새로운 방법은 폐기물 없이 바닷물을 식수로 바꾼다

 (rochester.edu)
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  • 태양열 담수화 시스템은 검은 금속 패널로 얇은 물층을 끌어올려 태양복사를 흡수하고 물을 증류하며, 화학 첨가물과 염수 부산물 없이 담수를 만드는 방식
  • 기존 역삼투와 열증류는 에너지 집약적이고 전·후처리가 필요하며, 바다로 돌아간 염수가 염도를 높이고 산소를 낮춰 해양 생물에 피해를 주는 구조
  • University of Rochester 연구진은 펨토초 레이저로 새긴 초흡수성(superwicking) 검은 금속 표면에서 활성 영역은 담수화를 지속하고 처리되지 않은 측면은 남은 염과 미네랄을 받는 설계
  • 실제 태평양·대서양·인도양 물 시료 테스트에서 커피 링 효과로 염과 미네랄을 수동 영역으로 보내 표면을 자가 세정하고 패널 효율 저하 없이 수집 가능
  • 같은 패널은 염을 거의 100% 고체 형태로 추출하고, Great Salt Lake 물 시료에서는 담수화 뒤 남은 염에서 리튬 약 50% 를 추출한 결과

에너지 효율 담수화 시스템은 화학 첨가물 없이 담수를 만들고 남은 염을 유용한 물질로 전환

  • UN 추산 기준 안전하게 관리되는 식수가 없는 인구는 22억 명이며, 캘리포니아에서 중동까지 여러 지역사회가 바닷물을 담수로 바꾸기 위해 담수화 시설에 의존하는 상황
  • 역삼투와 열증류 같은 일반 담수화 기술은 에너지 집약적이고 물의 전처리·후처리가 필요하며, 농축된 소금물 부산물인 염수(brine) 를 남기는 방식
    • 염수가 바다에 다시 배출되면 물의 염도를 높이고 산소를 낮춰 해양 생물에 피해를 주는 구조
  • University of Rochester의 Institute of Optics 연구진은 염수를 남기지 않고 전처리용 화학 첨가물도 필요 없는 새 태양열 담수화 공정을 개발
  • 기술의 핵심은 펨토초 레이저로 에칭한 검은 금속 패널이며, 표면은 빛을 매우 잘 흡수하고 물을 강하게 끌어당기는 초흡수성 특성 보유
    • 레이저 처리된 활성 영역은 표면 위로 얇은 물층을 끌어오고 거의 모든 태양복사를 흡수하며 물을 증류
    • 남은 염과 미네랄은 패널의 처리되지 않은 측면, 즉 수동 영역으로 이동해 활성 영역을 막지 않는 구조
    • 이 구조는 염이 활성 영역을 막아 연속 담수화를 방해하는 문제를 피하기 위한 설계

‘커피 링’ 효과 활용과 폐기물의 자원 전환

  • ‘커피 링’ 효과 활용

    • 기존 태양열 담수화 연구는 물과 염화나트륨만으로 만든 모의 해수 실험실 조건에서 잘 작동한 사례 존재
    • 물이 증발하면 염화나트륨이 입자형·다공성 형태로 결정화해 물이 통과하면서 염을 녹일 수 있고, 태양광 패널도 쉽게 청소 가능
    • 실제 바닷물은 조성이 훨씬 복잡해 현장 테스트에서 문제가 발생하는 경향
    • 마그네슘·칼슘 기반 물질 같은 바닷물 성분은 태양광 패널 표면에서 딱딱하고 비다공성인 껍질 형태로 결정화해 표면을 막는 구조
    • 시간이 지나 샤워기 헤드가 막히거나 주전자에 물때가 끼는 현상과 같지만, 바닷물에는 수돗물보다 수백 배 많은 염 존재
    • 연구팀은 검은 금속의 홈을 정밀하게 에칭해 바닷물의 여러 염과 미네랄이 표면에서 떨어져 나가도록 설계
    • 커피 링 효과는 커피 한 방울이 표면에서 마른 뒤 가장자리에 농축된 커피 입자 고리가 남는 현상
    • 같은 원리를 이용해 염을 수동 영역으로 이동시키는 방식
    • 태평양·대서양·인도양 물 시료 테스트에서 표면이 자가 세정되는 결과 확인
    • 담수를 추출하면서 남은 염은 수동 영역으로 보내지고, 나중에 수집 가능
    • 이 과정에서 패널 효율 저하 없음

