[과학] 물을 얻는 방법, 물 부족 현상 문제 해결하는 방법, 물의 상태 변화 이용, 물이 우리 생활에 이용되는 예

지구의 3분의 2를 물이 차지하고 있다고 하는데 부족할까요? 지구 표면의 70%를 차지하는 물은 대부분 바닷물이기 때문입니다. 바닷물은 염분을 함유하고 있어 바로 마실 수 없고 자원화에도 많은 노력과 투자가 필요하죠. 결국 사람이 사용할 수 있는 물은 겨우 2.5% 정도입니다. 대부분 빙하, 만년설, 영구동토 속에 갇혀 있어 우리가 실제로 사용할 수 있는 물은 단 1%에 불과합니다. 지구상의 70%가 바다라지만 우리가 이용할 수 있는 물은 극히 일부이며 수질오염과 기후 변화로 인해 우리가 이용할 수 있는 민물, 담수는 갈수록 줄어들고 있습니다. 바닷물이나 오염된 물을 민물로 만드는 방법은 무엇이 있을까요? 물을 얻기 어려운 지역에서 공기 중의 수증기를 이용하여 물을 얻는 방법은 무엇인지 알아볼게요

 

1. 물이 우리 생활에 이용되는 경우 사례

• 물을 이용해 전기를 얻습니다.
• 설거지를 하거나 씻을 때 등 일상생활에서 물을 이용합니다.
• 공장에서 물건을 만들 때도 물이 필요합니다.
• 물은 우리 인간의 생명을 유지하는데 꼭 필요합니다.
• 농사를 지을 때 물을 사용하여 식물을 재배합니다.

논 농사/ 수력 발전 댐

2. 물이 우리 생활에서 중요한 이유

물은 우리 생활에 다양하게 이용되고 있으며, 모든 생물이 생명을 유지하는데 꼭 필요하기 때문입니다.

 

가. 인간의 건강유지

우리 몸의 60~70%는 물로 이루어져 있으며, 물은 체온 조절, 혈압 유지, 영양소 운반, 노폐물 배출 등 생명 유지에 필수적인 기능을 수행합니다. 물이 부족하면 탈수, 피로, 두통, 심지어 생명 위협까지 초래할 수 있습니다.

 

나. 식량생산

작물 재배에 필수적인 관개용수로 사용됩니다.

물이 없으면 식량 생산 자체가 불가능해지는데 전 세계 물 사용량의 대부분이 농업용수로 쓰입니다. 가축에게 물을 공급하고 사육 환경을 관리하는 데 사용됩니다.

 

다. 산업 경제활동의 기반

제조업, 에너지 생산(수력 발전 등), 화학 산업 등 다양한 산업 분야에서 냉각, 세척, 희석, 원료 등으로 대량의 물이 사용됩니다.

 

라. 환경보존 생태계 유지

강, 호수, 습지, 바다는 수많은 생명체의 서식지이며, 생태계의 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 바다는 지구의 열을 흡수하고 방출하여 기후를 조절하는 데 기여하며, 물의 순환은 강수량을 조절하여 육상 생태계에 물을 공급합니다.

 

2. 물의 상태 변화를 이용하는 예, 불 부족 현상 문제를 해결하는 방법

해수 담수화

생활용수나 공업용수로 직접 사용하기 힘든 바닷물의 염분을 제거하여 사람들이 사용할 수 있는 담수를 얻어내는 물 처리 과정을 말한다. 담수는 염분이나 특정 성물이 없이 강이나 호수에 있는 물을 말한다. 해수 담수화 기술 중 세계적으로 가장 널리 설치되어 이용하는 것은 증발법이다.

 

작동 원리

• 바닷물을 가열하여 물만 증발시킨다.
• 이때 염분은 같이 증발하지 않는다.
• 증발한 수증기를 모아서 관으로 이동시킨다.
• 관을 냉각하여 관 안에 물방울이 응결되게 만든다.
• 응결된 물방울을 따로 모은다.

