건조한 황무지, 죽음의 계곡(death valley)에서 물을 수확한다

- POSTECH · UC버클리 공동 연구팀, 태양에너지 이용 대기로부터 물 생산 성공

우리나라는 ‘물 스트레스 국가’로 분류된다. 연 강수량이 약 1,300mm로 적지 않지만 특정한 시기와 지역에 편중되어 있어 물 부족으로 인한 불편함을 겪기 때문이다. 그런데, 당장 마실 물이 없다는 것은 단순한 불편함을 넘어 누군가에게는 생명을 위협할 만큼 심각한 일이다. 지난 3월, 유엔 아동기금(이하 유니세프)이 발표한 보고서에 따르면 아프리카 어린이 약 1억 9,000만 명이 깨끗한 물이 부족해 고통받고 있으며, 이로 인해 매일 5세 미만 어린이 약 1,000명 이상이 목숨을 잃고 있다.

세계 각국에서는 이를 해결하기 위해 다양한 시도를 하고 있다. 그러나, 바닷물을 이용해 식수를 얻는 해수담수화는 화석연료가 주원료이며, 농축된 해수염들이 다시 바다로 방출되어 환경을 오염시킬 우려가 있다. 또, 대기 중 수분을 이용하는 방법 역시 습도가 70% 이하인 지역에서는 수증기를 물로 응축시키는데 굉장히 큰 에너지가 필요해 실질적인 해결책이 되지 못하고 있다.

그런데 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 환경공학부 송우철 교수, 미국 캘리포니아 주립대 버클리 캠퍼스(UC버클리) 화학과 오마르 음완네스 야기(Omar M. yaghi) 교수 공동 연구팀이 태양에너지를 이용해 대기 중의 수분에서 물을 수확하는 데 성공했다. 무한한 자원을 이용하여 환경을 오염시키지 않으면서도 물 부족 현상을 해결할 실마리를 찾은 것이다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 워터(Nature Water)’에 6일(현지 시간 기준) 게재됐다.

금속 이온과 유기 분자가 결합된 MOF(metal-organic framework)는 1~2 나노미터(nm) 크기의 매우 작은 구멍을 포함하고 있는 다공성 물질이다. 표면적이 큰 MOF는 대기 중 수분을 흡착하는 흡착제 역할을 한다. 연구팀은 이 MOF를 기반으로 밤에는 대기 중으로부터 수분을 흡수하고, 낮에는 태양에너지를 이용해 흡수한 수분을 액체로 모으는 수확기를 개발했다. 연구팀이 개발한 수확기는 직사각형 모양인 기존 수확기와 달리 원통형 모양으로 설계되어 본체의 투영 면적이 태양 궤적을 따라 일정하기 때문에 일출부터 일몰까지 태양에너지 활용을 극대화할 수 있다는 장점이 있다.

연구팀은 미국 버클리 지역(2022년 6월 중)과 데스밸리(death valley) 사막(2022년 8월)에서 수확기를 사용하여 물을 수확하는 실험을 진행했다. 데스밸리 사막은 세계에서 온도가 가장 높고 건조한 지역 중 하나로 자정에도 기온이 섭씨 40도 이상을 유지하며, 낮에는 섭씨 57도를 웃돌고, 상대습도는 7% 이하인 건조한 환경이다.

실험 결과, 버클리 지역과 데스밸리 사막에서 MOF 1kg당 하루 최대 물 285g과 210g이 각각 생산됐다. 이는 기존 수확기가 생산한 물의 양과 비교했을 때 2배 이상 많은 수준이다. 또, 연구팀이 개발한 수확기는 극도로 건조하고 뜨거운 조건(최고 기온 60도, 야간 평균 습도 14%)에서도 탄소를 배출하지 않고, 물을 수확하는 데 성공했다. 독자적인 응축기와 MOF 흡착 시스템을 이용해 다른 에너지원이나 외부 전력 공급원 없이 순수하게 태양에너지로 물을 생산한 것이다.

이번 연구는 실험실이 아닌 실제 지구상에 존재하는 극한 환경에서 실험을 진행하고, 기술의 실현 가능성을 보여주었다는 점에서 큰 의미가 있다. 대기 중 수분으로부터 물을 수확하는 이 기술은 세계 어느 지역에나 적용할 수 있으며, 인류의 기본권을 보장하고, 인간 안보 기술로서 환경과 보건 영역에서 윤리적 가치를 실천하는 기술이 될 것이다.

POSTECH 송우철 교수는 “환경문제와 맞물려 심화되고 있는 물 부족 문제를 해결할 기술의 잠재력을 확인했다”며, “전 세계 어디든 지형과 기후조건에 상관없이 수자원 확보가 가능한 지속 가능한 기술이 될 것”이라는 기대를 전했다.