금속 입자들이 미래의 깨끗한 연료가 될 수 있을까?

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-15

맥길대학이 이끈 연구가 금속 가루를 화석 연료를 위한 잠재성 있는 대안이라고 시사했다. 당신 차가 가솔린 대신에 철 가루를 연료로 하는 미래를 상상할 수 있는가? 저널 Applied Energy에 12월 15일 호에 실린 한 연구에 따르면, 깨끗한 일차 에너지원을 이용해서 생산하는 금속 가루들이 수소나 생물연료, 전지들과 같은 보다 널리 논의되고 있는 대안들보다 화석 연료를 위한 보다 실행가능한 장기적인 대체물을 제공할 수 있을 것이다. “깨끗한 전기를 만드는 기술들—주로 태양 및 풍력 발전—이 빠르게 개발되고 있다; 그러나 우리는 그 전기를 수송과 지구 에너지 무역과 같이 오늘날 기름과 가스를 사용하고 있는 많은 것들에 이용할 수 없다”고 그 새로운 연구의 주저자이며 맥길대학(McGill University) 교수인 Jeffrey Bergthorson은 지적했다. 그림: 메탄-공기 불꽃에 비해서 다른 금속 가루들의 안정화된 불꽃이 공기와 함께 탄다. “생물연료들은 그 해법의 부분이 될 수 있지만, 전체 수요를 만족시킬 수 없을 것이다; 수소는 크고, 무거운 연료 탱크를 필요로 하고 폭발성이 있고, 전지들은 너무 크기가 크고, 많은 응용을 위해서 충분한 에너지를 저장하지 못한다”고 맥길대학의 공학 및 디자인에서 지속가능성을 위한 Trottier연구소(Trottier Institute for Sustainability in Engineering and Design)의 부책임자이며 기계 공학 교수인 Bergthorson은 말했다. 새로운 개념 Bergthorson이 다섯 명의 다른 맥길대학 연구자들과 네델란드에 있는 유럽우주국(European Space Agency) 과학자와 함께 공저한, 그 Applied Energy 논문은 외부-연소 엔진들에 동력을 제공하기 위해서—고운 밀가루나 가루 설탕과 비슷한 크기의—작은 금속 입자들을 이용하기 위한 새로운 개념을 내어놓았다. 가솔린을 이용하는 차에서 사용되는 내부-연소 엔진들과는 달리, 외부-연소 엔진들은 엔지를 돌리기 위해서 외부로부터 나오는 열을 이용한다. 외부-연소 엔진, 산업혁명 시대를 이끈 석탄을 태우는 증기 기관차의 현대적인 버전은 발전소에서 핵이나 석탄, 생물량으로부터 동력을 생성하기 위해서 널리 이용된다. 금속 가루를 태우는 아이디어는 새로운 것이 아니다—그것들은 예를 들어서 불꽃놀이에서 수세기 동안 이용되어 왔다. 20세기 중반 이래로, 그것들은 또한 우주선의 고체-연료 추진 로켓과 같이, 로켓 추진체에서 이용되었다. 그러나, 금속 불꽃의 성질과 과학자들이 크게 간과해온 광범위한 응용에서 재활용가능한 연료로서 사용될 금속 가루의 잠재성에 대해서는 비교적 행해진 연구가 적었다. 연소 후에 재활용가능 맥길대학 팀이 추진한 아이디어는 금속 가루의 중요한 성질을 이용한다: 연소될 때 그것들은 공기와 반응해서—화석 연료를 태울 때 대기로 빠져나가는 이산화탄소 배출과는 달리—비교적 쉽게 재활용을 위해서 수집될 수 있는 안정한, 비독성 고체-산화물 생성물을 형성한다. 맞춤-제작된 버너를 이용해서, 맥길대학 연구자들은 공기에 부유시킨 작은 금속 입자들의 흐름에서 불꽃이 안정화될 수 있다는 것을 증명해보였다. 금속 가루로부터 나오는 불꽃은 탄화수소 연료를 태움으로써 생성되는 것들과 “매우 비슷한 것으로 보인다”고 연구자들을 썼다. “제안된 금속 연료의 열 엔진의 에너지와 동력 밀도는 현재의 화석을 연료로 하는 내부 연소 엔진에 가까운 것으로 예상되서, 미래 저-탄소 사회를 위한 매력적인 기술이 되고 있다”고 연구자들은 덧붙였다. 그 연구에 따르면, 철은 이 용도를 위해서 일차적인 후보가 될 수 있을 것이다. 수백만 톤의 철 가루가 이미 금속 공학, 화학 및 전기 산업을 위해서 매년 생산된다. 그리고 철은 잘 확립된 기술들을 가지고 쉽게 재활용가능하고 일부 새로운 기술들은 석탄을 이용하는 전통적인 철 생산과 연관된 이산화탄소 배출을 피할 수 있다. 다음 단계: 원형 만들기 맥길대학과 다른 곳에서의 실험실 연구가 열 엔진에서 금속 연료의 사용이 기술적으로 실행가능하다는 것을 보였지만, 아직 아무도 그 아이디어를 실제로 증명해보이지 못했다. 따라서, 실험실 발견을 쓸모있는 기술로 바꾸는데 있어서 다음 단계는 “원형 버너를 만들어서 그것을 열 엔진과 연결하는 것”이 될 것이라고 Bergthorson은 말했다. “이산화탄소 배출과 연관되지 않는 금속 재활용 과정을 개발하는 것도 중요하다”고 Bergthorson은 덧붙였다.   유럽항공국에 있는 전략 및 최신 기술의 책임자인 공저자David Jarvis는 언급했다: “우리는 그것이 우주에서 그리고 지구에서 사용될 수 있는 새로운 추진 장치에 대한 문을 열어주기 때문에 이 기술에 큰 관심을 가지고 있다. 수송 추진을 위해서 화석연료로부터의 이동은 미래를 위해서 명백한 추세이다. 현재 완전하거나 상용화되지는 않았지만, 철 가루와 같이 저비용 금속 연료의 사용은 석유와 디젤 연료에 대한 가치 있는 대안이다. 만약 우리가 이산화탄소 배출이 거의 없는 철을 연료로 하는 엔진을 처음으로 증명할 수 있다면, 이것이 가까운 미래에 훨씬 더 큰 혁신과 비용 감소를 이끌 수 있을 것이라고 우리는 믿는다.” 캐나다 자연과학공학연구위원회(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada), 캐나다 국가방위부(Canadian Department of National Defence) , 미국 방위위협감소국(U.S. Defence Threat Reduction Agency), 캐나다 우주국(Canadian Space Agency), 유럽우주국(European Space Agency), Martes 사(Halifax, NS), 공학 및 디자인에서 지속가능성을 위한 Trottier연구소가 맥길대학에서의 금속 연소에 대한 연구를 지난 20년에 걸쳐서 지원했다. 참고 원문: "Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power", J.M. Bergthorson et al, Applied Energy, 15 December 2015. doi: 10.1016/j.apenergy.2015.09.037 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261915011071 metal.jpg http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-12/mu-cmp120915.php