  • 폐기물을 자원으로 전환

    • 새 담수화 방법의 뚜렷한 장점은 처리하거나 폐기해야 하는 염수를 남기는 대신 염을 거의 100% 고체 형태로 추출한다는 점
    • 식탁용 소금의 풍부한 공급원이 될 수 있고, 전기차와 전자기기에 쓰이는 리튬이온 배터리의 리튬 같은 더 귀한 광물 추출에도 활용 가능
    • 관련 Journal of Materials Chemistry A 논문은 같은 초흡수성 태양광 패널로 담수화 과정에서 리튬을 다른 염과 분리하는 방법 제시
    • 검은 금속 표면의 미세 홈에 수소 타이타네이트 나노입자를 넣어 리튬을 다른 염과 미네랄에서 분리하는 방식
    • Guo는 지표에서 리튬을 채굴하는 방식이 에너지와 환경 측면에서 매우 부담스럽기 때문에, 소금물에서 직접 리튬을 얻는 방식이 중요한 미래 경로가 될 수 있다는 입장
    • Great Salt Lake 물 시료를 사용한 실험에서 담수화 뒤 남은 염으로부터 리튬 약 50% 추출
    • 초흡수성 담수화 기술은 소규모 장치의 개념증명에서 입증됐으며, Guo는 이 기술을 확장 가능하고 전 세계 식수 접근성과 귀중 광물 공급망의 지속가능성을 개선할 수 있는 기술로 판단

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Hacker News 의견들

  • 담수화에는 근본적인 최소 에너지가 필요함
    담수화된 물이 남은 염수 쪽으로 삼투압을 받아 피스톤을 밀게 했을 때 되돌려 받을 수 있는 에너지보다 적은 에너지로는 불가능하다는 뜻이고, 이 값은 큼
    이 논문은 열 기반 방식이라 전기 입력은 없지만, 효율을 주장하려면 같은 면적을 태양광 패널로 쓰고 기존 설비를 돌렸을 때와 비교해야 함
    제한적으로 이해하기로는 기존 역삼투압은 에너지 관점에서 이론 최적에 꽤 가까우며, 주된 어려움은 막의 막힘을 풀어야 하는 운영 문제임. 물론 역삼투압도 비보다는 비쌈
    다만 결정질 소금을 직접 만들어낸다는 점은 흥미롭고, 염수보다 부피가 작아 처리하기 쉽고 어쩌면 가치도 있을 수 있음

    • 열 방식도 에너지가 필요하고, 이 기판은 소금을 끌어당기는 재료보다 태양열 흡수 특성을 더 잘 유지하는 데 효과가 있어 보임
      “태평양, 대서양, 인도양 물 샘플로 태양열 담수화 기법을 시험한 결과, Guo 팀은 표면이 자가 세정되게 만들 수 있었다. 즉 담수를 추출하고 남은 소금을 수동 영역으로 보내 나중에 수거할 수 있게 했으며, 패널 효율을 떨어뜨리지 않았다”는 내용임
      이건 “큰” 개선이라기보다는 중간 정도의 개선이고, 알베도 변화도 아마 제한적이며 면적당 태양 에너지 입력은 같음
      이 공정 비용에 따라 순현재가치 기준으로는 거의 비슷해질 가능성이 큼
    • 이걸 광산 폐수에 적용할 수 있다면 “어쩌면 가치가 있다”가 아니라 거의 확실히 가치가 있음
      황산성 폐수 호수는 지하에서 온갖 귀금속을 녹여내기 때문임
    • 순수한 에너지 효율만 보면 경제적 효율을 놓칠 수 있음
      역삼투압 담수화 플랜트는 펌프를 돌릴 전기가 필요하고, 그 전기는 효율 15~20%짜리 패널로 만들 수 있음
      값싼 열식 담수화 패널을 만들 수 있다면 에너지 효율이 6배 낮아도 앞설 수 있고, 비싸고 취약한 담수화 플랜트를 피하면서 저숙련·분산형 구성이 가능해짐
    • 염수는 원래 있던 곳으로 다시 펌프질하면 되니 처리하기 매우 쉬움
      반대로 고체 결정 소금은 번거로운 쪽임
    • 역삼투압은 버리는 물의 양을 얼마나 허용하느냐에 따라 이론적 최소치의 2~4배 정도임

