산호초에서 영감을 받은 새로운 방법은 대기 중에서 이산화탄소를 포집하여 내구성이 뛰어나고 내화성이 있는 건축 자재로 변환하여 탄소 네거티브 건축을 위한 유망한 솔루션을 제공할 수 있습니다.
USC 연구진이 개발하고 npj Advanced Manufacturing에 발표된 연구에 자세히 설명된 이 접근 방식은 이산화탄소를 격리하여 견고한 구조를 만드는 해양 산호초의 자연적인 능력에서 영감을 얻었습니다. 그 결과 생성된 광물-고분자 복합재는 탁월한 기계적 강도, 파괴 인성 및 내화성 기능을 보여줍니다.
"이것은 이산화탄소 전환의 진화에서 중추적인 단계입니다. 이산화탄소를 저장하거나 액체 물질로 변환하는 데 중점을 둔 기존의 탄소 포집 기술과 달리, 우리는 이 새로운 전기화학 제조 공정이 3D 프린팅 폴리머 스캐폴드에서 화합물을 탄산칼슘 광물로 변환한다는 것을 발견했습니다"라고 USC Viterbi School of Engineering의 토목 및 환경 공학 부교수인 Qiming Wang은 말했습니다.
산호초의 영감
기존의 탄소 포집 기술은 일반적으로 이산화탄소를 저장하거나 액체 물질로 전환하는 데 중점을 둡니다. 그러나 이것은 일반적으로 비용이 많이 들고 비효율적입니다. 이 새로운 방법은 탄소 포집물을 건축 자재에 직접 통합함으로써 더 저렴한 솔루션을 제공합니다.
"유기체로서 산호는 광합성을 사용하여 대기에서 이산화탄소를 포집하고 그것을 구조로 변환할 수 있습니다"라고 Wang은 말했습니다.
이 방법은 산호가 산호석(corallites)으로 알려진 아라고나이트 골격 구조를 만드는 방식에서 직접 영감을 받았습니다. 자연에서 산호는 생물 광물화라는 과정을 통해 산호석을 생성하는데, 이 과정에서 산호는 광합성 과정을 통해 대기에서 이산화탄소를 격리합니다. 그런 다음 화합물을 바닷물의 칼슘 이온과 결합하여 유기 템플릿 주위에 칼슘 미네랄을 침전시킵니다.
연구팀은 산호의 유기적 템플릿을 모방한 3D 프린팅 폴리머 스캐폴드를 만들어 이 과정을 복제했습니다. 그런 다음 얇은 전도성 층으로 코팅했습니다. 그런 다음 이러한 코팅된 구조를 전기화학 회로에 음극으로 연결하고 염화칼슘 용액에 담궈냈습니다.
용액에 이산화탄소를 첨가하면 가수분해를 거쳐 중탄산염 이온으로 분해됩니다. 이 이온은 용액의 칼슘과 반응하여 탄산칼슘을 형성하여 3D 프린팅 모공을 점차적으로 채웠습니다. 그 결과 밀도가 높은 미네랄-폴리머 복합재인 최종 제품이 탄생했습니다.
내화성
실험용 복합 재료의 가장 놀라운 특성은 불에 대한 반응일 수 있습니다. 3D 프린팅 폴리머 스캐폴드는 고유한 내화성 특성이 없지만 광물화된 복합재는 연구팀의 실험적 화염 테스트에서 구조적 무결성을 유지했습니다.
"제조 방법은 30분 동안 직접 화염에 노출되는 자연적인 화재 진압 메커니즘을 밝혀냈습니다. 고온에 노출되면 탄산칼슘 미네랄은 불을 끄는 효과가 있는 것으로 보이는 소량의 이산화탄소를 방출합니다. 이 내장된 안전 기능은 내화성이 중요한 건설 및 엔지니어링 응용 분야에 상당한 이점을 제공합니다"라고 Wang은 말했습니다.
내화성 외에도 균열이 생긴 가공 구조물은 저전압 전기에 연결하여 수리할 수 있습니다. 전기화학 반응은 균열된 계면을 다시 결합하고 기계적 강도를 복원할 수 있습니다.
탄소 네거티브의 미래
엄격한 수명 주기 평가 후 연구원들은 제조된 구조물이 음의 탄소 발자국을 특징으로 한다는 것을 발견했으며, 탄소 포집이 제조 및 운영과 관련된 탄소 배출량을 초과했음을 밝혔습니다.
연구원들은 또한 제조된 복합 재료를 모듈식 접근 방식을 사용하여 더 큰 구조로 조립하여 대규모 하중지지 구조를 만드는 방법을 보여주었습니다. 복합 재료는 높은 기계적 저항을 요구하는 건설 및 기타 응용 분야에 잠재적으로 사용될 수 있습니다.
Wang은 연구원들이 특허 기술을 상용화하는 데 집중할 계획이라고 말했습니다. 건축 자재 및 건축이 전 세계 탄소 배출량의 약 11%를 차지하는 이 연구의 새로운 제조 방법은 탄소 네거티브 건물의 가능성에 대한 토대를 마련합니다.
이상의 기사는 2025년 3월 22일 TechXplore에 게재된 “Carbon-negative construction: New method turns CO₂into strong, fire-resistant building materials” 제목의 기사내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : 탄소 네거티브 건축: 새로운 방법은 CO₂를 강하고 내화성이 있는 건축 자재로 바꿉니다.
* 추가정보 출처 : Towards negative carbon footprint: carbon sequestration enabled manufacturing of coral-inspired tough structural composites | npj Advanced Manufacturing