안녕하세요 염정흠 전문가입니다.
토목공학
Q. 중국이 희토류를 규제하는거 같은데 , 희토류가 어디에 쓰이길래 규제하는지
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.희토류는 스마트폰 화면에서 색을 발하게 하는 것, 유럽연합의 지폐인 유로화 위조를 방지하는 형광 물질, 해저를 가로지르는 광섬유 케이블, 전기차와 컴퓨터의 자석, 헤드폰의 음파 생성, 열 추적 미사일의 궤적 이동, 양자 컴퓨터 제작 등에 쓰입니다. 이런 것이 가능한 것은 희토류의 독특한 전자 때문입니다. 모든 원자는 가운데에 핵이 있고, 핵 주변에는 궤도를 도는 전자가 있습니다. 핵에서 가장 먼 궤도를 도는 전자는 화학 반응에 참여하고 다른 원자와 결합합니다. 희토류 원소에는 특별한 궤도를 도는 f-전자라는 전자들이 있습니다. 이 f-전자들 덕분에 희토류 금속은 특이한 성질을 갖게 됩니다.희토류의 쓰임을 보면 현대에 있어서 중요한 첨단기술, 큰 돈이 될 수 있는 산업분야에 사용된다는 것을 짐작할 수 있습니다. 희토류를 가장 많이 보유한 국가는 중국인데 전 세계 희토류의 70% 이상이 중국에서 생산됩니다. 반면 미국에서는 하나의 광산만 있는 상황입니다.현재 중국이 수출규제를 추진하는 것은 희토류 자석인데, 이것은 중국이 90%가량 점유율을 보이고 있습니다. (네오디움 자석-84%, 코발트 자석-90%) 희토류 자석은 전기차, 풍력발전 모터 등 탈탄소사업분야에 핵심적인 부품으로 쓰이고 있습니다. 자석은 모터의 핵심 부품으로 항공기, 로봇, 휴대전화, 에어컨, 무기 등에도 사용됩니다. 위에서 언급 했듯이 희토류(희토류 자석 포함)는 첨단기술 소재로 널리 사용되고 있으며, 이미 일상 생활에서 깊게 자리 잡은 사업 분야에도 많이 사용되고 있습니다. 특히나 미국, 일본, 한국 등 첨단산업이 발달하고, 중국 희토류의 의존도가 높은 나라에게는 큰 문제가 될 수 있습니다. 전세계 희토류 점유율은 중국이 가장 높고, 매장량도 가장 많은 것으로 알려졌지만 중국 외에도 매장된 나라는 더 있습니다. 아직 정확한 매장량은 알 수 없지만 북한에도 매우 많은 양이 매장된 것으로 알려져 있습니다. 힌국광물지원공사의 발표에 따르면 북한에 희토류 매장량은 세계 1~4위 수준이라고 합니다. 하지만 그 내용이 정확한 것은 아닙니다.
지구과학·천문우주
Q. 고어 사의 고어텍스 재질의 원리
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.옷감 속에 고어텍스 멤브레인이라는 천이 들어가는데 그 천에는 미세함 구멍이 있습니다. 그 구멍은 물 분자는 통과하지 못하지만 수증기 분자는 통과가 가능합니다. 인체에서 배출된 땀은 체온으로 인하여 수증기형태로 빠져나가고 외부 수분은 흡수되지 않는 것입니다. 예전에는 방수제를 사용하였는데 땀 배출이 되지 않아서 고어 박사가 발명한 고어텍스 소재가 사용되었다고 합니다. 고어텍스의 겉감은 발수처리하여 물이 흘러 떨어지게 하였고 안감에는 고어텍스 멤브레인을 사용하여 물흡수를 막고, 땀배출을 도와주는 것입니다.
기계공학
Q. 요즘은 찾기 힘들지만 머리를 자를때 아직도 이발소를 찾습니다.
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.가죽숫돌이라고 하는건데 가죽 표면에 연마제를 바르면 약간의 연마 효과가 생겨납니다. 면도기처럼 미세하게 무뎌진 것을 숫돌에 대는 것은 일이 더 귀찮아질 수 있는데 연마제를 바른 가죽에 칼날을 문질러서 연마를 시키는 것이 보다 쉽게 샤프닝 효과를 낼 수 있습니다. 그리고 연마제를 바르지 않은 가죽으로 해도 버(burr) 제거가 가능하기 때문에 그냥 가죽으로 해도 칼날의 정리 하는 정도로 사용할 수 있습니다. 면도날 정도라면 그냥 가죽으로 칼날 정리를 목적으로 사용할 수 있을 것 같습니다.
