수돗물보다 저렴한 담수를 만들 수 있는 태양광 담수화 시스템

 (news.mit.edu)
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  • MIT와 중국 연구진은 태양광 구동 수동 담수화 장치로 바닷물을 식수로 바꾸면서, 기존 설계에서 반복되던 소금 막힘을 피하려 함
  • 새 장치는 바다의 열염 순환과 비슷한 소용돌이 흐름을 작은 장치 안에 만들고, 태양열로 물을 증발·응축해 담수를 얻음
  • 남은 소금은 내부에 쌓이지 않고 계속 순환해 빠져나가며, 시험 중인 다른 수동 태양광 담수화 개념보다 물 생산률과 염 제거율이 높음
  • 소형 여행가방 크기로 키우면 시간당 약 4~6리터의 식수를 만들고, 교체 부품 없이 수년간 작동할 수 있을 것으로 추정됨
  • 전기를 쓰지 않는 완전 수동 시스템이라 전력망 밖 해안 지역이나 소규모 가정의 일일 식수 수요를 겨냥할 수 있음

태양광만으로 작동하는 수동 담수화 장치

  • MIT와 중국 연구진은 바닷물을 식수로 바꾸는 완전 수동 장치를 개발함
  • 장치는 자연 태양광으로 소금물을 데우고, 물을 증발시킨 뒤 수증기를 응축해 마실 수 있는 물을 모음
  • 연구 결과는 Joule 논문 Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection에 실림
  • 시스템을 소형 여행가방 크기로 확장하면 시간당 약 4~6리터의 식수를 생산할 수 있다고 추정됨
  • 이 규모와 성능에서는 태양광으로 만든 물이 수돗물보다 저렴해질 수 있음

작은 상자 안에 구현한 열염 순환

  • 새 시스템은 바다의 열염 순환에서 영감을 받음
    • 바다에서는 온도와 염도 차이로 물의 밀도가 달라지고, 이 차이가 전 지구적 물 흐름을 만듦
    • 바닷물이 공기에 노출되면 햇빛이 물을 증발시키고, 남은 소금은 염도를 높여 더 무거운 물을 아래로 흐르게 함
  • 연구진은 이 현상을 작은 장치 안에서 모사해 소금 배출에 활용함
  • 태양열과 장치의 기울기가 물에 소용돌이 흐름을 만들고, 이 흐름이 물을 증발층에 닿게 하면서 소금은 가라앉지 않고 계속 순환함

이전 설계의 한계와 이번 개선

  • 연구진의 이전 설계는 여러 단계로 구성된 증발기와 응축기를 사용했음
    • MIT 건물 옥상에서 시험한 설계는 태양 에너지를 물 증발에 효율적으로 사용함
    • 그러나 남은 소금이 며칠 만에 결정으로 쌓여 시스템을 막았음
    • 실제 환경에서는 사용자가 단계를 자주 교체해야 해 전체 비용이 크게 늘어날 수 있었음
  • 후속 설계는 물과 남은 소금을 순환시키는 기능을 추가해 소금 침전을 막음
    • 다만 물 담수화 속도는 비교적 낮았음
  • 최신 설계는 두 접근을 결합함
    • 여러 단계의 증발기·응축기 구조를 유지함
    • 각 단계 안에서 물과 소금의 순환을 강화함
    • 높은 물 생산률과 높은 염 제거율을 동시에 목표로 함

장치 구조와 작동 방식

  • 핵심 단위는 얇은 상자 모양의 단일 단계임
  • 상단에는 태양열을 효율적으로 흡수하는 어두운 재료가 놓임
  • 내부는 위쪽과 아래쪽 구역으로 나뉨
    • 위쪽 구역의 증발층은 태양열로 직접 닿은 물을 데우고 증발시킴
    • 아래쪽 구역의 응축층은 수증기를 공기 냉각으로 응축해 소금 없는 식수로 만듦
  • 연구진은 전체 상자를 큰 빈 용기 안에 기울여 배치하고, 상자 위쪽에서 용기 아래쪽으로 이어지는 튜브를 붙인 뒤 용기를 소금물 위에 띄움
  • 이 구성에서는 물이 자연스럽게 튜브를 타고 상자 안으로 올라가며, 기울기와 태양열이 결합해 내부에 작은 소용돌이를 만듦

시험 결과와 비용 추정

  • 연구진은 1단, 3단, 10단 프로토타입을 만들고 다양한 염도의 물에서 성능을 시험함
    • 시험 대상에는 자연 해수와 해수보다 7배 더 짠 물이 포함됨
  • 시험 결과를 바탕으로 각 단계를 1제곱미터로 확장하면 시간당 최대 5리터의 식수를 생산할 수 있다고 계산함
  • 시스템은 소금을 축적하지 않고 수년간 물을 담수화할 수 있을 것으로 계산됨
  • 전기를 쓰지 않는 완전 수동 시스템이고 수명이 길기 때문에, 미국에서 수돗물을 생산하는 비용보다 낮은 운영 비용이 가능하다고 추정됨

