[미국] 워터루대 연구팀, 거미줄ㆍ딱정벌레서 착안한 공기내 수중기 포집기술 개발

저렴하고 에너지 효율적이며 환경 친화적인 담수 생성 시스템 개발

워터루 대학교(The University of Waterloo)의 한 연구팀은 공기 중의 수증기를 포집해 물로 바꾸는 새로운 시스템을 설계하고 있다고 밝혔다. [사진출처(Photo Source) = University of Waterloo]

 

캐나다 온타리오주에 있는 워터루 대학교(The University of Waterloo)의 한 연구팀은 공기 중의 수증기를 포집해 물로 바꾸는 새로운 시스템을 설계하고 있다고 밝혔다.

워터루 대학의 마이클 탐(Michael Tam) 교수와 이 왕(Yi Wang) 및 웨이난자오(Weinan Zhao) 박사과정생으로 구성된 이 연구팀은 주변 환경에서 지속적으로 수분을 포집하는 넓은 표면적을 가진 스폰지 또는 막을 개발했다.

전세계는 담수 부족으로 심각한 도전에 직면해 있다. 이에 연구팀은 자연에서 착안한 방법으로 대체 자원에서 물을 포집하는 기술을 개발하고 있다.

탐 교수는 "거미줄은 공학적으로 경이롭다"며 “물은 효율적으로 거미줄에 포집되기 때문에 거미는 물을 마시기 위해 강으로 갈 필요가 없다"라고 설명했다.

 

1. 습도센서 2. 테스트 챔버(3D 프린팅 및 레이저 커팅) 3. 로드셀 4. 테스트 표면 5. 전자 저울(로드 셀) 6. 현미경 카메라 7. 습도 [사진제공 = University of Waterloo]

 

안개 포집 설정

마찬가지로, 나미브 사막의 딱정벌레는 물에 쉽게 접근할 수 없지만, 바람에 몸을 기댄 채 안개 속 물방울을 포집해 수분을 흡수하며, 수분이 축적돼 입으로 떨어지기도 한다.

연구팀은 지속가능한 물포집을 위한 생체모방 표면 공학 연구에 참여하고 있다. 팀 교수가 설계하고 있는 기술 중 하나는 대기 중 물포집이라는 기술이다. 연구팀은 딱정벌레의 독특한 표면 구조를 모방하기 위해 셀룰로오스 왁스 에멀전(cellulose-stabilized wax emulsion)를 사용해 유사한 표면 구조를 만들어 작은 물방울을 빠르게 끌어당기는 표면을 만들고 있다.

팀 교수는 지속가능한 기술을 개발하기 위해 천연 및 식물 기반 물질과 같은 순 제로 탄소 물질을 사용하고 있다. 연구팀은 계면 과학과 나노 기술의 힘을 활용해 물방울을 포집하고 밀어내는 기술을 개발하고 있다. 또한 초소수성 및 방수성 종이를 성공적으로 개발했다. 이와 함께 공기 중의 물을 흡수하고 최소한의 에너지로 제습할 수 있는 스마트하고 조정 가능한 표면을 설계하고 있다.

다음 연구 단계는 이러한 표면을 엔지니어링하기 위한 확장 가능한 프로세스를 개발하는 것이다.

태양열 증발 시스템은 태양 에너지를 직접 모아 물을 흡수하고 증발을 통해 새로운 포집 가능한 증기를 생성한다. 독특한 버섯 구조는 태양 증발을 위한 스마트 생체모방 구조 설계에 영감을 주었다.

연구 개발 중인 담수 생성 시스템은 저렴하고 에너지 효율적이며 환경 친화적이다.

『네이처 워터(Nature Water)』의 최근호에 게재된 이 연구는 몇 가지 유망한 새로운 물 포집 및 정화 기술에 대해 논의했다.

[원문보기]

Researcher finds inspiration from spider webs and beetles to harvest fresh water from thin air

The proposed freshwater generation systems are inexpensive, energy-efficient, and environmentally friendly

 

A team of researchers is designing novel systems to capture water vapour in the air and turn it into liquid.

University of Waterloo professor Michael Tam and his PhD students Yi Wang and Weinan Zhao have developed sponges or membranes with a large surface area that continually capture moisture from their surrounding environment.

Traditionally, fresh water for consumption is collected from rivers, lakes, groundwater, and oceans (with treatment). The current technologies Dr. Tam is developing are inspired by nature to harvest water from alternative sources as the world is facing a serious challenge with freshwater scarcity.

“A spider’s web is an engineering marvel,” said Tam, a University Research Chair in the field of functional colloids and sustainable nanomaterials. “Water is efficiently captured by the web. The spider doesn’t need to go to the river to drink, as it traps moisture from the air.”

Fog harvesting set-up

Similarly, Namib desert beetles have no easy access to water but acquire water from thin air by leaning into the wind to capture droplets of water from the fog with their textured body armour. This allows the moisture to accumulate and drip into their mouths.

Tam and his research group are engaged in biomimetic surface engineering for sustainable water harvesting. One technology Tam is designing is called atmospheric water harvesting. To mimic the beetle’s unique surface structure, Tam’s research group is designing a similar surface structure using a cellulose-stabilized wax emulsion to fabricate surfaces that attract tiny water droplets while swiftly releasing larger ones.

Tam is working with net zero carbon materials, such as natural and plant-based materials, to develop sustainable technologies. His research group is developing technologies that capture and repel water droplets by harnessing the power of interfacial science and nanotechnology. He has successfully developed superhydrophobic and waterproof paper. He is also engineering a smart and tunable surface that captures water from the air and dehumidifies it with minimal energy consumption.

The next step is to develop a scalable process to engineer such surfaces.

 Solar evaporation systems directly harvest solar energy, absorbing water and generating fresh collectible vapour through evaporation. Unique mushroom structures inspired the smart biomimetic structural designs for solar evaporation.

The proposed freshwater generation systems are inexpensive, energy-efficient, and environmentally friendly.

In a recent publication in Nature Water, Tam and his team discuss several promising new water collection and purification technologies.

More information on Tam’s research can be found in this video.

[출처 = 워터루 대학교(The University of Waterloo)(https://uwaterloo.ca/news/media/researcher-finds-inspiration-spider-webs-and-beetles-harvest) / 2023년 8월 28일]