(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 화성 유인 탐사의 가장 큰 문제 중 하나는 돌아올 때 사용할 연료까지 싣고 출발해야 한다는 점이다. 이 문제는 화성에 있는 물질로 연료를 생산할 수 있다면 극복할 수 있다. 미국 연구팀이 이런 가능성을 높일 수 있는 이산화탄소-메탄 고효율 전환 기술을 개발했다.

미국 신시내티대 우징지 교수팀은 24일 과학저널 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에서 이산화탄소(CO₂)를 메탄으로 바꾸는 '사바티에 반응'(Sabatier reaction)의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 그래핀 양자점(graphene quantum dots) 촉매를 개발했다고 밝혔다.

미국 신시내티대 연구팀이 실험용 반응기에서 그래핀 양자점(graphene quantum dots)을 촉매로 사용해 이산화탄소를 메탄으로 바꾸는 실험을 하고 있다. [Andrew Higley/UC Creative 제공. 재판매 및 DB 금지]

화성에는 이산화탄소가 대기의 95% 이상을 차지할 정도로 많다. 우 교수는 우주비행사들이 화성에 도착한 뒤 이산화탄소를 이용해 지구로 돌아오는데 필요한 연료를 생산할 수 있다면 화성 탐사에 필요한 연료를 절반으로 줄일 수 있다고 말했다.

이산화탄소를 흡수해 유용한 화학물질로 바꾸는 기술은 기후변화 대응에도 중요하다. 미국 바이든 행정부는 2030년까지 온실가스를 50% 줄이고 2050년까지 재생 에너지로 작동하는 경제를 만든다는 목표를 세우고 있어 이산화탄소 재활용 기술이 필요한 상황이다.

현재 이산화탄소로 메탄을 만드는 공정에는 프랑스 화학자 폴 사바티에가 개발한 '사바티에 반응'이 사용된다. 국제우주정거장(ISS)에서는 우주비행사들이 배출한 이산화탄소로 로켓용 메탄을 생산, 우주정거장 궤도 유지에 사용하고 있다.

하지만 구리(CU) 기반 촉매를 사용하는 이 반응은 효율성과 선택성이 낮아 널리 활용되지 못하고 있다.

연구팀은 연구에서 구리 기반 촉매 대신 탄소 원자로 이루어진 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 두께의 얇은 막인 그래핀을 기반으로, 각종 기능성 분자단(-OH, -NH₂, -COOH, -SO₃)을 결합한 그래핀 양자점 촉매를 개발해 CO₂→메탄 전환 효율과 선택성을 실험했다.

그 결과 그래핀 양자점 촉매는 이산화탄소를 정확하게 메탄으로 바꾸는 선택성과 전환 효율이 모두 구리 기반 촉매보다 월등히 높은 것으로 나타났다.

우 교수는 "이 공정의 생산성은 10년 전보다 100배 이상 높아졌고 발전 속도는 더욱 빨라질 것"이라며 "이 공정은 기후변화 완화 기술로도 유망해 향후 10년 안에 수많은 스타트업들이 상용화에 나서게 될 것"이라고 말했다.

연구팀은 또 이산화탄소에서 연료 물질을 생산하는 기술은 이산화탄소가 대량 배출되는 발전소에서 사용할 수 있도록 대형화할 수 있다며 이를 태양에너지나 풍력 같은 신재생에너지와 결합할 경우 상업적 경쟁력이 더욱 높아질 것으로 전망했다.

우 교수는 이산화탄소에서 연료를 생산하는 기술의 발전으로 이번 생애 중 인류의 화성 착륙이 가능해질 것으로 확신하게 됐다며 언젠가 이산화탄소에서 메탄올을 만들고 이를 이용해 다른 물질들을 생산해 인류가 화성에서 살 수도 있을 것이라고 말했다.

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