Scientists advance cloud-seeding capabilities with nanotechnology

나노기술로 인공강우 만든다

‘구름 씨’를 뿌려 비를 만드는 인공강우는 수십 년 전에도 있던 아이디어다. 여기에 오늘날의 혁신이 더해져 한층 개선된 기술이 나왔다. 이 기술을 통해 우리는 가뭄 피해 지역을 돕고, 기후변화에 맞설 수 있게 되었다.

1940년대부터 과학자들은 건조기후 및 반건조기후 지역의 강수량을 늘리기 위해 인공강우 기술을 연구해왔다. 그리고 오늘날, 과학∙공학계가 나노기술을 통해 ‘구름 씨(응결핵) 뿌리기(cloud seeding)’의 효과를 크게 개선하면서 그간의 노력이 놀라운 도약을 이루어 내고 있다.

“세계 물 부족 문제가 계속해서 심화되고 있다. 이는 전 지구적으로 인구가 급격히 증가하고, 세계 경제가 성장하며 나타난 결과이다. 하지만 강, 호수, 지하수와 같은 기존 수자원은 매우 한정적이다. 이러한 이유로 과학자와 공학자들은 대체 수자원을 탐색해왔다.” 칼리파 공과대학교(Khalifa University of Science and Technology) 린다 조(Linda Zou) 토목환경공학과 교수의 말이다.

조 박사는 나노기술을 이용해 구름 씨 물질을 개발하는 획기적인 연구를 이끌고 있다. 구름 씨 뿌리기란 기상 조작의 일종으로 구름에서 일어나는 자연 현상을 모방해서 대기 중 수분의 응집 및 응결 작용을 촉진하고 가속하는 특수한 입자를 뿌려 강우량을 늘리는 것이다. 조 박사는 이에 대해 “오늘날 우리가 사용하는 구름 씨 물질은 이미 수십 년 전부터 존재했지만 시간이 지나면서 이와 관련된 정보와 기술이 시대에 뒤떨어지는 사이에 막상 그 효과는 제대로 연구되지 못했다”고 아쉬워했다.

구름 씨 뿌리기에는 필수 요건들이 있다. 이것을 뿌려 인공강우가 내리게 하려면, 적절한 기온, 알맞은 습도, 수분을 포집하는 표면, 응결이 형성될 수 있는 적당한 크기의 물질이 필요하다.

조 박사는 “나노기술과 나노과학의 발전에 힘입어 우리는 오늘날 인공강우에 적합한 구름 씨 물질을 설계 및 개발하고 있다”면서 “구름 씨 주변에 수증기 응축 효율이 높아지도록 개발하면 강우량을 극대화할 수 있을 것”이라고 말했다.

관련 링크

인터뷰 전문

로렐 루마(Laurel Ruma): 여기는 MIT 테크놀로지 리뷰의 ‘비즈니스 연구소(Business Lab)’이고, 저는 진행을 맡은 로렐 루마입니다. 우리 프로그램은 기업가들이 최근 출시된 첨단 기술을 더 잘 이해할 수 있도록 돕고 있습니다.

오늘 주제는 강우량을 늘리기 위한 구름 씨 뿌리기입니다. 비록 구름 씨는 1940년대부터 있던 오래된 개념이지만, 최근 기후 변화와 인구 증가로 인해 물 부족 문제가 심각해지면서 과학자들이 이 기술에 더욱 천착하게 되었습니다. 이 기술은 특히 아랍에미리트연방(UAE)과 같은 건조기후나 반건조기후 지역에서 기존 수자원에 비해 비용 효율이 높은 보완책이 될 수 있습니다.

UAE 정부는 해당 분야를 발전시키기 위해, 2015년 ‘UAE 인공강우연구프로그램(UAE Research Program for Rain Enhancement Science)’이라는 새로운 이니셔티브를 출범했습니다. 이들의 목표는 전 세계의 인공강우 분야 과학자들로부터 혁신적인 프로젝트를 모집하는 것이었습니다. 선발된 프로젝트는 이론을 연구하고 개선하기 위해 3년에 걸쳐 500만 달러(약 62억 원)의 보조금을 받습니다. 오늘 인터뷰의 키워드는 ‘나노공학 물질(nanoengineered materials)’입니다. 

