새로운 종류의 열 펌프가 기대에 부응한다면 에어컨과 냉장고에서 환경에 유해한 가스(냉매)를 사용하는 것이 불필요해질 수 있다는 연구가 나와 주목된다고 네이처지 온라인판이 전했다.
지난주 사이언스지에 발표된 연구에서 설명된 프로토타입 개발은 냉매 유체를 교대로 기화시키고 이를 압축기로 응축하여 공기를 따뜻하게 하거나 식히는 대신, 전기장과 특수 세라믹을 사용함으로써 냉매를 대체한다.
개발은 룩셈부르크 빌보에 소재한 룩셈부르크과학기술연구소(Luxembourg Institute of Science and Technology)의 재료 과학자 임마누엘 디페이 팀이 수행했다. 팀은 강력한 전기열량 효과를 지닌 세라믹으로 실험 장치를 만들었다. 세라믹은 전기장에 노출되면 가열된다.
전기열량 세라믹에서 원자는 전기 분극을 갖고 있다. 즉, 전자 분포의 약간의 불균형으로 인해 원자에 '플러스' 극과 '마이너스' 극이 부여된다. 물질을 그대로 두면 이들 원자의 분극이 무작위 방향으로 계속해서 회전한다. 그러나 물질이 전기장에 노출되면 머리카락을 한 방향으로 빗은 것처럼 모든 정전기 극이 정렬된다. 이러한 무질서에서 질서로의 전환은 전자의 엔트로피(물리학자들이 무질서를 측정하는 방식)가 갑자기 떨어진다는 것을 의미한다고 디페이는 설명했다.
열역학 법칙에 따르면 총 엔트로피는 감소할 수 없으므로, 엔트로피가 어딘가에서 떨어지면 다른 곳에서는 증가해야 한다. 이러한 무질서는 원자 자체가 더 빠르게 진동하는 것이기 때문에 온도가 상승한다는 것을 의미한다.
그런 다음, 연구팀은 전기장을 유지하면서 전기열량 세라믹 슬래브 사이에 유체를 흐르게 함으로써 열을 제거헸다. 결과적으로 슬래브는 원래의 주변 온도로 돌아가지만, 편광 엔트로피는 더 낮았다. 그런 다음 전기장을 끄면 역효과가 발생한다. 즉, 분극이 다시 혼란스러워지고 엔트로피가 세라믹의 원자 격자에서 쏟아져 나와 열을 운반한다. 그 결과 격자는 주변 온도보다 차가워지고 슬래브 사이에 펌핑되는 유체를 냉각시킬 수 있다.
냉장고나 에어컨에서는 예열된 유체의 열이 주변으로 분산되고, 냉각된 유체는 실내나 방을 차갑게 유지하는 역할을 한다. 난방의 경우 열 펌프는 외부를 식혀 열을 추출해 건물 안으로 불어 넣는다.
디페이는 이 기술이 아직 상용화되지 않았지만, 추가 개발을 통해 기존 열 펌프의 효율성을 달성할 수 있다고 지적했다. 압축기 기반 열 펌프는 매우 효율적이기 때문에 실제 다양한 분야에서 적용되고 있다. 예를 들어 건물 난방에 사용하면 동일한 양의 전기 소비로 실내 난방기보다 3배 이상의 열을 생산할 수 있다.
반면 전기열량 열 펌프는 환경에 유해한 수소불화탄소나 암모니아와 같은 냉매가 필요하지 않다. 니이기 압축기가 필요없기 때문에, 더 작고 단순한 장치에 적합할 수 있다고 디페이는 강조했다.
한편 개발된 기술에 대해 영국 케임브리지 대학의 재료과학자 네일 매더 교수는 성능의 효율성을 만족시키면 냉매를 대체할 수 있는 희망적인 솔루션이라고 진단했다.