 효과를 실험을 통해 증명하고 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 최근호에 보고했다.

연구팀은 지난해 처음 이 장치에 대한 개념을 제안한 데 이어 올해 미국 애리조나주 템피의 현장 테스트에서 실용화 가능성을 확인했다. 이 장치가 실용화되려면 장치 규모를 확대 적용하는 등의 작업이 필요하다.

상대습도 10%에서 물 추출 가능

논문 시니어 저자인 에블린 왕(Evelyn Wang) 기계공학과 교수는 지난해 ‘사이언스’(Science) 지에 실린 논문에서 초기 개념을 발표한 뒤 이번 논문에서 몇 가지 중요한 개선점들을 추가했다. 이번 연구에는 새미어 라오(Sameer Rao) 박사후 과정 연구원과 김현호(2014년 석사, 2018년 박사) 연구원이 논문 제1저자로, MIT와 캘리포니아 버클리대 네 명의 연구진이 공저자로 참여했다.

왕 교수는 지난해 발표된 논문이 큰 관심을 끌면서 “많은 확대 해석과 얼마간의 비판도 있었다”며, “이번 논문에서 지난 번에 제기된 모든 의문들을 명료하게 증명하고 유효성을 밝혔다”고 강조했다.

금속-유기 구조(metal-organic frameworks, MOFs)로 불리는 상대적으로 새로운 고 표면적(high-surface-area) 물질을 바탕으로 제작된 이 시스템은 상대습도가 10% 정도로 낮은 가장 건조한 사막에서도 식수를 추출할 수 있다고 연구팀은 전했다. 현재 사용되는 공기에서 물을 추출하는 방법은 습도가 훨씬 높아야 한다. 안개에서 물을 얻는 방법은 습도가 100%, 냉각을 기초로 해 이슬에서 물을 얻는 방법은 50% 이상의 습도가 필요하며, 두 방법 모두 상당한 양의 냉각 에너지가 요구된다. 이런 점에 비추어 새로운 시스템은 습도가 매우 낮은 세계에서 가장 건조한 지역에서도 물을 만들어낼 수 있다.

현재는 표면구조 1kg당 하루 0.25리터 생산

왕교수는 미국 애리조나대 옥상에 설치한 시험장치를 가동해 건조한 지역을 대표하는 곳에서 현장 테스트를 했으며, “실제로 이슬점 이하에서 물을 얻어낼 수 있었다”고 말했다. 이슬점은 불포화 상태의 공기가 냉각될 때 포화 상태에 도달해 수증기의 응결이 시작되는 온도를 일컫는다.

연구팀에 따르면 이 장치는 태양광으로만 작동시켰고, 개념 증명을 위해 크기가 작았으나 장치를 확대하면 표면 구조(MOF) 1㎏당 하루 0.25리터 이상의 물을 얻을 수 있다. 김박사는 이 장치에 최적의 재료를 도입함으로써 추출량이 현재 쓰이는 장치보다 세 배나 높다고 말했다. 왕교수는 “매우 낮은 습도의 공기에서 물을 추출하는 기존 방법들과 달리 이 방법은 극한 조건 아래서도 물 추출이 가능하다는 장점이 있다”고 밝혔다.

라오 박사는 이 시스템이 이슬점에서 물을 얻는 방법보다 더 낮은 습도에서도 작동이 가능할 뿐만 아니라, 기존 시스템이 펌프와 압축기 같이 망가질 수 있는 부품으로 구성된 데 비해 이 시스템은 햇빛 양만 충분하다면 습도가 낮은 곳에서 완전 수동(passive) 방식으로 가동할 수 있다고 강조했다.

불순물 없는 고품질의 물

그는 이전 논문에서는 이 시스템 가동을 수동적으로 기술했으나 이제는 시스템이 실제로 가능하다는 것을 증명했다고 말했다. 김박사는 이 시스템이 현재는 햇빛이 비치는 주야 주기에 따라 가동되나 “바이오매스나 폐열 같은 저등급의 풍부한 열을 활용하면 지속적인 가동이 가능하다”고 덧붙였다.

왕교수는 다음 단계로 시스템의 확장과 효율 향상을 위한 연구를 계속해 “수 리터의 물을 생산할 수 있는 시스템을 만들겠다”고 밝혔다. 현재의 시험 시스템은 개념 증명을 위한 것이어서 규모가 작아 수 밀리리터의 물 정도를 생산한다. 이것을 앞으로 각 가정에 공급할 수 정도의 규모로 확대한다는 구상이다.

연구팀은 이번 시험 시스템에서 생산된 물을 검사한 결과 불순물의 흔적은 발견하지 못 했다고 밝혔다. 왕 교수는 “질량 분광계 측정 결과 MOF로부터 어떤 물질도 물로 침출되지 않았다”며, “이는 시스템을 구성하는 물질들이 매우 안정적이고 고품질의 물을 얻을 수 있다는 사실을 보여준다”고 강조했다.