물의 시대—인류의 밝은 미래

기술자들은 금, 희토류 또는 리튬과 같이 가장 귀중하거나 기술적으로 유용한 천연 자원 및 상품에 초점을 맞추는 경향이 있습니다. 그러나 우리 문명을 유지하려면 매일 엄청난 양의 훨씬 간단한 자원, 즉 담수가 필요합니다.

Investors and technologists tend to focus on the most precious or technically useful natural resources and commodities, such as gold, rare earth, or lithium. However, a much simpler resource is needed in massive amounts daily to sustain our civilization: fresh water.

투자자와 기술자는 금, 희토류 또는 리튬과 같이 가장 귀중하거나 기술적으로 유용한 천연 자원 및 상품에 초점을 맞추는 경향이 있습니다. 그러나 우리 문명을 유지하려면 매일 엄청난 양의 훨씬 간단한 자원, 즉 담수가 필요합니다.

While it literally falls from the sky in most of the world, its availability is still under severe pressure in modern civilization, as we consume much of it for industry, agriculture, and human needs.

전 세계 대부분의 지역에서 말 그대로 하늘에서 떨어지지만 산업, 농업, 인간의 필요를 위해 많은 양을 소비하는 현대 문명에서는 가용성이 여전히 심각한 압박을 받고 있습니다.

Only 3% of the world’s water is usable fresh water, with 97% being saline (saline groundwater and seawater). Of this freshwater, 69% is held in glacier and polar ice caps, 30% is groundwater, and only 1% is surface water.

전 세계 물 중 사용할 수 있는 담수는 3%에 불과하며, 97%는 염분(염분 지하수 및 바닷물)입니다. 이 담수 중 69%는 빙하와 극지방의 만년설에 담겨 있고, 30%는 지하수, 1%만이 지표수입니다.

Source: USGS

출처: USGS

As a result, in many places, the only available water source is saline. Desalination is possible but requires a tremendous amount of energy. Until now, it has often been done with fossil fuels, as most desalination techniques are energy-intensive and require constant and stable energy inputs.

결과적으로 많은 곳에서 유일하게 이용 가능한 수원은 식염수입니다. 담수화는 가능하지만 엄청난 양의 에너지가 필요합니다. 대부분의 담수화 기술은 에너지 집약적이고 지속적이고 안정적인 에너지 투입이 필요하기 때문에 지금까지 화석 연료를 사용하는 경우가 많았습니다.

This could change, thanks to a new method developed by MIT engineers and published in Nature Water under the title “Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control.”

MIT 엔지니어가 개발하고 Nature Water에 "유량 명령 전류 제어를 통한 직접 구동 광전지 전기투석"이라는 제목으로 게시된 새로운 방법 덕분에 이러한 상황이 바뀔 수 있습니다.

Solar Desalination

태양광 담수화

At first glance, solar power seems to be the most logical energy source for powering desalination operations. Not only is it provided for free by the Sun, but it is also generally abundant in dry regions like deserts, which often need desalination the most.

언뜻 보기에 태양에너지는 담수화 작업에 전력을 공급하는 데 가장 논리적인 에너지원인 것 같습니다. 태양으로부터 무료로 제공될 뿐만 아니라, 담수화가 가장 필요한 사막과 같은 건조한 지역에도 일반적으로 풍부하게 존재합니다.

With solar power becoming cheaper by the day, it will likely continue to grow as an energy source, as we covered in our article “The Solar Age—A Bright Future To Mankind.”

우리 기사 "태양 시대 - 인류의 밝은 미래"에서 다룬 것처럼 태양 에너지는 날이 갈수록 저렴해지면서 에너지원으로서 계속해서 성장할 것입니다.

There is still one problem – solar energy is only produced when the sun shines. This means that to operate efficiently, most solar-power-only desalination operations would need to be coupled to a battery system, increasing costs.

여전히 한 가지 문제가 있습니다. 태양 에너지는 태양이 빛날 때만 생산됩니다. 이는 효율적으로 운영하려면 대부분의 태양광 발전 전용 담수화 작업을 배터리 시스템과 결합해야 하므로 비용이 증가한다는 의미입니다.

This is especially problematic for current desalination techniques, like reverse osmosis, which needs stable conditions and a stable energy supply to be efficient. This is because it requires constant pressure on the osmosis membranes.

이는 역삼투와 같이 효율적인 조건과 안정적인 에너지 공급이 필요한 현재 담수화 기술에 특히 문제가 됩니다. 이는 삼투막에 지속적인 압력이 필요하기 때문입니다.

This precludes any small-scale desalination and any low-cost methods, at least as long as energy storage is still expensive. This might change, as we discussed in “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech”; still, it could be better to also adapt to the natural fluctuation of solar power, including very short-term ones like clouds passing by.

이는 적어도 에너지 저장 비용이 여전히 비싼 한 소규모 담수화 및 저비용 방법을 배제합니다. 이는 "에너지 저장의 미래 - 유틸리티 규모 배터리 기술"에서 논의한 것처럼 변경될 수 있습니다. 그래도 구름이 지나가는 것과 같은 매우 단기적인 변동을 포함하여 태양 에너지의 자연적인 변동에도 적응하는 것이 더 나을 수 있습니다.