우리가 이 자리에 초대한 손님은 린다 조 박사입니다. 현재 칼리파 공과대학 토목환경공학과 교수로 있는 조 박사는 구름 씨 물질을 개발하기 위해 나노 기술을 활용하는 획기적인 연구 프로젝트를 이끌고 있습니다.

조 박사는 UAE 인공강우연구프로그램에 선발되어 2016년부터 2019년까지 연구비를 지원받았습니다. 또한 저에너지 고효율의 신식 담수화 기술과 수질 정화법을 개발하는 데 나노기술과 분리막 기술을 응용하는 기법에 관심을 가지고 연구하고 있습니다. 이 팟캐스트는 2020 두바이 엑스포 UAE관과의 제휴를 통해 제작되었습니다. 그럼, 조 박사님을 만나보겠습니다. 환영합니다.

조 박사: 소개 감사합니다.

로렐: 조 박사님은 구름 씨에 최초로 나노 기술을 도입한 과학자입니다. 어떻게 이 연구에 관심을 두게 되었습니까?

조 박사: 오늘날 우리가 사용하는 구름 씨 물질은 이미 수십 년 전부터 존재했습니다. 하지만 시간이 지나며 이와 관련된 정보와 기술이 시대에 뒤떨어지는 사이 막상 그 효과는 제대로 연구되지 못했습니다. 이제 나노기술과 나노과학의 발전에 힘입어 우리는 인공강우에 적합한 구름 씨 물질을 설계 및 개발하고 있습니다. 구름 씨 주변에 수증기 응축 효율이 높아지도록 개발하면 강우량을 극대화할 수 있을 것입니다.”

로렐: 구름 씨 뿌리기란 기상 조작의 일종으로, 구름에서 일어나는 자연 현상을 모방합니다. 대기 중 수분의 응집 및 응결 작용을 촉진하고 가속하는 특수한 입자를 뿌려, 강우량을 늘리는 것입니다. 구름 씨가 작용하는 원리에 대해 더 자세한 설명 부탁드립니다.

조 박사: 지구의 물순환에서 태양 빛이 지표면에 내리쬐면 태양열에 의해 표면에 있던 수분이 증발하여 수증기가 됩니다. 그 가운데 소량의 수증기는 미립자 형태의 응결핵 없이 대기 중으로 상승합니다. 이 수증기는 계속해서 기체 형태로 공기 속에 머물며 점점 더 높이 올라갑니다.

자연적으로 발생하는 응결핵에는 먼지 입자, 화산 분출물, 꽃가루와 같은 것이 있습니다. 하지만 이러한 물질들은 어디에 얼마나 있는지 예측할 수 없습니다. 한편, 구름 씨를 뿌릴 때는 응결핵으로 작용할 인공적인 씨앗 물질을 방출합니다. 구름 속 수증기가 응축해 더 큰 물방울이 되어 빗방울로 낙하하도록 촉진하는 것입니다.

구름 씨 기술이 성공하기 위한 주요 요인에는, 첫째, 씨를 배포하기 적절한 구름을 찾아야 합니다. 두 번째로, 물방울 형성에 효과적인 씨 물질을 개발해야 합니다.

로렐: 구름 씨를 성공시키기 위해서는 여러 조건들이 필요합니다. 가령 적절한 기온, 알맞은 습도, 수분을 포집하는 표면, 응결이 형성될 수 있는 적당한 크기의 물질이 있어야 합니다. 맞습니까?

조 박사: 바로 그렇습니다.

로렐: 수십 년 전에도 있던 구름 씨 기술이 어떻게 최근에 와서야 급격히 개선된 것입니까?

