사실의 바다 밑바닥에서

엄청난 양의 메탄이 전 세계 해저와 해안에 갇혀 있습니다. 전 세계 과학자들의 관심사는 이러한 온실가스 배출원이 어디에 있으며 대기 중으로 방출되는 온실가스의 비율은 얼마인가 하는 것입니다. 알프레드 베게너 연구소 헬름홀츠 극지 및 해양 연구 센터(AWI)는 수중 질량 분석기를 사용하여 이러한 메탄 발생원을 조사합니다. 이 측정 시스템에서 인피콘의 Transpector® CPM이 핵심적인 역할을 합니다.

메탄(CH4)은 이산화탄소 다음으로 가장 유해한 온실 가스입니다. 시베리아의 영구 동토층 토양이 녹거나 해양에서 가스 하이드레이트가 분해되는 등의 티핑 포인트 효과로 인해 대기 중으로 더 높은 농도로 방출되고 있어 그 중요성이 점점 더 커지고 있습니다.

수중 시스템에서는 메탄이 형성되는 다양한 방법이 있습니다. 한편으로는 더 깊은 층의 메탄은 석유화학의 최종 산물입니다. 가스 저장소는 종종 석유 매장지 위에 위치합니다. 메탄은 퇴적물과 해저의 균열을 통해 표면에 도달할 수 있습니다.

또 다른 해저 메탄 발생원은 수중 시스템의 하부 퇴적층에서 유기 물질이 미생물에 의해 분해되면서 발생합니다.

기후 변화가 진행됨에 따라 온실가스를 저장하는 해양 퇴적물이 온난화되어 과포화 상태가 되면서 무색무취의 가스를 점점 더 많이 방출하고 있습니다. 따라서 수중 시스템의 농도에 대한 중요한 질문은 해저에서 얼마나 많은 메탄이 대기 중으로 방출되어 지구 탄소 순환에서 지구 온난화를 가속화하는가 하는 것입니다. 이 질문에 답하려면 해저 메탄 발생원을 자세히 분석해야 합니다.

수중 질량 분석기(UWMS)를 현장에서 사용하는 것이 이러한 목적에 적합합니다. 이 방법은 활성 메탄 누출의 위치를 파악하고 정량화하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 높은 농도에서 매우 짧은 반응 시간과 다른 방법보다 최대 750배 높은 용존 가스 농도 측정 속도입니다. 이러한 높은 데이터 밀도 덕분에 메탄 배출원의 공간적, 시간적 매핑을 보다 정밀하게 수행할 수 있습니다.

UWMS는 샘플링을 위한 멤브레인 유입 시스템과 수용성 기체 및 경질 탄화수소를 온라인 및 실시간으로 측정하는 센서 장치로 구성됩니다. 센서의 핵심은 질량 분석기입니다. AWI는 수생 시스템의 메탄 퇴적물 연구를 위해 오랫동안 인피콘의 트랜스펙터® CPM을 UWMS에 사용해 왔습니다. 이 시스템은 측정 정확도와 속도를 통해 수중 질량 분석기의 데이터 안정성과 사용자 편의성에 크게 기여하고 있습니다.

2022년 12월, 극지 연구 및 보급선 폴라스튼이 남대서양 사우스조지아 군도 근처에서 수중 질량 분석기로 메탄 공급원을 탐사하는 마지막 탐험을 떠났을 때에도 이런 일이 벌어졌습니다. 탐험이 진행되던 해에 취항 40주년을 맞이한 이 독일 쇄빙선은 세계에서 가장 강력한 극지 연구선 중 하나입니다. 폴라스테른은 1.5m의 북극 얼음을 일정한 속도로 통과할 수 있습니다. 따라서 세계에서 가장 강력한 극지 연구 선박 중 하나입니다. AWI 해양지구화학과의 과학자 토르벤 겐츠 박사와 엔지니어 말테 횐이 탑승하고 있습니다.

이 연구원은 남극 가장자리까지의 운송 손상으로 인해 UWMS가 작동하지 않는다고 보고했습니다. "어떻게든 조사를 진행하기 위해 인피콘의 담당자인 Steffen Tippmann에게 연락을 취했습니다. 선장이 우리 컴퓨터의 전체 데이터 볼륨을 전환한 후, Steffen Tippmann은 원격 문제 해결과 시스템 재보정을 통해 장치를 다시 가동할 수 있었습니다."라고 겐츠 박사는 서비스 요청에 대해 설명합니다.

"원격 유지보수는 특정 지점까지만 작동하고 그 이후에는 하드웨어에 접근해야 합니다. 하지만 AWI에는 영리한 과학자뿐만 아니라 숙련된 기술자들도 있습니다. 그들은 필요한 하드웨어 개입을 성공적으로 수행했고 나머지는 원격으로 완료했습니다."라고 Steffen Tippmann은 말합니다.

