물부족 문제에 직면한 세계의 상당 부분에 희망의 등불이 다가오고 있다. 바로 더운 공기를 식수로 쉽게 바꿀 수 있는 능력이다.

지난 몇 년 동안 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스(University of Texas at Austin)의 연구원들은 가뭄으로 고통받는 인구를 위한 잠재적인 식수 공급원으로서 공기 중 수분에 초점을 맞춰왔다.

『미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)』에 발표된 새로운 연구에서 그들은 얇은 공기 중에서 마실 수 있는 물을 만들기 위한 노력에서 획기적인 발전을 이루었다. 즉, 햇빛의 에너지만 사용하여 깨끗한 물을 만들 수 있는 분자공학적인 ‘하이드로젤(hydrogel)’이다.

연구진은 텍사스와 세계 다른 지역의 여름 날씨에 맞춰 104℉(40℃) 정도의 낮은 조건에서 태양 에너지를 사용하여 대기에서 물을 끌어내어 마실 수 있도록 장치를 만들 수 있었다.

이는 열이 과도하고 깨끗한 물에 대한 접근이 거의 불가능한 장소에 있는 사람들이 언젠가는 단순히 장치를 외부에 배치하면 추가 노력 없이 물을 만들 수 있다는 것을 의미한다.

“우리의 새로운 ‘하이드로젤(hydrogel)’을 통해 우리는 단지 허공에서 물을 끌어내는 것이 아니다. 우리는 이를 매우 빠르게, 그리고 너무 많은 에너지를 소비하지 않고 수행하고 있다”라고 코크렐 공과대학교(Cockrell School of Engineering)의 워커(Walker) 기계공학과 및 텍사스소재연구소(Texas Materials Institute)의 재료과학·공학과 교수인 구이화 유(Guihua Yu)가 말했다.

구이화 유(Guihua Yu) 교수는 이어 “우리 ‘하이드로젤(hydrogel)’의 정말 흥미로운 점은 어떻게 물을 방출하는가 하는 것이다. 더운 텍사스의 여름을 생각해 보세요. 히터를 가동할 필요 없이 온도의 자연스러운 상승과 하강을 이용하면 된다”고 설명했다.

이 장치는 습도 조건에 따라 겔(gel) 물질 1kg당 3.5∼7kg의 물을 생산할 수 있다.

이 연구의 중요한 특징은 ‘마이크로겔(microgel)’이라고 불리는 미세입자에 대한 하이드로젤의 적응성이다. 이러한 ‘마이크로겔(microgel)’은 이 장치를 현실에 훨씬 더 가깝게 만드는 속도와 효율성 향상을 제공한다.

구이화 유(Guihua Yu) 교수 연구실의 대학원생이자 연구 리더 중 한 명인 웨이신 관(Weixin Guan)은 “하이드로겔을 마이크로 크기의 입자로 변환함으로써 물을 초고속으로 포착하고 방출할 수 있다”라면서 “이것은 매일 반복적으로 순환함으로써 물 생산을 크게 향상시킬 수 있는 새롭고 효율적인 유형의 흡착제를 제공한다”고 설명했다.

연구진은 이 기술을 상용 제품으로 전환하는 것을 목표로 추가적인 기술 개선을 추구하고 있다. 한 가지 초점 영역은 효율성을 더욱 향상시키기 위해 ‘마이크로겔(microgel)’의 엔지니어링을 최적화하는 것이다.

규모를 확대하는 것은 중요한 다음 단계이다. 연구원들은 깨끗한 식수를 만드는 저비용의 휴대용 방법으로 전 세계적으로 사용할 수 있는 유형적이고 확장 가능한 솔루션으로 자신의 작업을 변환하는 것을 목표로 한고 있다.

이는 인구의 약 60%가 깨끗한 물에 대한 기본적인 접근성이 부족한 에티오피아와 같은 국가의 삶을 변화시킬 수 있다.

구이화 유(Guihua Yu) 교수 연구실의 대학원생인 자오 야쉬안(Yaxuan Zhao)은 “우리는 특히 건조한 지역에서 깨끗하고 마실 수 있는 물에 빠르고 지속적으로 접근해야 하는 전 세계 사람들이 사용할 수 있도록 하는 궁극적인 목표를 가지고 이 장치를 개발했다”라고 말했다.

