생글생글

과학과 놀자

디카페인 커피 일등공신은 이산화탄소

1700년대 초반 활동했던 바흐는 특별한 칸타타를 작곡했다. 주인공 리센은 '아, OO의 맛은 얼마나 기가 막히는가! 천 번의 키스보다 더 사랑스러우며 포도주보다 달콤하다네. 내게 즐거움을 주려거든 OO 한 잔을 따라줘요'라고 노래할 정도로 OO를 좋아한다. 하지만 당시 OO가 불임을 유발하고 피부를 검어지게 한다며 여성에게 금지됐기 때문에 아버지의 반대에 부딪힌다. 그러나 리센은 지혜를 발휘해 아버지와 화해하며 마음것 OO를 마실 수 있게 된다. 칸타타의 마지막 장면에는 OO를 찬양하는 합창이 즐겁게 흐른다. 이런 내용 때문에, 이 작품은 원래 제목과 달리 OO 칸타타라고 불리고 있다. OO는 도대체 무엇일까?예술가들에게 영감을 불러일으킨다는 칭송을 받았고, 지금도 많은 이에게 사랑받는 이것은 바로 ‘커피’다. 철학자 칸트는 말년에 커피에 푹 빠졌고, 베토벤은 아침 식사로 커피를 마셨으며, 작가 발자크는 빚을 갚기 위해 수많은 작품을 쓰면서 커피를 벗 삼았다. 이렇게 서구 세계를 사로잡았던 커피는 조선 말기 우리나라에 들어왔다. 초기의 커피는 일부 특권층이나 예술가 같은 소수를 위한 음료였지만, 6·25전쟁을 계기로 미군 부대를 통해 인스턴트 커피가 퍼져나가면서 대중화됐다.인스턴트 커피는 미국 남북전쟁 당시 처음 만들어졌는데, 원두를 갈아서 내리는 커피에 비해 맛과 향이 떨어지지만 간편함을 무기로 지금도 많은 사람에게 사랑받고 있다. 인스턴트 커피는 원두를 볶은 뒤 뜨거운 물로 추출해 커피 원액을 만들고, 이 원액을 영하 40도의 급속 동결기로 보내 얼린 상태에서 수분만 날리는 냉동 건조 방식으로 만들어진다. 냉동 건조법은 성분의 파괴

과학과 놀자

지구를 지키기 위한 노력, 탄소 중립

신나는 과학을 만드는 선생님들의 과학 이야기 (10)탄소 중립이라는 말을 들어 본 적 있나요? 여기서 탄소는 이산화탄소를 뜻합니다. 우리가 숨을 ‘후~’ 하고 내쉴 때 나오는 기체입니다. 탄소 중립이란 이산화탄소의 총 배출량이 늘어나지 않도록 하는 것을 말합니다. 숲을 조성해 이산화탄소를 흡수하고, 탄소를 배출하지 않는 무공해 에너지를 개발하는 등의 노력이 필요합니다.이산화탄소는 식물의 광합성을 비롯해 지구상에서 생물이 살아가는 데 꼭 필요한 기체입니다. 하지만 이산화탄소가 너무 많으면 문제가 생길 수 있습니다. 그것은 이산화탄소가 일으키는 온실 효과 때문입니다.비닐하우스는 외부 환경에 상관없이 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있습니다. 지구도 마찬가지로 지구를 둘러싸고 있는 공기 때문에 온도를 어느 정도 일정하게 유지합니다. 특히 이산화탄소는 지표면에서 반사되는 에너지를 흡수하는 성질이 있어 온실 효과를 일으킵니다.그래서 대기 중에 이산화탄소가 많아지면 지구에서 반사된 에너지가 대기권을 빠져나가지 못해 지구의 온도가 올라가게 돼요. 온실의 유리가 열이 빠져나가는 것을 막아 내부 온도를 높이는 것처럼 이산화탄소가 열 배출을 막아 지구 온도를 높이는 것이죠.지구가 뜨거워지면 어떤 일이 발생할까요. 과학자들은 지구 평균 기온이 2℃ 상승하면 적도 지역에서는 사람이 살 수 없게 될 것이라고 예상하고 있어요. 또 태풍, 폭염 등 자연재해가 더 자주 일어날 것이라고 해요. 이와 같은 전 지구적인 재난을 막기 위해 세계 각국이 그린 뉴딜이라는 이름으로 추진하고 있는 것이 탄소 중립입니다.탄소 중립은 단기간에는 달성하기 어