적용 가능성과 외부 평가

  • 확장된 장치는 소규모 가족의 일일 식수 수요를 충족할 수 있는 양의 식수를 수동으로 만들 수 있음
  • 바닷물 접근이 쉬운 전력망 밖 해안 지역의 물 공급원으로 활용될 수 있음
  • University of Texas at Austin의 Guihua Yu는 이 접근이 담수화 분야의 주요 과제를 완화하며, 고염도 물 문제를 겪는 지역에 특히 유리하다고 평가함
  • 모듈형 설계는 가정용 물 생산에 적합하고, 개별 수요에 맞춰 확장성과 적응성을 제공할 수 있음

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 이 혁신 자체를 깎아내리려는 건 아니지만, 담수화에서 아직 큰 난제 중 하나는 보통 고염도 농축수인 폐수를 어떻게 처리하느냐로 알고 있음
    바다에 다시 버리면 지역 생태계에 교란을 줄 수 있음. 관련 Scientific American 글도 있음: https://www.scientificamerican.com/article/slaking-the-world...
    “과잉 염분은 물속 용존산소를 줄여 해저 동물을 질식시킨다”, “해양 생물에 해를 줄 뿐 아니라, 극단적인 염도는 물을 담수화하기도 더 어렵고 비싸게 만든다”

    • 보통 염도는 4배 정도만 증가함, 25% 배출 비율을 가정하면 그렇다는 뜻임. 그래서 농축수 배출은 매우 국지적인 환경 문제이고 멀리 퍼지지는 않는다는 점은 감안해야 함
      꼭 미해결 문제라고 부르지는 않겠음. 주차장을 지을 때 생태계를 더 많이 교란할 수도 있음
    • Western Australia의 이 담수화 플랜트에 있는 농축수 배출 확산기 사진을 보면 됨: https://www.watercorporation.com.au/Our-water/Desalination/P...
    • 실제로는 물이 얕고 잘 움직이지 않는 곳에서만 어려운 과제임. 조금 더 먼바다로 펌프로 내보내면 말 그대로 염분을 희석할 바다 전체가 있음
      예를 들어 California 해안은, 깨끗한 태양광·풍력 에너지도 풍부하고 담수화할 태평양 전체에 접근 가능한 주라서 물 부족이 없어야 하는 곳인데, 해안에서 몇 마일만 나가도 수심이 빠르게 깊어짐. 거기서는 원한다고 해도 측정 가능한 방식으로 해수 염도를 바꾸기 어려움
      그래서 해법은 배관과 펌프임. 비용은 늘어나지만 그 외에는 완전히 해결 가능한 문제임. 지하수와 대수층 같은 자연 수원을 고갈시키는 것도 영향이 큼. 제대로 된 담수화는 스트레스를 받는 생태계 일부가 회복할 기회를 줄 수도 있음
    • 논쟁적일 수 있지만, 사람들의 식수 문제를 해결하는 것이 일부 지역 해양 생물의 환경을 악화시키는 것보다 가치 있다고 받아들이는 게 최선의 해법일 수 있음
    • 우리가 하는 모든 일은 환경에 영향을 줌. 물만 제거하고 소금은 제거하지 않아 바다 일부를 조금 더 짜게 만드는 건 꽤 사소한 문제처럼 들림

  • 이 공정으로 만든 물이 마실 물에 필요한 미네랄이 없는 증류수에 가깝더라도, 충분히 싸고 확장 가능하다면 India, 아랍권 국가들, 북아프리카 국가들은 이런 깨끗한 물을 땅속에 주입해 자기 땅에 남은 적은 담수와 섞을 수 있을 것 같음
    하루 1억 리터 생산 규모로 시스템을 구성하고 내륙 지하로 펌핑하면, 지구가 알아서 필요한 미네랄을 더하는 동안 지하수위를 충분히 보충할 수 있을 것임
    이런 물로 원래는 불가능했을 곳에 나무를 심을 수도 있음

    • 맞음. 희망적 사고처럼 보일 수 있지만 사막화 문제는 워낙 거대해서, 가능한 처방은 무엇이든 제1원리에서 접근해 실현 가능성을 따져봐야 함
      수동 담수화가 건조 환경에서 지역 생태계를 자립 가능한 수준까지 부트스트랩하는 방법이 될 수 있을까?

