[미국] 일리노이드대학 연구팀, 해양수증기 이용 담수 확보 연구

미국 일리노이드대학 프레리연구소 연구팀, 미개척 담수원 확보하기 위한 새로운 구조 제안

바다 위의 수증기 포집 담수로 응축할 수 있는 가상구조 가능성에 대해 전 세계 14개 물부족 지역서 평가

『네이처 사이언티픽 리포트(Nature Scientific Reports) 저널』 최근호에 연구 결과 발표

 

미국 일리노이대학교 어바나 샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign)의 새로운 연구는 전세계 여러 지역에서 제한된 담수 공급에 대한 해결책으로 해양 수증기를 수확할 수 있는 새로운 인프라에 대한 투자를 제안했다. 이 그림은 프라빈 쿠마르((Praveen Kumar)와 그의 공동 저자들이 제안한 해양 표면 위의 습기를 포착하여 응축을 위해 육지로 운반하는 접근법을 보여준다. [사진출처(Photo source) = 일리노이대학교]

거의 무한한 담수 공급은 지구의 바다 위에 수증기 형태로 존재하지만 아직 개발되지 않은 상태로 남아 있다고 연구원들은 말했다. 일리노이대학교 어바나 샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign)의 새로운 연구는 전세계 여러 지역에서 제한된 담수 공급에 대한 해결책으로 해양 수증기를 수확할 수 있는 새로운 인프라에 대한 투자를 제안한 최초의 연구이다.

토목 및 환경공학과 교수이자 프레리 연구소(Prairie Research Institute)의 프라빈 쿠마르(Praveen Kumar) 부연구소장이 이끄는 이 연구는 바다 위의 수증기를 포집하여 담수로 응축할 수 있는 가상 구조의 가능성에 대해 전 세계 14개 물부족(water stressed) 지역을 평가했으며, 계속되는 기후 변화에 직면하여 실현 가능한 방식으로 그렇게 했다.

프라빈 쿠마르(Praveen Kumar) 교수를 비롯해 대학원생인 아프리파 라만(Afeefa Rahman) 및 대기과학과 프란시나 도밍게즈(Francina Dominguez) 교수는 『네이처 사이언티픽 리포트(Nature Scientific Reports) 저널』 최근호에 이 연구 결과를 발표했다.

프라빈 쿠마르(Praveen Kumar) 교수는 “물부족은 세계적인 문제이며 미국 서부 전체에 영향을 미치는 콜로라도 강 유역의 가라앉는 수위와 관련하여 여기 미국에서 가까운 곳에서 발생한다”라면서 “그러나 미국 서부와 같은 아열대 지역에서는 일년 내내 구름이 거의 없기 때문에 태양 복사가 충분하기 때문에 인근 바다에서 지속적으로 물이 증발하고 있다”라고 강조했다.

이전의 하수 재활용, 인공강우(cloud seeding) 및 담수화 기술(desalination techniques)은 제한적인 성공만을 거두었다고 연구원들은 말한다. 담수화 플랜트는 전 세계 일부 지역에 배치되어 있지만 소금물과 중금속이 함유된 폐수로 인해 지속가능성 문제에 직면해 있다. 캘리포니아는 최근 새로운 담수화 플랜트를 추가하는 조치를 거부했다.

쿠마르 교수는 “결국 우리는 보존과 기존 수원의 재활용수는 필수적이지만 인간의 필요를 충족시키기에 충분하지 않기 때문에 담수 공급을 늘릴 방법을 찾아야 하며, 우리는 새로 제안된 방법이 대규모로 그렇게 할 수 있다고 생각한다”라고 말했다.

연구원들은 너비 210m, 높이 100m의 가상 해양 구조물 배치에 대한 대기 및 경제적 분석을 수행했다.

분석을 통해 연구원들은 해양 표면 위의 수분을 포획하는 것이 전 세계적으로 물부족을 받고 있는 많은 지역에서 실현 가능하다는 결론을 내렸다. 제안된 구조물의 예상 물 산출량은 아열대 지방의 대규모 인구 밀집 지역에 담수를 제공할 수 있다.

프란시나 도밍게즈(Francina Dominguez) 교수는 “기후변화에 대한 보다 강력한 예측 중 하나는 건조한 지역은 더 건조해지고 습한 지역은 더 습해질 것이라는 것”이라면서 “현재 물부족을 겪고 있는 지역은 앞으로 더 건조해져 문제가 악화될 것이고, 불행하게도 사람들은 미국 남서부와 같이 물이 제한된 지역으로 계속 이동하고 있다”고 말했다.

그러나 점점 더 건조해지는 조건의 예측은 새로운 해양 수증기 수확 기술(new ocean vapor-harvesting technology)을 선호한다.

일리노이드 대학교의 대학원생인 아프리파 라만(Afeefa Rahman) “기후 예측은 해양 증기 플럭스가 시간이 지남에 따라 증가하여 훨씬 더 많은 담수 공급을 제공할 것임을 보여준다”라면서 “따라서 우리가 제안하는 아이디어는 기후변화 하에서 실현 가능할 것이다. 이것은 특히 세계의 건조 및 반건조 지역에 살고 있는 취약한 인구에게 기후 변화에 적응하는 데 절실히 필요하고 효과적인 접근 방식을 제공한다”라고 강조했다.