연구팀은 대량 생산 비용을 절감할 수 있는 유기 재료로 만든 다른 버전의 장치를 연구하고 있다.

보다 상업적으로 실행 가능한 디자인으로의 전환에는 수분 흡수를 가능하게 하는 흡착제의 생산 규모를 확대하고 제품 수명 동안 내구성을 유지하는 데 따르는 어려움이 따른다. 연구는 또한 다양한 애플리케이션 시나리오에 맞게 장치를 휴대 가능하게 만드는 데 중점을 두고 있다.

이 프로젝트는 웰치 재단(Welch Foundation)의 화학 연구 부문 노먼 해커맨 상(Norman Hackerman Award)과 카밀 드레퓌스 교사-학자상(Camille Dreyfus Teacher-Scholar Award)의 지원을 받고 있다.

[원문보기]

Hot summer air turns into drinking water with new gel device

AUSTIN, Texas - For significant portions of the globe faced with water shortage problems, a beacon of hope may be on the way: the ability to easily turn hot air into drinking water.

For the past few years, researchers at The University of Texas at Austin have focused on the moisture present in the air as a potential source of drinking water for drought-stressed populations. 

In new research published in the Proceedings of the National Academy of Sciences, they reached a significant breakthrough in their efforts to create drinkable water out of thin air: a molecularly engineered hydrogel that can create clean water using just the energy from sunlight.

The researchers were able to pull water out of the atmosphere and make it drinkable using solar energy, in conditions as low as 104 degrees, aligning with summer weather in Texas and other parts of the world. 

That means people in places with excess heat and minimal access to clean water could someday simply place a device outside, and it would make water for them, with no additional effort necessary.

“With our new hydrogel, we’re not just pulling water out of thin air. We’re doing it extremely fast and without consuming too much energy,” said Guihua Yu, a materials science and engineering professor in the Cockrell School of Engineering’s Walker Department of Mechanical Engineering and Texas Materials Institute. 

“What’s really fascinating about our hydrogel is how it releases water. Think about a hot Texas summer ? we could just use our temperatures’ natural ups and downs, no need to crank up any heaters.”

The device can produce between 3.5 and 7 kilograms of water per kilogram of gel materials, depending on humidity conditions.

A significant feature of this research is the hydrogel’s adaptability into microparticles called “microgels.” These microgels unlock the speed and efficiency improvements that bring this device much closer to reality.

“By transforming the hydrogel into micro-sized particles, we can make the water capture and release ultrafast,” said Weixin Guan, a graduate student in Yu’s lab and one of the leaders of the research. “This offers a new, highly efficient type of sorbents that can significantly enhance the water production by multiple daily cycling.”

The researchers are pursuing additional improvements to the technology, with an eye toward transforming it into a commercial product. One focus area is optimizing the engineering of the microgels to further improve efficiency.

Scaling up is an important next step. The researchers aim to translate their work into tangible and scalable solutions that can be used worldwide as a low-cost, portable method of creating clean drinking water. 

This could be life-changing for countries such as Ethiopia, where almost 60% of the population lacks basic access to clean water.

“We developed this device with the ultimate goal to be available to people around the world who need quick and consistent access to clean, drinkable water, particularly in those arid areas,” said Yaxuan Zhao, a graduate student in Yu’s lab.”

The team is working on other versions of the device made from organic materials, which would reduce costs for mass production. 

This transition to more commercially viable designs comes with its own challenges in scaling production of the sorbent that allows moisture absorption and in maintaining durability for the product’s lifespan. Research is also focused on making the devices portable for various application scenarios.

This project is supported by the Norman Hackerman Award in Chemical Research from The Welch Foundation and the Camille Dreyfus Teacher-Scholar Award.

[출처=텍사스대학교 오스틴 캠퍼스(University of Texas at Austin)(https://news.utexas.edu/2023/09/11/hot-summer-air-turns-into-drinking-water-with-new-gel-device/) / 2023년 9월 11일]

[논문출처=『미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)』(https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2308969120) / 2023년 9월 11일]

[번역 = 배철민 편집국장 겸 글로벌물산업정보센터장]