세계 인구의 3분의 1 이상이 심각한 물 부족 현상을 겪고 있는 건조한 지역에 살고 있다. 텍사스대학 오스틴의 한 연구팀은 이 지역 사람들이 깨끗한 식수에 접근할 수 있도록 돕는 솔루션을 개발했다고 밝혔다.

미국 텍사스대학 연구팀은 가장 건조한 기후에서도 공기 중의 수분을 끌어당길 수 있는 풍부한 재료로 만들어진 저가의 젤 필름을 개발했다. 이러한 반응을 촉진하는 재료는 1kg당 2달러에 불과하며, 상대 습도가 15% 미만인 지역에서는 1kg으로 하루 6리터 이상의 물을 생산할 수 있으며, 상대 습도가 최대 30%인 지역에서는 하루 13리터의 물을 생산할 수 있다.

이 연구는 대기에서 물을 끌어내는 능력과 자체 관수 토양을 만들기 위한 기술의 응용을 포함한 연구팀의 이전의 획기적인 연구에 기초하고 있다. 하지만 이러한 기술은 상대적으로 습도가 높은 환경을 위해 설계됐다.

코크렐 공과대학교 워커 기계공학부 재료과학 및 기계공학과(Cockrell School of Engineering’s Walker Department of Mechanical Engineering) 교수인 구이화 유(Guihua Yu) 교수는 “이 새로운 연구는 사람들이 지구상에서 가장 덥고 건조한 지역에서 물을 얻기 위해 사용할 수 있는 실용적인 솔루션에 관한 것”이라며 식수에 지속적으로 접근하지 못하는 수백만 명의 사람들이 집에서 쉽게 작동할 수 있는 간단한 물 생성 장치를 가질 수 있을 것”이라고 전했다.

연구원들은 재생 가능한 셀룰로오스와 일반적인 주방 재료인 곤약검을 주요 친수성(물에 끌리는) 골격으로 사용했다. 검의 열린 기공 구조는 수분 포착 과정을 가속화한다. 또 다른 설계된 구성 요소인 열반응성 셀룰로오스는 가열 시 소수성(물에 대한 저항력) 상호작용을 통해 수집된 물을 즉시 방출하여 물을 생성하기 위한 전반적인 에너지 투입을 최소화한다.

사막의 공기에서 물을 끌어내려는 다른 시도들은 일반적으로 에너지 집약적이며 많은 양의 물을 생산하지 않는다. 연구원들은 최적화된 더 두꺼운 필름이나 흡수층 또는 어레이(arrays)를 만들어 연구에서 물의 양을 크게 증가시킬 수 있다고 말한다.

연구원들은 반응 자체가 단순한 반응이기 때문에 규모를 확장하고 대량으로 물을 생성해 내는데 달성해야 하는 어려움을 줄일 수 있다고 말했다.

논문의 주저자이자 현재 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 박사후 과정에 있는 연구원 유홍 "낸시" 궈(Youhong "Nancy" Guo)는 "이것은 고급 학위가 필요한 것이 아니다"라며 "재료만 있으면 누구나 집에서 만들 수 있을 정도로 간단하다"라고 말했다.

필름은 유연하며 사용자의 필요에 따라 다양한 모양과 크기로 만들 수 있다. 필름을 만들기 위해서는 겔 전구체만 필요하며, 이 전구체는 틀에 부어진 모든 관련 성분을 포함한다.

연구팀의 박사과정 대학원생이자 수석 연구원인 웨신관(Weixin Guan)은 "젤은 굳는 데 2분이 소요된다. 그런 다음 동결 건조하기만 하면 틀에서 떼어내고 바로 사용할 수 있다"라고 말했다.

이 연구는 미 국방부의 국방고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)에서 자금을 지원했으며, 이 프로젝트는 건조한 기후에서 복무중인 군인들을 위한 식수 공급을 위한 것이지만 연구원들은 단순한 구조이기 때문에 언젠가 일반 사람들도 쉽게 구매하고 이용할 수 있을 것이라고 생각한다고 전했다.

유 교수는 이 연구를 주도했으며, 궈와 관은 합성, 샘플 특성화 및 장치 시연에 대한 실험적인 노력을 공동 주도했으며, 다른 팀원으로는 추신레이(Chuxin Lei), 헝이루(Hengyi Lu) 및 원시(Wen Shi) 연구원이 있다. 이 논문은 『Nature Communications』에 게재됐다.

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Low-Cost Gel Film Can Pluck Drinking Water From Desert Air

More than a third of the world’s population lives in drylands, areas that experience significant water shortages. Scientists and engineers at The University of Texas at Austin have developed a solution that could help people in these areas access clean drinking water.

The team developed a low-cost gel film made of abundant materials that can pull water from the air in even the driest climates. The materials that facilitate this reaction cost a mere $2 per kilogram, and a single kilogram can produce more than 6 liters of water per day in areas with less than 15% relative humidity and 13 liters in areas with up to 30% relative humidity.

The research builds on previous breakthroughs from the team, including the ability to pull water out of the atmosphere and the application of that technology to create self-watering soil. However, these technologies were designed for relatively high-humidity environments.

“This new work is about practical solutions that people can use to get water in the hottest, driest places on Earth,” said Guihua Yu, professor of materials science and mechanical engineering in the Cockrell School of Engineering’s Walker Department of Mechanical Engineering. “This could allow millions of people without consistent access to drinking water to have simple, water generating devices at home that they can easily operate.”

The new paper appears in Nature Communications.

The researchers used renewable cellulose and a common kitchen ingredient, konjac gum, as a main hydrophilic (attracted to water) skeleton. The open-pore structure of gum speeds the moisture-capturing process. Another designed component, thermo-responsive cellulose with hydrophobic (resistant to water) interaction when heated, helps release the collected water immediately so that overall energy input to produce water is minimized.

Other attempts at pulling water from desert air are typically energy-intensive and do not produce much. And although 6 liters does not sound like much, the researchers say that creating thicker films or absorbent beds or arrays with optimization could drastically increase the amount of water they yield.

The reaction itself is a simple one, the researchers said, which reduces the challenges of scaling it up and achieving mass usage.

“This is not something you need an advanced degree to use,” said Youhong “Nancy” Guo, the lead author on the paper and a former doctoral student in Yu’s lab, now a postdoctoral researcher at the Massachusetts Institute of Technology. “It’s straightforward enough that anyone can make it at home if they have the materials.”

The film is flexible and can be molded into a variety of shapes and sizes, depending on the need of the user. Making the film requires only the gel precursor, which includes all the relevant ingredients poured into a mold.

“The gel takes 2 minutes to set simply. Then, it just needs to be freeze-dried, and it can be peeled off the mold and used immediately after that,” said Weixin Guan, a doctoral student on Yu’s team and a lead researcher of the work.

The research was funded by the U.S. Department of Defense’s Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), and drinking water for soldiers in arid climates is a big part of the project. However, the researchers also envision this as something that people could someday buy at a hardware store and use in their homes because of the simplicity.

Yu directed the project. Guo and Guan co-led experimental efforts on synthesis, characterization of the samples and device demonstration. Other team members are Chuxin Lei, Hengyi Lu and Wen Shi.

[출처 = The University of Texas at Austin(https://news.utexas.edu/2022/05/23/low-cost-gel-film-can-pluck-drinking-water-from-desert-air/) / 2022년 5월 23일]