[수소뭐니?머니!]아이언맨 금보다 비싼 수소를 품다

수소를 금속에 저장할 수 있을까? 수소를 '금속'에 저장하는 방식이 눈길을 끌고 있다.

팔라듐(Pd)이라는 금속은 영화 아이언맨 주인공인 토니 스타크의 심장에 삽입된 아크원자로에 사용된 물질로 소형 아크로 내에서 수소핵융합을 일으키기 위한 핵심재료로 소개돼 있다.

원소기호 46번인 이 금속이 영화의 소재로 소개된 이유는 수소를 흡착하는 능력이 뛰어난 금속이기 때문이다. 팔라듐은 실제로는 점화플러그 등 단단한 금속이 필요한 곳에 사용되며, 금보다 더 비싸게 거래되고 있다.

영화에서는 이 아크원자로 내 팔라듐에 전기를 가해 중수(무거운 물)에서 중수소를 뽑아 핵융합 발전을 일으켜 각종 첨단 무기와 아이언맨 슈트를 움직이는 동력원으로 사용한다. 중수소와 삼중수소를 이용한 상온핵융합 기술인데, 아직은 현실화되지 않은 기술이다.

수소의 저장방법은 기체를 고압으로 압축하는 방법과, 극저온까지 온도를 낮춰 액화시키는 방법 외에도 이처럼 수소를 흡착하는 능력이 뛰어난 고체 금속에 저장하는 방법 등 3가지가 있다.

기체충전방식은 약 700바(1기압의 700배) 정도의 압축기(컴프레셔)로 수소를 연료 탱크에 밀어 넣는 것으로, 수소전기차 넥쏘의 탄소섬유 탱크에 6.33kg 정도를 충전해 609km 정도를 달린다. 대기압상태보다 수소의 부피를 700분의 1로 줄일 수 있다.

기체 저장방식은 고압 상태를 유지해야 해서 컴프레셔 등 별도의 장치와 특수용기가 필요하며, 시간이 지나면서 휘발유처럼 새어나가는 부분을 줄여야 하는 과제가 있다.

수소를 액화하는 방법은 메타비스타라는 국내 벤처기업 등에서 연구하고 있는 기술로 수소를 영하 253도까지 낮춰 액체상태로 만드는 것이다.

다른 기체들과 달리 수소는 압력을 가한다고 해서 기체가 액체로 변하지 않고, 온도를 낮춰야 상태가 변한다. 절대온도 0도에 가까운 영하 253도까지 낮추면 액화가 되고, 수소의 부피도 800분의 1 정도로 줄어든다.

장점은 700기압의 고압이 아닌 1기압의 대기압에서 보관할 수 있고, 액화수소를 기화시켜 바로 사용할 수 있다.

로켓연료에 사용되는 이 방식도 장기간 보관시 액화를 위한 장치 등이 필요하고, 기화에 따른 압력을 낮추는 과정에서 액화수소의 손실을 줄여야 하는 과제가 남아있다.

수소저장합금으로 불리는 금속에 수소를 가두는 방법은 팔라듐 같은 금속에 1/850~1/1000로 수소를 압축 저장하는 것이다. 기존 기체상태보다 1000배 더 담을 수 있다는 얘기다. 약간의 압력이나 열을 더하거나 뺌으로써 수소를 금속에 저장하고, 필요할 때는 빼서 쓰는 형태다.

고압기체수소나 저온 액화수소와 달리 낮은 압력과 상온 환경에서 수소를 저장할 수 있어 연구가 활발하다.

금속은 눈으로 보면 빈틈이 없어 보이지만, 금속의 각 원자들 사이의 틈새가 있어 여기에 수소를 가둔다. 일반 상온 기체상태보다 1000배 정도 더 수소를 압축 저장할 수 있다.

국내 기업으로는 EG라는 회사가 지난 2015년 고체수소저장소재 개발 국책과제사로 선정돼 2016년 한국과학기술연구원(KIST)과 현대자동차 등과 함께 차량용 고용량 고체수소저장소재 합성에도 성공했다.

이 회사는 세계 최초의 고체수소저장소재인 소듐알라네이트(NaAlH4)와, 세계최고 수준의 고체수소저장소재인 마그네슘아마이드(Mg(NH2)2)의 대량 합성에도 성공했다. 이 밖에도 탄소나노튜브 내에 수소를 담는 방식 등이 활발히 연구되고 있다.