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MIT Tech Review 44일 전

차세대 고체형 에어컨, 과연 미래가 될까?

IMP
7/10
핵심 요약

전 세계적인 폭염으로 에어컨 사용량이 급증하면서 온실가스 문제가 대두됨에 따라, 냉매 대신 열전·자기 등 소재의 물리적 특성을 활용하는 '고체형 냉각(Solid-state cooling)' 기술이 주목받고 있습니다. 하지만 기존 압축기 방식을 대체하기에는 여전히 냉각 효율(COP)이 낮고 실증 데이터가 부족하다는 등 기술적 한계와 전문가들의 회의적인 시각도 공존합니다. 그럼에도 환경 오염 물질인 기존 냉매 사용을 줄일 수 있는 친환경 대안으로서 그 가능성은 열려 있습니다.

번역된 본문

역대 최고 기온을 기록한 3년에 이어, 올해도 또다시 불볕더위가 예상됩니다. 에어컨은 이제 선택이 아닌 필수가 되었죠. 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 전 세계 에어컨 보급 대수가 3배로 증가할 것으로 전망합니다. 이는 건강에 도움이 되는 일입니다(영국 의학 저널 '랜싯(Lancet)'의 연구에 따르면 2019년 한 해에만 에어컨이 약 20만 건의 조기 사망을 막았습니다). 하지만 지구 환경에는 최악입니다. 인공 냉방은 이미 전 세계 전력 사용량의 7%, 온실가스 배출량의 3%를 차지하고 있으며, 폐기 과정에서 부적절하게 처리될 경우 이산화탄소보다 지구 온난화 잠재력이 훨씬 높은 냉매가 누출될 수 있습니다.

이러한 압박감을 느낀 과학자들과 스타트업들은 '고체형 냉각(Solid-state cooling)' 기술을 본격화하려 하고 있습니다. 이 기술은 현재 미니 냉장고, 전기차 배터리, 일부 고급 게이밍 PC 등 소규모로 사용되고 있습니다. 기존 에어컨은 압축기와 팬을 사용해 냉매를 순환시키고 액체와 기체 상태로 변환하며 열을 옮깁니다. 반면 고체형 냉각 시스템은 가돌리늄이나 비스무트 텔루라이드 같은 열전도 물질을 통해 열을 이동시킵니다. 이는 이론적으로 번거로운 부작용 없이 공간이나 표면을 냉각시킬 수 있는 방식입니다. 핵심은 이 기술이 기존 에어컨의 효율을 따라잡을 수 있느냐는 것입니다. 열전달을 연구하는 미시간 대학교의 프라모드 레디(Pramod Reddy) 기계공학 교수는 "남아있는 핵심 질문 중 하나는 왜 고체형 냉각기가 일반적인 열역학적 사이클만큼 효율적이지 않은가 하는 것입니다."라고 말합니다.

다양한 접근 방식을 테스트하기 위한 연구 및 파일럿 프로그램이 진행 중입니다. 브루클린에 위치한 미믹 시스템즈(Mimic Systems)는 반도체 소재에 전류를 흘려보내 한쪽에서 다른 쪽으로 열을 이동시키는 열전 냉각(Thermoelectric cooling) 기술을 사용합니다. 이 회사의 실내 규모 기후 제어 시스템은 밴쿠버의 한 아파트에서 시범 운영되고 있습니다. 독일의 매그너템(Magnotherm)은 물질을 자화 및 소자화하여 열을 이동시키는 자기 냉각(Magnetocaloric) 방식의 시스템을 한 슈퍼마켓 체인에서 테스트할 예정입니다. 홍콩의 한 연구팀은 물질이 팽창하고 수축할 때 열을 흡수하고 방출하는 탄성 냉각(Elastocaloric) 장치가 0도 이하로 온도를 떨어뜨릴 수 있다고 발표했습니다. 그리고 영국의 바로칼(Barocal))은 압력 변화에 따라 온도가 변하는 압력 냉각(Barocaloric) 시스템에 주목하고 있습니다.

하지만 전문가들, 특히 열전 분야 전문가들은 이러한 고체형 방식이 기존 기술과 얼마나 잘 경쟁할 수 있을지 의심스럽게 생각합니다. 전기 및 열 전도도를 연구하는 노스웨스턴 대학교의 제프 스나이더(Jeff Snyder) 교수에 따르면, 대부분의 최신 HVAC(냉난방공조) 시스템의 성능 계수(COP)는 3입니다. 이는 시스템에 1단위의 에너지가 투입될 때마다 3단위의 열을 이동시킨다는 것을 의미합니다. 특히 열전 기술은 온도 차이가 큰 환경에서는 성능이 크게 저하되는 경향이 있다고 스나이더 교수는 덧붙였습니다. 즉, 자동차 좌석 냉각과 같은 특정 목적에 가장 적합하다는 뜻입니다.

하지만 효율성이 전부는 아니라고 매그너템과 미믹을 지원하는 록키마운틴 연구소(RMI)의 기후 기술 가속기 'Third Derivative'의 매니저 린제이 라스무센(Lindsay Rasmussen)은 주장합니다. 미국에서 현재 사용 중인 대부분의 에어컨은 이산화탄소보다 2,000배 이상 높은 지구 온난화 잠재력을 가진 R410A라는 냉매를 사용합니다. 게다가 기존 에어컨의 움직이는 부품들은 내구성을 떨어뜨릴 수 있습니다. 기계적으로 훨씬 단순한 고체형 모델과 비교하면 특히 그렇습니다.

