기후변화 솔루션: 열을 줄이는 기능성 쿨 직물

 

직물은 기후 변화의 영향을 줄이기 위해 의류, 건축, 식품 저장에 사용될 수 있다.

올해는 이미 전 세계적으로 엄청난 폭염이 발생했으며, 멕시코, 인도, 파키스탄, 오만의 도시 기온은 화씨 122도(섭씨 50도)에 가깝거나 그 이상이다.

지구 기온이 상승하고 도시 인구가 증가함에 따라 세계의 도시는 “도시 열섬”이 되었다. 빽빽한 환경과 포장 도로 및 고층 건물에서 방출되는 열복사로 인해 이러한 온도가 가두어지고 확대된다. 2050년까지 전체 인구의 68%가 도시에 거주할 것으로 예상되는 상황에서 이는 점점 더 심각해지고 치명적인 문제가 되고 있다.

 

사이언스(Science)에 실린 논문에서 시카고대학교 프리츠커 분자공학대학(University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering) 연구원들은 도시 거주자들이 지구 기후 변화로 인한 막대한 열의 최악의 영향에서 살아남는 데 도움이 될 수 있는 새로운 웨어러블 직물을 시연했다.

 

애리조나의 태양 아래서 테스트한 결과, 이 소재는 야외 지구력 스포츠에 사용되는 광대역 이미터 패브릭보다 화씨 4.1도(섭씨 2.3도) 더 낮은 온도를 유지했으며 셔츠, 드레스 및 기타 여름 의류에 일반적으로 사용되는 상용 실크보다 화씨 16도(섭씨 8.9도) 더 시원하다.

팀은 이 직물이 올해에만 전 세계 인구 밀집 지역에서 볼 수 있는 열 관련 입원 및 사망을 피하는 데 도움이 되기를 바라고 있다.

 

연구원들은 또한 이 직물이 건물, 자동차, 식품 저장 및 운송에 사용되어 내부 온도를 낮추고 에어컨의 비용과 탄소 영향을 줄일 수 있기를 바라고 있다.

PME 조교수인 포춘 수(Po-Chun Hsu)는 “우리는 탄소 배출을 줄이고 도시를 탄소 음성 또는 탄소 중립으로 만들어야 한다.”라고 말한다. "그러나 동시에 사람들은 이러한 고온의 영향을 느끼고 있다."

 

환경을 고려해야 한다.

기존 아웃도어 스포츠용 쿨링 원단은 태양광을 확산 패턴으로 반사해 보는 사람의 눈을 멀게 하지 않는다. 그러나 도시 열섬에서 태양은 열원 중 하나일 뿐이다. 태양이 위에서 굽는 동안 건물과 포장 도로에서 방출되는 열 복사는 도시 거주자의 측면과 아래에서 지독한 열기를 뿜어낸다.

 

이는 실험실 테스트에서 잘 작동하는 많은 재료가 앞으로 몇 주 동안 엄청난 폭염이 예상될 때 애리조나, 네바다, 캘리포니아, 동남아시아 및 중국의 도시 거주자에게 도움이 되지 않는다는 것을 의미한다.

 

공동 제1저자인 프리츠커 분자공학(Pritzker Molecular Engineering)의 박사후 연구원인 롱휘 우(Ronghui Wu)는 "사람들은 일반적으로 냉각 직물의 성능이나 재료 설계에 중점을 둔다."라고 말했다. “실생활에 적용할 수 있는 잠재력을 지닌 섬유를 만들기 위해서는 환경을 고려해야 한다.”

 

환경을 고려한 간단한 예 중 하나는 사람들이 서 있는 것이다. 이들은 직사광선을 반사하도록 고안된 소재를 착용하고 있지만 모자, 어깨덮개, 신발 윗부분(옷 표면적의 약 3%)만이 직사광선을 받는다. 옷의 나머지 97%는 옆면과 밑면에서 들어오는 열복사에 의해 가열되는데, 광대역 방사체 직물은 저항하지 않는다.

 

태양과 보도는 서로 다른 열로 요리된다. 착용자를 두 가지 모두로부터 보호할 수 있는 하나의 재료를 만드는 것은 팀에게 주요 엔지니어링 과제를 제공했다.

“태양광은 가시광선이고 열복사는 적외선이므로 파장이 다르다. 이는 동시에 두 가지 광학적 특성을 갖는 재료가 필요하다는 것을 의미한다. 이는 매우 어려운 일이다.”라고 프리츠커 분자공학(Pritzker Molecular Engineering)의 박사과정 학생이자 공동 제1저자인 수이 첸시(Chenxi Sui)가 말했다.

"다양한 파장에서 다양한 공명을 제공하기 위해 재료를 엔지니어링하고 조정하려면 재료 과학을 활용해야 한다."

 

광범위한 애플리케이션

집을 냉방 한다는 것은 지구를 따뜻하게 한다는 것을 의미하는 경우가 많으며, 에어컨과 냉동 시스템의 탄소 영향으로 인해 기후 변화가 발생한다.

수는 “우리 문명은 실제로 어디를 가든 편안함을 느끼기 위해 전체 에너지의 약 10~15%를 사용한다.”라고 말한다.

 

그러나 열로 인한 위험은 고르게 분산되지 않는다. 미국과 일본에서는 90% 이상의 가구가 에어컨을 보유하고 있으며, 인도와 아프리카 일부 지역에서는 그 수치가 5%로 떨어진다.

임시 특허를 받은 팀의 새로운 직물은 에너지 및 비용 집약적인 시스템의 필요성을 보완하고 줄일 수 있는 수동 냉각 시스템을 제공하는 데 도움이 될 수 있다.

 

응용 분야는 의류 그 이상이다.

보이지 않는 폴리에틸렌 층으로 보호되는 더 두꺼운 직물은 건물이나 자동차의 측면에 사용될 수 있어 내부 온도를 낮추고 에어컨의 비용과 탄소 영향을 줄일 수 있다. 마찬가지로, 이 소재는 열에 상할 수 있는 우유와 기타 식품을 운반하고 저장하는 데 사용될 수 있어 냉장의 영향을 줄일 수 있다.

 

수이는 “이것은 수동적인 프로세스이기 때문에 냉각, 전기 및 에너지 비용을 많이 절약할 수 있다.”라고 말한다.

이 연구에 대한 자금은 프리츠커 분자 공학 대학 창업 기금, 국립 과학 재단, 미국 국방부 공군 과학 연구실에서 나왔다.

출처: 시카고대학교