[YS과학] 극저온 세계의 과학기술 크리오제닉(cryogenic)

지상에서 경험할 수 있는 최저의 온도는 남극대륙에서 나타나는 –70℃이고, 우주 공간의 온도는 –270℃이다. 온도는 아무리 낮추어도 –273.75℃ 이하가 되지 않는다. 그래서 이 절대적인 가장 낮은 온도를 ‘절대온도 0°’라 부르며 0°K로 나타낸다. K는 William Kelbin(1824-1907)이라는 영국 저온물리학자의 이름을 딴 것이다. 저온과학은 –150℃(123K) 이하의 온도에서 일어나는 현상과 그러한 조건을 이용하여 인류에게 필요한 일들을 연구하는 분야이다. ​

예를 들어보자. 우주선 발사에 사용하는 로켓의 연료는 액체산소, 액체수소, 액체메탄과 같은 것이다. 이들은 상온(15℃ 근처)에서는 기체이지만 온도를 계속 내리면 액체상태로 변한다. ​

기체에 높은 압력을 주거나 온도를 낮추어주면 분자들 사이의 간격이 좁아져 결국 응집(액체) 상태가 되는 것이다. 기체가 액체화되면 부피가 수백분의 1로줄어들기 때문에 고압 탱크에 담아 우주로 가는 로켓의 연료로 사용할 수 있게 된다. ​

음식을 초저온으로 급속 냉각시키면 일반 냉장고에 저장하는 것보다 더 좋은 상태로 보존할 수 있다. 음식을 냉동실에 저장하면 음식의 분자들이 작디작은 얼음 덩어리로 변하는 사이에 맛이나 향이 사라지기도 한다. 그러나 순간적으로 초저온으로 냉각(순간냉동)시키면 변화가 일어나기 전에 굳어버리기 때문에 해동시켰을 때 본래의 맛과 향을 유지하고 있게 된다. ​ ​

극저온에 이용되는 중요 기체들

​일반 가정에서 이용하는 냉동고의 최저온도는 –18℃ ~ -24℃이지만 특수 냉동고는 –60℃까지 냉각시키도록 만든다. 냉장고의 저온은 일반적으로 이소부탄(C4H10)이라는 기체를 냉매로 사용하고 있다. 그러나 중요한 실험재료, 시약, 혈액 등을 보관하는 연구용 냉동고는 –86℃까지 냉각되도록 제조하고 있다. ​

이보다 더 낮은 온도를 얻기 위해서는 특별한 기체를 액화시키는 방법을 쓴다. 중요 기체의 액화 온도와 성질을 간단히 알아보자. ​

기체명	액화 온도	부피 축소 비율	주요 용도 및 특징
액체헬륨	-269℃	–	극초저온 연구
액체수소	-253℃	1/800	로켓 연료
액체질소	-196℃	1/700	저온 실험, 생체 시료 보관
일반 공기	-194.35℃	1/700 ~ 1/800	산업용 원료 분리
액체산소	-183℃	1/800 ~ 1/860	로켓 연료(산화제), 의료용

천연가스(LNG) : 여러 가지 기체가 혼합된 LNG는 –162℃에서 액화된다, 천연가스를 액화시키면 부피가 600분의 1로 감소한다. 이런 액화 가스를 보관하려면 특수 단열재(고망간강)를 사용하여 저장 탱크를 만들고, 탱크 주변을 진공상태(보온병처럼)가 되도록 하고 있다. 우리나라 조선사는 세계 최고의 LNG 선박 제조기술을 자랑하고 있다. ​

메탄가스(CH4) : -162℃ (천연가스의 주성분이 메탄가스이다.)

이산화탄소(CO2, 드라이아이스) : – 78.5℃

훨씬 낮은 온도에서 액화되는 기체들이 있다. ​

기체명	화학식	액화 온도 (비점)	비고
액화 프로판가스 (LPG)	C3H8	-42.1℃	취사용, 난방용 고압가스
액화 암모니아	NH3	-33℃	냉매, 친환경 연료 연구
액화 부탄가스	C4H10	-0.5℃	휴대용 가스레인지, 라이터 연료

천연가스를 정제하여 프로판가스 또는 부탄가스 성분만 분리해낸 액화 프로판가스(LPG)와 액화 부탄가스는 쉽게 액화할 수 있기 때문에, 이것은 취사용 고압가스, 휴대용 고압가스, 개스라이터에 이용하고 있다. ​

암모니아가스는 8-10기압으로 압축하거나 온도를 –33℃ 이하로 내리면 액체상태가 된다. 쉽게 액화시킬 수 있는 액화 암모니아는 냉장고나 식품 창고를 저온으로 유지하는 냉매로 이용된다. ​ 650℃ 이상 온도에서 연소하는 암모니아는 친환경 연료로 사용할 수 있다. 성분이 질소와 수소이므로 연소하더라도 이산화탄소가 발생하지 않는다. 암모니아는 인체의 호흡기관에 악영향을 주는 독성이 있다. 현재 선박 엔진, 발전용 터빈, 자동차의 연료로 이용할 수 있도록 연구되고 있다.

저온생물학

​저온 조건에서 각종 생명체의 세포, 유전자, 줄기세포 등을 장기 보존하는 조건 등을 연구한다.

저온 의학

극저온은 수술에도 이용되고 있다. 의사들은 레이저를 이용하여 암조직을 순간적으로 태우기도 하지만, 극저온 상태로 냉각시켜 파괴하는 저온수술(cryosurgery)도 하고 있다. 또한 과학자들은 인간을 비롯한 모든 생명체의 중요한 유전자(DNA)를 저장해두었다가 훗날 소생시켜 새로운 생명체를 탄생시키는 연구도 하고 있다.

​냉동인간에 대한 소설이나 영화가 다수 있다. 장기간 우주여행을 하려면 우주비행자들은 소생 가능한 냉동인간이 되어야 할 것이다. 이런 연구 또한 저온의학의 중요한 과제이다. ​

의학에서는 여성의 난자나 남성의 정자를 극저온 속에 저장해두었다가 몇 년 후에라도 임신하게 하는 방법을 실용화 하고 있다. 난자나 정자를 극저온에 두면 금방 냉각되어 죽을 것이라고 생각된다. 그러나 난자와 정자는 극저온 조건에서 죽은 듯이 있다가 상온으로 높여주면 소생한다. 이런 기술은 가축의 인공수정에 이용되고 있다. ​

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액체질소와 같은 극저온 기체를 생산하는 회사로는 Air Producs, Air Liquid, Linde, Taiyo Nippon Sanso 등이 있고, 국내에는 제이케이지산업가스, 한일가스, 삼성가스공업, 켐녹(Chem Knock) 등이 있다.

​극저온에서 그들은 왜 죽지 않을까? 정자와 난자 및 줄기세포 등을 냉동할 때는 –196℃의 액체질소를 이용한다. 일반적인 경우 저온이 되면 세포 속의 수분이 얼어 잠간 사이에 조직이 파괴된다. 그러나 냉동 전에 동결보호제(글리세롤 등)를 사용하여 수분을 미리 제거한 뒤에 냉각시키거나, 순간적으로 -196℃로 처리하면 세포 속의 수분이 얼기도 전에 유리처럼 동결하여 신진대사도 완전히 멈춘 가사상태가 된다.