오스틴에 있는 텍사스 대학의 엔지니어 팀은 최근 공기에서 직접 식수를 수집할 수 있는 혁신적인 재킷을 개발하는 동시에 기록적인 태양열 대기 물 수집 시스템을 출시했습니다. 이는 깨끗한 물 공급원이 부족한 사람들에게 물을 사용할 수 있는 새롭고 휴대 가능한 방법을 제공할 것으로 예상됩니다. 연구원들은 이 기술이 등산객, 캠핑족, 장거리 달리기 선수, 농장 노동자, 응급구조대원, 군인 등 야생이나 인프라가 취약한 지역에서 오랜 시간을 보내는 사람들에게 특히 적합하다고 말합니다.
이 '워터자켓'은 주변 공기로부터 수분을 흡수하고, 섬유를 따라 수증기를 분리 가능한 집수 장치로 유도한 후, 접이식 물 수집 장치를 통해 물을 가열 및 방출하여 최종적으로 직접 마실 수 있는 깨끗한 물을 얻을 수 있도록 특별히 고안된 섬유 소재를 사용합니다. 다양한 습도 조건에서 재킷은 하루에 약 400~900ml(14~30액량 온스에 해당)의 식수를 생산할 수 있어 개인이 이동 중에도 물을 얻을 수 있는 상당한 공급 용량을 제공합니다.
프로젝트 리더 중 한 명이자 Cockrell Institute of Technology 및 Texas Materials Research Institute의 기계 공학과 교수인 Yu Guihua는 과거에는 사람들이 일반적으로 "공기 물 추출"을 상자, 판형 장치 또는 대형 흡착 베드와 같은 고정 장비로 상상했지만 이번 연구에서는 이러한 유형의 기술을 형태 측면에서 완전히 "재구축"하려고 시도했다고 지적했습니다. 직물 자체가 공기 중 습기를 모을 수 있다면 개인용 및 휴대용 물 사용에 대한 완전히 새로운 가능성과 응용 가능성이 열릴 것입니다.
기존 대기 수분 흡수 소재와 비교하여 이 새로운 유형의 직물은 대규모 성능이 약 3~10배 향상되었습니다. 핵심 혁신은 수분 흡수 능력을 향상시키는 것뿐만 아니라 섬유 내 물의 이동 경로를 재설계하는 것입니다. 연구팀은 구조와 소재의 공동 설계를 통해 물이 공기 중의 수증기에서 섬유 표면의 액체로 신속하게 변환된 후 효율적으로 원단 내부로 전달되도록 함으로써 실험실 프로토타입에서 웨어러블 시스템으로의 도약을 이뤘다.
이 프로젝트의 공동 저자이자 화학 공학 교수인 Keith Johnston은 단순히 물을 흡수하는 물질을 추가로 만드는 것이 아니라 이 "빠른 전송 경로"를 설계하는 것이 진짜 핵심이라고 지적했습니다. 수증기를 액체 상태로 전달한 다음 소재를 실제 응용 분야에서 기존 솔루션보다 훨씬 더 효율적으로 수행할 수 있게 해주는 이 전달 시스템은 의류, 배낭, 텐트, 비상 대피소 시설과 같은 더 많은 제품 형태로 확장할 수 있는 기반을 마련합니다.
연구팀은 앞으로 야외 레크리에이션, 현장 작업, 재난 대응, 가뭄이나 물 공급 인프라가 취약한 지역에서 이 기술의 적용을 탐색하는 데 집중하고 웨어러블 물 가져오기 장치를 물 안전과 접근성을 향상시키는 보조 수단으로 만들기 위해 노력할 것이라고 밝혔습니다. 이 과정에서 성능을 보장하면서 확장 가능한 생산, 내구성 및 재료의 사용자 편의성을 달성하는 방법은 후속 엔지니어링의 중요한 방향이 될 것입니다.
재킷과 병행하여 팀은 태양열을 이용한 현장 휴대용 대기수 추출 장치도 개발했으며, 뉴멕시코주 치와와 사막의 덥고 건조한 환경과 텍사스주 오스틴의 습한 기후에서 현장 테스트를 완료했습니다. 테스트 결과에 따르면 이 시스템은 건조 및 반습 환경 모두에서 하루에 약 1.3리터(44액량 온스)의 깨끗한 식수를 수집할 수 있어 기후 조건 전반에 걸쳐 안정적인 물 생산 능력을 입증합니다.
물질 활용을 기준으로 계산한 이 시스템은 하루 흡수 물질 1kg당 약 4.3리터의 물을 생산할 수 있습니다. 이는 물질 2.2파운드당 일일 평균 물 생산량 약 1.1갤런에 해당하며, 이는 이전의 많은 유사한 연구에서 보고된 기록을 깨뜨린 것입니다. 논문의 첫 번째 저자 중 한 명인 Guan Weixin은 이것이 "실용적인 대기 물 수집"을 향한 중요한 단계라고 말했습니다. 분자 설계부터 시스템의 실제 작동까지 팀의 수년간의 축적이 마침내 현장 배포 가능 장치의 통합 혁신을 달성했습니다.
이 고성능 취수 시스템의 핵심은 바이오매스 유래 소재로 제작된 특수 하이드로겔 원단으로, 낮은 에너지 소비로 수증기 흡착 및 방출 과정을 완성합니다. 하이드로겔은 공기 중의 수증기를 흡수할 수 있으며, 햇빛에 의해 가열되면 흡수된 물을 방출한 다음 응축을 통해 액체 물로 수집할 수 있으며, 이를 통해 태양 에너지를 사용하여 완전한 물 수집 주기를 구동할 수 있습니다.
연구팀은 이 기술이 전통적인 중앙 집중식 물 공급 인프라를 구축하고 유지하기 어려운 북아프리카, 중동, 남아시아, 사하라 이남 아프리카 등 세계에서 가장 물이 부족한 지역에 적용 가능성이 높다고 지적합니다. 이 직물 및 젤 기반 분산 취수 솔루션을 통해 외딴 지역 사회, 재난 구호 현장 및 인프라가 제한된 지역은 복잡한 파이프 네트워크가 필요하지 않은 식수 공급원에 접근할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
관련 결과는 'Science Advances'와 'Nature Water'라는 두 가지 저널에 게재되었습니다. 전자는 개인용 웨어러블 대기 물 수집을 위한 확장 가능한 계층적 직물 섬유 구조를 자세히 설명하고, 후자는 다양한 기후 조건에서 휴대용 태양열 구동 고급 대기 물 수집 시스템의 설계 및 현장 검증을 보여줍니다. 연구팀은 이러한 소재와 시스템이 계속 성숙해지고 응용을 향해 나아가면서 물이 부족한 환경에서 사람들이 '옷을 입고 물을 마시는' 미래 시나리오가 점차 상상에서 현실로 옮겨가고 있다고 믿고 있다.