겐츠 박사는 2006년부터 UWMS 프로젝트에 적극적으로 참여해 왔기 때문에 이러한 신속하고 헌신적인 지원에 감사하는 방법을 잘 알고 있습니다. "우리는 2005년부터 AWI에서 이 장치를 사용해 왔습니다. 구매 배경은 기후 관련 데이터를 수집하는 데 사용할 수 있는 플랫폼을 개발하는 것이었습니다."라고 그는 회상합니다. 현재 사용되는 시스템은 무엇보다도 새로운 제어 장치와 새로운 진공 펌프가 있는 등 원래 장치와는 거의 관련이 없습니다. 겐츠 박사는 "유일하게 남은 기본 구성 요소는 인피콘의 CPM뿐입니다."라고 강조합니다.

"그 이후로 우리는 지속적으로 최적화해 왔습니다. 논문 중에 총 체적 흐름에서 수증기를 최대 95%까지 제거할 수 있는 크라이오트랩을 개발하여 검출 한계를 10배까지 개선할 수 있었습니다. 따라서 더 이상 100nmol/L가 아니라 10nmol/L 정도만 검출할 수 있게 되었습니다."라고 겐츠 박사는 강조합니다. 즉, 이러한 지역에서도 이 장치를 사용하여 유효한 데이터를 얻을 수 있습니다.

초기에는 어부들이 메탄이나 CO2의 배출 지점을 알고 있었다고 토르벤 겐츠 박사는 설명합니다. 어류 떼는 가스 거품이 올라오는 곳을 선호하기 때문에 어부들은 메탄이나 CO2가 배출되는 지점을 알고 있었습니다. 에코 사운더 측정과 같은 최신 방법을 통해 전 세계적으로 점점 더 많은 가스 배출 지점이 발견되고 있으며, 예를 들어 대륙 경사면에서도 발견되고 있습니다. 이러한 측정 장치는 선박 아래에 장착되어 해저를 측정합니다. 측정 기술이 통합된 ROV(원격 운영 차량) 또는 AUV(자율 수중 차량)는 해저의 초고해상도 측정을 위해 사용됩니다.

겐츠는 이 프로젝트와 수중 질량 분석기의 사용이 성공적이지만 지속적인 추가 개발이 필요하다고 설명합니다. "최근 몇 년 동안 말테 회른과 함께 시스템을 완전히 재구축했고, 그 결과 수심을 200미터에서 3000미터로 개선할 수 있었습니다." 이를 위해 이러한 수심에 적합한 티타늄으로 만든 완전히 새로운 압력 용기를 제작해야 했고, 시료 주입 시스템을 완전히 재설계해야 했습니다.

데이터 수집 후의 업무 분담은 명확합니다. "우리 과학자들은 발전 상황, 시나리오 및 가능한 결과만을 지적할 수 있습니다. 그러기 위해서는 먼저 시스템의 도움을 받아 그곳에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해해야 합니다." 물론 다음 단계에서 이러한 발견을 어떻게 활용하느냐는 완전히 다른 문제입니다. 이 과정에는 저명한 AWI 연구자들이 대거 참여하고 있습니다. 겐츠 박사는 처리된 데이터가 궁극적으로 IPCC 평가 보고서로 흘러들어간다고 말합니다.

이 보고서는 예를 들어 정치인들에게 제출됩니다. 독일 경제 전문가 협의회가 현재 상황을 기록한 보고서와 유사합니다. "그 후 어떻게 될지는 정치인들에게 달려 있습니다. 과학자로서 우리는 거기서 자유로워져야 합니다."라고 겐츠는 말합니다. 과학자들의 동기는 지구 기후 시스템에서 해양의 역할을 알아내는 것입니다. "우리는 온실가스인 메탄에 초점을 맞추고 이러한 관계를 가장 잘 측정할 수 있는 방법을 연구해 왔습니다."

컴팩트 공정 모니터(CPM) 시스템은 반도체 생산 및 SEMI 부문에서 공정 모니터링 및 제어와 오염 모니터링을 위해 자주 사용됩니다. FabGuard IPM 소프트웨어와 결합하면 산업에서 복잡한 시스템 솔루션을 구현할 수 있습니다. CPM 시스템은 연구, 화학, 재료 분석 및 물리학 분야에서도 사용됩니다. 폐쇄형 이온 소스의 장점은 여기서 빛을 발합니다. 공정 진공(공정 압력)에서 직접 이온화하거나 개방형 이온 소스보다 훨씬 높은 압력에서 이온화하는 데 사용할 수 있습니다. 이를 위해서는 CPM에 설치된 차동 펌프 시스템이 전제 조건입니다. 이는 대기압에서 고진공에 이르는 광범위한 분석 압력 범위를 커버하는 데 사용할 수 있는 가변식 전환식 유입 시스템으로 보완할 수 있습니다.

AWI와 같은 특수 응용 분야에서는 개방형 이온 소스보다 높은 압력에서 공정 가스가 이온화되는 폐쇄형 이온 소스의 이점을 활용하기도 합니다. 이를 통해 더 높은 이온 수율과 더 많은 수의 하전 입자를 얻을 수 있으며, 질량 대 전하 비율에 따라 4중극자에서 분리하여 표시할 수 있습니다. 그 결과 연구 또는 공정 제어에서 추가 처리를 위해 훨씬 더 정확하고 상세한 정보를 얻을 수 있습니다.