<사진. 파란색에 있는 네온 원자는 물 분자의 6개로 구성된 고리(붉은 점선)를 통과하여 큰 케이지(회색) 사이를 이동한다. 작은 케이지(녹색)로부터 네온 원자의 제거는 1-5개로 구성된 고리에서 물 결원(water vacancy)의 존재를 필요로 한다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

에너지 생산과 저장에 대한 탐사에 도움을 주는 새로운 형태의 얼음

킬레이트(clathrate)는 해저 하부 수백 미터 깊이의 광대한 침전층뿐 아니라 영구동토층에 저장되어 있는 다량의 메탄(methane)과 다른 기체를 저장하는 것은 현재 잘 알려져 있다. 따라서 가능한 기체의 분해는 지구에 상당한 결과를 초래하고 핵심적인 특성에 대한 개선된 규명이 요구된다.

Nature 저널에 발표된 논문에서, 독일 괴팅겐 대학(University of Gottingen)과 ILL(Institut Laue Langevin) 소속의 연구진은 모든 게스트 분자를 제거하고 물 분자의 프레임워크로 이루어진 유형의 빈 킬레이트(empty clathrate)를 처음으로 보고했다. Long은 이러한 빈 킬레이트가 기체 하이드레이트(gas hydrates)의 물리적 화학을 이해하는데 중요한 역할을 한다고 생각했다. 이러한 연구는 저온 환경에서 관을 통하여 기체와 오일의 흐름을 쉽게 하고, 해저에 대한 천연가스의 포획되지 않는 저장소를 개방하는데 도움을 줄 수 있다.

Ice XVI 시료를 생성하기 위하여, 연구진은 네온(neon) 기체 분자로 채워진 킬레이트를 구축했다. 연구진은 이후 저온에서 주의 깊은 펌프 주입을 통하여 네온 기체를 제거했다. 네온 기체의 분자와 같은 작은 원자를 이용하는 것은 깨지기 쉬운 구조로 이루어지지 않고 빈 킬레이트를 형성할 수 있게 해준다.

이것을 달성하기 위하여 네온 킬레이트는 140° K 온도에서 진공 중에 주입되는 한편, 네온 회절 자료가 ILL가 보유한 최신 D20 회절계를 이용하여 얻어졌다. 얻어진 이미지에 따라 킬레이트가 완전하게 비워질 때, 결과적인 구조의 완전한 그림을 제공할 수 있다는 것을 연구진은 확인했다.

안전한 고체가 물 분자 전체를 구성하고 있기 때문에, 빈 킬레이트는 새로운 상의 얼음으로 표현된다. Ice XVI는 17번째로 발견된 얼음의 형태이며, 모든 잘 알려진 물의 결정 형태의 최소 밀도를 나타낸다. 또 이것은 음압에서 물의 안정적인 저온 특성이 예측되고, 따라서 킬레이트 특성을 가지는 유일한 실험적으로 얻어진 얼음 형태이다.

빈 킬레이트는 다양한 분자 시뮬레이션에 대한 기준 틀로 사용되기 때문에, 과학자들은 아직까지 연구를 수행하기 위하여 대략적인 이론적 모델에 의존해왔다. ILL에서 얻어진 빈 킬레이트 프레임워크는 자체적인 기본적 구조와 이론적 특성을 정확하게 결정할 수 있게 해준다. 이러한 빈 킬레이트를 생성하고 관찰하는 능력은 킬레이트가 기체로 채워질 때 이러한 화합물에 대한 이해를 상당히 개선할 가능성이 있다.

2007년 국제 에너지 기구(World Energy Outlook)에 따르면, 해저에 대한 킬레이트 내에 저장된 전체 메탄의 양은 경제적으로 이용할 수 있는 지구상에 남아 있는 석탄, 석유 또는 천연가스 등의 형태에 포함되어 있는 상용 탄소 저장을 훨씬 초과하는 것으로 나타났다. 이러한 저장소는 현재 이용하기 어렵지만, 집중적으로 진행되고 있는 연구의 주제를 구축하고 있다.

이 연구의 저자 중 한 사람인 Thomas Hansen은 킬레이트가 해저에 안정적인 화합물을 생성하는 이산화탄소 기체로 형성될 수 있다는 점이 중요하다고 밝혔다. 이것은 우리가 메탄을 추출하여 추출된 메탄을 유용한 에너지로 전환하고 킬레이트의 빈자리에 이산화탄소를 대체할 수 있다는 것을 의미한다. 다시 말해서, 가스 하이드레이트에 있는 메탄에 대한 대체물로 해저에 이산화탄소를 주입할 수 있다는 것이다. 이와 관련된 도전 과제는 상당하지만, 이러한 난제를 해결할만한 가치가 충분하다고 Hansen은 지적했다.

Hansen은 공동 저자인 괴팅겐 대학 소속의 Andrzej Falenty와 Werner F Kuhs 등이 독일 정부가 지원하는 SUGAR 프로젝트의 구성원이며, 이 프로젝트는 이와 관련된 과학적, 기술적 및 경제적 가능성을 조사하는 것을 목표로 한다. 유사한 활동이 현재 일본, 중국, 인도 및 세계 각지에서 진행되고 있다.

ILL 과학 책임자인 Helmut Schober는 빈 킬레이트 하이드레이트의 존재가 상대적으로 불확실하기 때문에, 빈 킬레이트 하이드레이트가 집중적인 과학적 고찰의 주제로 수년 동안 수행되어 왔다고 밝혔다. 현재 발견은 궁극적으로 이러한 고찰을 해결하고, 얼음 상태의 흥미로운 보물을 우리에게 제공할 것이라고 Schober는 덧붙였다. Ice XVI의 특성을 예측하는 것은 얼음의 물리학을 기술하는 특정 모델을 위한 기준이 될 것이다. Ice XVI 자체적으로 엄청난 단계의 도약이 될 수 있다. 이것을 이해함으로써, 우리는 에너지와 관련된 의문에 진전을 이루게 될 것이라고 Schober는 밝혔다.

킬레이트 연구가 보다 더 즉각적인 혜택을 나타내는 지역은 기체가 고압과 저온에서 수송되는 관을 유지하는 곳이다. 이러한 조건은 관 내에서 기체 하이드레이트의 생성으로 이어질 수 있고, 이어서 상당한 폐색을 형성한다. 이러한 현상을 예방하는데 전 세계적으로 연간 약 5억 달러의 비용이 소요된다. 관과 관련된 높은 국제적인 경제 영향이 발생하기 때문에, 이것은 킬레이트 특성에 대한 추가적인 연구가 비용을 줄일 수 있는 상당한 비용 요인이라는 것을 보여주고 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr