물에서 연료를 만드는 것은 일종의 연금술(Alchemy)과 같은 것일까? 지난 수십 년간 과학자들은 제약을 받지 않으면서 환경친화적인 연료원을 찾고자 꾸준히 노력하고 있다.

콜로라도 대학 볼더캠퍼스(University of Colorado Boulder, CU)의 연구팀은 태양에너지를 활용하여 수소를 생산하는 새로운 기술을 개발하기 위해 노력하고 있다. 수소 생산에는 물을 분해하는 과정이 포함되어 있으며, 이 공정을 통해 수소 및 산소가 얻어질 수 있다. 이 중 수소는 청정 연료로서 광범위하게 활용될 수 있다.

CU의 연구팀은 거대한 반사경 어레이(Array)를 사용하여 수백 피트에 달하는 높이를 가진 중앙타워의 한 지점에 태양광을 집중하는 태양열 시스템(Solar-thermal System)을 개발하였다. 이번 프로젝트의 담당자이자 CU의 화학생물공학과(Chemical and Biological Engineering Department) 교수인 Alan Weimer는 새로운 시스템에 대해 다음과 같이 설명한다.

반사경 시스템을 통해 타워에 집중되는 열을 이용하면 약 1,350도까지 가열이 가능하다. 그러면 이 시스템은 금속 산화물(Metal Oxides) 화합물이 포함한 반응기로 열을 내보낸다. 금속 산화물로 구성된 화합물에 열이 가해지면, 화합물은 산소 원자를 배출하게 된다.

 

이 때 물질 조성이 바뀌면서 새로운 산소원자를 찾기 위해 화합물 형태가 변화된다. 연구팀은 이러한 시스템에 스팀을 추가하여 물 분자에 있는 산소를 금속 산화물의 표면에 부착시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 투입되는 스팀은 태양광을 타워에 집중하여 만들어지는 열을 활용하여 생산할 수 있다.

Weimer 교수는 "우리는 기존 방법과는 매우 다른 새로운 접근방안을 고안하였다. 솔직히 이전에는 이러한 일이 가능하지 않을 것이라 생각했을 것이다. 태양광을 이용하여 물을 분리하는 것은 지속가능한 수소 경제에 있어 일종의 성배(Holy Grail)와 같은 것"이라고 설명하였다.

 

물을 분해하는 기존 다른 기술과 CU의 새로운 기술과의 가장 큰 차이점 중 하나는 동일 온도에서 2개의 화학반응을 수행한다는 것이다. 금속산화물을 통해 수소를 생산하는 일반적인 기술은 산소를 제거하기 위해 더 높은 온도로 반응기를 가열하는 과정이 필요하다. 그리고 수소를 생산하기 위해 스팀을 주입하는 과정에서는 다시 반응기의 온도를 낮추어야 한다.

따라서 산소를 배출하는 공정이나 스팀을 주입하는 공정에 따라 반응기의 온도를 높이거나 낮출 수 있도록 온도 변환 조절을 보다 편리하게 할 수 있는 새로운 방안이 필요하였다. CU의 연구팀이 개발한 시스템의 가장 큰 혁신 중 하나는 이러한 온도 변화가 없다는 것이다.

 

연구팀은 전체 공정은 스팀 벨브를 열거나 닫는 것에 의해 구현이 가능하다고 밝혔다. 이번 연구에 참여하고 있는 Muhich는 "불을 피우기 위해 확대경을 사용하는 것과 같이 태양광을 집중시켜 반응이 일어날 수 있을 정도의 높은 온도를 만들 수 있다.

 

태양광을 이용하면 1,350도 이상으로 쉽게 가열이 가능하다. 연구진은 화학반응이 일어나기 위한 가장 낮은 온도까지 가열하려 한다. 더 높은 온도는 급작스러운 열팽창 및 수축을 발생시킬 수 있기 때문에 화학물질 및 반응기에 손상을 줄 수 있다"고 말했다.

 

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Fuel from water? A form of Alchemy? Researchers have been trying for years to find a limitless, environmentally benign source of fuel.

 

Now a University of Colorado Boulder team has developed a radically new technique that uses the power of sunlight to efficiently split water into its components of hydrogen and oxygen, paving the way for the broad use of hydrogen as a clean, green fuel.

 

The CU-Boulder team has devised a solar-thermal system in which sunlight could be concentrated by a vast array of mirrors onto a single point atop a central tower up to several hundred feet tall. The tower would gather heat generated by the mirror system to roughly 2,500 degrees Fahrenheit (1,350 Celsius), then deliver it into a reactor containing chemical compounds known as metal oxides, said CU-Boulder Professor Alan Weimer, research group leader.

 

As a metal oxide compound heats up, it releases oxygen atoms, changing its material composition and causing the newly formed compound to seek out new oxygen atoms, said Weimer. The team showed that the addition of steam to the system — which could be produced by boiling water in the reactor with the concentrated sunlight beamed to the tower — would cause oxygen from the water molecules to adhere to the surface of the metal oxide, freeing up hydrogen molecules for collection as hydrogen gas.

 

“We have designed something here that is very different from other methods and frankly something that nobody thought was possible before,” said Weimer of the chemical and biological engineering department. “Splitting water with sunlight is the Holy Grail of a sustainable hydrogen economy.”

 

One of the key differences between the CU method and other methods developed to split water is the ability to conduct two chemical reactions at the same temperature, said Musgrave, also of the chemical and biological engineering department.

 

While there are no working models, conventional theory holds that producing hydrogen through the metal oxide process requires heating the reactor to a high temperature to remove oxygen, then cooling it to a low temperature before injecting steam to re-oxidize the compound in order to release hydrogen gas for collection.

 

“The more conventional approaches require the control of both the switching of the temperature in the reactor from a hot to a cool state and the introduction of steam into the system,” said Musgrave. “One of the big innovations in our system is that there is no swing in the temperature. The whole process is driven by either turning a steam valve on or off.”

 

“Just like you would use a magnifying glass to start a fire, we can concentrate sunlight until it is really hot and use it to drive these chemical reactions,” said Muhich. “While we can easily heat it up to more than 1,350 degrees Celsius, we want to heat it to the lowest temperature possible for these chemical reactions to still occur. Hotter temperatures can cause rapid thermal expansion and contraction, potentially causing damage to both the chemical materials and to the reactors themselves.”