서기 2040년경, 석유와 석탄 같은 화석에너지가 고갈된 지구. 인류는 어떤 생활을 하고 있을까? 이 시점을 염두에 둔 다양한 영화들은 나름의 해석을 하고 있다. 지구에서는 더 이상 자원을 찾을 수 없어 달에 기지를 세우고 자원을 캐는 영화(더 문)도 있고, ‘아바타’처럼 행성 하나를 개척하기도 한다. 이보다 현실에 가까운 모습으로 묘사한 영화에서는 연료전지나 태양에너지 같은 대체에너지를 개발해 생활하는 장면을 보여준다.

하지만 실제 현실에서는 아직 뾰족한 대안이 나오지 않고 있다. 태양과 바람, 바닷물을 이용한 신재생에너지들에 가능성이 있다고 보면서 연구를 진행하고 있지만, 아직 화석에너지를 대체할 ‘확실한’ 대안이라고 말하기는 어렵다. 그래도 각자의 분야에서 최선을 다하는 과학자들이 있어 종종 좋은 소식이 들려오기도 한다. 최근 국내 과학자가 개발한 ‘수소 저장 물질’도 그들 중 하나다.

수소는 가장 가벼운 기체이면서 끓는점도 영하 252.9 ℃의 극저온이기 때문에 새어나가기 쉽다. 그래서 고압으로 수소를 압축하거나 LPG(액화석유가스)나 LNG(액화천연가스)처럼 액화시켜서 사용하려면 엄청난 비용 부담이 따르며, 폭발성에 따른 위험도 크다.

하지만 수소는 우주 질량의 75%를 차지하고 있으며, 지구상에서 가장 구하기 쉬운 원소다. 또 사용하고 난 뒤에 특별히 공해 물질을 배출하지 않아 미래 청정에너지원으로 꼽히고 있다. 안전하고 효과적으로 저장할 수만 있다면 자원으로서 가치가 큰 셈이다. 그래서 과학자들은 다양한 수소 저장기술을 연구하고 있다. 2010년 7월 4일자로 발표된 숭실대 김자헌 교수팀의 ‘나노 다공성 하이브리드 화합물(MOF, Metal-Organic Framework)’도 이런 아이디어 중 하나다.

다공성물질은 내부에 1~100nm 크기의 빈 공간을 가지는 물질을 말하는데 내부 공간에 기체 분자나 촉매를 잡아둘 수 있어 수소처럼 까다로운 물질을 저장하는 데 유용하다. 이번에 김 교수팀이 개발한 물질은 1g이 1만㎡(100m×100m) 크기의 운동장을 덮을 수 있어 현재 세계에서 가장 큰 표면적을 갖는 다공성물질로 알려졌다. 표면적이 큰 물질은 더 많은 양의 기체를 저장할 수 있으므로 이 물질을 사용하면 대량의 수소를 저장할 수 있을 것으로 보인다.

물을 활용해 수소를 저장하는 연구결과도 주목받고 있는 기술 중에 하나다. KAIST(한국과학기술원) 생명화학공학과 이흔 교수팀은 2005년 수소 분자를 얼음 입자 속에 저장할 수 있다는 사실을 세계 처음으로 밝혀냈다.

연구팀은 0℃ 부근에서 수소 분자가 얼음 입자 안에 만들어진 미세한 공간에 저장될 수 있다는 새로운 자연현상을 규명했는데, 순수한 물에 ‘테트라히드로푸란’이라는 유기물을 미량 첨가하여 얼음 입자를 만들었더니 무수히 많은 나노 크기의 축구공 같은 공간이 생기면서 수소가 안정적으로 저장됐다고 한다.

이렇게 수소가 저장된 얼음은 섭씨 3~4℃에서도 녹지 않을 정도로 안정화돼 있다. 또 물에서 생산된 수소를 얼음 입자에 저장했다가 에너지원으로 이용할 수 있다는 점에서 활용가능성도 많아진다. 저장매체로 쓰는 얼음은 물을 얼리면 만들어지므로 어디서나 쉽게 얻을 수가 있고, 거대한 얼음 창고와 같은 공간에 수소를 대규모로 저장할 수도 있다. 게다가 앞으로 실용화 연구를 진전시키면, 수소 자동차나 수소 연료전지 등에도 이용할 수 있을 것이다.

