나노기술 및 정책 정보

미국은 에너지 독립, 환경의 지속성, 경제적인 기회라는 세가지 에너지 문제에 직면했다.

 

지난 5년간 에너지부의 기초 에너지 과학실(Office of Basic Energy Sciences)은 대안 에너지 기술을 널리 이행하는 데 장애가 되는 요인이 무엇인지를 알려는 노력을 하였다. 연구 결과 분명해진 것은 도전의 크기가 너무 방대해서 기존의 방식으로는-이미 알고 있는 진보한 공학과 앞선 기술을 통한 진보-에너지의 미래를 확보하기가 충분하지 않다는 것이다. 도전에 대응하기 위해서는 현재의 가능성을 넘어서는 새로운 에너지 기술과 이의 이행을 가능하게 할 신 물질과 화학적인 과정에 대한 근본적인 이해와 과학의 도약이 필요하다. 이런 기술은 신 물질과 빛, 전기와 화학 연료 사이의 에너지 전이를 지배하는 화학 처리 과정에서의 과학적인 약진을 통해 나오는 것이다. 세가지 에너지 도전에 대응하기 위해선 기초 에너지 연구의 주요한 국가적인 유동성을(mobilization)을 동원해 기술과 공학과의 적절한 투자와 결합하는 일이 절실하다. 이를 통해 필요한 도약을 이룰 수 있으며 새로운 에너지 해법을 찾을 수 있다. 이 보고서는 전환되는 과학의 도약을 위해 필요한 3단계의 전략적인 목표를 확인했다.

 

l       태양에서 연료를 만든다

l       이산화탄소를 배출하지 않고서 전기를 생산한다

l       에너지 효율성과 사용을 혁명적으로 이룬다.

 

이런 새로운 에너지 기술은 새로운 물질과 화학적인 변화에 대한 통제를 필요로 한다. 현재보다 효율성이 두, 세배 높은 전기를 태양에서 변환하고, 10배나 더 많은 전기를 저장하는 전지나 supercapacitor를 만들거나, 석탄과 원자력을 이용한 발전소를 훨씬 높은 온도에서 높은 효율성을 내도록 운영하려면 원자 대 원자 설계와(atom to atom design) 통제력, 모든 원자가 특정한 기능을 하는 맞춤형 나노규모의 구조를 지닌 물질이 필요하다. 

 

이런 신물질과 화학 처리 과정을 만들어내려면 현재 수준을 넘어서는 단계에서 물질의 구조와 역동성을 특징짓는 일이 필요하다. 에너지를 잡고, 저장하며 방출하는 물리화학적 현상은 나노규모에서 발생하며 종종 단일 전자나 원자에서 민감한 변화와 관계하며, 현재 다룰 수 있는 것보다 훨씬 빠른 시간 척도(timescale)에서 이루어진다. 빛, 화학적인 결합, 전자 사이의 에너지 변형에 관한 비밀에 침투하려면 아주 작고(ultrasmall) 아주 빠른 (ultrafast) 영역에 아직 숨겨져 있는 것을 탐험할 새로운 관찰 도구가 필요하다.

 

이론, 계산, 진보한 시뮬레이션에 기초해서 복잡한 물질과 화학 변화를 근본적으로 이해하는 것이 새로운 에너지 기술을 창조하는 데는 필수다. 과학에서 혁신적인 진보가 이루어지기 위해선 복잡성의 각 차원에서 새로운 법칙의 발견이 필요하다고 노벨상 수상자 필립 앤더슨(Phillip Anderson)은 말한다. 그런 혁신(breakthrough)없이 미래의 기술은 실현되지 않을 것이다.

 

서문

안정적이고 지속적인 에너지의 미래를 상상하다

--유래 없는 효율성을 지닌 물질

--화학 변화를 좀 더 선택적으로 한다

--탄소를 땅으로 돌려보낸다

--더 안전하고 효율적인 원자력

--(디지털) 빛이 있으라

--건물을 위한 태양 경제

--하이브리드 전기 그리드

--진보한 수송

--태양 연료

--전기 수송

--실현되게 하라

성공으로 가는 길

권고사항