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꼬이는 '지구촌 기후협약', 환경 vs 성장…누가 먼저?

제26차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP26)가 영국 글래스고에서 열리고 있습니다. COP26은 세계 200여 개 나라의 정상들이 모여 지구 기후 문제를 논의하는 중요한 회의랍니다. 지난달 31일 개막한 이 회의가 무려 2주 동안 열리는 것만 봐도 알 수 있죠. COP는 ‘당사국 총회’를 일컫는 ‘Conference of the Parties’를 뜻하고 26은 스물여섯 번째라는 말입니다.글래스고 회의는 두 가지 안을 다룹니다. 하나는 탄소중립이고, 다른 하나는 에너지 전환입니다. 탄소중립(Net-zero)은 지구 기후변화에 가장 큰 영향을 준다는 이산화탄소를 자연이 흡수할 만큼만 배출해 ‘순 배출량 0’이 되도록 한다는 의미이고, 에너지 전환은 이산화탄소를 많이 뿜어내는 석탄 에너지를 덜 쓰고 친환경 에너지로 바꿔 쓴다는 걸 뜻합니다. 지구촌이 석탄 사용과 이산화탄소 배출을 줄여 지구 평균기온이 ‘산업화’ 이전보다 1.5도 이상 오르지 않도록 제어해보자는 겁니다.문제는 ‘어떻게’입니다. 아름다운 지구환경을 지키자는 ‘목적’엔 모두가 한목소리를 내지만, ‘방법’에 이르면 나라마다 입장이 갈립니다. COP26이 ‘알맹이 없는 회의’ ‘모여서 밥만 먹은 회의’가 될지 모른다는 걱정이 나오는 이유지요.탄소 배출이 많은 화석연료(석탄과 석유)를 에너지로 많이 사용하는 나라들이 COP 회의에 부정적입니다. 경제 성장에 적극 나서야 하는 나라들은 경제성과 효율성이 좋은 석탄 에너지에 더 의존해야 합니다. 중국, 인도, 러시아, 태국, 아프리카 나라 등 개발도상국들이 여기에 속합니다. 이들 나라는 석탄화력발전소를 더 지으려고 합니다. 개발도상국들은 “선진국

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지구는 정말 '이산화탄소' 때문에 뜨거워진 것일까?

지구촌 식구들은 지구 기후의 안정화(?)를 위해 공동 목표를 정했습니다. 지구의 평균기온이 ‘산업화 이전(19세기 이전)’보다 1.5도 이상 높아지지 않도록 노력한다는 것이죠. 환경론자들은 지구의 기온을 올리는 원인을 ‘인간-이산화탄소-온실효과’로 봅니다. 인간이 산업 활동을 하면서 배출하는 이산화탄소가 지구의 기후(혹서, 혹한, 폭풍, 해수면 상승)를 변화시키고 있다는 겁니다. 그러나 지구 기후를 변화시키는 게 이산화탄소 때문인가에 의문을 던지는 시각도 있습니다. 논쟁이 벌어지는 거죠. (1) 지금 지구 기온은 이상한가?지구 기후변화를 바라보는 두 가지의 대립 시각이 있습니다. 하나는 지구의 평균온도가 높아지고 있다는 시각이고, 다른 하나는 지구에는 지금보다 온도가 더 높았던 때가 훨씬 많았다는 시각입니다. 첫째 시각은 산업화 이전보다 1.5도 이상 높아지면 큰일 난다는 것이고, 둘째 시각은 지구 역사로 봤을 때 약간의 상승과 하락은 자연스러운 변화라는 겁니다.기후학자들은 대리지표를 이용해 기후 역사를 분석합니다. 남극과 북극의 깊은 곳에서 채취한 얼음, 나무의 나이테, 바닷속 산호초 상태, 깊은 바닷속 퇴적물, 지하 자원변화 같은 지표들이죠. 지난 100만 년 동안 지구에는 빙하기와 간빙기가 여덟 번 발생했다고 합니다. 기온이 오르고 내렸다는 거지요. 지금 우리가 살고 있는 충적세는 마지막 간빙기인데 약 1만 년 전에 시작됐다는군요. 이때 얼음이 녹아서 해수면이 120m 높아졌다고 합니다. 반대로 해수면이 낮아진 때도 존재했다고 합니다. 지난 1500년 동안 기온 변동폭이 섭씨 5~8도에 달했다는 분석도 있지요. 5500년 전에는 지구 기온이 올라서 지