이흔 교수팀은 2008년 서강대 강영수 교수팀과 공동으로 얼음에 수소를 저장하는 기술을 한 단계 발전시켰다. 수소 원자를 저장할 수 있게 된 것이다. 수소 분자를 두 개의 원자로 쪼개 얼음 안에 저장하면 다른 물질과 반응이 훨씬 더 잘 되고 결합력도 높아진다. 따라서 얼음 연료 전지를 비롯한 다양한 수소 에너지 분야에 이용할 수 있게 된다.

그러나 이 같은 ‘얼음 수소’가 실용화되기 위해서는 아직 몇 가지 과제가 남아 있다. 가장 중요한 것은, 얼음 대비 저장되는 수소의 비율을 높이는 문제다. 또 얼음 수소를 연료로 하는 자동차가 나오려면, 기존의 수소 자동차나 수소 연료전지 자동차와는 다른 새로운 메커니즘을 개발해야 한다.

김자헌 교수팀의 다공성물질이나 이흔 교수팀의 얼음 수소 외에도 수소를 저장하는 기술 개발은 다양하게 진행되고 있다. 이런 새롭고 독특한 아이디어의 실용화가 큰 진전을 이뤄 우리나라도 수소 경제 시대의 원천기술을 가진 나라가 되기를 간절히 기대해 본다.

글 : 과학향기 편집부

※ 과학향기 제292호 ‘미래 수소 에너지 저장 우리에게 맡겨라’에서 일부 내용을 발췌했음을 알려드립니다.
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한가로운 주말 오후. 짠돌 씨는 가벼운 옷차림으로 방에서 구르며 주말을 만끽하고 있었다. 오후의 햇살은 뜨거웠고 매미 소리는 청명하며 짠돌 씨 마음도 평화로웠다. 매주 아이들에게 이리저리 끌려 다니다 드디어 집에서 제대로 ‘뻗을 수’ 있게 됐으니 어찌 기쁘지 않을쏘냐. 막신과 막희 남매는 늦은 점심으로 시킨 피자를 먹느라 짠돌 씨에게 눈길 한 번 주지 않았다. 아, 이 행복을 영원히 누리고 싶어라.

그러나 기쁨도 잠시, 막희가 칭얼대는 소리가 들려왔다. 이건, 불길한 신호다.
“엄마. 콜라 더 없어~?”
“어머나. 작은 거라 그런지 벌써 다 마셨구나. 이제 더 없는데 어쩌지.”
“헉, 막희 너 벌써 다 마셨어? 나도 콜라 마시고 싶은데~!”
“냉장고 안에 오렌지 쥬스 있어. 그거라도 마시렴.”
“싫어~ 콜라 사줘요 엄마. 나 콜라 마시고 싶어~!”

집안일을 하느라 손을 놓을 수 없는 초보주부 김 씨. 뜨거운 햇볕 아래 단 둘만 심부름 보내기엔 너무 어린 남매. 상황이 이렇다 보니 세 사람의 고개는 조용히 짠돌 씨를 향했다. “뭐? 나보고 사오라고?!” 주춤주춤 뒤로 물러나는 짠돌 씨의 간절한 마음에도 불구하고 가족의 눈빛은 더욱 강해지기만 했으니…. 결국 짠돌 씨는 한숨과 함께 일어서서 부엌으로 나갔다. 눈을 반짝이는 남매를 바라보며 짠돌 씨는 입을 열었다.

“콜라 대신 톡 쏘는 사이다는 어떠니? 간단하게 만들 수 있단다.”
“어머. 자기, 사이다도 만들 수 있어?”
“그럼~ 물론이지. 얘들아, 같이 만들어 마실래?”
“응, 좋아!”
“와~ 실험이다~”

[실험방법]
준비물 : 그릇, 얼음, 소금, 컵, 물, 설탕, 소다, 구연산, 레몬수
1. 그릇에 얼음과 소금을 넣는다.
2. 컵에 생수를 150mL 정도 담아 그릇에 담가놓는다.
3. 설탕은 두 스푼 넣는다.
4. 소다를 아주 조금 넣고 물에 녹인다.
5. 구연산을 소다를 넣은 양만큼 조금 넣고 랩으로 막아둔다. 이때 레몬수를 넣는다.
6. 1분 뒤 마셔본다. 사이다와 비슷한 맛이 난다.

