대기오염과 온실가스 추적 위해 하늘 스캔?

황원희 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2021-07-12 16:03:00
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[이미디어= 황원희 기자] 온실가스 배출로 인해 심각한 위협을 받고 있는 가운데 실제로 온실가스를 측정하는 일은 그리 쉬운 일이 아니다. 대기 중 샘플을 잡거나 강제로 분석기를 통과시켜야 할 때도 있다. 그리고 이러한 기술들 중 다수는 한 번에 한 개의 온실 가스 또는 한 개의 오염 물질만 측정할 수 있다.

 

▲사진 출처 NIST 

그러나 최근 레이저를 통해 다른 방법이 개발돼 눈길을 끌고 있다. 개별 화합물을 추적하는 레이저 스펙트럼 분석 기술은 수십 년 동안 존재해왔지만, NIST(미국표준기술연구원)의 연구원들은 메탄, 이산화탄소, 수증기, 그리고 아산화질소의 네 가지 온실가스를 동시에 측정할 수 있는 시스템을 개발했다.

 

프로젝트 관계자는 이에 대해 견고하고 움직이지 않는 부품 패키지로 이루어졌지만 스펙트럼 해상도가 매우 높다고 평가했다.

 

이 패키지의 배후에 있는 기술은 광학 주파수 콤이라고 불리는데, 이는 2005년 노벨 물리학상을 수상하는 데 도움을 준 기술이다. 이는 기본적으로 특정 주파수, 균일한 간격으로 레이저를 발사하는 도구를 일컫는다. 스펙트럼 차트에 표시된 것처럼 그러한 주파수는 빗처럼 보여 이러한 이름이 붙었다. 

 

주파수 콤은 매우 정밀하다는 사실을 활용할 수 있다. 특히 주파수 콤을 기반으로 하는 스캐닝 기술은 주파수가 다른 두 개의 콤을 사용하고 간섭 패턴을 관찰하는 듀얼 콤 설정에 의존해 복잡한 격자나 움직이는 부품이 없다.

 

NIST는 이러한 목적으로 수년 동안 빗을 사용해왔다. 처음 NIST 연구진은 레이저 빗을 약 1.6 μm의 근적외선 파장에 맞춰 조정했다. 이는 연구원들이 메탄, 수증기는 물론 이산화탄소와 같은 가스를 볼 수 있도록 해줬다. 

 

또한 이 시스템은 개방 경로라는 또 다른 주요 특성을 가지고 있다. 콤은 대기의 특징에 덜 흡수되는 주파수에 맞춰져 있기 때문에 레이저가 1km 정도 거리를 측정 가능하며 그 사이의 모든 것을 볼 수 있다. 한 지점에서 배출되는 가스를 살펴보는 대신 지정된 영역에 걸친 배출물을 살펴보는 그리드를 설정할 수 있다. 

 

또한 이러한 측정값을 대규모 대기 가스 배출 모델과 비교할 수 있다. 모델들은 수백 미터 또는 1 킬로미터의 그리드 크기로 분산과 공기 품질을 매우 높은 해상도로 볼 수 있다.

 

이 시스템이 처음 초점을 맞췄던 것 중 하나는 이산화탄소보다 온난화를 일으킬 가능성이 더 큰 메탄을 측정하는 것이었다. 인간은 화석 연료와 산업 규모의 농업으로부터 메탄을 방출한다.

 

따라서 NIST 그룹은 소 가축 농장에서 배출되는 배출량을 측정하기 위해 이 분야의 기술을 도입했다. 이는 현재 그 목적으로 널리 사용되고 있다. 또한 가스 누출을 감지하는 데도 사용된다. 

 

하지만 메탄은 온실 가스의 한 부분일 뿐이다. NIST 연구진은 콤의 파장(적외선 영역 깊숙이, 또한 개방 경로를 허용하는 5μm 가까이)을 늘릴 수 있다면 다른 가스를 감지할 수 있을 것으로 여기고 있다. 이를 통해 이 장치를 성공적으로 시범운영했으며 레이저&포토닉스 리뷰지에 결과를 발표했다.

 

이 장치는 이산화탄소, 메탄, 수증기 외에도 아산화질소를 측정할 수 있다. 또한 이 네가지 주요 온실가스 외에도 오존과 일산화탄소를 측정하는 데도 사용될 수 있는데 이 두가지 가스는 특히 자동차가 빈번히 다니는 곳에서 흔히 발생되는 오염물질이다.

 

연구진은 이 장치를 훨씬 소형화할 계획을 갖고 있다. 또한 이제 이 기술이 효과가 입증되면서 도시 공기의 질과 산불의 영향과 같은 것들을 연구하는 데 사용될 수 있기를 바라고 있다. 그밖에 교통과 농업에서의 아산화질소 배출을 연구하는 데도 이 장치를 사용할 수 있다.

 

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