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지구상 모든 생명체가 의존하는 태양광 에너지…기후변화 촉발하는 과도한 화석연료 사용 경계해야

코로나19 사태 이전에는 우리의 건강에 직접 영향을 주는 대기 중의 미세먼지가 많이 논의되다가 최근에는 세계적으로 산불, 폭우, 폭염 등 이상 기후가 이슈가 되고 있다. 이상 기후의 원인으로는 대기 중 이산화탄소 농도 증가에 따른 기후 변화가 지목되고 있다. 기후는 대기의 온도, 바람, 비, 눈을 모두 아우른다. 태양광으로 대기가 가열되고, 지표에서 물이 증발해 구름이 되고, 대기압의 차이로 생긴 바람을 따라 이동한 구름이 다시 비와 눈이 되어 지표에 내린다. 이런 모든 변화가 기후다. 기후는 태양으로부터 오는 태양광 에너지에 의해 작동된다. 에너지를 전달하는 매개체인 이산화탄소태양광 에너지는 어디서 오는 걸까? 태양에서는 수소와 수소의 핵융합 반응으로 헬륨이 만들어진다. 이 과정에서 수소의 일부 물질이 에너지로 변환되는데, 이 에너지로 인해 고온으로 가열된 태양은 햇빛을 포함한 다양한 전자기파를 사방으로 방출한다. 그중 일부가 지구에 도달해 태양광 에너지를 전달한다. 반짝이는 별빛도 에너지 크기는 미미하지만 태양광과 마찬가지로 별에서 지구로 전달되는 에너지다. 아인슈타인이 발견한 것과 같이 우주에서는 물질과 에너지가 상호 변환하고, 또 이동하며 변화 혹은 순환한다. 우리 주위에도 물질이 에너지로 변환하는 예들이 있다. 우라늄 원자가 2개로 쪼개지며 일부 물질이 에너지로 변환되는데, 원자력발전소는 이 에너지를 이용해 전기를 생산한다. 병원에서 사용하는 양전자방출단층촬영(PET) 장치는 인체에 주입한 방사성원소(F-18)가 방출하는 양전자가 주위의 전자와 반응하여 두 전자의 질량이 모두 감마선 에너지로 변환되어 방출되는데, 이를 탐지하

