공기 중에 포함된 수증기를 섬유가 흡수한 뒤 다시 물로 회수하는 웨어러블 대기 수분 포집 기술이 개발되고 있다. 미국 텍사스대학교 오스틴 연구진이 발표한 재킷형 시제품은 실제 야외 시험에서 습도 조건에 따라 하루 약 400~900mL의 물을 회수했다. 다만 재킷을 입고 있기만 하면 바로 마실 물이 나오는 구조는 아니며, 수분을 모은 부분을 분리해 별도의 회수 장치에서 가열하고 응축하는 과정이 필요하다.
공기에서 물을 얻는 원리는 무엇일까
공기는 눈에 보이지 않는 수증기를 포함하고 있다. 대기 수분 포집 기술은 이 수증기를 수분을 잘 흡착하는 소재에 붙잡은 뒤, 다시 방출하고 응축해 액체 상태의 물로 회수하는 방식이다.
이번 연구에서는 단순히 수분을 흡수하는 소재를 만드는 것에서 더 나아가, 수증기가 섬유 표면에서 내부로 빠르게 이동할 수 있도록 계층적인 섬유 구조를 설계했다. 이렇게 하면 작은 재료 조각이 아닌 실제 의류 크기로 확장했을 때 발생할 수 있는 수분 이동의 한계를 줄이는 데 도움이 된다.
핵심은 재킷 자체가 새로운 물을 만들어내는 것이 아니라 공기 중에 이미 존재하는 수분을 모아 액체 상태로 회수한다는 점이다. 따라서 실제 생산량은 주변 습도와 온도, 사용되는 섬유의 양과 운용 방식 등에 따라 달라진다.
재킷은 실제로 어떻게 작동할까
재킷에 적용된 섬유는 주변 공기에서 수증기를 흡수한다. 연구진은 이렇게 모인 수분을 재킷의 분리 가능한 수분 포집 부분으로 이동시키도록 시스템을 구성했다.
일정량의 수분이 모이면 해당 부분을 재킷에서 분리해 접을 수 있는 별도의 물 회수 장치에 넣는다. 이후 열을 가하면 소재가 보유하던 수분이 수증기 형태로 방출된다.
방출된 수증기는 회수 장치에서 다시 응축돼 액체 상태의 물로 모인다. 따라서 실제 시스템은 수분 흡수와 수분 방출, 응축과 회수라는 과정을 순차적으로 거친다.
| 과정 | 주요 작동 |
|---|---|
| 수분 포집 | 섬유가 주변 공기 중의 수증기를 흡수 |
| 수분 이동 | 포집된 수분이 섬유 구조와 수분 포집 부분으로 이동 |
| 분리 | 수분을 모은 부분을 재킷에서 분리 |
| 가열 | 흡수된 수분을 다시 수증기로 방출 |
| 응축과 회수 | 방출된 수증기를 액체 물로 바꾸어 수집 |
하루 900mL라는 수치는 어떻게 봐야 할까
연구진이 공개한 야외 시험 결과에서 재킷형 시스템은 주변 습도에 따라 하루 약 400~900mL의 물을 생산했다. 따라서 흔히 언급되는 '하루 900mL'는 모든 장소에서 항상 얻을 수 있는 고정 생산량이 아니라 시험에서 나타난 상한 수준으로 이해하는 것이 적절하다.
대기 수분 포집에서는 공기 자체에 얼마나 많은 수증기가 들어 있는지가 매우 중요하다. 습도가 낮아지면 흡수할 수 있는 수분도 감소할 수 있고, 반대로 수증기가 풍부한 환경에서는 더 많은 물을 얻을 가능성이 있다.
| 조건 | 생산량에 미칠 수 있는 영향 |
|---|---|
| 낮은 습도 | 공기 중 수증기가 적어 포집량이 감소할 수 있음 |
| 높은 습도 | 흡수할 수 있는 수증기의 양이 증가할 수 있음 |
| 흡습 소재의 양 | 사용 가능한 소재가 많을수록 전체 포집 용량이 증가할 가능성이 있음 |
| 반복 운용 | 흡수와 방출 과정을 반복하면 하루 총생산량이 달라질 수 있음 |
따라서 실제 활용성을 평가할 때는 최대 생산량뿐 아니라 특정 지역의 기온과 습도 변화, 하루 동안 몇 차례 물을 회수할 수 있는지 등을 함께 살펴봐야 한다.
일반 제습기와는 무엇이 다를까
공기에서 물을 얻는다는 점에서는 제습기와 비슷하게 느껴질 수 있다. 그러나 일반적인 냉각식 제습기는 공기를 차갑게 만들어 수증기를 직접 응축시키는 방식이 주로 사용된다.
이번 웨어러블 시스템은 먼저 흡습성 소재가 공기 중 수분을 붙잡고, 이후 열을 가해 저장된 수분을 다시 방출한 다음 응축한다. 즉 수분을 모으는 단계와 실제 액체 물을 회수하는 단계가 분리돼 있다.
