노르웨이 연구진 “15~20nm 상태에서 가장 안정적” ‘불타는 얼음’ 메탄하이드레이트 비밀 찾았다 > 과 학

메탄하이드레이트는 고압·저온으로 형성된 메탄의 수화물로, 차가운 얼음이지만 불에 타는 연소성을 지녔다. - Geir Mogen, NTNU 제공


에너지 효율이 천연가스의 160배에 이르는 차세대 청정 에너지 자원 개발의 단초가 발견됐다.

질리앙 장 노르웨이과학기술대(NTNU) 나노기계공학과 교수팀과 중국 샤먼대 공동 연구팀은 차세대 청정 에너지원으로 꼽히는 메탄하이드레이트(methane hydrate)의 핵심이 되는 물리적 특성을 밝혀 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 2일 자에 발표했다.

메탄하이드레이트는 빙하기 이후 해저나 동토 지역에서 고압·저온으로 형성된 메탄의 수화물이다. ‘불타는 얼음’이라고도 불리는 메탄하이드레이트는 1mL 부피에 표준상태의 메탄 160mL 가 함유되는 만큼 에너지 밀도가 높고, 이산화탄소 배출량도 적다.

하지만 매우 불안정해 반드시 고압, 저온 상태에서 채취해야 하는 까다로운 물질이다. 또 채취 과정에서 유출되기라도 하면 다량의 메탄 가스를 대기 중에 방출할 위험도 있다. 메탄 가스는 이산화탄소보다 온실가스 효과가 20배 이상 크다.

연구팀은 메탄하이드레이트를 안정화시킬 방법을 찾기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 진행했다. 연구팀은 메탄하이드레이트 결정에 압축력과 인장력을 가하면서 결정의 변화 양상을 살폈다.

그 결과 결정의 크기가 구조의 안정성과 매우 깊은 연관성을 갖고 있다는 사실을 발견했다. 결정 크기가 15~20nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 까지는 결정이 작아질수록 압축력과 인장력에 점점 더 강해졌다. 하지만 이 크기보다 작아지자 결정 구조가 급속하게 불안정해지는 것으로 나타났다.

연구팀은 “이런 특성은 금속인 구리의 성질과 매우 유사하다”며 “메탄하이드레이트를 안정적인 분자로 만들 수 있는 가능성을 찾은 것”이라고 설명했다.

장 교수는 “지진이나 홍수, 대형 공사 등으로 지반이 변형되면서 내부에 매장된 메탄하이드레이트에서 메탄 가스가 방출될 수도 있다”며 “이번 연구 결과는 이런 사고에 미리 대비하고 신에너지원으로 활용하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.


송경은 기자 kyungeun@donga.com

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