화학
Q. 포도주 등 술을 숙성시켜서 술을 먹습니다.
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.꼭 오크통이 아니라도 숙성은 가능합니다. 오크통에서 숙성시키는 와인은 비싼편에 속합니다. 오크통이 비싸기 때문인데 어떤 와인은 오크 칩을 섞어서 숙성시키는것도 있습니다. 오크 대신에 훨씬 큰 나무 탱크나 스테인리스 스틸 탱크, 콘크리트 탱크 등에서 숙성되는 것도 있습니다. 오크통으로 숙성되는 와인이 인기가 좋고 유명한 것을 오크통에서 우러나오는 특별한 성분에 의해서 와인의 맛과 질이 좋아집니다. 그리고 오크통으로 산소가 스며들어 와인이 산화작용을 하면서 일반적인 과일주가 아니라 깊고 여운을 주는 등 여러 복합적인 맛을 이룰 수 있게 해줍니다. 그래서 와인 운반이나 보관용으로 사용하려고 만들어졌던 오크통이 숙성에 사용되었다고 합니다. 요즘은 병에서 숙성시키는 펜낫와인도 있습니다. 발효가 진행되고 있는 과정 중에 병에 담아 발효중에 생기는 이산화탄소로 인햐 자연적인 기포가 만들어지는 와인으로 최근에 인기를 끌고 있는 와인 중 한가지입니다.오크에서 숙성된 와인이 병으로 옮겨지면 숙성이 계속 되는지도 궁금하신 것 같습니다. 병에서도 숙성은 이어질 수 있습니다. 하지만 많은 양의 산소가 들어와 버리면 너무 산화되어 맛이 나빠질 수 있는데 현재 사용되고 있는 코르크 마개가 병입된 와인을 오래 보관하면서 천천히 숙성될 수 있게 해줍니다. 코르크 마개 역시 숙성을 목적으로 만들어진 것은 아닙니다. 이전에 밀봉된 병 속 와인에서 생성되는 가스(그냥 가스라고 표현하겠습니다.)로 인해 병 내부 압력이 올라가서 병이 폭발하여 깨지는 문제가 발생하면서 연구 끝에 만들어진 것이라고 합니다. 정확하게 어디에서, 누가 개발하게 된 것인지 알 수 없지만 17세기 프랑스 샹파스 지방의 오빌레에 있는 성 베드로 사원에서 포도원 관리 및 와인 제조를 당당하던 돔 페리뇽 수도사가 발명했다는 설이 가정 유력하다고 합니다. 스페인 수도사들이 코르크 마개로 물통을 막는 것에서 아이디어를 얻어 만들어졌다고 전해집니다. 정리하자면 와인을 숙성할 때 오크통 외에도 다른 탱크를 사용해서도 하거나 병에서도 할 수 있으며, 오크통에서 병입된 와인도 숙성이 될 수 있습니다.
전기·전자
Q. 수소차는 전기차와 달리 엔진이 필요한가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.수소차가 연료를 태운다고 생각하실 수 있는데 그렇ㅈ 않습니다. 물을 전기분해 하면 산소와 수소로 나눠진다는 것을 아실 겁니다. 이는 전기분해 과정에서 양극(+)에서 산소가 생성되고, 음극(-)에서 수소가 생성되는 것입니다. 역으로 수소를 이용해서 물을 만들면 그 과정에서 전기가 생성됩니다. 그 과정을 다 기재하면 내용이 길어질 수 있어서 생략하겠습니다. 수소차에는 전기차와 같이 배터리와 모터가 있는데 수소를 물로 만드는 과정에서 생성된 전기가 모터와 배터리로 가서 사용됩니다. 장치의 차이는 있겠지만 전기차처럼 배터리와 모터가 장착되어 있고, 추가로 수소탱크와 수소를 물로 만드는데 필요한 장치가 장착된다고 생각하시면 됩니다.수소차를 개발한 이유는 전기를 충전하는 시간 보다 수소를 충전하는 시간이 훨씬 빠르고, 주행거리가 길기 때문입니다. 하지만 수소를 생성하는데 에너지 소모가 커서 경제성이 떨어지고, 충전소 건설비용이 높아서 인프라 구축에 어려움이 있습니다.
