바닷물을 마실 수 있는 물로 바꿔주는 해수담수화. 이 해수담수화가 미래의 물 부족 현상을 근본적으로 해결할 수 있는 기술로 기대를 모은 것은 어제 오늘의 일이 아니다. 그럼에도 불구하고 증발방식의 해수담수화 기술이 널리 보급되지 못한 데에는 나름대로의 이유가 있다.
바로 해수를 담수로 바꾸는 과정에서 엄청난 에너지가 제공되어야 하는 문제가 발생했기 때문이다. 이 같은 치명적 단점으로 인해 증발방식의 해수담수화 기술은 아직도 상용화에 어려움을 겪으며 제자리를 찾지 못하고 있다.
그러나 별다른 공정 없이도 바닷물을 수증기로 만들 수 있는 장치가 개발된다면, 증발방식의 해수담수화 기술은 새로운 전기를 맞이할 수 있을 것이다. 얼핏 생각하면 공상과학 소설에서나 등장할 것 같은 상상이라 말하겠지만, 상상이 아니다. 현재 미국의 과학자들에 의해 개발되고 있는 신소재를 통해 이루어질 현실이다.

태양 에너지의 85퍼센트를 증기로 변환

과학기술 전문 매체인 사이언스데일리(Sciencedaily)는 태양 에너지를 빨아들여 증기를 대거 생성할 수 있는 새로운 신소재가 미 MIT대의 과학자들에 의해 개발됐다고 보도하면서, 향후 해수담수화 등 다양한 분야에서 이 신소재가 중요하게 사용될 것으로 예상했다.
미 MIT대 연구진이 개발한 신소재는 태양 에너지의 85퍼센트(%)를 증기로 변환할 수 있다. 태양을 이용한 증기 생성 분야에서는 획기적인 수치다. 게다가 이 소재는 변환 과정에서 열손실이 거의 없기 때문에, 햇빛의 세기가 상대적으로 약해도 증기를 생성할 수 있다는 장점도 있다.
물론 햇빛이 밝을수록 더 많은 증기가 생성되는 것도 이 신소재의 장점이다. 따라서 앞으로 이 소재를 활용하여 증기 발생 장치를 만들 때, 햇빛을 모으기 위해 필요한 복잡하면서도 비싼 기존 시스템은 필요치 않으리라는 것이 MIT대 연구진의 의견이다.
신소재는 흑연 조각 층과 그 아래의 탄소 물질로 이루어져 있다. 또한 다공성이면서 물에 뜨는 절연체(insulating material)의 특징을 갖고 있다. 소재의 표면에 햇빛이 닿으면 흑연 내에 뜨거운 핫스팟(hot spot)을 생성하고, 표면에 난 작은 구멍들을 통하여 물을 끌어올려 증발시킨다.
신소재 개발을 주도한 MIT 기계공학과의 하디 가세미(Hadi Ghasemi) 박사는 “소재의 증기 발생 원리가 마치 스펀지를 닮았다”고 언급하며, 효과적으로 태양빛을 흡수하면서도 동시에 액체 표면에서 증기를 생성할 수 있는 소재를 찾기 위해 노력했던 그동안의 개발 과정을 밝혔다.
가세미 박사와 연구진은 개발 초기 여러 가지 소재를 가지고 시도한 끝에 디스크 형태의 얇은 이중층 구조를 선택했다. 위층은 마이크로웨이브에 소재를 넣어 박리시킨 흑연으로 만들었다. 이 흑연은 거품처럼 퍼지면서 박피를 형성했는데, 결과적으로 높은 다공성 소재가 되어 태양 에너지를 보다 잘 흡수하여 유지할 수 있게 됐다.
그리고 아래층은 탄소거품(carbon foam) 층으로 이루어졌다. 탄소 거품은 그 안에 공기 주머니가 형성되어 있다. 따라서 물에 뜨게 되므로 열이 아래에 있는 액체로 달아나지 못하게 하는 기능을 했다. 또한 이 탄소거품 층은 또한 아주 작은 구멍이 나 있어서 모세관 현상을 통해 소재로 물이 스며 오르도록 하는 역할을 수행했다.
태양빛이 소재에 닿으면 흑연 층에 핫스팟이 생성된다. 이 때문에 기압 경도(pressure gradient)가 생기면 탄소거품 층을 통해서 물이 올라오게 된다. 따라서 햇볕이 뜨거운 화창한 날, 물 위에 이 소재를 놓아두면 태양열과 물을 흡수해서 끊임없이 증기를 생성할 수 있다는 것이 연구진의 설명이다.
연구진은 이 소재를 작은 수조에 넣고 다양한 강도의 햇빛을 시뮬레이션해 볼 수 있는 인공 태양에 노출을 시켜 보았다. 그 결과 맑은 날 태양빛의 10배 정도 되는 세기에서 85퍼센트 정도의 효율을 지속적으로 보인 것으로 나타났다.
이 같은 결과에 대해 가세미 박사는 “약한 햇빛에서도 보다 높은 효율로 작동할 수 있도록 설계될 수 있다는 의미”라고 정의하면서도 “그러나 규모를 대형화 할 수 있게 되기에는 아직 많은 연구가 필요할 것”이라고 전망했다.

태양 에너지의 약 10배 정도면 증기 생산

태양 에너지를 사용하여 증기를 생성하는 장치는 지금까지 대규모 거울이나 렌즈를 사용하여 햇빛을 모은 뒤, 대량의 액체를 덥혀서 증기를 생성하는 방식이 대부분이었다. 그러나 이렇게 복잡한 시스템은 열손실이 크기 때문에 증기 생성이 효율적이지 못했다.
따라서 과학자들은 최근까지 태양 에너지의 열 변환 효율을 개선할 방법을 찾았고, 실제로  새로운 태양열 수신 장비와 나노액체(nanofluids) 등을 탐구했다. 그 중 나노입자를 물에 섞는 나노액체의 경우, 햇빛에 노출되면 빨리 가열되는 성질을 이용하여 나노입자 주변의 물 분자들을 증기로 증발하도록 만든다.
하지만 이 같은 물 분자와 나노 입자 간의 상호작용이 시작되려면 매우 강렬한 태양 에너지가 필요하다. 테스트 결과 평균적인 맑은 날 태양 에너지의 약 1000배나 되는 에너지가 필요한 것으로 드러났다.
이에 비해 MIT대 연구진이 개발한 방식은 평균적인 맑은 날 태양 에너지의 약 10배 정도면 된다. 지금까지 개발된 방법 중 가장 낮은 에너지다. 따라서 햇빛을 모으거나 추적하는데 드는 장비나 보다 저렴해도 된다. 비용 절감 측면에서 엄청난 발전인 셈이다.
가세미 박사도 이와 같은 결과에 대해 “신소재는 비용 절감 면에서 대단한 장점을 갖고 있는 것으로 파악됐다”라고 평가하면서 “더군다나 연구진이 추진하고 있는 방법이 태양열을 활용한 증기 생산에 있어 새로운 차원의 접근법이라는 것이 우리를 더 흥분되게 만든다”고 밝혔다.
그러면서 가세미 박사는 “증기는 해수의 담수화는 물론 위생 및 살균 시스템에서도 매우 중요한 역할을 한다”고 전하며 “특히 태양 에너지가 유일한 에너지원일 수 있는 외딴 지역에서는 태양 에너지로부터 증기를 생성할 수 있다면 매우 유용할 것”이라고 기대했다.