그럼에도 불구하고 보급된 장치가 턱없이 부족하여 효율성에 대한 완전한 검증은 어렵습니다. 라스무센은 대체 기술이 얼마나 잘 작동하는지 이해하려면 단순히 COP를 살펴보는 대신 기존 모델과 장기적인 에너지 소비량을 비교할 필요가 있다고 말합니다. 예를 들어, 미믹은 자사의 실내 규모 모델이 1년 동안 일반적인 에어컨과 동일한 수준의 전력을 소모할 것이라고 주장합니다. 탄성 냉각 및 압력 냉각 시스템도 유망하지만, 실내 규모의 프로토타입 출시는 아마도 2~3년은 더 걸릴 것이라고 라스무센은 덧붙였습니다.

결론적으로, 당장 고체형 냉각이 압축기 기반의 에어컨을 완전히 대체할 가능성은 희박합니다. 하지만 지구가 warming(온난화)되고 인도와 같은 국가에서 향후 10년간 수천만 대의 새로운 에어컨을 설치함에 따라, 환경 친화적인 대안을 찾기 위한 이러한 기술적 시도는 앞으로도 계속 주목받을 것입니다.

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After three years of record-­breaking heat, this one is set to be yet another scorcher . Air-conditioning? Not going anywhere. The International Energy Agency projects that the number of AC units will triple by 2050 . That’s good for health— one Lancet study estimated that AC prevented nearly 200,000 premature deaths in 2019 alone—but bad for the planet. Artificial chill already accounts for 7% of global electricity use and 3% of greenhouse-gas emissions, and if improperly disposed of, the units can leak refrigerants with more global-­warming potential than carbon dioxide. Feeling the heat, a number of scientists and startups are hoping to amp up solid-­state cooling, which is currently used at a small scale for things like mini fridges, EV batteries, and some high-end gaming computers. Traditional ACs transfer heat by using a compressor and a fan to circulate a refrigerant and turn it from liquid to gas. Solid-state systems, on the other hand, move heat through conductive materials like gadolinium and bismuth telluride—which could theoretically cool spaces and surfaces with fewer messy side effects. The catch is whether they can match the efficiency of conventional AC. “One of the key questions that remain is why are the solid-state coolers not as efficient as typical thermodynamic cycles?” says Pramod Reddy, a professor of mechanical engineering at the University of Michigan who studies heat transfer. Research and pilot programs are underway to test a range of approaches. Brooklyn-based Mimic Systems uses thermo­electric cooling, which passes a current through semiconductive materials to shift heat from one side to another. Its room-scale climate control system is being piloted in an apartment in Vancouver . The German company Magnotherm is set to test its system , which relies on a magneto­caloric setup that transfers heat by magnetizing and demagnetizing materials, in a chain of supermarkets. A team in Hong Kong has announced that its elastocaloric device, whose material heats and cools as it expands and contracts, can dip below 0 °C. And the UK’s Barocal is betting on barocaloric systems, which change temperature in response to shifts in pressure. But experts, especially in thermoelectrics, have doubts about how well any solid-­state scheme can compete. For most modern HVAC systems, the coefficient of performance (COP) is 3, explains Jeff Snyder, a professor at Northwestern University who studies electrical and thermal conductivity. That essentially means the system moves three units of heat for every unit of energy that goes into it. Thermoelectrics in particular tend to have a much lower performance at high levels of temperature change, Snyder says, which means they’re best suited for niche uses such as cooling the back of a car seat. Efficiency, however, isn’t everything, argues Lindsay Rasmussen, a manager at the Rocky Mountain Institute’s climate tech accelerator Third Derivative, which supports both Magnotherm and Mimic. In the US, most ACs currently in use employ a refrigerant called R410A, which has a global-­warming potential more than 2,000 times that of carbon dioxide. Plus, their moving parts can make them less durable, especially compared with a solid-state model that’s less mechanically complex. Still, a dearth of units makes it hard to answer the efficiency question. To understand how well alternatives work, says Rasmussen, researchers need to compare their long-term energy consumption with that of conventional models instead of simply looking at COP. Mimic claims, for example, that its room-scale model should match the draw of a typical AC unit over the course of a year. Elastocaloric and barocaloric systems also have promise, Rasmussen adds, but room-scale prototypes are probably two to three years away. In the end, the likelihood that solid-state cooling could replace compressor-based AC is slim. But as the planet warms and places like India install tens of millions of new AC units over the next decade, supplanting even a small number could make a dent. “If [solid-state] could take over even a 5% market share,” Rasmussen says, “that is a really large potential impact.” Sara Kiley Watson is a science journalist specializing in climate and sustainability. She’s based in The Hague. Deep Dive Climate change and energy The balcony solar boom is coming to the US Plug-in panels are getting popular—how do we make sure they’re safe? By Casey Crownhart archive page The noise we make is hurting animals. Can we learn to shut up? 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