공기에서 물을 만들겠다…노벨상 수상 화학자의 대담한 도전

노벨 화학상 수상자 오마르 야기는 MOF라는 신소재를 이용해 대기 중 수분을 식수로 바꾸는 기술을 개발하고 있다.

오마르 야기(Omar Yaghi)는 조용하고 성실한 아이였다. 아홉 명이나 되는 형제자매와 어울리며 소란을 피우는 일도 거의 없었다. 그래서 부모는 그가 어느 정도 자라자 그에게 가장 중요한 집안일 중 하나를 맡겼다. 물을 길어 오는 일이었다. 요르단 암만의 팔레스타인인 거주 지역에 있던 대부분의 집과 마찬가지로, 야기 가족의 집에는 전기도 수도도 없었다. 지역 정부는 적어도 2주에 한 번씩 몇 시간 동안만 수도를 틀어 주민들이 물탱크를 채울 수 있게 했다. 어린 오마르는 그 시간에 맞춰 가족이 사용할 물을 받아오는 일을 도왔다. 수십 년이 지난 지금, 그는 당시 물을 받으러 가는 일에 한 번이라도 늦은 적이 없다고 말한다. 부모와 일곱 명의 형제, 두 명의 자매가 물 없이 지내게 될지 모른다는 두려움에 늘 시간에 맞춰 움직였다고 한다.

야기를 믿음직스러워했던 아버지는 가족이 운영하던 정육점에서 팔 소들이 얼마나 먹고 마시는지를 관리하는 일까지 그에게 맡겼다. 최상의 고기를 얻으려면 소가 충분히 먹고 물도 넉넉히 마셔야 했지만, 건조한 사막 환경에서 이는 결코 쉽지 않은 일이었다.

열 살 무렵, 야기는 전혀 다른 세상을 접하게 되었다. 쉬는 시간마다 몰려드는 소란스러운 아이들을 피하고 싶었던 그는 학교 도서관 문이 열려 있는 것을 발견하고 몰래 안으로 들어갔다. 화학 교과서를 이리저리 넘기다 그는 이해할 수 없는 그림 하나를 보게 되었다. 작은 공들이 막대기로 연결돼 매혹적인 형태를 이루고 있었다. 만물을 이루는 기본 단위인 분자를 나타내는 그림이었다.

야기는 “그게 무엇인지는 알 수 없었지만 강하게 끌렸다”며 “계속 그림의 의미를 알아내려 애썼다”고 회상했다.

그렇게 그는 화학의 세계로 들어서게 되었다. 어쩌면 화학이 그를 찾아왔다고 해야 할지도 모른다. 그는 미국으로 건너가 하버드 대학교에서 박사후 연구 과정을 마친 후 어린 시절 책에서 보았던 막대와 공에 완전히 새롭고 흥미로운 형태를 부여하는 일에 평생을 바쳤다. 그리고 2025년 10월 다른 두 과학자와 함께 금속 유기 골격체(metal-organic framework, 이하 MOF)를 규명한 공로로 노벨 화학상을 공동 수상했다. MOF는 금속 이온과 유기 분자가 결합해 규칙적으로 반복되는 결정성 골격 구조를 이루는 다공성 물질이다. 현재 이 연구는 공상과학 속 이야기나 기적처럼 들릴 법한 새로운 프로젝트의 토대가 되었다. 바로 공기 중에서 물을 만들어내는 기술이다.

처음 MOF 연구를 시작했을 때만 해도 야기는 이 물질이 기후 변화를 악화시키는 이산화탄소를 흡수하거나, 기후 친화적이지만 저장하기 까다로운 수소 연료를 안정적으로 저장하는 데 활용될 수 있을 것으로 생각했다. 그러나 2014년 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스에서 연구를 진행하던 야기의 팀에게 획기적인 아이디어가 떠올랐다. MOF 내부의 미세한 기공을 스펀지처럼 설계해 주변 공기 중 물 분자를 흡수했다가 약간의 열로 마치 스펀지를 짜내듯 물을 다시 방출하도록 할 수 있다는 발상이었다. 물을 흡수하는 MOF 1그램의 내부 표면적은 약 7,000제곱미터에 이른다.