“아빠, 진짜 사이다는 아니지만 사이다 같아. 거품도 나고 소리도 나.”
“그렇지? 소다와 구연산이 만나서 탄산가스를 만들어서 톡 쏘는 맛을 내는 거란다.”
“그럼 진짜 사이다도 이렇게 만드는 거야?”
“우리가 사먹는 사이다는 물에 이산화탄소를 녹인 액체인데 원래 이산화탄소는 물에 잘 녹지 않는단다. 그래서 물에 이산화탄소를 녹이기 위해서 높은 압력을 가하는 거지. 이산화탄소가 녹을 만큼 많이 들어가면 사이다병 내부의 압력이 밖(사이다병 외부=대기)의 압력보다 높아지게 돼. 이 상태에서 뚜껑을 열면 사이다 내부보다 밖의 압력이 낮아서 물속에 녹아있던 이산화탄소들이 나오면서 거품이 보이게 되는 거란다.”
“그럼 사이다의 비밀은 이산화탄소를 높은 압력으로 물에 녹인 거네? 그럼 우리가 만든 사이다는 어떻게 한 거야 자기야? 높은 압력을 가할 수 없잖아.”
“그래서 구연산과 소다로 이산화탄소를 만들어낸 거야. 아까 얼음물에 컵을 담가 놓은 이유도 얼음으로 온도를 낮추게 되면 이산화탄소가 기체로 날아가는 것을 조금은 막을 수 있게 때문이지.”
“그럼 얼음에 소금을 넣은 이유는 뭐야? 그냥 얼음만 넣어도 되잖아.”
“얼음에 소금을 넣게 되면 처음에는 빠르게 얼음이 녹지만 어느 정도 온도가 내려가게 되면 소금이 얼음의 온도를 더 낮게 해주게 되어서 얼음끼리 서로 붙어. 이때 온도가 영하 20℃까지 내려가지. 소금을 넣으면 온도가 더 내려가기 때문에 이산화탄소가 날아가는 것을 조금이라도 더 막을 수 있어.”
“아빤 역시 대단해~!”

기쁜 표정으로 수제 사이다를 마시는 아내와 아이들을 보며 짠돌 씨는 뿌듯해졌다. 시달린다 어쩐다 해도 역시 가족과 함께 보내는 시간이 최고다. 이산화탄소가 올라오며 내는 쏴아~ 소리와 창 밖 매미 소리가 겹쳐 공기를 시원하게 물들였다. 어느새 오후 5시. 짠돌 씨의 주말이 또 하나 저물어가고 있었다. (글 : 과학향기 편집부)



Tip
구연산과 소다가 반응하여 거품이 생길 때 소리도 들어보면 재밌습니다.
진짜 사이다처럼 거품이 나고 냄새도 비슷합니다.
거품이나 소리를 더 내고 싶으면 소다와 구연산을 더 넣으세요.

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안녕하십니까~ 달인을 만나다의 사회자 우담입니다. 오늘은 냉장고가 없어도 음료수를 언제나 시원하게 얼려 먹으며 30년을 생활해 오신 냉동의 달인 냉동 양과장을 모셨습니다.

사회자 우담 : 안녕하세요, 선생님. 무려 30년간 냉장고가 없어도 음료수를 시원하게 얼려 드셨다고 하는데 어떻게 그렇게 하실 수 있으셨나요?

냉동 양과장 : 아~ 별거 아닙니다. 이렇게 얼음조각 위에다 소금만 샥샥 뿌린 뒤 음료수를 폭 집어넣으면 금방 차가워집니다.

사회 우담 : 아니 정말 그렇게만 하면 차가워지는 것이 가능할까요?

냉동 양과장 : 얼음에다 소금 뿌리고 음료수 넣어 봤어요? 넣어보지 않았으면 그런 말을 하지 마세요.

사회 우담 : 그럼 어서 빨리 한번 해 보시죠!

