* 얼음이 없는 보도: 스마트 제설기(smart snowplow).

미국 워싱턴 주립대학(WSU; Washington State University) 소속의 추운 기후를 연구하는 연구진은 고속도로 눈과 얼음을 제어하기 위하여 전형적으로 사용되는 염, 모래 및 화학물질에 대한 녹색 대안을 이용하여 도로를 세정할 계획이다.

지난 50년 동안 저렴하고 편리하다는 이유로 석유와 같은 염의 일종이 도로를 중독시켰다고 워싱턴 주립대학 산하 도시 환경 공학과(civil and environmental engineering) 소속의 조교수인 Xianming Shi는 밝혔다.

올 겨울 도로 염(road salt)은 북부 주 전역에서 공급 부족을 나타냈으며, 일부 지역에서 도로 염의 가격은 2013년 이후 10~30% 가까이 증가했다고 Shi는 밝혔다. 또 환경에 대한 염의 영향과 관련된 대중의 우려가 높아지고 있으며, 이러한 염의 사용이 미래 세대에 어떻게 영향을 초래할 것인가에 대한 문제가 제기되고 있다.

2013년, 미국 환경보호국(EPA; Environmental Protection Agency)은 동부 연안을 따라 지하수에서 나트륨(sodium)과 염화물(chloride)의 경고 수준을 보고했다고 그는 밝혔다. 일단 염이 법률적인 한계치를 초과하면, 건강 위험(health risks)이 증가하고, 당신은 음용수로 법률적 한계치를 초과한 수원을 이용할 수 없다고 Shi는 지적했다.

Shi는 추운 기후에서 환경적으로 지속가능한 수송 연구소(Center for Environmentally Sustainable Transportation in Cold Climates)를 최근 설립했다. 이 연구소는 녹색의 눈과 얼음 제어 방안, 야생동물 이동 통로(wildlife crossings), 어류 통로(fish passages), 보도에서 먼지와 재활용된 재료의 이용 등을 포함한 추운 기후(cold climate) 도로 생태학(road ecology)을 연구하는 미국 내 유일한 연구소이다.

미국 교통국(U.S. Department of Transportation)은 2년 동안 140만 달러에 달하는 자금을 알래스카 대학 페어뱅크스 캠퍼스(University of Alaska Fairbanks), 몬태나 주립대학(Montana State University) 및 WSU 등 사이의 협력 연구를 수행하는 데 지원했다.

Shi는 2014년 9월 개최된 American Public Works Association Western Snow and Ice Conference에서 겨울철 도로 운영을 위한 환경관리상 책무 관행(environmental stewardship practices)에 대한 연구 결과를 발표했다.

미국은 매년 도로 위 눈과 얼음을 제거하는 데 23억 달러를 지출하고 있으며, 이러한 공정과 관련된 간접비용(hidden costs)에 추가로 50억 달러를 지출하고 있다. 이러한 지출에 도시와 시골 도로 유지에 대한 비용은 산정되지 않았다고 Shi는 밝혔다.

간접비용은 녹(rust)과 부식으로부터 세미 트레일러트럭(semi-trailer trucks)과 다른 자동차에 대한 단기 영향뿐 아니라, 자연 환경과 도로 사회기반시설에 대한 염, 모래 및 화학적 얼음 제설제(chemical deicers) 등의 장기적인 영향을 포함하고 있다.

예를 들면, 워싱턴 주에서 도로 관리자는 겨울철 1마일의 차선당 대략 4 톤의 염을 적용한다. 4 차선 고속도로에 대하여, 1 마일의 구획에 연간 16톤의 염이 사용됐다고 그는 밝혔다. 50년 동안, 1 마일에 적용된 염은 약 800톤에 이르고, 이러한 염의 99%가 환경 중에 남아 있다. 염은 분해되지 않는다. 이러한 수치는 미네소타 주에서 1 마일의 차선당 9톤의 염이 적용되는 것과 비교되는 수치이다. 주와 카운티 정부가 행동 조치에 균형을 맞추는 것은 매우 어려운 일이라고 Shi는 덧붙였다. 정부 관계자들은 먼저 안정성을 이후에 지속 가능성을 고려해야만 한다고 Shi는 밝혔다.