글로벌 철강기업 포스코의 탄소 중립 경영…저탄소 기술 개발로 2050년 ㏜ 배출 '0' 달성, 수소사업도 앞장

글로벌 철강 기업인 포스코가 2050년까지 ‘탄소중립(Carbon Neutral)’ 달성을 선언했다. 기후변화 대응이 인류의 최대 도전 과제로 떠오른 가운데 이산화탄소(CO2) 배출이 불가피한 철강업의 특성을 고려하면 의미 있는 선언이다. 특히 중국과 일본을 포함해 대형 용광로 생산체제에 기반하고 있는 아시아 철강사로는 처음으로 탄소중립 계획을 공식적으로 발표한 것이어서 매우 도전적인 목표를 수립했다는 평가다. 저탄소 기술 등 개발 박차포스코는 지난해 12월 수소사업 진출을 선언한 데 이어 올초 산업가스·수소사업부를 최고경영자(CEO) 직속으로 신설했다. 또한 2050 ‘CO2 배출량 제로(0)’ 실현을 위해 무(無)탄소(carbon free) 제철기술 개발 조직인 ‘저탄소공정연구그룹’을 신설하는 등 탄소중립 시대를 선도하기 위해 박차를 가하고 있다. 탄소포집저장활용(CCUS)이나 수소환원제철과 같은 혁신적인 기술 개발로 ‘그린스틸’을 생산할 수 있는 ‘저탄소 경쟁력’을 ‘100년 기업 포스코’ 실현의 주요 시금석으로 삼겠다는 계획이다.특히 포스코는 2030년 20%, 2040년 50% 감축이라는 중단기 목표와 단계적인 실행 방안을 제시했다. 1단계로 에너지효율 향상과 경제적 저탄소 원료로 대체하고, 2단계에는 스크랩(철강 부산물) 활용 고도화와 CCUS 적용, 3단계에서는 기존 직접제강법(FINEX) 기반의 수소환원제철 기술을 개발해 궁극적으로 수소 환원과 재생에너지에 기반한 탄소중립 제철 공정을 구현한다는 계획이다.최정우 포스코 회장은 “탄소중립 달성 과정에서 많은 도전에 직면할 뿐만 아니라, 혼자서 해낼 수는 없고 이해관계자들과 지속적인 커뮤니케이션과

과학과 놀자

식물의 광합성도 물과 이산화탄소를 결합하는 화학반응

화학공장은 전처리, 반응, 분리·정제 영역으로 나눌 수 있다. 주요 구성 장치는 반응기, 열교환기, 분리기(증류탑, 흡착탑)가 있다. 증류탑과 흡착탑은 불순물을 제거하거나 생성물의 순도를 높이는 역할을 하며, 열교환기는 온도가 다른 유체가 흐르는 관을 접촉해 에너지 비용을 절감시켜준다. 우리나라에 분리·정제 및 열교환기에 대한 세계적인 전문가들이 많지만 반응기를 설계할 수 있는 전문가는 매우 드물다. 그 이유에 대해 알아보자. 반응속도는 가장 느린 과정에 의해 결정화학반응은 어떠한 물질이 화학 변화를 겪어 다른 물질로 변화하는 과정이다. 화학반응의 중요한 두 요소는 ‘반응속도’와 ‘화학평형’ 개념이다. 반응속도는 어떤 화학 반응이 일어나는 속도를 말한다. 예를 들어 공기 중에서 쇠가 산화되는(녹스는) 반응은 몇 년이 걸리는 느린 반응이지만, 부탄가스가 연소되는 반응은 단 몇 초 만에 일어난다. 이처럼 반응속도는 반응온도, 압력, 반응물·생성물 농도, 촉매 사용 여부에 따라 영향을 받는다.대부분 촉매는 반응속도를 증가시켜 주는 역할을 하며, 화학과와 화학공학과에서 다루는 촉매의 종류는 다르다. 화학과에서는 반응물과 촉매의 상(phase: 물질의 상태)이 같은 균일(homogeneous) 촉매를 다룬다. 즉 반응물과 촉매가 모두 액체기 때문에 반응물이 촉매에 접촉하는 현상을 크게 고려하지 않는다. 화학공학과에서는 반응 이후 반응물과 촉매를 쉽게 분리하기 위해 반응물과 촉매 간 상이 다른 불균일(heterogeneous) 촉매를 사용한다. 일반적으로 반응물의 상은 액체, 기체 또는 액체/기체며 촉매는 주로 고체를 사용한다.반응물이 촉매 활성점에 도