전기를 이용한 해안 침식 방지

노스웨스턴 대학의 새로운 연구에 따르면, 가벼운 전기 충격만으로도 여러 세대에 걸쳐 해안선을 강화할 수 있으며, 기후 변화와 해수면 상승으로 인한 침식 위협을 크게 줄일 수 있다는 것이 체계적으로 입증되었습니다.

새로운 연구에서 연구진은 조개, 홍합 및 기타 조개류에 사는 해양 생물로부터 영감을 얻었습니다. 이러한 해양 생물은 바닷물에 녹아 있는 미네랄을 이용해 껍질을 만듭니다.

마찬가지로, 연구자들은 동일한 자연적으로 발생하는 용해된 미네랄을 활용하여 바닷물에 젖은 모래알 사이에 천연 시멘트를 형성했습니다. 하지만 연체동물처럼 대사 에너지를 사용하는 대신, 연구자들은 전기 에너지를 사용하여 화학 반응을 촉진했습니다.

실험실 실험에서, 약한 전류가 즉시 해양 모래의 구조를 바꾸어 바위와 같은 움직이지 않는 고체로 변형시켰습니다. 연구자들은 이 전략이 세계 해안선을 강화하기 위한 지속 가능하고 저렴하며 지속 가능한 솔루션을 제공할 수 있기를 바라고 있습니다.

이 연구는 Nature Portfolio가 발행하는 저널인 '커뮤니케이션 지구와 환경(Communications Earth and the Environment)'에 목요일(8월 22일) 게재될 예정입니다.

"세계 인구의 40% 이상이 해안 지역에 살고 있습니다." 연구를 이끈 노스웨스턴의 알레산드로 로타 로리아가 말했다. "기후 변화와 해수면 상승으로 인해 침식은 이러한 지역 사회에 엄청난 위협이 됩니다. 인프라의 붕괴와 토지 손실을 통해 침식은 전 세계적으로 매년 수십억 달러의 피해를 입힙니다. 침식을 완화하기 위한 현재 접근 방식에는 보호 구조물을 건설하거나 외부 바인더를 지하에 주입하는 것이 포함됩니다.

"저의 목표는 해안 보호의 현상 유지를 바꿀 수 있는 접근 방식을 개발하는 것이었습니다. 보호 구조물을 건설할 필요가 없고 실제 시멘트를 사용하지 않고도 해양 기질을 시멘트로 고정할 수 있는 접근 방식입니다. 해양 토양에 약한 전기 자극을 가함으로써 우리는 체계적이고 기계적으로 해수에 자연적으로 용해된 미네랄을 고체 미네랄 바인더, 즉 천연 시멘트로 전환하여 시멘트를 고정할 수 있음을 증명했습니다."

Rotta Loria는 Northwestern의 McCormick School of Engineering에서 Louis Berger 토목 및 환경 공학 조교수입니다. Rotta Loria 연구실의 전 박사 후보생인 Andony Landivar Macias가 이 논문의 첫 번째 저자입니다. Northwestern의 Weinberg College of Arts and Sciences에서 지구 및 행성 과학 교수이자 광물학자인 Steven Jacobsen도 이 연구의 공동 저자입니다.

방파제도 침식된다

강우량 증가에서 해수면 상승에 이르기까지 기후 변화는 해안선을 점차 침식하는 조건을 만들어냈습니다. 유럽 위원회의 공동 연구 센터가 2020년에 실시한 연구에 따르면, 지구 해변의 약 26%가 이 세기 말까지 씻겨 나갈 것입니다.

이 문제를 완화하기 위해 지역 사회는 방파제와 같은 보호 구조물과 장벽을 건설하거나, 모래로 널리 구성된 해양 기질을 강화하기 위해 시멘트를 땅에 주입하는 두 가지 주요 접근 방식을 구현했습니다. 하지만 이러한 전략에는 여러 가지 문제가 따릅니다. 이러한 기존 방법은 엄청나게 비쌀 뿐만 아니라 오래 지속되지도 않습니다.

"해안벽도 침식의 영향을 받습니다." 로타 로리아가 말했다. "그래서 시간이 지나면서 이 벽 아래의 모래가 침식되고 벽이 결국 무너질 수 있습니다. 보호 구조물은 종종 마일당 수백만 달러가 드는 큰 돌로 만들어집니다. 그러나 그 아래의 모래는 여러 환경적 스트레스 요인으로 인해 본질적으로 액화될 수 있으며, 이 큰 바위는 그 아래의 땅에 삼켜집니다.

"시멘트와 기타 바인더를 땅에 주입하는 데는 돌이킬 수 없는 환경적 단점이 많이 있습니다. 또한 일반적으로 고압과 상당한 양의 상호 연결된 에너지가 필요합니다."

