[넷제로뉴스] 전기를 사용하지 않고, 오직 태양열로 항공유 성분을 생산하는 촉매 반응기 기술이 미국 캘리포니아공과대학교(Caltech)에서 개발돼 '넷제로 항공 시대'를 앞당기고 있습니다.

연구팀은 최근 학술지 'Device'를 통해, 태양열만으로 작동하는 ‘소형 광열촉매 반응기(photothermocatalytic reactor)’를 제작해, 저탄소 항공연료 생성의 핵심 과정인 ‘에틸렌 올리고머화(ethylene oligomerization)’를 성공적으로 구현했다고 밝혔습니다.

이번 반응기는 전기나 화석연료 없이 햇빛의 열만을 활용하며, 실리콘·게르마늄·금으로 구성된 다층 흡열소재를 활용해 249°C까지 온도를 끌어올릴 수 있는 구조입니다. 태양광은 석영창을 통해 흡수되며, 내부의 진공층이 열 손실을 최소화해 반응 효율을 높입니다.

연구 공동저자인 아이술루 아잇베코바(Aisulu Aitbekova, Kavli Nanoscience Institute 박사후 연구원)는 “이 기술은 태양 집중형 고온 장비를 대체하는 것이 아니라, 그런 시스템이 적용되기 어려운 환경에서도 사용할 수 있는 보완 기술”이라고 설명했습니다.

▶ 연료 사슬 완성… 제트연료 범위 탄소수 확보

연구팀은 이 반응기를 통해 2탄소 분자인 에틸렌(ethylene)을 7~26탄소의 알켄(alkenes)으로 전환하는 데 성공했으며, 이는 실제 항공유의 주요 구성 범위와 일치합니다. 이는 기존의 고에너지 공정과 달리, 외부 에너지 투입 없이 태양열로만 촉진된 반응이라는 점에서 탄소중립 항공연료 생산에 획기적인 진전을 보여줍니다.

캘텍 응용물리학 및 재료과학 교수이자 리사(LiSA: Liquid Sunlight Alliance) 연구센터장인 해리 앳워터(Harry Atwater)는 “지금까지 전기나 화석연료로만 가능했던 촉매 반응을 태양의 열로 구동했다는 점이 핵심”이라고 강조했습니다.

▶ CO₂·물·햇빛만으로 완전한 항공연료 생산

특히 이 기술은 단순히 연료 전환에서 멈추지 않습니다. LiSA 연구팀은 이미 CO₂·물·햇빛만으로 에틸렌을 합성하는 기술도 개발해왔으며, 이번 기술과 결합하면 완전한 전 주기 태양에너지 기반 항공연료 시스템 구축이 가능해집니다.

아잇베코바 박사는 “첫 단계에서는 CO₂·물·햇빛으로 에틸렌을 만들고, 두 번째 단계에서는 그것을 항공유로 전환한다”며 “모든 에너지원이 태양이며, 이는 완전한 탄소중립 연료 시스템의 기초가 될 수 있다”고 설명했습니다.

항공부문은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 2~3%를 차지하며, 높은 에너지 밀도와 연료안전 요건 때문에 전동화나 수소항공기로의 전환이 더디게 진행되고 있습니다. 이번 기술은 이러한 한계를 극복하는 가장 유망한 넷제로 대안 중 하나로 평가받고 있습니다.

※ A photothermocatalytic reactor and selective solar absorber for sustainable fuel synthesis ※

지속 가능한 연료 합성을 위한 광열 촉매 반응기 및 선택적 태양 흡수기

■ 전체적인 개요

인위적인 기후 변화에 대응하기 위해 탄소 중립 에너지 기술이 널리 관심을 받고 있지만, 항공 운송 산업과 같이 에너지 저장이 여전히 탄소 기반 연료로만 제한되는 특정 시나리오가 존재합니다. 광열촉매 반응기는 태양 에너지를 열로 변환하여 연료를 생성하는 데 필요한 화학 반응을 실행하는 데 사용할 수 있습니다. 이 반응기는 높은 태양열-열 에너지 변환 효율과 더불어 확장 가능하고 경제적인 가격이어야 합니다. 이러한 엄격한 요구 사항은 광열 촉매 반응기를 설계하는 데 있어 어려운 과제입니다. 태양광을 이용해 에틸렌을 태양 연료를 생성하는 데 필수적인 단계인 장쇄 탄화수소로 전환하는 광열 반응기를 시연합니다. 또한 이 원자로는 대규모 생산에 적합하여 향후 산업적 규모의 생산 가능성을 제시합니다. 궁극적으로 이 연구는 기후 변화에 대응하기 위해 지속 가능한 항공 연료를 생산하기 위한 태양광의 실용적인 적용을 탐구했습니다.

■ 하이라이트

- 태양열 난방으로 연료 및 화학 물질의 지속 가능한 생산 가능

- 태양 흡수체가 있는 광열 촉매 반응기는 태양열 난방을 가능하게 합니다.

- 태양열을 이용한 에틸렌 올리고머 생성으로 액체 탄화수소를 생산합니다.

■ 요약

열화학 공정에 태양열 에너지를 활용하면 연료와 화학 물질을 지속 가능하게 생산할 수 있습니다.

이 논문에서는 태양광을 연료 합성을 위한 열에너지로 변환하는 선택적 태양 흡수체를 갖춘 확장 가능한 광열 촉매 반응기를 소개하고 있습니다.

이 흡수체는 한 번의 태양 조명 아래에서 최대 249°C, 주변 작동 조건(25°C, 1기압)에서 130°C의 온도를 달성합니다. 광열 촉매 반응기의 적용은 산업에서 사용되는 에틸렌 올리고머화 반응을 사용하여 시연되었습니다.

균질 반응은 배치 모드에서 수행되었으며 6-24 개의 탄소 원자를 가진 액체 탄화수소의 분포를 생성했습니다. 불균질 반응은 플로우스루 구성으로 수행하여 부텐과 헥센 생성물을 산출했습니다.

마지막으로, 대규모 반응기에 대한 시뮬레이션 결과는 1 태양 및 3 태양 조명 하에서 최대 120°C 및 210°C까지 공간적으로 균일한 최대 온도를 예측하여 더 큰 규모의 연료를 생성할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.