암모니아 이용 수소 에너지원→200인승 청정비행기 난다

[아이뉴스24 정종오 기자] 브루스 조(Bruce Jo) 미국 테네시공과대 기계공학과 교수가 메일을 보내왔다. 그는 메일에서 “한국계 미국인으로서 과학 쪽에 뉴스가 될 만한, 한국에도 좋은 자극이 될 만한 소식이 있어 이렇게 메일을 보내게 됐다”고 운을 뗐다.

수소를 이용한 청정 비행기에 대한 내용을 담은 것이었다.

조 교수는 “암모니아를 이용한 수소추출기술을 이용해 고체연료전지와 화학작용을 통하면 밀도 높은 전기에너지를 생산할 수 있다”며 “전기모터 구동방식의 추진체를 이용한 완전한 탄소중립을 지향하는 200인승 이상의 청정 여객기 개발의 선행연구를 진행하고 있다”고 말했다.

앞서 미국 항공우주청(NASA)은 지난달 11일(현지시간) 대학 리더십 이니셔티브(University Leadership Initiative)의 일환으로 전기 비행기를 만들기 위한 주요 과제를 해결하기 위해 대학 교수팀과 학생으로 구성된 4개 팀을 선정한 바 있다.

테네시공과대도 4개 팀 중 하나로 뽑혔다. 테네시공과대가 맡은 임무는 암모니아 기반 통합 추진, 전력과 열 관리 시스템을 이용하는 전기화 된 150인승 항공기의 예비 설계를 개발하는 것이다.

NASA는 우주개발과 함께 항공 산업의 판도를 바꿀 전기추진 상용비행기 개발에 적극 나서고 있다.

NASA는 2050년까지 전기추진 상용여객기(200인승 이상) 운용을 계획하고 있다. 이를 위해 가장 핵심적 기술은 동력을 일으키는 에너지원 확보이다.

조 교수는 전기추진 상용여객기 에너지원은 크게 두 가지라고 강조했다.

그는 “하나는 리튬이온 배터리를 이용하는 방법이고 또 다른 방법은 수소를 에너지원으로 활용하는 방법”이라며 “NASA에서는 올해 리튬이온 배터리를 이용한 X-57 비행체의 시험비행을 계획하고 있다”고 설명했다.

최근 주목받고 있는 또 다른 기술은 수소를 에너지원으로 이용하는 것에 있다. 수소는 기존 배터리보다 에너지 밀도가 100배 높다.

이 같은 장점으로 비행체의 무게를 줄일 수 있다. 같은 무게로 다른 에너지원과 비교했을 때 장시간 비행이 가능하다는 장점을 지닌다.

문제는 수소를 추출하는데 따른 단점에 있다. 수소는 대기 중에 존재하는 흔한 기체이다. 오랫동안 에너지원으로 그 잠재력을 인정받아왔다. 수소는 단독으로 존재하지 않고 이를 추출해야 하는 과정을 반드시 거쳐야 한다. 상용화하는데 많은 어려움이 따른다.

순수한 수소를 얻기 위해서는 액화천연가스(LNG)를 개질하거나 물을 전기분해해야 한다. 이 과정에서 엄청난 양의 이산화탄소가 발생한다. 물의 전기분해도 화석연료 없이 전기를 생산하는 몇몇 국가 외에는 경제성이 떨어진다.

수소를 추출해도 이를 보관, 유지, 운반, 저장 과정은 더 어렵다. 기체 상태의 수소는 그 부피가 매우 크다. 액화상태로 유지, 운송을 위해서는 영하 253도의 극 저온상태를 유지해야 한다. 탄소를 발생시키지 않으면서 경제적으로 효율성 있는 수소의 확보, 보관, 운용이 그 핵심기술이다.

조 교수는 “이 같은 문제를 극복하는 신기술의 끈이 바로 암모니아 등장”이라며 “암모니아를 600도 이상으로 가열하면 질소를 분리해 수소를 얻을 수 있는데 이 과정은 기술적으로 어렵지 않고, 이 과정에서 탄소가 발생하지 않는다”고 강조했다.

암모니아는 영하 33도 만으로 유지, 보관이 가능하며 1년 이상 장기보관도 거뜬하다고 설명했다.

그는 “NASA에서 암모니아를 이용한 수소추출, 고체연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)를 이용한 전기에너지 생산, 이를 통한 청정 상용비행기 개발을 추진하고 있다”며 “NASA에서 이를 위한 선행연구로 미국 테네시공과대를 선정해 앞으로 4년 동안 약 100억원을 투자, 비행기 개념설계의 실현 가능성을 연구할 것”이라고 전했다.

조 교수는 “암모니아를 통한 수소의 확보가 가장 현실적 방법”이라며 “비행체의 연료와 추진체 혁신을 통해 다양한 비행체의 설계가 가능하고 이를 통해 보다 에너지 효율적이며, 친환경적 일반 상용기의 실현 가능성 제시가 이번 연구 방향과 목표”라고 덧붙였다.