달인 양과장은 얼음이 가득 담긴 그릇에 소금을 뿌리더니 그 속에 요구르트나 음료수 병을 쑥쑥 넣기 시작했다. 그렇게 10여 분이 지나자 정말 요구르트는 샤베트처럼 얼려 있고 음료수는 아주 차가워졌다. 마술사도 아닌 우리의 달인 양과장은 어떻게 이렇게 할 수 있었을까?

신기해 보이는 이 현상은 아주 간단한 과학적 원리를 기반으로 하고 있다. 물은 보통 0℃에서 얼기 시작해 얼음 상태가 되면 최대 -5℃까지 온도가 내려가게 되며 특별한 이유가 없는 한 이 상태를 유지하게 된다. 하지만 이런 상태의 얼음에 소금을 뿌리게 되면 얼음은 바로 녹기 시작하는데 이는 주변 온도가 올라가서 녹는 것이 아니라 온도가 점점 떨어짐에도 불구하고 물로 변하게 된다. 이는 물 분자들이 서로 강력한 끌어당김(인력) 상태로 안정화되어 있는 구조, 즉 얼음 상태의 구조에 소금분자들이 물 분자 사이로 끼어들어 가면서 안정화된 물 분자 구조를 무너뜨려 다시 물 상태로 변하게 하기 때문이다.

얼음이 물로 녹는 것처럼 고체가 액체 상태로 변하는 현상을 융해현상이라고 하며 고체가 융해될 때에는 주변의 열을 흡수하게 되는데 이 열을 융해열이라고 한다. 얼음에 소금을 뿌리게 되면 얼음은 융해현상을 일으키며 주변의 열을 흡수하게 된다. 물이 순수한 얼음 상태의 최저 온도는 -5℃이지만 소금을 뿌린 얼음의 최저 온도는 무려 -24℃에 달한다. 즉 소금이 뿌려진 얼음물이 다시 얼기 위해서는 -24℃까지 온도가 낮아져야 함을 의미하는 것이다. 이것이 어는점 내림 현상이다.

이 때문에 요구르트나 음료수를 짧은 시간 동안 빨리 시원하게 하기 위해서는 단지 얼음물 속에 담가 놓은 것보다 얼음에 소금을 3:1의 비율로 뿌려 놓는 것이 좋다. 이런 원리는 음료수나 얼음과자를 얼리거나 차갑게 하는 데 이용되기도 하지만 눈이 많이 내리는 날에 도로의 눈을 제설하는 데도 응용된다.

눈이 많이 내리는 날, TV를 보면 눈 덮인 도로 위에 하얀 염화칼슘을 뿌리는 장면을 자주 볼 수 있는데 이는 눈에 물의 어는점을 강제적으로 낮춰 눈이 녹아내리도록 하기 위함이다.
염화 칼슘의 경우 최대 -55℃까지 온도를 낮출 수 있으므로 내린 눈이 빙판이 되기 위해서는 최대 -55℃ 이하 온도가 되어야 함을 의미한다. 실제로 이러한 혼합비는 매우 이상적인 혼합비율 상태에서 나오는 온도이기는 하지만 단지 눈 위에 뿌리기만 함을 통해서 -10℃ 이하의 어는점을 얻을 수 있다.


[실험방법]
준비물 : 비커, 얼음, 굵은 소금, 온도계, 요구르트, 작은 음료수 등

[실험순서]
1. 작은 얼음들을 비커에 적당히 넣는다.
이때 얼음의 크기들이 너무 작게 만들지 않는다.
2. 이 상태에서 온도를 측정해 기록해 놓는다.
3. 얼음 위에 3:1의 비율이 되도록 소금을 뿌린다.
4. 5분 정도 시간이 지난 뒤 소금을 뿌린 얼음의 온도를 측정해 2번 상태와 비교해 본다.
5. 소금을 뿌린 얼음 속에 요구르트나 음료수를 넣어 차갑게 얼려 본다.

[실험 Tip]
- 집에서 실험할 경우 소금을 뿌리지 않은 얼음과 소금을 뿌린 얼음을 준비하여 동시에 요구르트나 음료수를 넣은 뒤 나중에 어느 것이 더 차가운지 비교하는 실험을 해도 좋다.

글 : 양길식 과학칼럼리스트






ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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