해수 담수화

이외에도 역삼투법과 전기투석법, 냉동법 등이 있다.

 

포그캐처

포그캐처는 아프리카 나미비아의 사막에 사는 딱정벌레 '스테노카라'가 물을 얻는 방법을 응용해 만든 장치인데요. 스테노카라의 등에는 1㎜ 간격의 돌기가 촘촘하게 자리 잡고 있는데 이 돌기의 끝은 친수성, 바닥 면은 물과 친하지 않은 혐수성 성분으로 구성되어 있습니다.

딱정벌레, 포그캐처

 

아침에 안개가 끼면 딱정벌레는 바람이 부는 방향을 등지고 물구나무를 섭니다. 그러면 안개 중의 수증기가 친수성 돌기 끝에 붙어 점점 커진 물방울이 자기 무게를 이기지 못하고 굴러 떨어지는데 바닥 면이 물을 밀어내 물방울은 미끄러져 딱정벌레의 입으로 들어가는 원리입니다. 아프리카 나미브 사막에 사는 딱정벌레 스테노카라가 물을 얻는 방법을 응용하여 만든 장치 일교차가 큰 사막에서 딱정벌레는 바람이 부는 방향을 등지고 물구나무를 서는데, 딱정벌레의 돌기에 물방울이 잘 맺히고 이 물방울이 점점 커져 자 기 무게를 이기지 못한 물방울이 미끄러져 딱정벌레의 입으로 들어오게 되는 것이다. 포그캐처는 폴리프로필렌(비닐)으로 만든 망사를 해안이나 산에 설치하여 물을 얻는 장치이다.

작동 원리

• 설치된 망사 사이로 안개가 통과한다.
• 안개가 폴리프로필렌(비닐)에 닿으면서 응결이 일어나 물방울이 맺힌다.
• 맺힌 물방울은 아래로 떨어진다.
• 물방울은 아래 설치된 물탱크에 저장된다.

 

워터콘

물의 증발과 응결을 이용하여 깨끗한 물을 얻을 수 있는 장치로 더러운 물이나 해수를 담수로 바꿀 수 있다.

 

작동원리

• 검은색 원형판에 오염된 물이나 바닷물을 담고 태양 아래 둔다.
• 태양열로 인해 물이 증발되고 증발된 물은 워터콘의 벽에 응결된다.
• 워터콘을 뒤집어서 응결된 물방울을 통에 담는다.
• 이 장치를 이용하면 하루에 1~1.5 L의 물을 얻을 수 있다.

원터콘

 

와카워터

에티오피아에 설치된 와카워터(Warka water)는 하루에 100리터에 달하는 물을 확보할 수 있습니다. 30평 남짓한 땅에 타워 하나를 제작하는 데 우리나라 돈으로 50~100만원 정도면 충분하고, 구조도 매우 간단해서 10명이 30분만 투자하면 타워 하나를 세울 수 있습니다. 물 부족 문제에 직면한 지역, 특히 아프리카와 같이 건조하고 일교차가 큰 지역에서 식수를 공급하기 위해 고안된 적정 기술 기반의 건축물입니다. 그 작동 원리는 자연 현상을 모방한 결로(응결) 현상을 이용합니다.

와카워터

작동원리

• 낮 동안에는 공기 중의 수증기가 그물 사이로 통과합니다.
• 밤이 되면 기온이 급격히 떨어지면서 공기 중의 수증기가 차가워진 그물 표면에 닿아 이슬(물방울) 형태로 맺히기 시작합니다. 이는 마치 새벽에 풀잎에 이슬이 맺히는 것과 같은 원리입니다.
• 그물에 맺힌 작은 이슬 방울들이 중력과 그물 재질의 특성(표면 장력)에 의해 점차 모여 커집니다.
• 일정량 이상으로 물방울이 커지면 그물 표면에서 떨어져 아래로 흘러내립니다.
• 흘러내린 물은 와카워터 탑 하단에 있는 수집 용기나 저장소에 모이게 됩니다.
• 수집된 물은 대개 음용 가능한 수준으로 깨끗하지만, 지역에 따라 추가적인 간단한 필터링 과정을 거칠 수도 있습니다. 모인 물은 수도꼭지를 통해 쉽게 이용할 수 있도록 설계되어 있습니다.

