매년 여름이면 뜨거운 햇볕이 머리 위로 내리쬐고, 매년 내가 가장 필요로 할 때면 어김없이 차 에어컨이 고장 나곤 합니다. 하지만 올해는 해결책이 있습니다. 바로 소금입니다.
상변화 물질(PCM)은 녹는 데 많은 에너지가 필요하여 상변화 과정에서 에너지를 흡수할 수 있는 물질입니다. 제가 사용할 구체적인 PCM은 메릴랜드 대학교 학생들이 개발한 개량형 글라우버염으로, 21°C에서 녹습니다. 이는 덥게 달궈진 차 안의 온도에 적합하며, 냉장고에서 쉽게 다시 얼어붙습니다.
황산나트륨을 제외하고는 필요한 재료들을 모두 동네 슈퍼마켓에서 구할 수 있었습니다.
재료
도구
글라우버염이 얼마나 필요한지 알아내려면, 차량을 얼마나 오랫동안 냉각시키고 싶은지 파악해야 합니다. 미국 국립재생에너지연구소(NREL)에 따르면 소형 세단의 경우 대략 1kW의 냉각 능력이 필요한 것으로 나타났으며, 이는 30분 주행에 약 1800KJ의 냉각 에너지(1000×60×30)가 필요함을 의미합니다.
냉장고가 액체를 5°C까지 충분히 냉각시킬 수 있다고 가정하고, 차량 실내 온도를 30°C 미만으로 유지하고 싶다면, 25°C의 온도 변화와 글라우버염을 녹이는 데 필요한 에너지가 계산됩니다. 연구 논문의 데이터를 활용하면 고체 상의 비열은 2.8 J/g이고 용융 잠열은 170 J/g이므로, 이를 결합하면 글라우버염 1g이 240 J (2.8 × 25 + 170)의 냉각 효과를 낼 수 있다는 것을 알 수 있으며, 이는 제가 직접 제작한 열량계 장치를 통해 독립적으로 검증했습니다. 제거해야 할 에너지 양을 1g이 제거할 수 있는 에너지 양으로 나누면, 약 7.5kg의 글라우버염이 필요하다는 것을 알 수 있습니다.
실제로는 냉각 효과가 훨씬 국소적이어서 8킬로그램은 필요하지 않았지만, 이 설비를 수정하여 객실 전체를 냉각시키고자 한다면 8킬로그램이 필요할 것입니다.
이 레시피는 연구원의 레시피를 시중에서 구할 수 있는 재료로 개량한 NightHawkInLight의 아이디어에서 영감을 받았습니다. 재료는 물 5컵, 황산나트륨 1컵, 식용 소금 1/4컵, 잔탄검 4티스푼으로 구성됩니다. 이 혼합물로 글라우버염을 1킬로그램 조금 넘게 만들 수 있는 것으로 보입니다.
황산나트륨, 식용 소금, 물을 모두 섞은 뒤 가열하면서 가끔 저어주어 잘 녹도록 합니다. 냄비에 소금이 약간 남게 되는데, 이는 정상입니다. 저는 그릴을 이용해 가열했지만, 용액을 오랫동안 끓이기에는 역부족이라는 것을 알게 되었습니다. 이는 다음 단계에서 중요한 요소이므로, 핫플레이트나 가스레인지를 사용하는 것을 추천합니다. 이 단계는 실내에서 진행해도 되지만, 작업 후에는 반드시 깨끗이 청소해 주세요.
용액이 끓기 시작하면 잔탄검을 넣고, 용액을 30분 더 끓이세요. 증점제가 들어간 용액은 끓어넘치기 쉬우니 주의하세요. 저처럼 우스꽝스럽게 큰 냄비를 사용했음에도 이런 일이 발생했으니까요. 용액은 식으면 젤리 같은 상태로 변하는데, 이는 글라우버염 결정이 뭉쳐서 용액 밖으로 침전되는 것을 방지해 주기 때문에 중요합니다. 제가 사용한 그릴이 혼합물을 제대로 가열하지 못해 실제로 이런 일이 발생했습니다. 하지만 PCM은 여전히 작동하며, 사용 전에 소금을 다시 용액에 녹이기 위해 약간 저어주기만 하면 됩니다.
글라우버염이 식은 후에는 지퍼백에 담아 두세요. 이렇게 하면 냉찜질팩으로 훨씬 더 편리하게 사용할 수 있을 뿐만 아니라 냉장고에 깔끔하게 보관할 수 있습니다.
소금이 얼었으니 이제 차 안에서 몸을 식히는 데 쉽게 활용할 수 있습니다. 저는 지퍼백에 담은 소금을 선풍기가 돌아가는 5갤런 양동이에 넣고, 에어컨을 켜지 않은 채 30분 동안 운전해 봤는데, 꽤 시원함을 느낄 수 있었습니다. 하지만 지퍼백을 무릎 위에 직접 올려두는 것이 선풍기보다 훨씬 더 효과적이었고, 예상했던 것보다 훨씬 더 오랫동안 시원함을 유지해 주었습니다. 이렇게 하면 냉각 효과가 국소적으로 집중되기 때문에 소금이 차 안 전체가 아닌 몸만 식혀주면 되기 때문입니다. 차 안이 꽤 더웠기 때문에, 앞으로는 소금과 공기의 열전도율을 높일 방법을 찾아보고, PVA 마이크로캡슐화 기술을 활용해 성능을 개선하고 증점제 사용을 없애볼 생각입니다. 하지만 당분간은 이 방법이 고장 난 에어컨을 대체할 저렴한 해결책으로 제 역할을 톡톡히 해줍니다.
제가 참고한 연구 논문과 레시피의 영감을 준 자료, 그리고 자동차를 식히는 데 필요한 에너지 양에 대한 출처는 아래 링크에 있습니다.
원문: https://www.instructables.com/How-to-Cool-Your-Car-With-Salt/
https://www.instructables.com/How-to-Cool-Your-Car-With-Salt/