철 금속 주괴를 태우려고 하면 오래 기다려야 하지만 가루로 만들면 쉽게 불이 붙을 것이다. 그것이 폭죽이 작동하는 방식이다. 금속 먼지가 아름다운 빛과 열기로 타오르는 것이다. 하지만 재미 이상으로 철을 태울 수 있을까? 이 단순한 물질이 저렴하고 깨끗하며 무 탄소 연료가 될 수 있을까?

미세 중력의 로켓에 대한 새로운 실험에서 캐나다 및 네덜란드 연구원은 지구 지각에서 네 번째로 흔하며 질량의 약 5%를 차지하는 이 풍부한 물질을 대체 에너지원으로 전환하기 위해 철을 태우는 효율을 높이는 방법을 찾고 있다.

연료로서의 철: 철은 풍부하고 저렴하다. 더 중요한 것은 철을 태우는 부산물이 녹(산화철)이라는 고체 물질로 수거 및 재활용이 용이하다. 철을 태우거나 산화물을 다시 변환하는 과정에서 탄소가 생성되지 않는다.

철은 에너지 밀도가 높다. 같은 양의 에너지를 생산하려면 휘발유와 거의 같은 양이 필요하다. 그러나 철은 비에너지가 낮다. 같은 양의 에너지를 생산하는 데 가스보다 훨씬 무겁다. (휘발유 한 병을 집는 것을 생각한 다음 비슷한 크기의 철 덩어리를 집는 것을 상상해보라.) 따라서 그 무게는 많은 응용 분야에서 금지된다. 철 연료의 무게가 자동차 자체만큼 무겁다면 자동차를 운행하기 위해 철을 태우는 것은 별로 실용적이지 않다.

그러나 분말 형태의 철은 고밀도 에너지 운반체 또는 저장 시스템으로서 더 많은 가능성을 제공한다. 철을 태우는 용광로는 산업, 가정 난방 또는 전기 생산에 직접 열을 공급할 수 있다.

또한 산화철은 전기 또는 수소와 반응하여 다시 철이 됨으로써 잠재적으로 재생 가능하다(청정 전기 또는 녹색 수소 공급원이 있는 한). 예를 들어 태양광 및 풍력과 같은 재생 가능 에너지에서 사용할 수 있는 전기가 초과되면 녹을 다시 철 가루로 변환한 다음 필요에 따라 태워서 해당 에너지를 다시 방출할 수 있다.

그러나 녹을 재활용하는 이러한 방법은 현재 매우 에너지 집약적이고 비효율적이므로 철 자체의 연소 효율을 개선하는 것이 이러한 순환 시스템을 실행 가능하게 만드는 데 중요할 수 있다.

불연속 연소의 과학: 분말 입자는 표면적 대 부피 비율이 높기 때문에 발화하기가 더 쉽다. 이는 금속에서도 마찬가지이다.

올바른 상황에서 철분은 불연속 연소로 알려진 방식으로 탈 수 있다. 가장 이상적인 형태에서 불꽃은 화염에서 방출되는 열이 주변의 다른 입자를 연소시키기 전에 하나의 입자를 완전히 소모한다. 이 과정을 연구함으로써 연구자들은 철이 연소하는 방식을 더 잘 이해하고 모델링할 수 있으므로 더 나은 철 연소 용광로를 설계할 수 있다.

불연속 연소는 지구에서 달성하기 어렵다. 완벽한 불연속 연소에는 특정 입자 밀도와 산소 농도가 필요하다. 파티클이 너무 가깝고 압축되면 파티클을 완전히 소모하기 전에 화재가 이웃 파티클로 점프하여 더 혼란스럽고 통제력이 떨어지는 연소가 발생한다.

현재, 분말 철 입자가 연소되는 속도 또는 다른 조건에서 열을 방출하는 방법은 잘 알려져 있지 않다. 이는 철을 대규모 연료로 효율적으로 활용하기 위한 기술 개발을 저해한다.

미세중력 속에서 불타는 금속: 4월에 유럽 우주국(ESA)은 3개의 실험 장치를 탑재한 준궤도 "사운딩" 로켓을 발사했다. 로켓이 대기를 통해 포물선 궤적을 추적함에 따라 실험은 미세 중력을 시뮬레이션하면서 몇 분 동안 자유 낙하했다.

이 임무에 대한 실험 중 하나는 무중력 상태에서 철 가루가 어떻게 타는지 연구했다.

미세 중력에서 입자는 보다 균일하게 분포된 구름에 떠 있다. 이를 통해 연구자들은 철 입자의 흐름과 다양한 산소 농도에서 철 입자 구름을 통해 화염이 전파되는 방식을 모델링할 수 있다.

화염이 다양한 조건에서 철 분말을 통해 어떻게 전파되는지에 대한 통찰력은 훨씬 더 효율적인 철 연소 용광로를 설계하는 데 도움이 될 수 있다.

지구상의 청정하고 무탄소 에너지: 다양한 기업이 철 연료를 공정에 통합하는 방법을 찾고 있다. 특히, 쇠를 태워 물을 가열함으로써 산업용 열을 보다 깨끗하게 공급할 수 있다.

예를 들어, 네덜란드 양조장 스윙클 패밀리 브루어스(Swinkels Family Brewers)는 아인트호벤 기술 대학(Eindhoven University of Technology)와 협력하여 양조 공정에 전력을 공급하는 열원으로 철 연료로 전환하여 연간 1,500만 잔의 맥주를 생산한다. 네덜란드 스타트업 RIFT는 헬몬드와 아른헴에서 개념 증명 철 연료 발전소를 운영하고 있다.

연구자들이 철을 태우는 효율을 계속 개선함에 따라 그 적용 가능성은 다른 사용 사례로도 확장될 것이다. 그러나 이러한 전환을 위한 인프라가 마련되어 있을까?

종종 새로운 에너지원으로의 전환은 이를 활용하기 위한 새로운 인프라를 만들어야 하기 때문에 느려진다. 다행히 화석 연료에서 철로 전환하는 경우에는 그렇지 않다. 철을 태우는 이상적인 온도는 탄화수소의 온도와 비슷하기 때문에 기존의 화석 연료 발전소는 잠재적으로 철 연료로 작동하도록 개조될 수 있다.