대기 중에서 식수를 얻으려는 시도는 이전에도 있었다. 그러나 야기의 방식은 다른 기술에 비해 훨씬 낮은 습도에서도 물을 얻을 수 있었다. 이는 아직 규모는 작지만 향후 인류의 물 위기에 결정적인 역할을 할 신생 산업의 판도를 뒤흔들 잠재력을 지닌다. 야기가 설립한 회사 아토코(Atoco)는 현재 별도의 에너지원에 연결하지 않고도 거의 지구 어디에서나 깨끗하고 신선한 식수를 생산할 수 있는 두 가지 장치의 성능을 입증하기 위해 속도를 내고 있다.

야기는 아버지의 정육점 일을 도우며 체득한 강인한 끈기를 바탕으로 10년 넘게 이 목표를 추구해 왔다.

그는 “나는 그 가게에서 일을 완벽하게 해내는 법과 직업 윤리에 대해 배웠다”며 “일은 제대로 마치기 전까지 끝난 것이 아니고, 끝낼 수 없다면 시작하지 말라는 교훈도 거기서 얻었다”고 말했다.

지구 표면의 대부분은 물로 덮여 있지만, 그중 염분이 없는 담수는 약 3퍼센트에 불과하다. 염분이 없는 물은 모든 육상 생명체에 필수적이다. 오늘날 이스라엘과 아랍에미리트처럼 기술적으로 발전한 사막 국가에서는 바닷물에서 염분을 제거하는 담수화 시설로 식수의 상당 부분을 공급하고 있지만, 비용이 많이 든다는 문제가 있다. 담수화 시설은 물을 가열해 증류로 식수를 분리하거나 염분이 통과하지 못하는 막으로 여과하는 방식을 사용하는데, 두 방법 모두 많은 양의 에너지가 필요하고 고농도의 염수를 남긴다. 이렇게 발생한 염수는 보통 담수화 펌프를 통해 다시 바다로 방류되는데 이는 해양 생태계에 심각한 피해를 초래한다.

하이너 링케(Heiner Linke)노벨 화학상 위원회 위원장이 모형을 사용해 금속 유기 골격체(MOF)가 더 작은 분자를 내부에 가둘 수 있는 원리를 설명하고 있다. 2025년 10월 야기와 두 명의 과학자는 MOF를 규명한 공로로 노벨 화학상을 받았다.
JONATHAN NACKSTRAND/GETTY IMAGES

필자는 2025년 초 아토코 경영진과 이산화탄소 포집에 관해 이야기하던 중 대기 중의 수분을 포집할 수 있는 가능성에 대해 듣게 되었다. 그 순간 머릿속에는 자연스럽게 영화 <스타워즈>의 한 장면이 떠올랐다. 사막 행성 타투인에서 주인공 루크 스카이워커가 ‘증발기’를 이용해 공기 중의 수분을 끌어모으는 수분 농장을 운영하는 모습이었다(공상과학 소설을 좋아하는 사람이라면 《듄(Dune)》에 등장하는 사막 민족 프레멘의 집수 기술을 떠올릴지도 모른다). 과연 이런 일이 현실에서도 가능할까?

실제로 인류는 수천 년 전부터 공기 중의 수분을 활용해 왔다. 고고학적 증거에 따르면 안개에서 물을 모은 사례는 기원전 5,000년경까지 거슬러 올라간다. 고대 그리스인들은 이슬을 모았고, 약 500년 전에는 잉카 문명 역시 나무 아래에 그물과 통을 설치해 물을 받았다.