조 박사: 모두 알다시피, 전 세계적으로 인구가 빠르게 증가하고 경제가 성장하면서 지구 곳곳에 물 부족 문제가 계속해서 심화됐습니다. 하지만 강, 호수, 지하수와 같은 기존 수자원은 한정적입니다. 이러한 이유로 과학자와 공학자들은 대체 수자원을 탐색해왔습니다.”

그중 하나가 대기 중 수분입니다. 현재로서는 물 부족 문제를 해결할 수 있을 만한 모든 방책을 자세하게 검토해야 합니다.

나노기술은 한 물질을 원하는 크기와 모양, 특성을 띠도록 설계하고 개발합니다. 따라서 이 기술을 이용하면 구름 씨의 효율을 크게 개선할 수 있습니다.

로렐: 조 박사님은 구름씨 물질 그 자체를 집중적으로 연구하고 있는 것으로 이해됩니다. 특히 앞서 언급되었듯, 원래 존재하던 구름에서 비가 더 많이 내리도록 만드는 나노 물질이 주 연구 대상인데요. 그렇다면 기존에 사용되던 구름 씨 물질에는 무엇이 있으며, 나노기술이 어떤 기여를 하게 된 것입니까?

조 박사: 이전에 사용되던 구름 씨 물질은 수분이 잘 달라붙는 흡습성 염 혼합물(hydroscopic salt mixture)이 대부분이었습니다. 이 물질은 적절한 조건 하에 염 결정을 물방울로 만들 수 있습니다. 인공강우를 만들 때는, 이러한 염 혼합물을 불꽃 장치로 점화해 기화시키는 방식으로 비가 내리게 합니다. 이때 염 증기는 아주 작은 입자로 재응결하고요. 하지만 이 과정이 무작위적이고 불특정하기 때문에, 입자의 형태와 크기가 원하는 대로 제어되지 않는 문제가 있었습니다. 실제로 대부분의 입자가 구름 씨 물질 역할을 효과적으로 해내기에 너무 작았습니다.

또한 기존의 구름 씨 물질은 오로지 상대 습도가 매우 높은 구름 속에서만 활성화할 수 있습니다. 상대 습도가 대략 75% 이상 되어야 합니다. 반면 우리 프로젝트에서는 구름 씨 입자 표면의 반응성을 높여 결과적으로 더 낮은 상대 습도에서도 씨앗이 잘 작용할 수 있도록 효율을 개선했습니다.

이 과정에서 우리는 나노 기술을 이용했습니다. 우리가 만든 구름 씨는 바깥층이 이산화티타늄(TiO2) 나노 입자로, 핵 부분은 염화나트륨(NaCl) 결정으로 이루어져 있습니다. 이렇게 나노 공정을 거쳐 핵과 외피의 두 층으로 구성된 물질을 개발한 덕에, 우리는 구름 씨의 가용 조건을 더욱 넓힐 수 있었습니다. 예를 들어, 이 구름 씨는 상대 습도 조건이 65% 정도 되는 환경에서도 활성화할 수 있습니다. 왜냐하면 구름 씨 바깥의 나노층이 친수성이 강하고 다공성 형태이기 때문에, 수분이 쉽게 흡착하여 결정의 상대 습도를 국소적으로 높일 수 있기 때문입니다. 결과적으로 흡습성 높은 성질과 응결이 더 잘 일어나는 구조가 시너지 효과를 내면서, 물방울이 만들어질 확률이 더욱 높아졌습니다.

로렐: 이와 별개로 조 박사님은 ‘얼음핵생성 입자(ice nucleating particles)’라는 기술도 개발한 것으로 알고 있습니다. 구름 씨 물질과 비교했을 때 이 기술은 어떻게 작용합니까?

