우주 공간의 차가운 특성을 재생가능한 자원으로 바꾸는 방법

지구상 건물들의 냉방을 위해 차갑고 어두운 우주 공간을 이용할 수 있다면 어떻게 될까요? 물리학자 애스워스 라만은 적외선이 지구에서 우주로 빠져나가면서 열기를 빼앗아가는 자연 현상인 "복사냉각"을 이용해 냉방 시스템에 사용되는 에너지를 극적으로 줄이는 기술을 발명하고 있습니다. 그의 강연을 통해 이 기술로 미래에는 어떻게 우주의 에너지를 현명하게 이용할 수 있을지 알아보세요.

어렸을 적 매년 여름마다

조부모님을 뵈러 캐나다에서

인도 뭄바이에 가곤 했습니다.

현재 캐나다의 여름은
낮에 가장 더워 봤자

약 섭씨 22도 또는 화씨 72도인

전형적인 여름 날씨이며
그리 뜨거운 편은 아닙니다.

반면, 인도는 고온다습한 지역으로

기온이 섭씨로는 30도,
화씨로는 90도까지 올라갑니다.

전 도착하자마지
이렇게 묻곤 했습니다.

“어떻게 이런 날씨에 먹고, 자고,
일하며 살 수 있는 거예요?” 라고요.

더군다나 조부모님 집에는
에어컨도 없었습니다.

전 늘 조부모님을 조르며

에어컨을 사자고 말했지만
늘 거절당했습니다.

하지만 이제 상황이
급격하게 바뀌고 있습니다.

오늘날 냉방에 소비되는 전력이

전 세계 전력 소비량의
17%를 차지합니다.

이 냉방 기계에는

어렸을 적 제가 그토록 원했던
에어컨을 포함해

마트에서 장 본 음식을

상하지 않게 보관해줄 냉장고와

데이터 센터의 원활한 운영을 위한
산업 냉방 시설이 모두 포함됩니다.

전체적으로 봤을 때 이 냉방 기계들은

전 세계적 온실 가스 배출의
8%를 차지하고 있습니다.

하지만 제가 잠을 설치는 진짜 이유는

2050년에는 냉방 기계에 사용되는
에너지량이 무려 6배나 뛸 것이며

그것은 아시아와 아프리카의
국가들 때문이라는 점입니다.

저는 이런 현상을
직접 본 적이 있습니다.

현재 제 조부모님 집 근처에 있는
거의 모든 아파트에

에어컨이 있습니다.

더운 지역에 사는 사람들이

건강하고 행복한 삶을 살 수 있게 되고
활발한 활동이 가능하게 된 점에서

이는 매우 잘된 일입니다.

하지만 가장 우려되는 점은
바로 지구 온난화입니다.

지구의 기온이 점점 올라가면

냉방 기계도 계속 쓰게 되겠죠.

문제는 냉방기계가 온난화의 주범인
온실 가스를 방출한다는 점입니다.

이는 악순환을 일으킬
가능성이 있습니다.

즉, 나중에는 냉방 기계 자체가

21세기 말에는 결국 온실가스의
주범이 될 수 있다는 거죠.

최악의 경우

2100년까지 냉방 기계를 돌리는 데만

매년 10조 kWh 이상의 전력이
필요하게 될 것입니다.

이는 오늘날 총 전력 공급의
절반을 차지하는 양입니다.

단지 냉방만을 위해서요.

하지만 여기엔 놀라운 점도 있습니다.

냉방 기계들의 효율성을
10%나 20%만 개선해도

온실 가스 방출을 막는 데
큰 영향을 줄 수 있습니다.

현재뿐만 아니라 미래에까지
영향을 미칠 수 있는 겁니다.

그렇게 된다면 최악의 경우인
악순환 현상을 막을 수 있습니다.

저는 전기 및 열 분야에
관심이 많은 과학자입니다.

특히 관심을 두는 것은
새로운 물질들이 어떻게

자연의 기본 원소들의 흐름을
바꾸는지에 대한 것입니다.

한때 불가능하다고 믿었던 방식으로요.

