새로운 철기 시대: 지구와 달의 무탄소 에너지를 위한 금속 연료

[이매진]

새로운 철기 시대: 지구와 달의 무탄소 에너지를 위한 금속 연료

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A New Iron Age: Metal Fuel for Carbon-Free Energy on Earth… and the Moon

유럽 우주국 (ESA) 2023년 6월 4일

과학자들은 무중력 상태에서 철분을 사용하여 한 연료원에서 다른 연료원으로 점프하는 불의 형태인 이산 연소에 대한 연구를 수행했습니다. 연소 후 남은 생성물은 산화철로, 이산화탄소를 생성하지 않고 무한히 재활용할 수 있는 물질입니다. 이러한 미세 중력 실험에 이어 효율적인 철 연소 용광로가 개발되어 탄소가 없는 순환 에너지 저장 장치를 만들었습니다. 시범 공장은 네덜란드에서 운영 중이며 여러 신생 기업이 공장 및 산업 공정을 위한 이 무탄소 연료를 탐색하고 있습니다. 앞으로 이 금속 연료는 달의 광물과 얼음을 잠재적으로 사용하여 추진을 위한 금속 분말과 소비를 위한 물을 생산하는 지속 가능한 달 전초 기지에도 사용될 수 있습니다. 크레딧: 철+

연구자들은 미세중력 실험을 활용하여 철 분말의 불연속 연소를 연구하여 탄소가 없고 무한히 재활용 가능한 에너지 저장 장치로 이어졌습니다. 이것은 지구와 미래의 지속 가능한 달 전초 기지에 대한 유망한 응용 프로그램을 가지고 있습니다.

모든 것이 타오릅니다. 올바른 환경이 주어지면 모든 물질은 산소를 추가하여 탈 수 있지만 올바른 혼합을 찾고 충분한 열을 생성하면 일부 물질이 다른 물질보다 더 쉽게 연소됩니다. 불연속 연소라고 하는 화재 유형에 대해 더 알고 싶어하는 연구원들은 조사를 위해 ESA의 미세 중력 실험 시설을 사용했습니다.

일련의 포물선 비행과 스웨덴에서 발사된 사운딩 로켓에서 캐나다 McGill 대학 의 Jeffrey Bergthorson 교수 와 네덜란드 Eindhoven 공과 대학 의 팀은 무중력 상태에서 불타는 철 분말을 조사했습니다. 그들의 연구는 순수한 물리학이었고 과학자들은 불꽃이 연료를 통해 지속적으로 연소되지 않고 한 연료 소스에서 다른 연료 소스로 점프하는 불연속 연소에 대해 더 알고 싶어했습니다. 이러한 형태의 불은 지구상에서 자연적으로 발생하는 경우는 거의 없지만 한 나무가 완전히 타서 온도가 충분히 올라가 연소될 때 불이 다음 나무로 점프하는 산불이 그 예입니다.

불연속적인 연소에 대한 이 최면 비디오는 연구원들에게 최대 18초의 귀중한 무중력 상태를 제공하는 캐나다 국립 연구 센터의 Falcon-20 항공기에 탑재된 포물선 비행 실험 중에 기록되었습니다. 크레딧: Perwaves 팀

무중력 항공기와 로켓 비행에 대한 실험에서 철분을 태우면 철 입자가 부유하고 눈에 띄지 않게 발화할 수 있습니다. 고속 카메라는 광경을 포착하고 연구자들이 현상을 더 잘 이해할 수 있도록 하여 지구에서 연료를 연소하기에 이상적인 조건을 보여주는 컴퓨터 모델을 만들었습니다.

철이 탈 수 있다는 것을 알고 계셨습니까? 여기에서 볼 수 있는 철분의 연소는 완전히 연기가 나지 않고 탄소가 없는 상태에서 발생합니다. 크레딧: TU/e ​​/ Solid / Bart van Overbeeke

지속 가능한 에너지를 위한 개별 연소

미세 중력 연구를 통해 가능해진 새로운 이해로 효율적이고 실용적인 철로를 만드는 것이 가능해졌습니다.

철을 태우는 것의 이점은 화학에 있습니다. 기본적으로 연소 연료는 산소 원자를 추가하여 물질을 변형시키는 과정입니다. 탄소기반 연료에 목재, 석탄, 석유 등 탄소기반 연료에 산소 원자 2개를 더하면 온실가스인 이산화탄소가 발생하는 것도 이 때문이다. 철의 경우 연소 후 남은 제품은 일반적으로 녹으로 알려진 산화철입니다. 이산화탄소가 발생하지 않으며, 녹슨 철은 가스를 형성하지 않아 쉽게 회수할 수 있습니다.

철 녹은 산소를 제거하고 수소를 사용하여 철로 되돌리도록 처리할 수도 있습니다. 지속 가능한 소스의 전기를 사용함으로써 철을 연료로 사용하면 무한히 재활용 가능한 순환 에너지 저장 장치가 될 수 있습니다.

데모 플랜트는 이미 네덜란드 아인트호벤 근처의 Budel에서 가동 중이며 철을 연료원으로 사용하는 이 발전기는 창고에 설치된 장치에서 1MW의 증기를 생산할 수 있습니다. 그러한 철 발전소를 확장하면 훨씬 더 많은 에너지를 생산할 수 있습니다.

여러 신생 기업이 이미 공장 및 산업 공정에 전력을 공급하기 위해 이 무탄소 연료를 추구하고 있습니다.

철로 실증 공장. 크레딧: Metalot

우주에서 지구, 그리고 달까지

우주 기관이 지속 가능한 달 전초 기지 건설을 준비함에 따라 달에 있는 우주 비행사에게 에너지를 공급하는 것은 극복해야 할 과제 중 하나에 불과합니다. 금속 연료가 해결책이 될 수 있습니다. 태양 에너지를 이용하면 달의 광물에서 알루미늄과 규소 분말을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 달의 얼음에서 수소와 산소를 활용할 수 있다. 그런 다음 수소는 철과 티타늄이 많이 함유된 달 먼지를 물을 생산하는 데 사용할 수 있다. 그리고 철분. 물 얼음에서 나오는 금속 분말과 산소는 로켓이나 지상 운송을 위한 추진제로 사용할 수 있으며 물 부산물은 식수로도 사용할 수 있습니다.

달 탐사 시나리오에 대한 작가의 인상. 크레딧: ESA–ATG

이 과정은 지금 공상 과학 소설처럼 보일 수 있지만 지구에서 철을 연료원으로 사용하는 것은 불과 10년 전에 아이디어로 시작되었습니다. 이제 금속 연료 커뮤니티는 전 세계 수백 명의 과학자와 엔지니어에 걸쳐 있으며 대체 탄소 없는 연료를 위한 등대 기술입니다. 그리 멀지 않은 미래에 당신은 자동차나 집을 철로 달리게 될지도 모릅니다!

태양 전지나 풍력 터빈과 같은 청정 에너지를 사용하여 금속을 생산할 수 있습니다. 그 전기는 화석 연료와 경쟁할 수 있는 에너지 밀도로 금속 분말에 화학 에너지로 저장됩니다. 이것은 전 세계적으로 온실 가스 배출을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 이 기술을 구현하는 데 장애가 되는 것은 연소 물리학에 대한 확실한 이해가 필요한 금속 연료를 효율적으로 연소할 수 있는 연소 시스템의 개발입니다. 크레딧: ESA – 유럽 우주국