최근에는 인위적 활동으로 배출하는 이산화탄소량과 흡수하는 이산화탄소량을 맞추는 탄소 중립이라는 생각이 널리 퍼져 있으며 다양한 분야에서 탄소 중립 달성을 목표로 내걸고 있다. 스위스 취리히공대 연구팀은 태양광과 이산화탄소, 물에서 탄소 중립 제트 연료를 만드는 거대한 타워형 태양열 반응기를 개발했다고 발표했다.
최근 자동차 산업에서 화석 연료에서 배터리로 전환이 진행되고 있지만 전 세계 온실가스 배출 5%를 차지하는 항공 산업에선 여전히 화석 연료를 사용하고 있으며 청정 항공 기술 개발과 전개에는 아직 시간이 필요하다. 여기에서 항공 산업이 관심을 두는 건 이산화탄소 배출량을 전체적으로 상쇄하는 카본 뉴트럴 제트 연료다. 탄소 중립 연료는 화석 연료와 마찬가지로 엔진으로 연소해 이산화탄소를 배출하지만 제조 과정에서 환경 중 이산화탄소를 흡수하기 때문에 전체적으로 보면 이산화탄소 배출량을 억제할 수 있다고 한다.
탄소 중립 연료로는 셀룰로오스 등 바이오매스 원료를 이용한 바이오제트 연료 등이 주목받고 있지만 이런 연료는 식물을 재배하는 토지가 필요하게 되는 것 외에 비료나 농기구 등이 이산화탄소를 배출하는 문제도 있다. 또 매립지 폐기물이나 폐유 등에서 연료를 합성하는 방법도 제조 과정에서 많은 에너지를 사용하기 때문에 결국 이산화탄소 배출 문제가 남는다는 것.
연구팀은 태양광과 이산화탄소, 물을 이용해 탄소 중립적인 제트 연료를 제조하는 시스템을 개발했다. 연구팀은 시스템 실증 실험을 실시를 위해 제트 연료 제조를 실시하는 타워형 태양열 반응기를 건설했다. 이 시스템에선 태양 추적 반사경 169장으로 주변에 늘어선 태양광을 높이 15m인 태양광 반응기 지름 16cm 정도 구멍이 모은다. 대량 반사경이 모은 반대한 열 에너지를 이용해 물과 이산화탄소에 산화환원 반응을 일으켜 액체연료 원천이 되는 합성 가스를 생산하는 구조다.
수렴된 태양 에너지는 반응기 내 산화세륨으로 이뤄진 다공질 구조와 함께 물과 이산화탄소 산화 환원 반응을 촉진해 수소와 일산화탄소로 이뤄진 합성 가스로 변환한다. 리액터가 정상 작동하려면 1,450도 고온이 필요하지만 임계 온도 1,500도에 도달하면 몇 사이클을 멈춰야 하고 너무 뜨거워서 잘 작동하지 않는다는 것.
생산된 합성 가스는 타워 바닥에 있는 유닛(Gas-to-Liquid unit)에 공급되며 합성 등유 16%와 합성 디젤 40%를 포함한 액상과 합성 등유 7%에 합성 디젤 40%로 이뤄진 오일층으로 변환된다. 이런 액체 탄화수소 연료에 포함된 탄소는 공기 중에서 추출된 이산화탄소에서 유래하기 때문에 제트 연로로 연소되어도 총 탄소배출량을 상쇄할 수 있다는 것이다.
연구팀은 실제로 9일간 타워형 반응기를 작동시켜 얼마나 많은 연료를 생산할 수 있는지 실험했다. 실험에선 날씨가 좋으면 하루 6∼8사이클을 실시해 사이클당 평균 53분간 지속했으며 총 가동 시간은 55시간에 달했다고 한다.
타워형 반응기는 최종 9일 가동으로 모두 5,191리터 합성 가스를 제조한 것으로 보고됐지만 최종적으로 얼마나 많은 합성 등유와 합성 디젤이 정제됐는지는 불분명하다. 또 보잉787 연료 용량은 최대 12만 6,372리터로 미국 뉴욕에서 베트남 호치민까지 1만 4,140km 거리를 날 수 있다. 이를 고려하면 태양 반응기 하나가 제조할 수 있는 연료가 너무 적다고 느낄 수 있지만 합성 연료는 일반연료와 혼합될 수 있기 때문에 모든 연료를 대체할 필요가 없다. 비록 리액터가 생산하는 합성 연료가 모든 제트 연료를 대체할 수 없어도 생산한 만큼 전체 이산화탄소 배출량 삭감으로 이어진다는 것이다.
이번 실험에선 태양 에너지에서 합성 가스로 에너지 변환 효율은 4%에 불과했지만 연구팀은 더 많은 열을 회수, 재활용하고 산화세륨 구조를 재검토해 효율 20% 이상으로 높일 것으로 기대하고 있다. 연구팀은 처음으로 물과 이산화탄소에서 등유까지 열화학 공정망 전체를 완전히 통합된 태양열 타워 시스템에서 입증했다며 적절한 설정으로 운전했으며 지속 가능한 항공 연료 생산을 향한 기술적 이정표를 세웠다고 강조했다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.