낙타 모피에서 영감을 받은 이 신기술이 왜 정말 멋진가요?

동물의 땀샘을 모방한 2겹 소재와 보온성 모피로 기존 방식보다 표면을 400% 더 오래 냉각시킵니다.

스파이더 웨첼

일간지 특파원

사막에서 살아남으려면 낙타가 땀과 털을 모두 필요로 합니다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 엔지니어인 Jeffery Grossman의 말입니다. “모피가 없었다면 땀을 너무 빨리 흘리고 낙타에게 정말 귀중한 자원인 물이 부족할 것입니다.”라고 Grossman은 말합니다. 엔지니어는 두 가지 재료를 겹쳐서 낙타의 땀샘과 보온성 모피를 모방할 수 있는지 궁금했습니다. 오늘 Joule 저널에 게재된 새로운 연구에서 Grossman은 추가 에너지 없이도 식품 및 의약품을 차갑게 유지하는 데 사용할 수 있는 새로운 혁신 기술을 자세히 설명합니다.

낙타에서 영감을 받은 시스템의 바닥층에 Grossman은 물로 과충전된 고흡수성 폴리머 네트워크인 하이드로겔을 사용했습니다. 하이드로겔에서 물이 증발하면서 액체는 표면을 냉각시킵니다. Grossman이 만든 최상층은 에어로겔로 구성되었습니다. 에어로겔은 작은 기공으로 채워진 소수성 실리카 구조로 물질의 90% 이상이 공기로 구성되어 있어 이 물질은 "세계에서 가장 가벼운 고체"라는 칭호를 얻었습니다. 에어로겔은 낙타 털과 같은 역할을 하여 더 따뜻한 주변 온도로부터 하이드로겔을 차단하고 수분 증발을 늦추어 냉각력을 유지합니다.

Grossman은 하이드로겔 위의 층이 절연성과 다공성이어야 물이 증발할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 절연층이 너무 얇으면 "낙타에 버즈컷이 있는 것"과 같아서 주변 열로부터 하이드로겔을 절연하지 못할 것이라고 Grossman은 말합니다. 에어로겔 층이 너무 두껍거나 다공성이 충분하지 않으면 하이드로겔의 물이 증발할 수 없고 기술의 냉각 능력이 떨어지게 됩니다. "에어로겔을 올바른 방식으로 설계함으로써 기본적으로 물이 너무 빨리 증발하는 것을 방지할 수 있지만 완전하지는 않습니다."라고 Grossman은 말합니다. 증발 속도를 늦춤으로써 "물 한 방울에서 더 많은 것을 얻을 수 있습니다."

2층 접근 방식의 성능을 측정하기 위해 Grossman과 그의 팀은 레이어 아래에 열 센서를 배치하고 시스템을 습도 및 온도 제어 챔버에 배치했습니다. 센서는 액체가 화씨 86도 챔버로 증발함에 따라 시간이 지남에 따라 하이드로겔 아래의 온도를 모니터링했습니다. 팀은 낙타에서 영감을 받은 창조물을 노출되지 않은 하이드로겔의 단일 층과 비교했습니다. 2겹 시스템은 하이드로겔 단독의 온도에 가깝게 온도를 떨어뜨렸지만, 듀얼 레이어는 그 냉각력을 훨씬 더 오랫동안 유지했습니다. Grossman은 적층형 재료가 냉각 시간을 400% 연장한다는 사실을 발견했습니다.

Grossman은 연장된 냉각 기간에 대해 설명하면서 "동일한 냉각 성능에 이렇게 가까워지고 여기까지 갈 수 있을 것이라고는 생각하지 못했습니다."라고 말했습니다. "연구를 통해 얻은 것과 아주 잘 작동하기 때문에 정말 기뻐요." Grossman은 과학자들이 이전에 표면을 냉각시키기 위해 하이드로겔을 사용해 왔다고 말했습니다. "하지만 그 위에 매우 특정한 용도를 갖는 다른 재료를 추가하는 것은 아직 수행되지 않았습니다."

하이드로겔과 에어로겔은 새로운 것은 아니지만 이러한 방식으로 이들을 결합하는 것은 연구에 참여하지 않은 Northwestern University의 엔지니어 박규철(Kenneth Park)이 말했습니다. "나 자신은 이런 종류의 두 가지 재료를 결합하는 것에 대해 생각해 본 적이 없습니다. 그래서 이 논문을 보게 되어 매우 기쁩니다." Grossman과 마찬가지로 Park도 식물과 동물을 통해 자신의 연구에 영감을 줍니다. 이 작품은 반투명하기 때문에 창문과 같은 표면을 단열하는 데 사용될 수 있다고 박씨는 낙관하고 있습니다.

Grossman은 이 기술이 수동 냉각이 필요한 많은 영역에 적용될 수 있다고 생각합니다. 즉, 프로세스에 전력을 공급하기 위해 외부 에너지가 필요하지 않다는 의미입니다. 가능한 응용 분야로는 단열 식품 저장고, 의료 용품 및 건물이 있습니다.

이 연구에 참여하지 않은 Akron 대학의 공학 교수이자 전 NASA 과학자인 Mary Ann Meador는 이러한 종류의 기술을 구현하는 데 있어 한 가지 장벽은 하이드로겔을 젖은 상태로 유지해야 한다는 점이라고 말했습니다. 하이드로겔은 물로부터 힘을 얻기 때문에 일단 물이 증발하면 소재는 더 이상 표면을 냉각시키지 않습니다. 낙타는 피부에 수분을 보충하기 위해 단순히 땀을 흘릴 수 있지만 젤이 유용하려면 정기적으로 물로 재충전되어야 합니다. 이 문제는 Grossman과 그의 팀이 해결하기 위해 노력하고 있는 문제입니다. 예를 들어 이러한 유형의 2층 시스템이 빗물이나 결로로 인해 부활할 수 있다면 냉각 능력은 무한할 수 있습니다.