Reflective, water-permeable diatomite masks doubling output voltage of water- floating single-walled carbon nanotube thermoelectric generators

벽에 플러그를 꽂거나 불 옆에 놓여 있을 필요 없이 전기를 생성할 수 있는 장치를 상상해 보십시오. 대부분의 발전기처럼 한쪽에는 열원(heat source)이 있고 다른 한 쪽에는 냉각 싱크(cold sink)가 필요한 것이 아닙니다. 대신, 이 장치는 물과 햇빛을 사용하여 스스로 온도 차이를 만들어냅니다. 이것은 물 위에 떠 있는 열전 발전기(thermoelectric generators)의 영역입니다. 이들은 단순한 원리로 작동합니다. 젖은 표면에서 물이 증발하면 물이 열을 함께 가지고 가면서, 그 표면을 주변 공기보다 더 차갑게 만듭니다. 만약 어떤 재료가 햇빛을 흡수하여 따뜻하게 유지되는 동시에 물을 증발시켜 차갑게 유지될 수 있다면, 그 표면에 온도 격차가 형성됩니다. 이 격차는 전기로 직접 변환될 수 있습니다. 수년 동안 과학자들은 이 부유식 장치의 출력을 높이기 위해 노력해 왔지만, 하나의 고집스러운 문제에 직면했습니다. 장치를 가열하는 바로 그 햇빛이 차갑게 유지되어야 할 부분까지도 따뜻하게 만들어, 장치가 의존하는 온도 차이를 효과적으로 상쇄해 버린다는 점이었습니다.

일본 도카이 대학교의 연구팀은 장치의 냉각 측을 특수한 마스크로 처리함으로써 이 문제를 해결하는 방법을 찾아냈습니다. 연구진은 냉각 영역을 햇빛을 반사하면서도 물은 통과시키는 재료로 덮음으로써, 장치가 생산하는 전기를 두 배로 늘릴 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들의 성공의 핵심은 규조토(diatomite)라고 불리는 재료였습니다. 이는 미세한 조류의 화석화된 껍질로 만들어진 천연 가루입니다. 이 재료는 자연적으로 다공성이고 흰색을 띱니다. 연구진이 이 부유식 발전기의 냉각 측에 규조토 층을 적용했을 때, 그것은 거울처럼 작용하여 태양열을 튕겨내는 동시에, 그 작은 구멍들을 통해 물이 이동하고 증발할 수 있게 했습니다. 그 결과, 장치는 한쪽 면이 현저하게 더 차갑게 유지되었고, 훨씬 더 큰 온도 격차를 형성하여 결과적으로 훨씬 더 강한 전기 신호를 만들어냈습니다.

장치 자체는 매우 작은 튜브 형태의 탄소인 단일 벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotubes)로 이루어진 얇고 독립적인 박막으로 제작되었습니다. 이 필름은 가볍고 유연하며 물에 뜰 만큼 튼튼합니다. 이 필름은 직사각형 구멍이 뚫린 플라스틱 시트 위에 놓이는데, 이는 종이 타월을 통해 물이 이동하는 것과 유사한 모세관 현상을 통해 물이 필름을 타고 올라오게 합니다. 물이 필름의 표면에 도달하면 증발하며, 이 과정에서 특정 영역을 냉각시킵니다. 햇빛에 노출되지만 물과 접촉하지 않는 나머지 필름 부분은 따뜻하게 유지됩니다. 필름 양단에 발생하는 이러한 온도 차이가 전압을 생성합니다. 이전 버전의 장치에서는 냉각 영역을 포함한 전체 표면이 햇빛을 흡수했기 때문에, 냉각 구역까지 가열되어 온도 차이를 약화시켰습니다. 연구진은 더 많은 전력을 얻기 위해서는 물의 증발을 막지 않으면서도 햇빛이 냉각 구역을 가열하는 것을 막아야 한다는 점을 깨달았습니다.