그래서, 어렸을 적에
늘 여름방학 때마다 겪었던

냉방의 중요성을 깨달으면서도

냉방 기계의 문제 해결에
애쓰기 시작한 것은

6년 전에 우연히 알게 된
지적 수수께끼 때문이었습니다.

어떻게 선조들은 사막에서
얼음을 만들었을까요?

이 사진은 야크찰이라는
고대 얼음 보관소로

이란 남서부 지역에 위치하고 있습니다.

이란 전역에 이런 구조물이 널려 있으며

이와 비슷한 구조물의 흔적을
그 외 중동 지역에서도 볼 수 있고

그 흔적이 중국까지 이어집니다.

수백 년전 이 보관소를 운영한 사람들은

해가 질 때쯤의 초저녁에
여기 왼쪽에 보이는 웅덩이에

물을 붓곤 했습니다.

그러고 나면 놀라운 일이 일어났죠.

기온이 어는점보다 높은

섭씨 5도나 화씨 41도인데도

물이 어는 것입니다.

이렇게 생성된 얼음은
다음날 아침에 수확되고

여기 오른쪽 사진에 나온
건물에 보관됩니다.

여름 내내 말이죠.

사실, 여러분도 이미 이런 현상이
일어나는 것을 본 적이 있을 것입니다.

맑은 밤에 땅 위에 서리가
앉아있는 걸 보셨을 거예요.

기온이 어는점보다 높은데도 말이죠.

하지만 여기서 되짚어 봅시다.

어떻게 기온이 어는점보다 높은데
물이 얼 수 있었던 걸까요?

증발 때문일 수 도 있지만

물이 얼음이 되기에는
그것만으로 충분치 않습니다.

증발 외에 또 다른 요소가
있던 것이 분명합니다.

창문턱에서 파이를 두고
식히는 모습을 상상해보세요.

파이를 식히기 위해선 파이의 열기를
시원한 곳으로 보내야 합니다.

즉, 파이 주위의 공기를
바꿔야 하는 거죠.

이는 불가능해 보이지만

이 물 웅덩이도 사실 주위의 열기를
시원한 쪽으로 보낸 것입니다.

어떻게 이런 일이 가능할까요?

이 물 웅덩이도
대부분의 천연 자원들처럼

빛의 형태로 열을 전달합니다.

이게 바로 우리가 흔히 아는
복사열이라는 개념입니다.

사실, 지금 우리도 적외선 형태의 열을

우리 주변과 서로에게 보내고 있습니다.

열화상 카메라로 사진을 찍어보면

지금 화면에 나온 것처럼
우리가 내뿜는 열을 볼 수 있습니다.

따라서 물 웅덩이에서 나오는 열은

대기 중 위로 올라가게 됩니다.

대기와 대기 속 분자들이

이 열의 일부를 흡수하고 난 뒤
다시 이를 돌려줍니다.

이 원리가 바로 지구 온난화 주범인
온실효과의 작동원리입니다.

하지만 여기 반드시 알아야 할
중요한 부분이 있습니다.

그것은 바로 대기는 전달된 열을
모두 흡수하지 않는다는 점입니다.

만약 그랬다면 지구는 현재보다
더욱 뜨거운 상태였을 것입니다.

대기는 특정한 파장일 때

특히 8에서 13 마이크론
사이의 파장에서

'대기창'이라는 상태가 됩니다.

이 대기창은 적외선 형태로
올라오는 열의 일부를

효과적으로 분산시킴으로써
이 물 웅덩이의 열을 가져갑니다.

그러면 이 열은 훨씬 더
차가운 쪽으로 이동하게 되죠.

물 웅덩이가 있던 대기 상층부에서

대기권 밖으로 나가게 됩니다.

대기권 밖은 섭씨 영하 270도

화씨로는 영하 454도로
매우 차가운 공간입니다.

그래서 이 물 웅덩이는 대기에서
다시 물 웅덩이로 보내는 열보다

더 많은 열을
대기로 방출할 수 있습니다.

이러한 이유로

물 웅덩이는 주위 온도보다
낮아지게 됩니다.