이번 연구를 주도한 일리노이 대학교 어바나 샴페인(Urban-Champaign)의토목 및 환경공학과 프라빈 쿠마르((Praveen Kumar) 교수(왼쪽)와 공동저자인 아피파 라만(Afeefa Rahman) 대학원생. 배경은 일리노이 주 그랜드 타워 근처의 미시시피 강에서 정상보다 현저히 낮은 수위를 보여주고 있다. [사진출처(Photo source) = 일리노이대학교 / FRED ZWICKI]

 

연구원들은 이 제안된 해결책의 더 우아한 기능 중 하나는 자연적인 물 순환처럼 작동한다는 것이다.

프란시나 도밍게즈 교수는 “차이점은 바다에서 증발된 물이 어디로 가는지 안내할 수 있다는 것이다”라고 말했다. 

그는 특히 “프라빈 쿠마르 교수가 이 아이디어를 가지고 나에게 접근했을 때, 우리 둘 다 그것이 그렇게 분명한 해결책처럼 보였기 때문에 왜 전에는 아무도 그것에 대해 생각하지 않았는지 의아해했다. 그러나 이전에는 수행되지 않았으며 연구자들이 육상 기반 솔루션에 너무 집중하기 때문이라고 생각한다. 하지만 우리 연구는 실제로 다른 옵션이 존재한다는 것을 보여준다”라고 역설했다.

연구원들은 이 연구가 전 세계적으로 증가하는 담수 부족 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 인프라 투자의 문을 열었다고 강조한다.

일리노이 대학교 어바나 샴페인(Urban-Champaign), 토목 및 환경공학과의 로벨(Lovell) 교수, 대학 학자 프로그램(University Scholar Program) 및 국립과학재단(National Science Foundation)이 이 연구를 지원했다.

[원문보기]

Researchers propose new structures to harvest untapped source of fresh water

An almost limitless supply of fresh water exists in the form of water vapor above Earth’s oceans, yet remains untapped, researchers said. A new study from the University of Illinois Urbana-Champaign is the first to suggest an investment in new infrastructure capable of harvesting oceanic water vapor as a solution to limited supplies of fresh water in various locations around the world.

The study, led by civil and environmental engineering professor and Prairie Research Institute executive director Praveen Kumar, evaluated 14 water-stressed locations across the globe for the feasibility of a hypothetical structure capable of capturing water vapor from above the ocean and condensing it into fresh water ? and do so in a manner that will remain feasible in the face of continued climate change.

Kumar, graduate student Afeefa Rahman and atmospheric sciences professor Francina Dominguez published their findings in the journal Nature Scientific Reports.

“Water scarcity is a global problem and hits close to home here in the U.S. regarding the sinking water levels in the Colorado River basin, which affects the whole Western U.S.,” Kumar said. “However, in subtropical regions, like the Western U.S., nearby oceans are continuously evaporating water because there is enough solar radiation due to the very little cloud coverage throughout the year.”

Previous wastewater recycling, cloud seeding and desalination techniques have met only limited success, the researchers said. Though deployed in some areas across the globe, desalination plants face sustainability issues because of the brine and heavy metal-laden wastewater produced ? so much so that California has recently rejected measures to add new desalination plants.

“Eventually, we will need to find a way to increase the supply of fresh water as conservation and recycled water from existing sources, albeit essential, will not be sufficient to meet human needs. We think our newly proposed method can do that at large scales,” Kumar said.

The researchers performed atmospheric and economic analyses of the placement of hypothetical offshore structures 210 meters in width and 100 meters in height.

Through their analyses, the researchers concluded that capturing moisture over ocean surfaces is feasible for many water-stressed regions worldwide. The estimated water yield of the proposed structures could provide fresh water for large population centers in the subtropics.

One of the more robust projections of climate change is that dry regions will get drier, and wet areas will get wetter. “The current regions experiencing water scarcity will likely be even drier in the future, exacerbating the problem,” Dominguez said. “And unfortunately, people continue moving to water-limited areas, like the Southwestern U.S.”

However, this projection of increasingly arid conditions favors the new ocean vapor-harvesting technology.

“The climate projections show that the oceanic vapor flux will only increase over time, providing even more fresh water supply,” Rahman said. “So, the idea we are proposing will be feasible under climate change. This provides a much needed and effective approach for adaptation to climate change, particularly to vulnerable populations living in arid and semi-arid regions of the world.”

The researchers said one of the more elegant features of this proposed solution is that it works like the natural water cycle.

“The difference is that we can guide where the evaporated water from the ocean goes,” Dominguez said. “When Praveen approached me with this idea, we both wondered why nobody had thought about it before because it seemed like such an obvious solution. But it hasn’t been done before, and I think it is because researchers are so focused on land-based solutions - but our study shows other options do, in fact, exist.”  

The researchers said this study opens the door for novel infrastructure investments that can effectively address the increasing global scarcity of fresh water.

The University of Illinois Urbana-Champaign, the Lovell Professorship in the department of civil and environmental engineering, The University Scholar Program and the National Science Foundation supported this research.

[출처=일리노이드대학(https://news.illinois.edu/view/6367/833959034) / 2022년 12월 6일]