'불타는 얼음'으로 불리는 천연가스 하이드레이트가 바다 속 점토질 퇴적토에서 다량으로 생성되는 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 연구 결과, 전기장과 점토광물의 존재가 하이드레이트 생성을 촉진하는 것으로 나타났다.

5일 카이스트(KAIST)에 따르면 이 같은 사실은 이 대학 건설 및 환경공학과 권태혁 교수팀의 연구 결과 확인됐다. 

해저의 퇴적토나 영구동토층(2년 이상의 기간 동안 토양이 얼어있는 지대)에서 주로 발견되는 천연가스 하이드레이트는 메탄 등의 천연가스가 물 분자로 이뤄진 얼음과 비슷한 결정구조에 갇혀 있는 고체물질이다. 흔히 '불타는 얼음'으로 불리는 이 물질은 막대한 매장량으로 인해 차세대 대체 에너지로 주목받고 있다.

점토질 퇴적토에서는 가스 하이드레이트 생성이 어렵다는 게 기존의 일반적인 이론이었다. 그러나 최근 전 세계적으로 해저 점토질 퇴적층에서 다량의 가스 하이드레이트가 발견되고 있어 기존 이론과 상반된 현상에 대한 원인을 규명하는 것이 과제로 남아 있다.

특히 점토광물 표면은 음전하를 띠는데 이 전하들이 점토표면에 흡착된 물 분자에 상당한 전기적 힘을 가해 분극화시킨다. 또 점토 표면의 음전하를 상쇄하기 위해 주변에 많은 양이온들이 존재한다.

따라서 보통 조건의 물 분자와 분극화된 조건의 물 분자들의 하이드레이트 결정 생성 양상을 비교하는 것이 연구의 핵심이다. 그러나 점토 주변에 자연적으로 존재하는 양이온들로 인해 실험 연구를 수행할 수 없었다.

이에 따라 연구팀은 물에 전기장을 가해 점토표면처럼 물 분자들을 분극화 한 뒤 이들 분자들의 가스 하이드레이트 결정 생성 속도를 측정했다.

그 결과, 점토 표면과 비슷한 크기의 전기장(10kV/m)을 물에 적용했을 때 가스 하이드레이트 결정핵 생성 속도가 약 6배 이상 빨라진다는 것을 확인했다. 이는 물 분자가 전기장에 의해 분극화되면 분자 간 수소 결합이 부분적으로 약해지고 내부에너지가 감소되기 때문인 것으로 밝혀졌다.

연구팀은 전기장이 하이드레이트 생성을 촉진함을 실험적으로 규명하는데 성공함으로써 점토광물의 존재가 하이드레이트 생성을 방해하는 것이 아니라 특정 조건에서는 오히려 하이드레이트 생성을 촉진함을 밝혔다.

권 교수는 이번 연구 결과에 대해 "점토질 퇴적토에서 가스 하이드레이트가 많이 발견되는 이유에 대해 좀 더 이해할 수 있게 됐다"며 "머지않은 미래에 인류는 가스 하이드레이트를 에너지 자원으로 생산하고 소비할 수 있을 것"이라고 말했다.

박태형 박사과정(카이스트)이 1저자로 참여한 이번 연구는 환경 분야 국제 학술지 '인바이러멘탈 사이언스&테크놀로지(Environmental Science & Technology)' 2월 3일자 온라인판에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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