스탠퍼드대학교, 저에너지 탄소 포집 기술 개발로 전 세계 탄소 감축에 기여

스탠퍼드대학교 연구팀은 광물을 가열하여 대기 중 이산화탄소를 신속하게 포집하는 혁신적이고 에너지 효율적인 방법을 개발했습니다. 이 기술은 자연 풍화 과정을 강화하여 기존보다 훨씬 빠른 속도로 탄소를 흡수할 수 있으며, 농업 및 산업과 결합하여 탄소 배출 제거에 도움을 줄 뿐만 아니라 작물 생장 및 토양 건강 개선에도 기여할 수 있습니다.

획기적인 탄소 포집 기술: 저비용, 고효율

스탠퍼드대학교 인문과학대학 화학과 매튜 카넌(Matthew Kanan) 교수의 연구팀은 대기 중 이산화탄소를 영구적으로 제거할 수 있는 경제적인 방법을 개발했으며, 해당 연구 결과는 학술지 《네이처(Nature)》에 게재되었습니다. 이 기술은 일반 광물을 열처리하여 반응성이 높은 물질로 전환함으로써, 자연스럽게 이산화탄소를 흡수하고 저장할 수 있도록 합니다.

카넌 교수는 “지구에는 대기 중 이산화탄소를 제거할 수 있는 광물이 풍부하지만, 이들의 자연 반응 속도는 너무 느려 인간의 온실가스 배출을 상쇄할 수 없습니다. 우리의 연구는 독창적이며 확장 가능한 해결책을 제시합니다.”라고 밝혔습니다.

풍화 과정을 가속화하여 빠른 탄소 고정을 실현 자연계에서 규산염 광물은 물과 이산화탄소와 반응하여 안정적인 탄산염 및 중탄산이온을 형성하는 풍화 작용을 겪지만, 이 과정은 수백 년에서 수천 년이 걸릴 수 있습니다. 1990년대 이후 과학자들은 풍화 속도를 높여 암석의 이산화탄소 흡수율을 향상시키기 위한 기술을 끊임없이 모색해왔습니다.

스탠퍼드대학교 박사후 연구원 천위쉔(Yuxuan Chen)과 카넌 교수는 함께 새로운 공정을 개발하여, 느린 풍화 과정을 겪는 규산염을 보다 반응성 높은 광물로 전환하고 대기 중 탄소를 신속하게 포집 및 저장할 수 있게 했습니다. 이 기술은 스탠퍼드대학교 지속가능성 가속기 프로그램의 지원을 받아 개발되었습니다.

“우리는 간단한 이온 교환 반응을 통해 비활성 규산염 광물을 활성화하는 새로운 화학적 방법을 구상했으며, 그 효과는 우리의 기대 이상이었습니다.”라고 천 박사는 말했습니다.

시멘트 제조에서 영감, 탄소 포집의 효율성 향상

이 기술은 전통적인 시멘트 생산 공정에서 영감을 받았습니다. 시멘트 제조의 첫 번째 단계는 석회석을 약 1,400°C로 가열하여 산화칼슘으로 전환하는 것입니다. 스탠퍼드대학교 연구팀은 이와 유사한 방법을 채택했으며, 모래 대신 산화칼슘을 마그네슘과 규산염을 함유한 광물과 결합시켜 고온에서 처리함으로써, 공기 중의 산성 이산화탄소와 빠르게 반응할 수 있는 산화마그네슘과 규산칼슘을 형성합니다.

이들 광물은 이산화탄소와 접촉하면 빠르게 반응하여 안정적인 탄산염 광물로 전환됩니다. 실온 조건에서는 이 물질이 단 2시간 만에 완전히 탄산화될 수 있으며, 실제 환경에 가까운 조건에서의 시험에서도 공기 중 습윤한 시료는 수 주에서 수개월 내에 탄산화가 완료되어 자연 풍화보다 수천 배 빠른 속도를 보입니다.

