자동차의 연료는 대부분 가솔린(휘발유) 또는 경유(輕油 디젤유)이고, 비행기는 항공유(航空油 aviation fuel)를 쓴다. 항공유는 비행기 기종에 따라 성분의 차이가 있다. 피스톤 엔진을 쓰는 프로펠러 비행기나 헬리콥터는 항공가솔린(aviation gasoline)을 사용하고, 제트엔진 비행기는 흔히 케로신(kerosene 캐러신)이라 부르는 제트연료(jet fuel)를 쓴다.
제트기에서 가장 많이 사용되는 연료는 원유를 고도로 정제(精製)하여 뽑아낸 케로신이다. 케로신은 원유를 150-275℃로 가열했을 때 증발되어 나오는 성분(C12H26, dodecane)이며, 점화온도(點火溫度)는 49℃ 이상으로 높은 편이다. 또 고공에서 쉽게 얼지 않고 발열량이 좋은 연료이다.
대형 승용차의 연료통에는 보통 75리터 정도가 들어가지만, 보잉747은 한국에서 로스앤젤레스로 갈 때 약 180,000리터의 연료를 싣는다고 한다. 리터당 연료비가 1,000원이라면, 총 가격은 1억 8,000만 원을 넘는다.
세계의 하늘을 날고 있는 모든 비행기가 사용하는 연료의 양은 막대하다. 항공기의 연료가 연소하고 나면 지구의 기온을 높이는 이산화탄소와 메탄 및 산화질소 등이 쏟아진다. 보고에 의하면, 비행기가 배출하는 이산화탄소의 양은 모든 교통기관에서 나오는 이산화탄소의 약 12%라고 한다. 비행기는 공중을 날기 때문에 무거워서는 안 된다. 따라서 항공기는 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 전기배터리나 수소이온전지를 설치하지 못한다. 또한 태양전지판을 붙여 에너지를 얻을 수도 없다. 비행기에 장착하기에 그들이 너무 무겁기 때문이다.
2020년 12월 22일자 학술지 <Nature Communication>에 반가운 논문이 실렸다. 옥스퍼드 대학의 화학자 팀이 비행기 엔진에서 배출되는 이산화탄소를 ‘철-망간-칼륨’으로 구성된 특별한 촉매제를 이용하여 직접 에틸렌과 프로필렌으로 변화시키는 방법을 발견한 것이다. 논문에 의하면, 연구자들은 10기압, 300℃ 조건의 공간(chamber)에서 이산화탄소의 38%를 에틸렌과 프로필렌으로 변화시키는데 성공했다고 한다. 에틸렌과 프로필렌은 비행기의 연료가 될 수 있는 연소성 물질이다.
에틸렌(ethylene, ethene)의 분자식은 H2C=CH2이고, 매년 1억 5,000만톤 이상 생산되어 화학공업에 이용된다. 이산화탄소를 에틸렌 등으로 변화시키려면 과거에는 가격이 비싼 코발트를 촉매제로 사용하고 또 과정도 복잡했다. 그러나 새로운 촉매제는 값도 싸고 처리 과정도 단순하다.
프로필렌(prophylene, propene, methyl ehylene)의 분자식은 C3H6이다. 원유를 정제할 때 주로 생산되며, 연간 생산량은 약 3,500만 톤이고, 플라스틱 제조의 원료로 사용된다.
과학자 팀은 그들이 고안한 변환장치를 비행기 엔진에 설치하여, 배출되는 이산화탄소의 상당량을 연료로 재사용할 수 있도록 한 것이다. 프로필렌을 태우면(산소와 결합하면) 이산화탄소가 또 생겨난다.
2 C3H6 + 9 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
제트기의 연료를 태워 분사되는 가스의 반작용으로 비행기가 추진되도록 하는 엔진을 가스터빈(gas turbine) 또는 연소터빈(combution turbin)이라 한다. 가스터빈은 비행기만 아니라 특수 쾌속 선박과 경기용 자동차 등에도 이용된다.
항공기 연료의 소비량은 계속 증가한다. 그들의 연구가 당장 항공기 엔진에 실용화 되지는 않지만, 이번 실험의 성공으로 그 가능성을 보여주었으므로 머지않아 비행기에서 배출되는 이산화탄소의 양을 상당히 줄이는 시스템으로 개발될 전망이다. 또한 과학자들이 새로 개발한 축매제는 다른 화학공업에서도 잘 이용될 수 있을 것이다. 그들의 논문 제목을 끝에 소개한다. – YS
B. Yao et al. Transforming carbon dioxide into jet fuel using an organic combustion-synthesized Fe-Mn-K catalyst. Nature Communications. Published online December 22, 2020. doi: 10.1038/s41467-020-20214-z.
Science Wave에서 더 알아보기
구독을 신청하면 최신 게시물을 이메일로 받아볼 수 있습니다.