Design and Fabrication of a Laboratory Scale Hydromechanical Surface Floating Waste Collector Using River Flow

강은 산에서 바다로 물을 실어 나르는 우리 행성의 동맥입니다. 하지만 강은 인간이 남긴 원치 않는 부산물인 플라스틱 병, 스티로폼 포장재, 뒤엉킨 폐기물들도 함께 운반합니다. 이러한 쓰레기가 수면에 떠다니면 물고기와 새, 그리고 수질 자체를 위협하게 됩니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 이 쓰레기를 물 밖으로 건져 올리는 기계를 만들기 위해 노력해 왔습니다. 이러한 기계 중 상당수는 모터를 구동하기 위해 전기나 연료에 의존하며, 이는 전원 케이블, 배터리 또는 발전기가 필요함을 의미합니다. 이는 전력망이 없는 외딴 강에서는 문제가 되며, 정화 작업의 비용과 복잡성을 더합니다. 따라서 과제는 물에 이미 존재하는 에너지, 즉 유속 자체만을 사용하여 강을 청소할 수 있는 장치를 만드는 것입니다.

이란의 한 연구팀은 물의 흐름 자체에서 나오는 동력을 사용하여 완전히 작동하는 부유식 폐기물 수집기를 설계함으로써 이 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 단순한 기계적 시스템이 쓰레기를 차단하고, 물 밖으로 들어 올려, 외부 동력원 없이 저장함에 담을 수 있는지 테스트하기 위해 실험실 규모의 시제품을 제작했습니다. 이 장치는 수차와 같이 작동합니다. 강물이 회전하는 큰 바퀴에 부착된 날개를 밀면 바퀴가 돌아갑니다. 이 회전은 물 위에 비스듬히 놓인 컨베이어 벨트와 기계적으로 연결되어 있습니다. 바퀴가 돌면서 벨트를 구동시키고, 이 벨트는 램프처럼 작동하여 떠다니는 파편을 강 밖으로 끌어올려 보관 탱크로 옮깁니다. 연구진은 이 시스템을 최대한 효율적으로 작동시키기 위한 부품들의 완벽한 조합을 찾고자 했습니다. 그들은 다양한 형태의 날개, 서로 다른 날개 수, 서로 다른 유형의 컨베이어 벨트, 그리고 램프의 각도를 테스트하면서, 다양한 속도로 흐르는 실제 강에서 기계가 어떻게 성능을 보이는지 관찰했습니다.

연구팀은 적절한 깊이에 맞춰 조절할 수 있는 튼튼한 금속 프레임을 제작했습니다. 전면에는 전류를 기다리는 날개가 달린 커다란 바퀴가 배치되었습니다. 그 뒤에는 수집물을 들어 올릴 컨베이어 시스템이 준비되어 있었습니다. 쓰레기가 실제로 기계에 도달하도록 하기 위해, 그들은 부유하는 파편을 흡입구 쪽으로 모으는 울타리 역할을 하는 긴 유도 팔을 부착했습니다. 또한 스마트한 정지 메커니즘도 구축했습니다. 쓰레기통이 가득 차면 센서가 수위를 감지하여 기계를 자동으로 멈추게 함으로써 넘침을 방지하고 비워야 한다는 신호를 보냅니다. 연구진은 이 장치를 이란의 사푸루드(Safarood) 강으로 가져갔습니다. 그들은 배드민턴 셔틀콕부터 솔방울, 플라스틱 병, 스티로폼 조각에 이르기까지 다양한 종류의 폐기물을 상류에 풀어놓아 기계가 이를 잡아내는지 테스트했습니다.

실험 결과, 모든 설계가 똑같이 잘 작동하는 것은 아니라는 점이 드러났습니다. 연구진은 단단하고 직선적인 유도 팔이 유연한 유도 팔보다 훨씬 우수하다는 것을 발견했는데, 유연한 팔은 전류에 흔들려 쓰레기를 놓치기 쉬웠기 때문입니다. 또한 모듈형 조각으로 구성된 컨베이어 벨트가 체인 시스템보다 더 효과적이라는 것을 발견했는데, 이는 조각들이 젖고 미끄러운 쓰레기를 더 잘 움켜쥐기 때문인 것으로 보입니다. 컨베이어 벨트의 각도와 관련해서는, 30도의 완만한 경사가 60도의 가파른 경사보다 더 효과적이었는데, 이는 폐기물이 다시 떨어지지 않고 더 쉽게 미끄러져 올라올 수 있게 해주었습니다. 그러나 가장 결정적인 요소는 회전하는 바퀴의 설계였습니다. 평평한 날개가 더 많은 토크(회전력)를 발생시켰지만, 연구진은 12개의 곡선형 날개가 함께 회전하는 구성이 전반적으로 최고의 성능을 낸다는 것을 발견했습니다. 이 구성은 바퀴를 더 빠르게 회전시켜 주어진 시간 내에 더 많은 품목을 포착할 수 있게 해주었습니다.

연구팀이 최적의 설정으로 기계를 가동했을 때, 결과는 고무적이었습니다. 유속이 초당 0.4미터일 때, 장치는 마주친 부유 폐기물의 83퍼센트를 성공적으로 수집했습니다. 특히 특정 재료에 대해 탁월한 성능을 보였는데, 강 쓰레기로 흔히 발견되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 병과 발포 폴리스티렌(EPS) 스티로폼을 100퍼센트 포착했습니다. 또한 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 93퍼센트, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)의 84퍼센트를 잡아냈습니다. 그러나 연구는 명확한 한계점도 보여주었습니다. 강물이 더 빠르게 흐를수록 기계의 효율은 떨어졌습니다. 유속이 초당 1.1미터일 때 수집율은 71퍼센트로 감소했습니다. 연구진은 유속이 빠를 때 물이 너무 빠르게 움직여 유도 팔이 쓰레기를 효과적으로 조종하지 못하며, 파편이 기계에 의해 들어 올려지기 전에 기계를 지나쳐 버린다고 설명했습니다.

이 연구는 자가 동력 기반의 수력 기계 시스템이 전기를 사용할 수 없거나 비용이 많이 드는 지역에서 강을 청소하는 데 실행 가능한 해결책임을 입증합니다. 이 장치는 오직 물의 운동 에너지만을 사용하여 지속적으로 작동할 수 있음을 보여주었으며, 연료를 사용하는 보트나 전기 스쿠터의 지속 가능한 대안을 제시했습니다. 기계가 매우 빠른 전류에서는 어려움을 겪었지만, 완만한 흐름에서의 높은 효율성은 이 장치가 많은 자연 수로를 관리하는 데 귀중한 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 연구진은 날개 모양, 날개 수, 컨베이어 각도와 같은 기계적 부품을 세심하게 조정함으로써 에너지 독립적인 견고한 청소기를 만들 수 있다고 결론지었습니다. 이러한 접근 방식은 강의 자체 힘을 이용해 스스로를 치유함으로써, 강에서 바다로 흘러 들어가는 플라스틱의 양을 줄이는 유망한 길을 제시합니다.