농업 및 산업에 적용, 환경 보호와 경제성 동시 실현

이 기술은 광범위한 응용 가능성을 지니고 있으며, 대규모 토지에서 이산화탄소를 포집할 수 있을 뿐만 아니라 농업에도 적용되어 토양 품질을 향상시킬 수 있습니다. “농부들은 일반적으로 탄산칼슘을 이용해 토양의 pH를 조절하는데, 우리 재료는 석회를 대체할 수 있을 뿐 아니라 작물이 흡수할 수 있는 규소 성분도 방출하여 수확량과 저항력을 높일 수 있습니다.”라고 카넌 교수는 설명했습니다.

또한 이 기술은 기존의 시멘트 생산 설비와 통합이 가능하여, 산업용 가마를 활용해 반응성 광물을 대량 생산함으로써 비용을 절감하고 실용성을 더욱 높일 수 있습니다.

확대 적용: 실험실에서 전 세계로

현재 스탠퍼드 연구팀의 실험실에서는 매주 약 15kg의 재료를 생산할 수 있지만, 전 세계적으로 영향을 미치기 위해서는 매년 수백만 톤의 산화마그네슘과 규산칼슘을 생산해야 합니다. 연구팀은 올리빈 및 사문석과 같은 채굴 산업에서 발생하는 폐석(테일링)을 원료로 활용할 계획입니다. 이들 광물은 매장량이 풍부하고, 전 세계적으로 매년 4억 톤 이상의 적합한 폐석이 생성되어 대규모 응용에 잠재적인 공급원을 제공합니다. 지구에는 10조 톤 이상의 올리빈과 사문석 매장량이 있는 것으로 추정되며, 이는 인류가 배출하는 이산화탄소보다 훨씬 더 많은 양을 영구적으로 제거할 수 있는 잠재력을 의미합니다.

연구진은 천연가스나 바이오연료를 연료로 하는 가마에서 발생하는 이산화탄소 배출을 고려하더라도, 반응성 재료 1톤당 약 1톤의 이산화탄소를 제거할 수 있다고 추산하고 있습니다. 2024년 전 세계 화석연료로 인한 탄소 배출량은 370억 톤을 초과할 것으로 예상되며, 이 기술이 대규모로 응용된다면 기후 변화 완화에 중대한 영향을 줄 수 있습니다.

탄소 없는 미래를 향해: 전기로 기술 개발

탄소 발자국을 더욱 줄이기 위해 카넌 교수는 스탠퍼드 전기공학과 조교수 조너선 팬(Jonathan Fan)과 협력하여, 화석연료 연소가 아닌 전기에너지를 사용하는 전기로를 개발하고 있습니다. “현재 우리는 매년 수십억 톤의 시멘트를 생산하는 방법을 알고 있으며, 시멘트 가마는 수십 년간 안정적으로 작동합니다. 만약 이 지식과 설계를 활용할 수 있다면, 실험실에서의 발견이 대규모 탄소 제거로 이어지는 명확한 경로가 생깁니다.”라고 카넌 교수는 말했습니다.

이 기술이 산업화에 성공적으로 적용된다면, 기후 변화에 대응하기 위한 중대한 돌파구가 될 것이며, 인류가 보다 지속 가능한 미래로 나아가는 데 큰 도움을 줄 것입니다.

참고 문헌

• 스탠퍼드대학교, 일반 암석을 탄소 포집 핵심 소재로 전환하는 저비용 솔루션 발견
• Stanford Scientists Just Found a Faster, Cheaper Way to Store Carbon Permanently
• Reference: “Thermal Ca²⁺/Mg²⁺ exchange reactions to synthesize CO₂ removal materials” by Yuxuan Chen, and Matthew W. Kanan, 19 February 2025, Nature.DOI: 10.1038/s41586-024-08499-2

（대표 이미지 출처：Bill Rivard / Precourt Institute for Energy）

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