지하 깊은 곳에서 발견되는 광물은 지구 기후 변화에 맞서 싸울 수 있는 열쇠

지하 깊은 곳에서 발견되는 광물은 지구 기후 변화에 맞서 싸울 수 있는 열쇠를 쥐고 있을 수 있다. 가장 잘 알려진 온실 가스인 이산화탄소(CO2)는 특정 지하 광물과 반응하여 안정적인 탄산염을 형성하여 가스를 효과적이고 영구적으로 저장할 수 있다. 이 자연 저장 방법은 지구 역사를 통틀어 CO2 수준을 조절하는 데 도움이 되었다.

탄소 광물화(carbon mineralization)라고 불리는 이 과정은 산업 규모로 구현하기 어려운 것으로 입증되었다. 그 실현 가능성을 높이기 위해 과학자들은 잠재적인 저장 저류층의 특성과 거동, 그리고 관련된 광물에 대한 자세한 이해를 얻어야 한다.

지구의 지각과 맨틀에 풍부한 광물인 감람석은 이러한 노력에서 중요한 역할을 한다. 그 구조는 니켈 및 코발트와 같은 귀중한 요소를 포함할 수 있다. 이러한 물질이 광물화 과정에서 방출되고 나중에 회수되면 탄소 저장 프로젝트에 추가적인 경제적 인센티브를 제공할 수 있다.

중요한 광물 회수 잠재력으로 인해 감람석이 풍부한 저류층은 CO2 광물화에 중점을 두고 있다. 그러나 어떤 침전물이 가장 유망한지 평가하려면 특정 조성을 결정해야 하며, 이 과정에는 종종 노동 집약적인 실험실 분석이 포함된다. 이러한 복잡성은 새로운 리소스를 효과적으로 탐색하려는 노력을 방해할 수 있다.

이 문제를 해결하기 위해 PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)의 연구원과 인턴으로 구성된 팀은 감람석의 구조 분석을 감람석의 화학 조성과 연결하는 확장된 데이터베이스를 만들었다. 과학자들은 이제 복잡한 측정에 의존하는 대신 X선 회절 데이터와 화학적 특성 간의 관계를 사용하여 감람석 샘플을 신속하게 평가할 수 있다. ACS Earth and Space Chemistry에 발표된 이 연구는 저널 표지에도 이름을 올렸다.

"감람석 구조와 구성 사이의 관계를 나타내는 것은 탄소 광물화 및 중요한 광물 회수를 위한 감람석의 반응성을 탐구하는 다음 단계를 밟는 데 필수적입니다"라고 PNNL 화학자이자 논문의 공동 교신 저자인 Quin Miller는 말했다. "우리는 또한 더 많은 사람들이 감람석의 구성을 더 쉽게 결정할 수 있도록 하고 있습니다."

이 프로젝트는 PNNL 직원과 WDTS(Office of Science Workforce Development for Teachers and Scientists)를 포함한 3개의 에너지부 프로그램의 인턴 간의 협력으로 이루어졌다. 인턴 Arianna Morfin, Heath Stanfield, Madeline Murchland 및 Madeline Bartels는 WDTS 커뮤니티 칼리지 인턴십, WDTS 과학 학부 실험실 인턴십 및 Mickey Leland Energy Fellowship 프로그램을 통해 기여했다.

"이 젊은 과학자들의 경력을 시작하는 데 도움을 주는 것은 전문적인 수준에서 보람을 느낍니다"라고 논문의 공동 저자인 지하 에너지 시스템 하위 부문 관리자 Todd Schaef는 말했다. "하지만 그들의 기여는 이 모든 것을 가능하게 합니다. 그들이 없었다면 전 세계에 적용할 수 있는 유용한 도구를 만들 수 없었을 것입니다."

인턴들이 PNNL에서 보낸 시간이 제한적이었음에도 불구하고 그들의 영향은 상당했다. "이것은 진정으로 인턴이 주도하는 논문이었습니다"라고 Miller는 말했다. "데이터 수집, 분석, 그림 작성, 원고 작성은 모두 이 초기 경력 과학자들이 수행했습니다. 집필 과정에서 편집과 조언을 넘어서, 저는 그들이 논문을 이끄는 데 주도권을 잡도록 할 수 있었습니다."

연구팀은 이전에 발표된 연구와 기존의 국제 데이터베이스에서 구조 및 구성 데이터를 수집했다. 그들의 작업에는 중복을 식별하고, 불일치를 해결하고, 화학 성분을 업데이트하는 것이 포함되었다. 궁극적으로 그들은 감람석의 구조와 조성을 연결하는 방정식을 개발하여 광물의 특성을 이해하기 위한 보다 정확한 도구를 제공했다.

"이전 연구에서는 감람석의 구조-구성 관계를 조사하기 위해 60개 이하의 데이터 포인트를 사용했습니다"라고 현재 학사 후 연구원이자 공동 교신 저자인 Stanfield는 설명했다. "도움이 되기는 했지만, 그들은 일반적인 원소 치환의 효과를 고려하지 않았습니다. 거의 3배 더 많은 고유 데이터 포인트를 포함하도록 데이터 세트를 확장하여 정확도를 높였습니다."

탄소 격리에서 Olivine의 역할

데이터베이스에는 표준 최종 구성원 조성을 넘어서는 감람석 조성에 대한 정보가 포함되어 있어 자연적으로 발생하는 변형에 대한 보다 현실적인 통찰력을 제공한다. 이러한 발전을 통해 연구자들은 탄소 저장 및 중요 광물 회수를 위한 감람석 기반 부지의 적합성을 더 잘 평가할 수 있다.

"현실적인 관점에서 볼 때, 모든 감람석은 동일하게 취급될 수 없다"고 Stanfield는 말했다. "우리는 사람들이 작업 중인 대상을 더 빠르고 쉽게 정확히 식별할 수 있는 효과적인 도구를 제공하고 있습니다."

이 팀의 연구는 니켈, 코발트, 구리와 같이 탄소 광물화 및 중요 광물 회수 잠재력이 높은 미국 자원을 식별하는 데 이미 적용되고 있다. 이러한 도구는 반응성 양이온 및 회수 가능한 광물의 가용성에 대한 통찰력을 제공하여 현장 선택을 간소화할 수 있다.

데이터베이스를 개발하는 것 외에도 Bartels는 더 높은 감도로 광물화된 탄소를 측정하는 방법을 발전시켰고, Stanfield는 현무암 지층에서 탄소 저장 및 광물 추출 잠재력을 추정하는 방법론에 기여했다.

인턴들의 헌신은 CO2 배출 문제 해결의 시급성을 반영한다. Morfin은 Yakima Valley College에서 수술 기술 프로그램을 추구하고 있다. Bartels와 Murchland는 지질학 박사 학위 과정을 밟고 있으며 PNNL에서 연구를 계속할 계획이다. Stanfield는 학사 후 연구원으로 PNNL에 남아 있으며 2025년에 박사 학위를 시작할 계획이다.

"이산화탄소 배출의 영향은 우리가 해결해야 할 계속 증가하는 문제입니다"라고 Miller는 말했다. "차세대 과학자들이 이러한 과제를 해결하기 위해 노력하는 것을 보는 것은 놀라운 일입니다." (Energy Daily)