웨어러블 장비에서는 대형 압축기나 냉각 장치를 의류에 넣기 어렵기 때문에 공기 중 수분을 수동적으로 흡수할 수 있는 섬유가 중요한 역할을 한다. 반면 흡수된 물을 실제로 회수하려면 별도의 열 공급과 응축 과정이 필요하다는 점은 고려해야 한다.
사람의 땀을 다시 모으는 것은 아닐까
재킷 형태라는 점 때문에 사용자의 땀이 물 생산량의 상당 부분을 차지하는 것 아니냐는 의문이 생길 수 있다. 사람이 활동하면 피부와 호흡을 통해 수분을 내보내므로 재킷 주변의 국소적인 습도에 어느 정도 영향을 줄 가능성은 있다.
하지만 이 기술의 기본적인 작동 원리는 외부 공기 중 수증기를 흡수하는 것이다. 연구에서도 서로 다른 지역과 기후 조건에서 대기 수분을 포집하는 방식으로 시험이 진행됐다.
다만 실제 착용 환경에서 사람의 땀이 전체 수분 생산량에 정확히 어느 정도 기여하는지까지 판단하려면 별도의 비교 실험이 필요하다. 따라서 현재 공개된 정보만으로 수집된 물 대부분이 사용자의 땀이라고 단정하는 것도 적절하지 않다.
실용화를 위해 확인해야 할 문제
연구용 시제품이 실제 환경에서 작동했다는 것과 장기간 일상적으로 사용할 수 있는 제품이 됐다는 것은 구분할 필요가 있다. 사람이 직접 착용해야 하는 장비인 만큼 생산 가능한 물의 양뿐 아니라 무게와 통풍성, 편안함, 에너지 공급 방식도 중요하다.
- 에너지 공급: 흡수된 물을 방출하고 회수하기 위해 가열 과정이 필요하다.
- 무게: 소재가 공기 중 수분을 흡수하면 장비 전체 무게가 증가할 수 있다.
- 착용성: 더운 환경에서 사용하는 경우 통풍과 체온 관리가 중요하다.
- 수질 관리: 반복적인 야외 사용에서는 소재와 회수 장치의 오염 관리가 필요하다.
- 내구성: 반복적인 수분 흡수와 방출 후에도 소재의 성능이 유지돼야 한다.
- 회수 장치: 재킷뿐 아니라 가열과 응축을 담당하는 별도의 장비도 함께 운용해야 한다.
하루 최대 물 생산량만으로 실용성을 판단하기는 어렵다. 필요한 에너지와 장비의 총무게, 평균적인 기후에서 얻을 수 있는 물의 양, 반복 사용에 따른 성능 변화까지 함께 평가해야 한다.
어떤 환경에서 활용할 수 있을까
대기에서 물을 얻는 기술이라고 하면 사막을 먼저 떠올리기 쉽지만 건조한 지역이라고 해서 항상 유리한 것은 아니다. 공기 중 수증기가 매우 적다면 소재가 흡수할 수 있는 물의 양도 줄어들기 때문이다.
연구진은 이러한 웨어러블 수분 포집 기술을 식수 인프라에 접근하기 어려운 환경에서 활용할 가능성을 제시하고 있다. 등산객이나 야외 작업자뿐 아니라 응급 구조 활동과 원격지 작업 같은 상황도 고려할 수 있다.
- 등산과 장거리 야외 활동
- 재난 대응과 구조 활동
- 농업과 야외 작업
- 원격 지역의 현장 조사
- 군사 및 장기간 야외 활동
- 기존 급수 시설을 이용하기 어려운 환경의 보조 수원
다만 하루 약 400~900mL라는 시험 생산량만으로 일반적인 성인의 하루 수분 섭취량 전체를 안정적으로 충당한다고 보기는 어렵다. 현재 단계에서는 기존 식수를 완전히 대체하기보다는 추가적인 물 공급원이나 비상용 기술로서의 가능성을 살펴보는 것이 적절하다.
핵심 내용 정리
웨어러블 대기 수분 포집 재킷은 공기 중 수증기를 특수 섬유로 흡수한 뒤, 분리 가능한 부분을 가열하고 수증기를 응축해 물로 회수하는 기술이다. 연구진이 진행한 야외 시험에서는 주변 습도에 따라 하루 약 400~900mL의 물이 생산됐다.
다만 재킷만 입으면 지속적으로 마실 물이 나오는 구조는 아니다. 실제 물을 얻기 위해서는 수분을 포집한 부분을 별도의 장치에서 가열하고 응축하는 과정이 필요하며, 실제 생산량 역시 기후 조건에 따라 달라진다.
따라서 현재 기술은 완성된 개인용 식수 대체품으로 단정하기보다, 기존의 대기 수분 포집 기술을 섬유와 의류 형태로 확장한 연구 성과로 보는 것이 적절하다. 향후 에너지 효율과 착용성, 내구성, 수질 관리 등이 추가로 검증되면 활용 범위가 더 명확해질 수 있다.
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