  • 논문은 여기임: https://www.nature.com/articles/s41377-026-02315-4
    아직 유리 용기 안의 실험실 규모이고, 작은 것조차 실제로 쓸 수 있는 시스템을 만든 단계는 아님
    큰 주장은 막히지 않는다는 점인데, 모세관 작용이 소금을 활성 영역 밖의 다른 영역으로 옮기고, 아직 개발되지 않은 어떤 메커니즘이 거기서 제거한다는 것임. 이 부분은 입증이 필요함
    몇 년 동안 막히지 않고 활성 재료 교체 없이 돌아가는 걸 만들 수 있다면 진짜 진전임
    레이저 표면 처리는 이미 알려진 기술임: https://www.youtube.com/watch?v=BKYOglHYo_Y
    도장을 준비할 때 매끄러운 표면을 매우 구조화된 방식으로 거칠게 만들어 최종 도장면을 매끄럽게 하는 데 유용함
    샌드블라스트로 거칠게 만들면 첫 도장층이 다소 불규칙해져 다시 사포질하고 칠해야 함
    자동차 도장에 레이저 거칠게 만들기가 시도됐지만 주류가 되진 않았고, 여기서 좋은 질문은 상용 레이저 표면 처리 장비가 이 새 공정의 재료를 만들 수 있느냐임

    • Panama 운하 건설이 떠오름
      첫 대규모 시도는 실패했고 포기했는데, 두 번째 시도에서 배운 건 파는 일이 가장 어려운 문제가 아니라 흙을 옮기는 일이었다는 점임. 정말 엄청난 양의 흙이었음
      이와 관련해 Path Between the Seas는 정말 좋은 책이고 손에서 놓기 어려웠음
    • 흥미로운 기술이지만 의심도 큼
      사진을 보면 표면에 소금이 조금 덮인 게 보이는데, 이런 유형의 시스템에는 그 조금조차 너무 많아 보임
      그래도 잘 작동하고 확장할 수 있기를 바람

  • 4일 전에 댓글 20개가 달렸던 같은 University of Rochester 기사로 보임
    https://news.ycombinator.com/item?id=48349507

  • “바닷물을 마실 물로 바꾸는” 가장 효율적인 방법은 비라고 봄
    사실상 세계 최대의 태양광 담수화 장치가 만든 산출물을 더 잘 모으고 운반하기만 하면 됨

    • 지역에 따라 다르겠지만, 물을 천천히 흐르게 하는 것이 담수를 확보하는 가장 좋은 방법 중 하나임
      경사면을 따라 흘러내리는 속도를 늦추면 식생이 늘고, 그 식생도 물을 붙잡으며, 물이 땅속으로 스며들 시간이 늘어 지역 우물에도 도움이 됨
      사막 지역도 완전히 “테라포밍”할 수 있음: https://youtube.com/shorts/cfhbtgon4Nk?is=oAExB5UeMAsShBux
    • 그래도 비가 안 올 때가 있고, 특히 해안 지역에서는 담수화 능력이 매우 중요해질 수 있음

  • Rochester에서 나온 연구를 보니 좋음. RIT든 UofR든 근처 학교들이든, 학문적으로는 정말 저평가된 지역임

    • UofR 물리학 졸업생이고 LLE에서도 일했는데, Rochester 학교들이 저평가됐다는 데 동의함. 물론 조금 편향됐을 수는 있음
      적어도 과학 분야에서는 더 유명한 학교에서 얻기 어려운 많은 기회에 접근할 수 있었음
      다른 곳이었다면 어려웠을 방식으로 인생의 기반을 잡아줬음
    • 같은 대학이 상온 초전도체도 줬던 곳임
    • RIT 동문으로서 대체로 동의함
    • Laboratory for Laser Energetics에도 찬사를 보냄
    • RIT는 좋은 학교로 꽤 잘 알려져 있다고 봄

  • 이상한 질문일 수 있는데, 제습기에 태양광 패널을 붙여 사막이 아닌 곳 어디서든 농업 관개용 비음용수를 대규모로 만드는 건 가능할까? 안 된다면 이유가 뭘까?

