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- 에너지 집약적인 에어컨 기술 대신 자연 냉각 원리를 활용
- 다공성 큐브의 특수한 모양은 표면적을 극대화하여 효율적인 증발 냉방을 가능하게 해
- 시스템에 물을 채우면 모세관 현상으로 물이 다공성 세라믹 내부로 스며들어 퍼져

에어컨 대신: 다공성 세라믹 큐브로 열기를 식히세요

에너지를 많이 소비하는 에어컨을 항상 사용할 필요는 없다. 연구진은 물과 3D 프린팅으로 제작한 세라믹 큐브만을 사용하여 아파트, 사무실, 기타 건물의 온도를 몇 도 낮출 수 있는 자연 냉방 시스템을 개발했다. 이 다공성 큐브의 특수한 모양은 표면적을 극대화하여 효율적인 증발 냉방을 가능하게 한다. 

▲ 이 다공성 구조는 증발 냉각에 최적화되어 있다. 이는 3D 프린팅된 세라믹 큐브로 만들어진 냉각벽의 일부다. Foto: © Helmut Lunghammer/ TU Graz

올해 반복되는 폭염은 기후 변화가 이미 현실임을 분명히 보여준다. 하지만 대부분 도시, 가정, 사무실은 섭씨 30도를 넘는 극한 온도에 적응하지 못하고 있다. 에어컨은 여전히 ​​보편화되지 않았을 뿐 아니라, 전력 소비량도 많고 도시 열섬 현상을 더욱 악화시킨다. 그렇다면 여름철 더위를 이겨낼 수 있는 방법은 무엇일까?

증발 냉방과 3D 프린팅의 결합

TU Graz의 연구진은 놀랍도록 간단한 해결책을 개발했다. 이들은 수 세기 동안 전해 내려온 물의 증발을 이용한 자연 냉방에 대한 지식에서 영감을 얻었다. 증발 과정은 주변에서 열을 흡수하여 공기를 냉각시킨다. "이 원리는 점토 항아리나 전통적인 풍탑(wind tower)에서 수 세기 동안 사용되어 왔다"고 TU Graz의 밀레나 스타브리치 교수는 설명했다. 그녀와 동료들은 특수 설계와 적층 제조 기술을 활용하여 이 원리를 최적화했다.

"핵심적인 기술적 진보는 3D 프린팅 기술의 활용에 있다. 이 기술을 통해 점토 혼합물로 매우 복잡하고 다공성이며 기능적으로 최적화된 형상을 제작할 수 있다"고 스타브리치 교수는 설명했다. "이러한 특수 구조는 물을 특히 효율적으로 저장하고 작은 부피로 엄청난 증발 표면적을 만들어낸다." 연구팀은 최소 표면 기하학(TPMS) 기법을 사용하여 최소한의 재료로 최대한의 표면적을 생성하는 정육면체 형태의 기본 유닛을 설계했다.

냉각벽은 온도를 7도까지 낮춘다.

그 결과, 세라믹 점토 혼합물을 3D 프린팅하여 만든 약 23cm 길이의 다공성 정육면체 구조물이 탄생했습니다. 프린팅된 점토 구조물은 다공성 구조를 유지하기 위해 저온에서 소성된다. 완성된 큐브는 냉각벽이나 다른 어떤 형태로든 조립할 수 있다. 시스템에 물을 채우면 모세관 현상으로 인해 물이 다공성 세라믹 내부로 스며들어 고르게 퍼진다.

이렇게 냉각 시스템이 완성된다. TU Graz의 뜨거운 다락방에서 진행된 실제 테스트에서 그 효과가 입증되었다. 통제된 실험 환경에서 물을 채운 큐브는 주변 온도를 거의 7도까지 낮췄다. "냉각 효과가 방 전체에 걸쳐 확연히 느껴졌다"고 석사 학위 논문의 일환으로 냉각벽용 제어 가능한 물 순환 시스템을 개발한 크리스티얀 리스토스키는 말했다.

▲ TU Graz 캠퍼스에 설치된 3D 프린팅 큐브로 만든 냉각벽 시제품. — © Helmut Lunghammer/ TU Graz

에어컨의 대안

연구진에 따르면, 최적화된 세라믹 큐브는 에너지 소비가 많은 에어컨 시스템을 대체할 수 있는 자원 절약형 대안이며, 주거용 건물, 사무실 건물, 학교, 공공 광장, 대기 공간 등에 적합하다. "우리의 목표는 사람들이 더위에 가장 시달리는 곳, 예를 들어 나무를 이용한 냉방이 거의 불가능한 도시에 냉방을 제공하는 것이다"며, "이를 위해 우리는 에너지 집약적인 에어컨 기술 대신 자연 냉각 원리를 활용한다"고 스타브리치는 말했다.

냉각 용량을 더욱 높이기 위해 연구팀은 이미 생체 모방 방식을 실험하고 있다. 곰팡이 배양액과 나무 조각을 영양 배지로 사용하여 점토에 혼합했다. 실처럼 가느다란 곰팡이 균사체가 점토 속으로 자라 들어가 미세한 네트워크를 형성하고, 이 네트워크는 다공성을 높여준다.

이렇게 만들어진 점토-곰팡이 혼합물을 3D 프린팅하고 소성한다. 곰팡이 균사체와 나무 조각은 타서 없어지고, 미세 기공과 거대 기공으로 이루어진 네트워크가 남게 되어 물이 큐브 내부로 고르게 퍼질 수 있게 된다.

냉각벽의 첫 번째 시제품은 이미 그라츠 공과대학교 캠퍼스에 설치되어 있으며, 그곳에서 직접 냉각 효과를 체험할 수 있다.
출처: 그라츠 공과대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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