이 현상이 바로 밤하늘 냉각입니다.

복사 냉각이라고도 하죠.

이 현상은 기후학자와 기상학자들이

늘 중요하게 여기는 자연현상입니다.

이런 현상을 알게 된 때는

스탠포드 대학 박사과정을
마칠 때 즈음이었습니다.

저는 냉각 원리가 너무나도
간단하다는 사실에 놀라면서도

한편으론 궁금했습니다.

왜 이런 단순한 원리를
활용하지 않는 걸까요?

과학자들과 공학자들은

이 원리를 활용할 방법을
수십 년간 연구해왔습니다.

하지만 한 가지 결정적인
문제가 있음을 알게 되었죠.

바로 밤하늘 냉각이라 불리는
복사냉각이 문제였습니다.

왜냐고요?

바로 태양이라는 녀석 떄문입니다.

지면을 식히려면

지면이 하늘을 바라보고 있어야 합니다.

차게 식혀야 할 때는
보통 낮시간 동안인데

안타깝게도 낮에는 태양이 떠 있죠.

태양은 지면의 대부분을 가열하고

복사냉각을 완전히 상쇄시켜버립니다.

저와 제 동료들은 오랫동안

아주 작은 길이를 갖는 물질을
만들 방법을 생각해왔습니다.

빛을 이용해서 새롭고 실용적인
일을 할 수 있는 물질이고

빛의 파장 자체보다
더 짧은 길이를 가져야 합니다.

나노 광학 또는 메타소재 연구로
알려진 분야의 지식을 통해서

낮에 복사냉각이 가능한 방법이
존재할 거라는 사실을

처음으로 알아냈습니다.

이를 위해서 저는 여러 층을 갖는
광학 소재를 만들었습니다.

이것은 그 소재의 현미경 사진인데요.

두께가 사람의 머리카락보다
40분의 1 정도로 얇습니다.

그리고 동시에
두 가지 일을 할 수 있죠.

먼저, 이 광학 소재는
열을 내보냅니다.

대기에서 열이 가장 많이 방출되는
곳으로 정확히 열을 내보내죠.

저희는 우주 공간으로 향하는
대기창을 목표로 했습니다.

두 번째로, 태양에 의해
가열되는 것을 막습니다.

이는 햇빛을 반사시키는
훌륭한 거울 역할을 하죠.

제가 처음으로 이를 실험했던 곳은
스탠포드 대학의 옥상이었습니다.

보고 계신 바로 이곳이죠.

저 장치를 잠시 동안 가만히 놓아두고

몇 분 뒤에 다시 확인하러 갔습니다.

확인하자마자 이 장치가
효과가 있다는 걸 알았어요.

어떻게 알았냐고요?

손을 댔는데 차갑더라고요.

(박수)

이게 얼마나 이상하고 납득이
잘 안 가는 것인지 보여 드릴게요.

이 소재나 이와 비슷한 것을

그늘에서 꺼내오면 차가워 질 것입니다.

햇빛을 쬐고 있어도 말이죠.

첫 번째 실험에서 얻은 결과를 보면

섭씨 5도, 화씨로는 9도 이상을

유지하고 있음을 알 수 있습니다.

직사광선을 받고 있었는데도 말이죠.

우리가 실제로 이 소재를
만들었던 제작 방법으로

대규모 생산이 가능한
시설이 이미 있었습니다.

저는 정말 기뻤어요.

왜냐하면 냉방을 위한
소재를 만들 뿐만 아니라

이를 실현해서 실용화할 수 있는
기회를 찾았기 때문입니다.

그러자 다음 의문점이 생겼습니다.

이 아이디어로 어떻게
에너지를 절약할 수 있을까요?

일단, 이 기술을 사용해 에너지를
절약하는 가장 직접적인 방법은

에어컨과 냉장고의 효율을
향상시키는 것입니다.

이를 위해, 저희는 유동성
냉각 패널을 설치했습니다.

여기 보시는 것과 같은 건데요.

이 패널들은 태양열 온수기와
비슷한 형태를 지니고 있습니다.

하지만 작동원리는 정반대입니다.