이온을 접착제로 바꾸다

이러한 문제를 우회하기 위해 Rotta Loria와 그의 팀은 산호와 연체동물에서 영감을 얻어 더 간단한 기술을 개발했습니다. 바닷물에는 자연적으로 수많은 이온과 용해된 미네랄이 포함되어 있습니다. 약한 전류(2~3볼트)를 물에 흘려주면 화학 반응이 일어납니다. 그러면 이러한 성분 중 일부가 고체 탄산칼슘으로 전환됩니다. 이는 연체동물이 껍질을 만드는 데 사용하는 미네랄과 동일합니다. 마찬가지로, 약간 더 높은 전압(4볼트)을 사용하면 이러한 성분을 주로 수산화마그네슘과 하이드로마그네사이트로 전환할 수 있는데, 이는 다양한 돌에서 발견되는 유비쿼터스 미네랄입니다.

이러한 미네랄이 모래가 있는 곳에서 합쳐지면 접착제처럼 작용하여 모래 입자를 함께 결합합니다. 실험실에서 이 과정은 일반적인 실리카와 석회질 모래부터 화산 근처에서 흔히 발견되는 철 모래까지 모든 유형의 모래에서도 작동했습니다.

"처리 후 모래는 바위처럼 보입니다." 로타 로리아가 말했다. "입자가 없고 응집력이 없는 대신 고요하고 단단합니다. 미네랄 자체가 콘크리트보다 훨씬 강하기 때문에 결과적으로 나오는 모래는 방파제만큼 강하고 단단해질 수 있습니다."

전류가 가해지면 미네랄이 즉시 형성되지만, 더 긴 전기 자극은 더 실질적인 결과를 가져옵니다. "우리는 며칠간의 자극만으로도 놀라운 결과를 확인했습니다." 로타 로리아가 말했습니다. "그러면 처리된 모래는 추가 개입 없이도 제자리에 머물러야 합니다."

친환경적이며 가역적

로타 로리아는 처리된 모래가 내구성을 유지하여 수십 년 동안 해안선과 재산을 보호할 것으로 예측합니다.

로타 로리아는 또한 해양 생물에 부정적인 영향을 미칠까 걱정할 필요가 없다고 말합니다. 이 과정에서 사용되는 전압은 느낄 수 없을 만큼 약합니다. 다른 연구자들은 비슷한 과정을 사용하여 해저 구조물을 강화하거나 산호초를 복원하기도 했습니다. 그러한 시나리오에서 바다 생물은 해를 입지 않았습니다.

그리고, 지역 사회가 더 이상 굳은 모래를 원하지 않는다고 결정하면, Rotta Loria는 그 과정에 대한 해결책도 가지고 있습니다. 이 과정은 완전히 가역적입니다. 배터리의 양극과 음극 전극이 바뀌면 전기가 미네랄을 용해시켜 효과적으로 과정을 취소합니다.

"미네랄은 우리가 음극 계면 주변에서 해수의 pH를 국부적으로 높이기 때문에 형성됩니다." 로타 로리아가 말했다. "양극과 음극을 바꾸면 pH가 국부적으로 감소하여 이전에 침전된 미네랄이 용해됩니다."

경쟁력 있는 가격, 수많은 적용 분야

이 공정은 기존 방법에 비해 저렴한 대안을 제공합니다. Rotta Loria의 팀은 숫자를 계산한 후, 그의 공정은 전기 시멘트로 고정된 지면 1m3당 3~6달러에 불과하다고 추정합니다. 바인더를 사용하여 모래를 접착하고 강화하는 더 확립된 비슷한 방법은 동일한 단위 부피에 대해 최대 70달러가 듭니다.

로타 로리아 연구실의 연구에 따르면 이 접근 방식은 철근 콘크리트로 만든 균열 구조물도 치유할 수 있습니다. 기존 해안 인프라의 대부분은 철근 콘크리트로 만들어졌으며, 해수면 상승, 침식 및 극한 기상으로 인한 복잡한 효과로 인해 붕괴됩니다. 그리고 이러한 구조물에 균열이 생기면 새로운 접근 방식은 인프라를 완전히 재건할 필요성을 우회합니다. 대신, 전기 펄스 한 번으로 잠재적으로 파괴적인 균열을 치유할 수 있습니다.

"이 접근법의 적용은 셀 수 없이 많습니다." 로타 로리아가 말했다. "우리는 그것을 사용하여 방파제 아래의 해저를 강화하거나 모래 언덕을 안정화하고 불안정한 토양 경사를 유지할 수 있습니다. 또한 보호 구조물, 해양 기초 및 기타 여러 가지를 강화하는 데 사용할 수도 있습니다. 해안 지역을 보호하기 위해 이것을 적용하는 방법은 많습니다."

다음으로, 로타 로리아의 팀은 실험실 바깥과 해변에서 이 기술을 테스트할 계획입니다.

"해수에서 얻은 석회질 시멘트의 해양 실리카 모래 전착"이라는 제목의 연구는 육군 연구 사무국(지원 번호 W911NF2210291)과 노스웨스턴의 공학 지속 가능성 및 회복력 센터의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240822125958.htm