공기 중에서 식수를 채집하는 재킷

텍사스 대학교 오스틴(The University of Texas at Austin)의 엔지니어들이 공기 중에서 직접 식수를 채집하는 재킷을 개발했습니다. 이 기술은 취미로 등산을 하거나 캠핑을 즐기는 사람, 러너부터 농업 종사자, 응급 구조 요원, 군인에 이르기까지 식수에 쉽게 접근할 수 없는 지역에서 많은 시간을 보내는 모든 이들에게 도움이 될 수 있습니다.

“공기 중에서의 수분 채집(Water harvesting)은 보통 상자, 패널 또는 대형 흡착층(sorbent bed)과 같은 고정된 장치로 상상되곤 합니다.”라고 Science Advances에 발표된 이번 연구의 리더 중 한 명이자, Cockrell School of Engineering의 Walker Department of Mechanical Engineering 및 Texas Materials Institute의 Guihua Yu 석좌교수는 말했습니다. “여기서 우리는 기술의 형태를 재고하고자 했습니다. 만약 직물 자체가 공기 중에서 물을 수집할 수 있다면, 개인용 및 휴대용 식수 접근을 위한 새로운 방향을 열 수 있습니다.”

재킷에 통합된 텍스타일(textile)은 수분을 수집하여 탈착 가능한 채집 유닛(harvesting units)으로 전달합니다. 이 유닛들은 접이식 수집 장치에 배치되며, 가열되어 물을 생성합니다.

탈착 가능한 채집 유닛은 접이식 수집 장치에 배치되며 가열되어 물을 생성합니다.

이 재킷은 습도 수준에 따라 하루에 400에서 900밀리리터(약 14~30온스)의 마실 수 있는 물을 생산했습니다.

기존의 수분 채집 재료와 비교했을 때, 이 텍스타일은 규모 면에서 3배에서 10배의 개선을 보여주었습니다. 연구진은 또 다른 부피가 큰 장치를 만드는 대신 섬유(fibers) 자체에 집중함으로써 이 분야의 공통적인 문제를 극복했습니다.

“여기서 중요한 진전은 연구팀이 단순히 물을 흡수하는 또 다른 물질을 만든 것이 아니라는 점입니다,”라고 Cockrell School of Engineering의 McKetta Department of Chemical Engineering 교수이자 공동 저자인 Keith Johnston가 말했습니다. “그들은 공기 중의 수증기(vapor)에서 섬유(fiber) 표면의 액체(liquid)로, 그리고 다시 직물(textile) 내부로 물이 빠르게 이동할 수 있는 경로를 설계했습니다. 그러한 수송(transport) 설계 덕분에 이 물질은 단순한 실험실 테스트를 넘어 웨어러블 시스템(wearable system)에서도 작동할 수 있는 것입니다.”

연구진은 의류를 넘어 배낭, 텐트, 비상용 쉘터(emergency shelters) 및 기타 아웃도어 장비로의 응용을 눈여겨보고 있으며, 사람들이 매일 휴대하는 물건들이 공기 중에서 물을 채집하는 데 도움을 줄 수 있도록 하고 있습니다. 곧 그들은 이 기술을 야외 활동, 원격 현장 운영, 재난 대응, 그리고 건조하거나 인프라가 제한된 지역의 용수 확보에 적용하는 방안을 검토할 예정입니다.

이 직물 연구는 동일한 연구팀이 뉴멕시코주의 치와와 사막(Chihuahuan Desert)의 덥고 건조한 기후와 오스틴(Austin)의 더 습한 환경에서 공기 중으로부터 기록적인 양의 식수를 추출해낸 별도의 장치 연구와 함께 발표되었습니다. 이는 대기 중 수분(atmospheric moisture)을 활용하여 식수 부족 문제를 해결할 수 있는 실질적인 잠재력을 입증한 것입니다.

테스트 결과, 연구진은 건조한 지역과 반습윤(semi-humid) 지역 모두에서 하루에 1.3리터의 깨끗한 물을 채집했습니다. 이는 수분 채집 물질 1kg당 하루 4.3리터에 해당하는 양으로,

태양광 물 채집 장치는 뉴멕시코주 치와와 사막의 건조한 기후와 텍사스주 오스틴의 습한 기후에서 기록적인 양의 식수를 추출했습니다.

다른 어떤 연구 그룹이 달성한 것보다 많은 양입니다.

“이것은 실용적인 대기 수분 채집(atmospheric water harvesting)을 향한 큰 도약입니다,”라고 Nature Water에 발표된 새 논문의 주저자 중 한 명인 Weixin Guan이 말했습니다. “이 목표는 분자 설계(molecular design)부터 실제 운영에 이르기까지 수년간의 연구를 통해 배양되어 왔으며, 이러한 요소들이 마침내 현장 투입 가능한 시스템(field-ready system)으로 결합되는 것을 보는 것은 특히 의미 있는 일입니다.”

이 장치의 중심에는 바이오매스 유래 물질(biomass-derived materials)로 만들어진 특수 설계된 하이드로젤 (hydrogel) 직물이 있습니다. 이 직물은 공기 중의 수분을 흡수했다가 햇빛에 의해 가열되면 이를 방출하여, 물이 응결(condensed)되고 수집될 수 있도록 합니다.

이 장치가 가장 잘 작동해야 하는 지역들은 북아프리카, 중동, 남아시아 및 사하라 이남 아프리카의 일부 지역을 포함하여 전 세계에서 물 스트레스(water-stressed)가 가장 심한 지역들과 겹칩니다. 이는 이 기술이 원격 공동체, 비상 대응, 그리고 기존의 물 시스템을 구축하거나 유지하기 어려운 환경을 위한 분산형 물 솔루션(decentralized water solution)으로서 특히 유망하다는 것을 의미합니다.

이 장치는 해당 팀의 더 광범위한 AirGel 발명의 일부이며, 이 발명은 2025년 전국 대학생 발명 대회(National Collegiate Inventors Competition)의 대학원 부문에서 최고상을 수상했습니다.