* 센서와 소프트웨어

눈과 얼음 제어가 아주 단순한 것처럼 보이지만, 세부적인 과학 및 공학이 관여하는 높은 수준의 기술이라고 Shi는 밝혔다. 그의 연구는 센서를 부착하고, 이미 겨울철 차량에 통합될 예정인 스마트 제설기와 같은 민감한 새로운 기술의 개선과 평가로 이어졌다.

보통의 제설기는 보도 온도를 측정하기 위하여 최소 한 개의 센서를 보유하고 있다. 스마트 제설기는 온도를 판독할 뿐 아니라, 이전에 적용으로부터 염의 찌꺼기, 도로 위의 마찰(friction)의 양 및 얼음의 존재 등을 판독한다. 이러한 모든 판독 자료는 운영자가 더 적은 염을 적용하는 데 도움을 준다.

과거에, 이것은 모든 과정이 시각적으로 이루어졌다고 Shi는 설명했다. 당신이 도로 위 염을 확인할 수 있을 때, 적용된 염은 너무 많은 양으로 식생과 지하수로 유입될 것이다. Shi가 달성한 또 다른 혁신은 평가에 도움을 줄 수 있는 유지 관리 결정지지 시스템(Maintenance Decision Support System)이라고 불리는 오픈 소스 소프트웨어이다. 이 시스템의 개발을 연방 고속도로국(Federal Highway Administration)이 지원했다. 프로그램은 제설기에 또는 도시 정비 공장에 설치될 수 있다.

이 소프트웨어는 현재의 도로와 기상 조건을 알려줄 수 있으며, 기상 예보, 염의 적용 목록 등을 제공할 뿐 아니라, 이러한 변수를 기반으로 하는 응용 속도를 제안한다. 이 소프트웨어는 어떤 일이 일어날지를 확인하기 위하여 염의 대체 유형을 모형화할 수 있게 해준다고 그는 밝혔다.

* 녹색 화학

연구진의 목표는 얼음이 없는 보도와 녹색 제설제를 구현하는 것이다. 실험실에서 연구진은 새로운 산업용 크기의 제설기를 제작했다.

자동차, 가드 레일, 강교(steel bridges) 및 콘크리트 보도에 덜 부식되는 비트와 토마토 주스 제설기에 대한 많은 논의가 있었다고 그는 밝혔다. 이러한 제품은 도움을 주지만 아직까지 개선의 여지가 남아 있다. 비트 제설기를 위한 레시피를 조정하는 것 이외에, Shi는 보드카 증류로부터 발생한 보리 찌꺼기로 구성된 제설제를 성공적으로 개발했다.

또 그는 사회기반시설을 보호하는 한편, 눈과 얼음 제거를 위한 시스템을 구축할 수 있는 몇 가지 새로운 유형의 콘크리트를 혼합할 계획이다. 한 가지는 제설제-내성 콘크리트로 염과 화학물질이 존재하는 조건에서 신속하게 분해되지 않는다. 따라서 보도와 인도의 수명을 연장한다고 Shi는 밝혔다.

얼음이 없는 콘크리트(ice-free concrete)는 표면에 얼음이 덜 얼게 하는 보도를 만드는 나노 크기와 마이크로 크기의 입자를 추가한다. 표면 장막을 생성함으로써, 혼합물은 눈과 얼음이 결합하는 것을 방지한다. 교대로, 이것은 염의 요구를 줄이고 제설을 용이하게 만든다고 그는 밝혔다. Shi는 얼음이 없는 보도를 인도와 주차장에서도 사용할 수 있기를 희망한다고 밝혔다. 연구진의 궁극적인 목표는 적절한 시간에 적합한 위치에 염, 모래 또는 얼음 제거제 등의 최적의 사용량을 적용하는 것이라고 그는 밝혔다.

그림1> 얼음이 없는 보도와 녹색 제설제를 만드는 데 사용하는 산업용 크기의 믹서를 개발한 Xianming Shi

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://phys.org/news/2014-11-salt-green-solutions-highway-ice.html

제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2014.12.02 11:54

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