조 박사: 네, 아시다시피 대기상에는 기온이 영하로 떨어지는 한랭구름(cold cloud)도 존재합니다. 한랭구름은 초냉각 수증기로 이루어져, 비록 기온이 0도 아래임에도 기체 상태로 있습니다. 일단 이러한 구름이 얼음핵생성 입자와 마주치면, 구름은 수많은 얼음 결정을 빠르게 형성하면서 액체상을 건너뛰어 곧바로 고체가 됩니다. 즉 매우 차가운 증기가 승화하여 얼음 입자로 결정화(crystallize)됩니다.

한랭구름에서 얼음핵생성은 중요합니다. 이 과정은 얼음핵생성 촉매 표면에 형성된 얇은 수분층으로부터 시작되는데, 이때 얼음은 구름 속 수증기가 줄어들면서 빠르게 성장하게 됩니다. 우리는 3차원 환원흑연산화물(rGO)과 이산화규소(SiO2) 나노 입자로 이루어진 다공성 나노 복합체를 설계하고 제작했습니다. 이 촉매는 영하 8도에서도 얼음핵생성을 일으킬 수 있는데, 이는 대부분의 얼음핵화 물질의 생성 온도보다 훨씬 높습니다. 흔히 영하 25도, 혹은 그보다 더 낮은 경우가 많습니다.

로렐: 정리하자면 구름 씨 물질이 매우 높은 고도까지 상승하는데, 상층 대기의 기온이 무척 낮기 때문에 얼음핵생성이 매우 중요하다는 뜻, 맞습니까?

조 박사: 맞습니다. 하늘 높이 올라갈수록 기온이 급속히 영하로 떨어지게 됩니다.

로렐: 과거에 구름 씨를 연구하던 과학자들이 직면했던 문제 중 하나는 시뮬레이션할 환경이 부족하다는 것이었습니다. 조 박사님의 연구도 같은 문제에 마주했을 텐데, 이점은 어떻게 개선했습니까? 이 과정에서 박사님이 발명한 것은 향후 연구에 어떤 도움을 줄 수 있습니까?

조 박사: 이 분야가 까다로운 만큼 저는 구름 미세물리학 모델링(Cloud Microphysics Modeling) 국제연구팀과 협력했습니다. 우리 프로젝트에서 혁신적인 점은 실험을 통해 물성 데이터를 얻었다는 것입니다. 이 데이터는 우리가 개발한 새로운 구름 씨 물질의 여러 특성, 그리고 구름 씨가 대기 중에서 상호작용하는 방식을 알려줍니다. 따라서 우리는 이 데이터를 토대로, 구름 씨 뿌리기로 일으킨 강수량의 1차원 및 3차원 모델링을 개발했습니다. 그 결과, 구름 씨 물질이 꽤 성공적이라는 사실이 입증되었습니다.

로렐: 실험에서 사용했던 기상 챔버가 어떤 모습인지 설명해줄 수 있습니까? 이 물질을 현실에 적용했을 때는 어떤 어려움이 있었습니까?

조 박사: 구름 챔버는 3차원 실험 환경으로 만들어졌습니다. 크기는 다양합니다. 작은 사이즈부터 중간, 큰 사이즈도 있습니다. 작은 챔버는 20미터 정도 되며 큰 것은 건물 한 채 만합니다. 우리는 습도와 온도를 원하는 대로 조절할 수 있는 8세제곱미터짜리 챔버를 사용했습니다. 이때 챔버의 꼭대기에 있는 장치를 통해 씨앗 물질을 분사했습니다.

구름 씨를 뿌린 직후에는, 씨앗 물질이 하강하는 동안 전자식 광학 카메라 장비를 이용해 수많은 사진을 찍어 기록했습니다. 그 후 어떤 단계에서 물방울이 만들어지는지, 물방울의 수와 크기는 어떠한지 분석했습니다. 또한 스펙트럼 분석을 통해, 증기 응축, 물방울 형성, 물방울의 크기와 수를 알아냈습니다. 이러한 정보를 사용하면 서로 다른 재료의 성능을 비교할 수 있어 매우 편리합니다. 우리는 이 실험을 광범위하게 수행했습니다.