저희가 만든 특수 소재를 통해서
천천히 물을 식히게 되죠.

그런 뒤, 이 패널들을 하나로 합치면

모든 냉방 기계에 들어가는
콘덴서라는 부품이 되는데

이것으로 냉방 시스템의
효율을 향상시킬 수 있습니다.

신생기업인 저희 스카이쿨 시스템은

최근에 여기 보시는 캘리포니아의
데이비스에서 실지 실험을 마쳤습니다.

이 실험에서

냉방 시스템 분야의 효율성이

12%나 향상될 수 있음을
증명했습니다.

내년이나 내후년에

이 패널들이 최초로 상업용 규모로

냉방 시스템에 시범 적용될
것으로 기대하고 있습니다.

미래에는 어쩌면 이러한 패널들을

더 효율성이 높은
건물 냉방 시스템과 결합해

에너지 사용량을 3분의 2로
절약할 수 있을 겁니다.

그러면 결국 전력 공급이 전혀 필요없는

냉방 시스템을 만들 수 있을 것입니다.

이를 향한 첫 발걸음으로

저와 제 스탠포드 대학 동료들은

발전된 공학기술을 통해

섭씨 42도보다 더 낮은 기온을
유지할 수 있다는 것을

증명해왔습니다.

고맙습니다.

(박수)

상상해보세요.

무더운 여름날인데도 어는점보다
낮은 무언가를 말이에요.

냉방 시스템에 관해 저희가
할 수 있는 것들에 신나면서도

아직 갈 길이 멀었다고 생각하지만

과학자로서 저는 이번 실험이 강조하는

심오한 기회에 집중하고 있습니다.

차갑고 어두운 우주 공간을 이용해

지구상 모든 에너지 처리 과정의
효율성을 향상시킬수 있습니다.

그런 방법 중의 하나가
바로 태양광 전지입니다.

태양광 전지는 태양열을 받아

온도가 높아질수록 효율성이 떨어집니다.

2015년에 저희는 정교하게
제작된 미세구조들을

태양광 전지판 위에 설치하면

냉각 효과의 장점을 활용하여

태양 전지가 수동적으로 낮은 온도를
유지한다는 걸 입증했습니다.

이 덕분에 태양광 전지를
더 효율적으로 운용할 수 있죠.

저희는 이런 기회를
계속 증명하고 있습니다.

현재 저희는 차가운 우주를
활용할 방법을 찾고 있습니다.

수자원 보존에 도움을 준다거나

전력망 없이도 에너지를
사용하는 방안에 대해서요.

어쩌면 이를 통해 에너지를
직접 생산할 수 도 있을 겁니다.

지구와 차가운 우주 공간의

온도 차는 매우 큽니다.

그 온도 차를 이용한다면
적어도 이론상으로는

전력 생산용 열기관을
만들어 낼 수 있습니다.

그렇다면 태양광 전지가
작동하지 않는 밤에도

쓸만한 양의 전력을 제공할
발전기를 만들 수 있지 않을까요?

어둠을 이용해서
빛을 만들 수 있지 않을까요?

이 능력의 핵심은 바로

우리 주위의 복사열을
이용할 수 있다는 점입니다.

우린 끊임없이 적외선으로
목욕을 하고 있는 셈입니다.

만약 적외선의 방향을
우리 마음대로 바꿀 수 있다면

매일매일 우리를 관통하는
열과 에너지의 흐름을

완전히 바꿀 수 있을 것입니다.

차갑고 어두운 우주를 이용하는
이 기술이 시사하는 바는

미래에는 우리 과학 문명으로

열 에너지 발자국을 더욱 현명하게

대규모로 관리할 수 있을 거라는 점입니다.

기후 변화를 직면한 상황에서

이런 능력을 갖추는 것은

필수 사항이 될 것입니다.

그러니 다음부터 밖에 나갈 때는

네, 지구 자체의 생명체들에게
태양이 얼마나 필수적인지 경탄하면서도

하늘에 있는 태양 외 나머지 요소들의
영향력 또한 잊지 않길 바랍니다.

감사합니다.

(박수)