친환경적 바이오가스 생산을 위한 양자광원

우리의 폐기물 대부분은 단순히 소각하기에는 너무나 귀중합니다. 주의 깊게 통제된 방식으로 재활용하면 열 에너지를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 생성된 가스는 수소에서 메탄이나 메탄올에 이르기까지 귀중한 화학 물질을 생산하는 데 사용될 수도 있습니다. 그러나 가스 생산 과정은 면밀히 모니터링하고 규제해야 합니다.

지금까지 가스화의 매우 흔한 부산물인 수증기는 특히 골치 아픈 문제였습니다. 가스화를 효율적으로 제어하려면 제품 가스의 수분 함량을 가능한 한 정확하게 아는 것이 중요합니다. 그러나 기존 방식으로는 수분 함량을 측정하기 어렵습니다.

TU Wien(비엔나)의 공정 엔지니어링과 광자공학의 협업을 통해 이 문제는 이제 매우 특별한 유형의 광원인 양자 캐스케이드 레이저의 테라헤르츠 복사를 사용하여 해결되었습니다. 최첨단 양자 기술은 이제 환경 친화적인 바이오매스 재활용을 지원합니다.

기존의 측정으로는 충분하지 않다

"제품 가스의 많은 화학 성분은 적외선을 사용하여 감지할 수 있습니다." TU Wien의 화학, 환경 및 생물 공학 연구소에서 CO2Refinery 박사 과정의 일환으로 재생 탄소 시스템을 연구하는 Florian Müller가 설명합니다. "다른 분자는 다른 파장의 적외선을 흡수합니다. 샘플이 어떤 파장의 어느 부분을 흡수하는지 측정하면 샘플에 특정 물질이 포함되어 있는지 여부를 확인할 수 있습니다."

그러나 이는 가스 생산 공정에 특히 중요한 부산물인 수증기로는 어렵습니다. "바이오매스를 가스로 전환하면 수증기뿐만 아니라 다양한 탄화수소도 포함된 복잡한 가스 혼합물이 생깁니다."라고 플로리안 뮐러는 말합니다. 그리고 그 중 일부는 물과 정확히 같은 주파수에서 적외선을 흡수합니다. 즉, 어떤 물질이 흡수를 담당하는지 정확히 말할 수 없으므로 제품 가스의 수분 함량을 정확하게 결정할 수 없습니다. 가스 샘플을 냉각한 다음 응축된 물의 양을 측정할 수 있지만 시간이 걸립니다. 변동하는 물 농도에 신속하게 대응할 수 없으므로 효율적인 작업이 어렵습니다.

TU Wien, 테라헤르츠 방사선원 개발

그러나 동시에 Michael Jaidl은 TU Wien의 광자학 연구소에서 테라헤르츠 범위의 레이저 빔, 즉 오늘날 분광 측정에 일반적으로 사용되는 적외선 복사보다 파장이 약간 더 긴 복사에 대한 연구를 수행하고 있었습니다. Michael Jaidl과 Florian Müller는 학교 시절부터 서로를 알고 지내온 오랜 친구였으며, 그래서 연구 분야를 결합한다는 아이디어를 내놓았습니다.

Michael Jaidl은 테라헤르츠 범위의 주파수가 물 분자에만 특별히 흡수되고 바이오매스 가스화 플랜트의 제품 가스에 상당한 농도로 존재하는 다른 많은 물질에는 흡수되지 않는다는 것을 보여주었습니다. 따라서 수증기를 감지하는 문제는 일반적인 적외선 복사 대신 테라헤르츠 복사를 사용하여 해결할 수 있습니다.

테라헤르츠 복사는 생성하기 어렵습니다. TU Wien에서 양자 기술의 요령을 사용하여 양자 캐스케이드 레이저를 생산하고 있습니다. 양자 캐스케이드 레이저는 나노미터 스케일에서 맞춤형 기하학적 구조를 가진 작은 반도체로, 전기 전압이 가해지면 매우 특정한 파장의 복사만 방출됩니다. 이 양자 캐스케이드 레이저는 자체 냉각이 필요하지만, 두 연구원은 테라헤르츠 빔을 사용하여 뜨거운 제품 가스의 수분 함량을 안정적으로 측정할 수 있는 소형 휴대용 장치를 개발하는 데 성공했습니다.

첫 번째 성공적인 테스트

"우리 방법의 주요 장점은 광범위한 수증기 농도와 온도에서 신뢰할 수 있는 결과를 제공한다는 것입니다."라고 Michael Jaidl은 말합니다. "우리가 사용하는 테라헤르츠 방사선은 수증기에 특히 강하게 흡수되기 때문에 더 컴팩트한 셋업을 사용할 수 있습니다. 컴팩트한 디자인의 또 다른 주요 장점은 측정 셀의 온도가 그렇게 많이 변동하지 않아 오류 위험이 줄어든다는 것입니다."

새로운 방법이 완벽하게 작동한다는 사실은 TU WIen의 Getreidemarkt 캠퍼스에서 폐목재를 사용한 가스 생산 실험에서 입증되었습니다. 이제 두 연구원과 그들의 팀은 기술을 더욱 개선하고자 합니다. 첫째, 기술을 더욱 편리하고 사용자 친화적으로 만들고, 둘째, 테라헤르츠 기술을 사용하여 제품 가스의 다른 성분을 안정적으로 감지할 수 있는지 조사하고자 합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250318141247.htm