Flexible Batch Electrodialysis

유연한 배치 전기투석

The MIT researchers favored this approach. They studied electrodialysis, an alternative method to reverse osmosis for desalination. Electrodialysis uses an electric field to draw out salt ions as water is pumped through a stack of ion-exchange membranes.

MIT 연구원들은 이 접근법을 선호했습니다. 그들은 담수화를 위한 역삼투압의 대체 방법인 전기투석을 연구했습니다. 전기투석은 이온 교환막 스택을 통해 물이 펌핑될 때 전기장을 사용하여 염 이온을 끌어냅니다.

Source: Nature Water

출처: 자연수

For their new design, they created a model-based control system connected to sensors in all parts of the system. It predicted the optimal rate at which to pump water and the voltage that should be applied to maximize the amount of salt drawn out of the water.

새로운 설계를 위해 그들은 시스템의 모든 부분에 있는 센서에 연결된 모델 기반 제어 시스템을 만들었습니다. 이는 물을 펌핑하는 최적의 속도와 물에서 끌어내는 소금의 양을 최대화하기 위해 적용되어야 하는 전압을 예측했습니다.

By doing so, the desalination operation could fluctuate according to the solar power produced in real-time.

이를 통해 실시간으로 생산되는 태양광 발전량에 따라 담수화 작업이 변동될 수 있다.

Source: Nature Water

출처: 자연수

On average, the system directly used 77 percent of the available electrical energy produced by the solar panels, which the team estimated was 91 percent more than traditionally designed solar-powered electrodialysis systems.

평균적으로 이 시스템은 태양광 패널에서 생산된 사용 가능한 전기 에너지의 77%를 직접 사용했으며, 팀은 이를 전통적으로 설계된 태양열 전기 투석 시스템보다 91% 더 많은 것으로 추정했습니다.

Further Improvement

추가 개선

The almost doubled rate of solar power utilization compared to previous electrodialysis systems could still be improved with more regular optimization & automation:

이전 전기투석 시스템에 비해 거의 두 배에 달하는 태양광 발전 활용률은 보다 정기적인 최적화 및 자동화를 통해 여전히 개선될 수 있습니다.

We could only calculate every three minutes, and in that time, a cloud could literally come by and block the sun.

우리는 3분마다만 계산할 수 있었고, 그 시간에는 말 그대로 구름이 다가와 태양을 가릴 수도 있었습니다.

The system could be saying, ‘I need to run at this high power.’ But some of that power has suddenly dropped because there’s now less sunlight. So, we had to make up that power with extra batteries.”

시스템은 '이 높은 전력으로 실행해야 합니다.'라고 말할 수 있습니다. 그러나 이제 햇빛이 적어서 그 전력 중 일부가 갑자기 떨어졌습니다. 그래서 우리는 여분의 배터리로 그 전력을 보충해야 했습니다.”

Amos Winter – Director of the K. Lisa Yang Global Engineering and Research (GEAR) Center at MIT

Amos Winter – MIT K. Lisa Yang 글로벌 엔지니어링 및 연구(GEAR) 센터 소장

This was a proof-of-concept work and will be turned into a commercial design soon, as the team will be launching a company based on their technology in the coming months.

이것은 개념 증명 작업이었으며 팀이 앞으로 몇 달 안에 기술을 기반으로 회사를 시작할 예정이므로 곧 상업적 디자인으로 바뀔 것입니다.

This research project was also supported in-kind (provided material for free) by Veolia Water Technologies and Solutions (VIE.PA) and Xylem Goulds (XYL -1.17%).

본 연구 프로젝트는 Veolia Water Technologies and Solutions(VIE.PA) 및 Xylem Goulds(XYL -1.17%)로부터 현물 지원(자료 무료 제공)도 받았습니다.

Not Just Seawater

바닷물뿐만 아니라

The research team focused on the desalination of brackish groundwater found underground in New Mexico. As many dry area population centers are far from the sea, this can be an important water source currently unavailable due to its salt content.

연구팀은 뉴멕시코주 지하에서 발견되는 기수 지하수의 담수화에 집중했다. 많은 건조 지역 인구 밀집 지역이 바다에서 멀리 떨어져 있기 때문에 이는 염분 함량으로 인해 현재 이용할 수 없는 중요한 수원일 수 있습니다.

“The majority of the population actually lives far enough from the coast, that seawater desalination could never reach them. They consequently rely heavily on groundwater, especially in remote, low-income regions. And unfortunately, this groundwater is becoming more and more saline due to climate change.”

“인구의 대다수는 실제로 해안에서 충분히 멀리 떨어져 살고 있어 해수 담수화가 결코 그들에게 도달할 수 없습니다. 결과적으로 그들은 특히 외딴 저소득 지역에서 지하수에 크게 의존합니다. 그리고 불행하게도 이 지하수는 기후 변화로 인해 점점 더 염분이 되어가고 있습니다.”

Jonathan Bessette – MIT PhD student in mechanical engineering

Jonathan Bessette - MIT 기계공학 박사과정 학생

The research model was already able to provide enough fresh water

연구 모델은 이미 충분한 담수를 제공할 수 있었습니다.