쏠라볼

태양광을 이용해 물을 살균하고 정수하는 휴대용 기구로 오염된 물을 마셔야 하는 개발도상국이나 재난 지역에서 안전한 식수를 얻을 수 있도록 돕기 위해 고안된 기술입니다. 호주의 산업 디자이너 조나단 리딩(Jonathan Liow)이 개발했습니다.

 

작동원리

• 오염된 물을 솔라볼 안으로 넣습니다.
• 투명한 구형 본체는 태양광을 흡수하여 내부 온도를 높입니다. 이때 솔라볼의 검은색 베이스 부분이 태양열을 더욱 효과적으로 흡수하여 물을 가열합니다.
• 물이 가열되면서 깨끗한 물 분자만 수증기 형태로 증발합니다. 불순물, 염분, 중금속, 박테리아, 바이러스 등은 증발하지 않고 아래에 남습니다.
• 증발한 수증기는 솔라볼의 돔 형태로 된 투명한 상단 내부 표면에 닿아 식습니다. 차가운 표면에 닿은 수증기는 다시 물방울 형태로 응결됩니다.
• 응결된 깨끗한 물방울들은 돔의 경사를 따라 흘러내려 솔라볼 하단에 있는 별도의 물 수집 트레이에 모이게 됩니다.
• 이 트레이에 모인 물이 바로 마실 수 있는 깨끗하고 안전한 식수가 됩니다.

쏠라볼

 

머니 메이커

땅 속의 물을 퍼 올려 넓은 밭에 물을 줄 수 있는 장치로 Money Maker Pump는 작은 농가 농부들과 물에 어려움을 겪고 있는 지역사회에게 활기를 불어넣는 혁신적인 물 펌프입니다.

머니메이커 펌프

작동원리

• 사람들의 발로 물을 지하원수, 우물 또는 물 웅덩이로부터 퍼올리기 위해 인간의 발판 에너지를 활용합니다.
• 농부들은 이 펌프를 쉽게 작동시키며, 물 접근성으로부터 가치 있는 자원인 물을 생산하는 것입니다.
• 농업용 물 펌프를 사용하면 농부들은 건조한 계절에도 작물을 키울 수 있으며 작물 생산량을 늘려 수입 기회를 향상시킬 수 있습니다.

 

빗물 저장장치

가장 일반적인 집수 방식은 지붕을 이용하는 것으로 빗물은 지붕에 떨어져 홈통(거터, gutter)을 따라 흐르게 됩니다. 또한 도로 주변이나 주차장 등에 빗물 전용 집수 시설을 설치하여 이용하기도 합니다.

 

작동원리

• 집수된 빗물에는 나뭇잎, 나뭇가지, 먼지, 새 배설물 등 다양한 이물질이 포함되어 있습니다.
• 홈통이나 빗물받이 입구에 메시 스크린이나 필터를 설치하여 큰 이물질을 걸러냅니다.
• 이물질이 제거된 빗물은 저장 탱크로 유입됩니다.
• 탱크는 햇빛 노출을 막아 조류(이끼) 발생을 억제하고, 해충 유입을 방지하기 위해 밀폐형으로 설계합니다.

빗물 저장장치

 

물은 우리의 생존과 건강을 넘어, 생활의 모든 영역에 걸쳐 필수적인 역할을 하고 있습니다. 물 부족 문제는 식량, 위생, 경제 등 전방위적인 위협이 될 수 있으므로, 물을 아끼고 보존하는 노력이 매우 중요합니다.