전기·전자
Q. 에어프라이기는 음식이 어떤 원리로 바삭해지나요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.에어프라이어는 열선을 고온으로 데우고 그 데워진 공기를 순환시켜서 음식을 데워줍니다. 200도 정도 되는 고온의 열풍이 수분을 가열하고 증발시키는 과정에서 겉은 바삭해지고 음식물 내부에 지방과 기름기가 녹아 나오면서 속은 부드럽게 됩니다. 오븐과 비해서 조리시간이 짧다는 것도 장점일 수 있습니다.
토목공학
Q. 콘크리트와 쇠는 어느 쪽이 강도가 높을까요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.콘크리트와 철근(철)의 강도는 차이가 있습니다. 콘크리트는 압축강도가 좋고, 철은 인장강도가 좋습니다. 콘크리트용 못은 일반 못과 재질 차이가 있어서 벽에 사용하기 좋은 것입니다.건축을 할 때 콘크리트와 철근을 같이 사용하는 것은 서로의 장점을 살리고 단점을 보완할 수 있는 재료 이기 때문입니다. 추가적으로 콘크리트와 철근은 열팽창계수가 거의 같아서 일체화 하여 사용하기 좋은 구조재료입니다.
화학
Q. 스텐 보온병 오래쓰면 녹이 쓰는 이유가 무엇인가요
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.스테인리스의 정식 명칭은 스테인리스 스틸(stainless steel)로 stain(얼룩)+less(없다)+steel(철)의 합성어입니다. 이름에서도 알 수 있듯이 얼룩(혹은 녹)이 생기지 않게 만든 합금강입니다. 철은 쉽게 산화되고, 구리나 알루미늄처럼 치밀한 산화피막이 내부 금속을 보호해 줄 수 있는 것이 아니기 때문에 연구한 결과 내식성이 좋은 크롬과 합금하여 만들어진 금속입니다. 그렇기에 금속이 산회되면서 생기는 녹 같은 것이 생기지 않습니다. 만약 차와 같은 것에 의한 변색이 아니라 부식으로 인해 녹이 생긴 것이 맞다면 스테인리스가 아닐 수도 있습니다.추가로 말씀드리자면 알루미늄은 산화되어도 표가 나지 않습니다. 그래서 알루미늄은 녹이 슬지 않는다고 생각하는 사람들이 많은데 알루미늄의 녹이라 할 수 있는 산화 알루미늄이 피막이 되어 내부 금속을 보호해주어 더이상 산화되지 않게 해줍니다.
화학
Q. 친환경 차 중에서 수소 차도 있습니다.
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.충전소 건설비용이 일반 주유소에 비해 10배 정도로 비싸서 그렇습니다. 실제 국내에 수소충전소 설치비용을 해당 지역 일반주유소와 비교 했을 때 10배가 넘어가고 15배가 넘는 지역도 있었습니다. 수소충전소 건설비용이 비싼 이유는 핵심 부품이 전량 수입하기 때문입니다. 건설비용을 줄이기 위해서는 핵심부품 개발과 인프라 확충에 따른 상업화가 필요합니다.
지구과학·천문우주
Q. 물방울이 떨어지면서 동굴에선 석순이 생기는데.. 일반 밖에서는 물방울로 인해 돌들이 구멍이 뚫립니다.
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.동굴에서 생성되는 석순이나 종유석은 보통 석회 동굴에서 생겨나는데, 이는 지하수에 녹아 있는 이산화탄소가 석회암의 주성분인 탄산칼슘을 녹이면서 동굴을 만들고 그 물이 조금씩 맺히거나 땅에 떨어져 쌓이면서 종유석과 석순을 만들게 됩니다. 땅에 떨어져서 탑처럼 쌓여서 생성된 것이 석순입니다. 석회동굴이 아닌 곳에서 떨어지는 물에는 석회동굴만큼 탄산칼슘이 함유되어 있지 않기 때문에 석순이 생겨나지 않습니다.