    • 확장하기엔 에너지를 너무 많이 쓰고 물을 너무 느리게 만듦
      일반적으로 공기 중 수분이 충분해서 이런 방식을 검토할 만한 지역은 이미 비와 지하수에 더 쉽게 접근할 수 있음
    • 짧게 말하면 그런 문제들은 이미 다 해결돼 있음
      Israel은 식수의 75~85%를 담수화하고 있고, 문제는 정치적·경제적 기능 부전임
      예를 들어 California는 1970년대 기술과 원자력으로 광범위한 담수화를 할 수 있었고, 저수지와 수로도 크게 확장할 수 있었지만 하지 않음
      400년대 Rome이 과거 문명이 만든 수도교를 쓰면서도 새로 지을 능력을 잃었던 것과 매우 비슷함
    • “작동한다”는 의미라면, 시중의 공기에서 물 얻기 사기 99%가 바로 그 방식임
      실제로 안 되는 이유는 극도로 비효율적이기 때문임. 물을 응축하려면 막대한 열을 어딘가로 버려야 하고, 이건 물리적으로 근본적인 제약임
      게다가 제습기가 꽤 효과적인 곳은 습하고 보통 물 부족이 그렇게 심하지 않음. 사막은 습도가 매우 낮아서 제습기가 물을 거의 만들지 못함
      습한 환경의 좋은 제습기조차 하루 10리터 남짓의 물을 만들기 위해 kW 단위 전력을 태움
      지구에는 사실상 사막이지만 이른 아침 습한 안개가 규칙적으로 들어오는 곳들이 있고, 그런 곳은 냉동 사이클을 발명하기 훨씬 전부터 공기 중 물을 모으는 법을 알아냈음
      말 그대로 담수화가 더 쌈
      바닷물을 채운 거대한 온실을 만들고 태양으로 증발시킨 뒤 제습기로 모으는 방식도 가능은 하겠지만 여전히 터무니없이 비효율적임. 물은 비열이 엄청나서 열로 분리하는 경로는 어떤 것이든 막대한 에너지를 씀
    • 작동할 만한 습한 지역은 이미 물이 많을 가능성이 큼
    • 어떤 의미의 “작동”인지에 따라 다름
      시중 어떤 제습기도 충분한 물을 만들 수 없으니 8만 달러를 쓰게 되고, 그냥 물 배달을 시키는 편이 나았을 것임

  • 광분자 효과를 결합하면 에너지 효율을 더 높일 수 있을지 궁금함
    https://news.mit.edu/2024/how-light-can-vaporize-water-witho...

  • 예전부터 Red Sea 해안에 바닷물을 채운 수로를 만들고, 그 물이 유리 천장 안에서 증발해 담수를 만들며 남은 소금은 채굴하는 구조가 왜 널려 있지 않은지 궁금했음
    모래 → 유리 → 가열된 바닷물 → 담수 + 광물 → ??? → 수익 구조가 가능해 보임
    여기에 맹그로브 농장까지 결합하면 사막 해안도 더 많은 생명을 지탱할 수 있지 않을까 싶음
    이 기술이 확장 가능한지, 물을 얼마나 빨리 처리할 수 있는지도 궁금함. 투명 태양광 패널과 결합하면 꽤 대단한 기술이 될 수도 있음

    • 조금 다른 아이디어로, Red Sea 물을 가져와 농축한 뒤 Dead Sea로 흘려보내 수위 안정화에 쓰자는 구상이 있었음. Dead Sea 수위는 큰 문제임
      약 10억 달러가 쓰였지만 재정·정치·환경 문제가 복합적으로 얽혀 프로젝트는 보류 상태임
      https://en.wikipedia.org/wiki/Red_Sea%E2%80%93Dead_Sea_Water...
    • 해변에 가봤다면 짠 공기와 썩는 해초 냄새가 나고 새 소리도 들림
      그 모든 것이 유리 위아래에 들러붙을 것이고, 결국 남은 소금도 쌓이게 됨
      남은 소금은 그것을 옮기는 구조물이나 기계에 매우 가혹해서, 큰 유리 구조물을 수리하기도 번거로워짐
      이렇게까지 해서 얻는 물이 느린 물줄기 정도라면 대체로 가치가 없음
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