  • “수돗물보다 싸다”는 표현이 헷갈림. 담수화를 쓰는 섬에서 자랐는데, 그게 바로 우리 수돗물이었음

    • 맞음, 범주 오류처럼 보임. 담수화는 생산 방식이고, 수도는 전달 방식임
    • 수돗물의 압도적 다수가 그 범주에 속하지 않는다는 건 이해하고 있을 거라 봄
    • 이제 인터넷은 두 번째 제목이나 부제를 도입할 때가 됐음. 예전처럼 글이 무엇에 관한 것인지 설명할 수 있게 해야 함
      첫 번째 제목은 클릭을 낚아도 됨. 더 나은 클릭베이트도 원하지만, 도대체 무슨 일인지도 알고 싶음. “무제한 무료 식수를 생산합니다!” => “태양열 증류 장치에서 염분 잔류물을 제거”

  • 왜 3~4년마다 새롭고 더 싼 담수화 발명이 뉴스에 나오는 걸까?

    • 물과 식량은 생존에 절대적으로 필요한 요소임. Meta가 새 제품을 내놓으면 무시할 수 있지만, 물 부족은 무시할 수 없음
      대부분의 국가가 강한 물 압박 문제를 다루기 시작했음. 특히 계절이 더 이상 예전 패턴을 정확히 따르지 않으면서 더 그렇다. 돌발 가뭄은 거의 모든 물 공급을 마비시킬 수 있고, 과도한 지하수 펌핑은 지반을 가라앉힘. China에서 지반 침하 때문에 무작위 싱크홀이 생기는 문제를 보면 됨
      현대적 물 담수화는 꽤 새로운 편이라 기술적으로 성장 여지가 큼. 더 나은 시스템에 대한 특허 측면에서도 매력적이고, 항상 시장도 존재함
    • 물은 중요함
    • 이런 소식을 그 정도 주기로 보는 느낌은 있는데, 실제로 상업적으로 가능해지거나 대규모로 쓰이는 경우도 보고 있나?
    • 건조한 국가와 지역에는 중요한 뉴스임

  • Nestle Strawman Inc.가 방금 그 특허를 샀음. 지식재산권 침해를 허용하는 나라가 더 많아서 기술 발전이 번성했으면 좋겠음

    • China가 그런 쪽에서는 꽤 잘하는 편임
    • 아, 정말임? 낙관이 사라지네 :|

  • 쌓인 소금을 씻어낸다고? 천일염은 파운드당 3달러 정도에 팔림

    • Amazon에서 대충 확인해보니, 정제·결정화·브랜드화된 식품 등급 소금을 집 앞까지 배송받는 가격이 파운드당 약 3달러임
      그 수요는 꽤 제한적임. 파운드당 1.50달러에 살 수 있다고 해서 소금을 얼마나 더 쓰겠음?
      반면 이 장치가 만드는 건 “농축 해수”임. 원래 바닷물에 있던 조류, 물고기 배설물, 플라스틱 오염물 등이 전부 그대로 들어 있음
    • 그 규모로 하면 시장에 물량이 넘쳐 가격을 떨어뜨릴 것 같음. 실제 수요가 있는 지역과 거래할 수는 있겠지만, 고대 해저 퇴적층에서 불도저로 그냥 퍼내는 사람들과 경쟁해야 함
    • 그 소금을 말리고 판매용으로 준비하는 데 에너지가 많이 들어감
    • 소금 침전물은 장치를 막고, 소금을 수확하려면 노동력이 필요함. 소금을 배출하면 장치가 몇 년 동안 수동으로 작동할 수 있음

  • 이걸 ‘블랙박스’로 보면, 태양이라는 열원이 모든 물을 데우게 됨. 물의 10%가 증발해 저장 구역에 응축된다고 하면, 나머지는 기존 3.5% 염도에 0.35%만큼 더 짜지고 열은 유지함
    10%를 배출하고 차가운 3.5% 염도의 바닷물로 대체하되, 배출이 역류 열교환기를 거치면 저장된 열은 유지되고 추가된 0.35% 염분은 사소한 배출물이 되어 흩어질 것임
    가장 큰 문제는 조류와 부유 해양 생물이 곧 증식해 모든 표면을 막는 일임. 해수·담수 수족관을 해본 사람이라면 이게 문제가 된다는 걸 알 것임. 이 시스템은 조류 문제, 더구나 바닷물에 흔한 조개·홍합·따개비 유생 문제 전까지는 작동할 것임

  • 원 논문이나 설계를 어디서 찾을 수 있는지 아는 사람 있음?

  • 이 시스템을 특허로 출원했는지부터 찾아보겠음. 지금 바로 검색은 못 하지만, 실제 세계에서 성공할 가능성을 조금이라도 믿으려면 특허와 관련 스타트업에 대한 라이선스가 최소한의 단계로 필요함

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