생명체의 생존에 물만큼 소중한 자원은 없다. 세계보건기구(WHO)의 최신 보고서에 따르면, 약 20억 명의 인구가 깨끗한 식수를 이용하지 못하는 상태다. 부족한 물 문제를 해결하기 위해 과학자들은 공기에서 물을 수확하는 장치를 개발해왔다.

지난달 29일 최신 기술 전문 매체인 ‘Newatlas’는 UC 버클리 연구원들이 공기 중에 떠다니는 물 분자를 포집해서 식수를 만드는 ‘물 수확기’를 개발했다고 보도했다. 공기 중에서 물 분자를 포집한다는 것이 새로운 아이디어는 아니지만, 이번에 개발된 장치는 가장 건조한 사막에서도 물을 생산할 수 있을 정도로 효율이 높다.

사막은 밤낮의 일교차가 크기 때문에 수증기 응결 현상으로 새벽에 약간의 이슬이 맺히곤 한다. 넓은 표면적을 지닌 흡수재에 이슬을 모으는 방식의 수동형 물 생산 장치도 개발되었으나, 물 생산량에는 제약이 따른다. 전기를 써서 필터로 수증기를 응축하는 능동형 장치도 있지만, 전기 인프라가 갖춰진 곳에서나 사용할 수 있으므로 오지에서는 활용하기 어렵다.

결정적으로 공기에서 물을 생산하려면 상대 습도가 높을수록 효율이 높아진다. 지금까지 개발된 장치들은 사하라 사막처럼 습도가 20% 미만인 곳에서는 제대로 사용할 수 없었다. 건조한 사막의 평균 습도는 15~30%에 불과하다.

최신 흡착 소재인 MOF를 사용해

2014년 UC 버클리 화학과의 오마르 야기(Omar Yaghi) 교수 연구팀은 ‘금속 유기 골격(metal-organic framework, MOF)’이라는 새로운 흡착 소재를 개발했다. MOF는 표면적이 매우 넓은 다공성 화합물로, 이론적으로는 각설탕 한 개 크기의 MOF가 축구장 6개에 해당하는 표면적을 지닐 수 있다.

이후 MOF에 주목한 매사추세츠공대(MIT) 연구진도 합류하여 효율적인 물 수확기의 첫 시제품을 완성했다. 이 장치는 지르코늄 기반의 MOF를 사용한 수동형 물 생산 방식이었다. 저녁에 온도가 내려가면 MOF에 수증기가 맺히고, 낮이 되면 햇빛으로 자연 가열하여 MOF에 흡수되었던 물을 방출한다. 이를 이용해서 태양열 흡수판과 MOF, 응축기로만 구성된 간단한 형태의 장치를 구성했다.

실험실서 진행한 실험 성공

실험실에서 진행된 최초 실험에서는 1kg의 MOF로 하루 동안 280mℓ의 물을 생산할 수 있다는 사실을 발견했다. 2017년 국제학술지 ‘사이언스’를 통해 소개된 이 연구는 MIT의 한국인 연구자인 김현호, 양성우 씨가 논문 저자로 참여했다.

이후 UC 버클리 연구팀은 애리조나 사막에서 더 큰 시제품을 실험했는데, 습도가 밤에는 40%에서 낮 동안 8%로 내려가기 때문에 MOF 1kg당 물 100mℓ를 생산하는 데 그쳤다.

물 수확기를 실용화하려면 생산량을 더욱 늘려야 했고, MOF의 주성분인 지르코늄은 가격이 매우 비싸서 알루미늄 소재의 MOF로 대체하려는 연구를 진행하게 되었다.

새로운 소재의 MOF를 사용한 신모델 개발

이번에 개발된 세 번째 시험 모델은 송풍기로 공기 흡입량을 늘리고, 흡수된 물은 내장된 소형 히터를 사용해서 더 빠르게 방출한다. 여기에 사용되는 전력은 태양광 패널에서 얻기 때문에 별도로 전기를 끌어올 필요가 없다.

모하비 사막에서 3일간 실험한 결과, MOF 1kg당 700mℓ의 물을 생산했으며, 가장 건조한 날에는 상대 습도 7%의 환경에서 200mℓ를 생산할 수 있었다. 태양열에만 의존하는 기존 모델보다 효율이 크게 높아졌다.

연구팀은 새로운 물 수확기가 상대 습도 40% 미만에서 MOF 1kg당 하루 1.3ℓ 이상의 물을 생산할 수 있다고 밝혔다. 이것도 그리 많은 양은 아니지만, 매우 건조한 환경에서 한 사람이 생존할 수 있는 최소한의 물이다.

물 부족 해소에 도움 될 전망

UC 버클리의 물 수확기는 연구팀이 설립한 스타트업을 통해서 상용화될 예정이다. 하루에 7~10ℓ의 물을 생산할 수 있는 전자레인지 크기의 모델을 테스트 중이며, 그보다 큰 모델은 200~250ℓ를 생산할 수 있는 냉장고 크기 이상이 될 것이라고 한다. 궁극적으로는 매일 2만ℓ를 생산하여 마을 전체의 수요를 충당하는 것이 목표다.

연구를 주도한 오마르 야기 교수는 “관개수로에 연결하지 않고도 광범위하게 사용할 수 있는 물 공급원을 만들고 있다. 이러한 연구는 물 때문에 고통받는 사람들에게 매우 중요할 뿐만 아니라, 물이 인간의 권리여야 한다는 더 큰 목표를 가능하게 한다”라면서 물 수확기는 완전히 독립적으로 작동하기 때문에 물 부족으로 어려움을 겪는 농촌 지역이나 개발도상국에 큰 도움이 될 것이라고 말했다.