이 아이디어를 테스트하기 위해 연구팀은 네 가지 서로 다른 버전의 부유식 발전기를 제작했습니다. 첫 번째는 마스크가 전혀 없는 대조군 장치입니다. 두 번째는 아크릴 수지로 만든 불투명한 흰색 마스크로 덮여 있는데, 이는 햇빛을 잘 반사하지만 물의 통과를 차단합니다. 세 번째는 동일한 아크릴 수지를 아래에 두고 그 위에 규조토 층을 올린 이중 마스크로, 빛은 반사하지만 수지 성분이 표면을 밀봉하기 때문에 물의 경로를 차단합니다. 네 번째 장치는 규조토 층만 덮여 있으며, 이는 빛을 반사하면서도 자연적인 기공을 통해 물을 통과시킵니다. 연구팀은 이 네 가지 장치를 맑은 날의 강도를 모사한 밝은 인공 태양 아래의 물 용기에 담고, 30분 동안 생산되는 전기와 증발하는 물의 양을 측정했습니다.

결과는 명확한 승자를 보여주었습니다. 마스크를 씌우지 않은 장치는 0.25 밀리볼트의 작은 전압을 생성했습니다. 햇빛을 반사하지만 물의 흐름을 막는 흰색 마스크를 씌운 장치들은 0.34 밀리볼트의 약간 더 높은 전압을 생성했습니다. 이는 증발 냉각 효과를 일부 희생하더라도 햇빛을 반사하는 것이 도움이 된다는 것을 입증했습니다. 그러나 규조토 마스크를 씌운 장치는 햇빛을 반사하는 동시에 물을 통과시켰으며, 0.50 밀리볼트의 전압을 생성했습니다. 이는 마스크를 씌우지 않은 장치 출력의 정확히 두 배였습니다. 규조토 마스크는 또한 물을 가장 많이 증발시켰는데, 마스크가 없는 장치가 30분 동안 535 밀리그램을 소실한 것에 비해 670 밀리그램을 소실했습니다. 규조토의 다공성 구조는 물이 수증기로 변할 수 있는 표면적을 넓혀 냉각 효과를 강화하는 동시에, 흰색의 특성이 태양열을 저지했습니다.

연구진은 왜 이 조합이 그토록 잘 작동했는지 면밀히 분석했습니다. 그들은 전력 이득이 완벽하게 합쳐진 두 가지 뚜렷한 원천에서 왔다는 것을 발견했습니다. 첫 번째 원천은 햇빛을 반사하여 냉각 구역이 가열되는 것을 방지한 것입니다. 두 번째 원천은 다공성 마스크를 통해 물이 계속 증발하면서 적극적으로 열을 빼앗아 가는 것이었습니다. 연구진이 장치들을 비교했을 때, 단순히 물의 통과를 막으면서 빛을 반사하는 것은 약간의 상승만을 주었지만, 반사를 유지하면서 물의 경로를 열어주는 것은 훨씬 더 큰 상승을 가져왔습니다. 규조토 마스크는 이 두 가지를 동시에 수행했습니다. 연구진은 가장 우수한 장치의 필름 양단 온도 차이가 마스크가 없는 버전의 1.30도에 비해 두 배인 2.60도 섭씨임을 계산했습니다. 이 온도 격차의 배가 현상은 전기 출력의 두 배 증가로 직접 이어졌습니다.

이 발견이 중요한 이유는 환경으로부터 에너지를 수확하는 방식에 대한 새로운 길을 보여주기 때문입니다. 대부분의 열전 장치는 한쪽에는 일정한 열 공급이, 다른 한쪽에는 일정한 냉한 공급이 필요하며, 이는 사용 가능한 장소를 제한합니다. 스스로 온도 차이를 만드는 장치는 물과 빛이 있는 곳이라면 어디서든 작동할 수 있어, 호수나 바다 위의 무인 센서에 이상적입니다. 이 연구는 발전기의 핵심 재료를 바꾸지 않고도 성능을 개선할 수 있음을 증명합니다. 냉각 측을 향하는 표면을 설계하기만 하면 됩니다. 빛을 반사하면서도 투과성을 갖춘 재료를 사용함으로써, 연구진은 이전의 어떤 설계보다 훨씬 더 효과적인 냉각층을 만들었습니다. 천연 실리카 껍질과 석고 결합제로 이루어진 단순한 복합체인 규조토 마스크는 더 강력하고 자립 가능한 미래의 전력원을 위한 실용적인 경로를 제시하는 완벽한 해결책임이 드러났습니다.