로렐: 그럼 통제되지 않는 챔버라고 할 수 있는 현실 세계에서는 그런 식의 결과를 측정하기 쉽지 않았을 듯합니다.

조 박사: 말씀하신 대로입니다. 열린 공간에서는 더 어렵습니다.

로렐: 조 박사님의 연구는 세계 물 안보(water security)를 더욱 강화하는 데에 있어 이정표라 할 정도로 뜻깊습니다. 일반적으로 1년 강우량이 4인치(101.6밀리미터)뿐인 UAE와 같은 국가에 이 기술은 어떤 영향을 줄 수 있습니까?

조 박사: 그렇습니다. UAE는 건조기후 지대이며, UAE 정부는 이미 이와 관련한 연구 프로그램과 이니셔티브를 시작했습니다. UAEREP, 즉 UAE 인공강우연구프로그램(UAE Research Program for Rain Enhancement Science)이라고 불리는 것입니다. 제 연구는 해당 프로그램의 첫 기수로 선발되어 지원을 받았으며, 세계적으로 크게 주목받았습니다.

실제로 현재 우리는 UAE 국립 기상 센터와 협력하여, 강우량을 증가시키기 위해 새로운 구름 씨를 뿌리고 있습니다. UAE 전역에 빠르게 적용하고 있는 참입니다.

로렐: 다시 기술에 관해 얘기하자면, 조 박사님은 구름씨 물질의 재료 자체에 대한 특허를 신청했다고 들었습니다. 지금은 어떤 단계에 있으며 다음 수순은 무엇입니까?

조 박사: 그렇습니다. 하나는 온난구름(warm cloud) 씨앗용 이산화티타늄, 염화나트륨 재료에 대한 특허이며, 다른 하나는 한랭구름 씨앗으로 활용할 수 있는 다공성 흑연산화물(GO), 이산화규소 나노 물질에 대한 특허입니다.

지금은 야외에서 이 물질들의 효과를 평가하기 위한 공동 프로젝트에 참여하고 있습니다. 조종사 팀이 구름 씨 물질을 살포한 다음, 이를 실시간으로 포착해 분석하는 방식으로 조사를 진행하고 있습니다. 이 씨앗 물질의 효과에 대해 많이 알수록, 앞으로 더 큰 발전을 기대할 수 있을 것입니다.

한편, 생산 규모 확대, 비용 절감, 재료 적용과 관련된 일에도 전념하고 있습니다. 우리는 구름 씨 뿐만 아니라 농업이나 작물 보호, 우박 및 폭풍 억제, 스키장에서의 인공 눈 제작 등, 기상 조작과 관련된 다양한 분야에서 이 기술을 응용할 수 있도록, 실험실에서 상업적 벤처로 나아가려 하고 있습니다. 앞으로는 이처럼 응용 범위를 더욱 넓힐 것입니다.

로렐: 네, 상업적으로 활용할 가능성이 풍부해 보입니다. 또 박사님은 이 시점에도 연구를 위한 자금 모집 계획을 추진하고 있으시죠, 맞습니까?

조 박사: 앞서 말했듯 우리는 이 물질을 실험실 밖 더 넓은 세상에 선보이고 싶습니다. 전 세계적으로 기상 조작을 하는 국가가 많으니, 세계 곳곳 다양한 사용처에서 상용화할 기회가 있을 것입니다.

로렐: 지금까지 MIT 테크놀로지 리뷰 본사가 있는, 매사추세츠 케임브리지에서 칼리파 공과대학 토목환경공학과 교수 린다 조 박사와의 대화였습니다. 이 프로그램은 팟캐스트를 통해 들으실 수 있습니다. 청취해주신 분들께 감사드립니다.

  • 본 인터뷰는 팟캐스트로 진행된 것으로, 위 기사는 팟캐스트 인터뷰 내용을 기록한 것입니다.

미리보기 3회1회

MIT Technology Review 구독을 시작하시면 모든 기사를 제한 없이 이용할 수 있습니다.