업계 분석가들에 따르면 오늘날 공기 중 수분을 포집하는 산업은 이미 수십억 달러 규모로 성장했으며, 향후 5년 안에 그 가치가 수십억 달러 더 늘어날 것으로 전망된다. 그 배경에는 기존 담수 공급원의 위기가 자리하고 있다. 겨울 기온 상승으로 산악 지역의 강설량이 줄어들면서 봄철 해빙수가 감소하면 이는 하류 지역의 수자원 감소로 이어진다. 가뭄은 해마다 기록을 경신하고 있다. 해수면 상승으로 농업과 도시 확장으로 이미 고갈된 지하 대수층에 바닷물이 스며들고, 노후한 정화조에서는 박테리아가 물로 유입된다. 여기에 발암 물질로 알려진 ‘영원한 화학물질(Forever chemicals)’, 즉 자연 분해가 매우 어렵고 환경과 인체에 장기간 잔류하는 인공 화학물질까지 더해져 문제를 악화시키고 있다. 미국 회계감사원(GAO)은 이에 대해 2024년 “납으로 인한 오염 이후 가장 심각한 물 문제일 수 있다”고 경고했다. 미세플라스틱으로 인한 새로운 위기까지 감안하면 상황은 더욱 심각해진다.

이런 이유로 많은 지역이 공기에 포함된 수증기를 모아 물을 얻는 기술로 눈을 돌리고 있다. 이스라엘에 본사를 둔 워터젠(Watergen)은 이 기술을 개발하는 기업으로, 처음에는 빈곤한 사막 지역에 기술을 보급할 계획이었다. 하지만 실제로 먼저 관심을 보인 것은 깨끗하고 안정적인 식수를 확보하려는 유럽과 미국의 구매자들이었다. 워터젠의 가장 큰 시장 가운데 하나는 부유국인 아랍에미리트다. 안나 체르냐프스키(Anna Chernyavsky) 워터젠 마케팅 부문 부사장은 “‘물 위기’란 단순히 물의 부족한 상태를 의미하는 것이 아니라 양질의 물에 접근할 수 있는지의 문제”라고 설명했다.

귀화 유(Guihua Yu) 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스 기계공학자는 이 기술에 대해 “실험실의 시제품 단계를 넘어 현장에 바로 적용할 수 있는 견고한 시스템으로 발전했다”며 “시스템 전체적으로 볼 때 생산성과 에너지 효율을 더 개선할 여지는 있지만 지금까지 꾸준히 이뤄낸 진전만으로도 충분히 고무적”이라고 평가했다.

MOF는 가장 최근에 등장한 신기술이다. 1세대 상업용 기술은 압축기와 냉매 화학물질에 의존했는데, 이는 가정에서 사용하는 냉장고를 확대한 것과 비슷하다. 두 장치는 모두 전기를 사용하며 배관과 열교환기를 통해 화학물질이 기체와 액체 상태를 오가게 하며 냉각 효과를 발생시킨다. 다만 가정용 냉장고가 결로 생성을 억제하려는 데 비해, 냉매 기반 물 생성기는 결로를 최대한 유도한다는 차이가 있다.

워터젠의 기술도 이러한 원리를 활용한다. 압축기와 열교환기를 사용해 습도 20% 수준, 즉 봄철 데스밸리(북미에서 가장 건조한 것으로 알려진 지역)와 비슷한 조건에서도 공기 중에서 수분을 포집한다. 체르냐프스키는 “말 그대로 사막 환경”이라며 “습도가 20% 아래로 내려가면 코가 건조해져 코피가 날 정도”라고 설명했다.

워터젠 장비는 시에라리온 프리타운에 있는 세인트 조지프 여학교에서 학생과 교직원에게 식수를 공급한다. 안나 체르냐프스키 워터젠 마케팅 부문 부사장은 “‘물 위기’란 단순히 물의 부족한 상태를 의미하는 것이 아니다. 양질의 물에 접근할 수 있는지의 문제”라고 설명했다.
COURTESY OF WATERGEN

그러나 이런 방식도 여전히 한계가 있다. 대기 중 수분 포집을 연구하는 유타 대학교의 기계공학자 사미어 라오(Sameer Rao)는 “냉각 기술은 상대습도가 일정 수준 이상일 때는 꽤 잘 작동한다”면서도 “환경이 점점 건조해져 상대습도가 낮아질수록 운영이 점점 더 어려워지고, 경우에 따라서는 냉각 기반 시스템이 사실상 작동하지 않기도 한다”고 말했다.

이러한 문제 의식은 2세대 기술의 등장으로 이어졌다. 소스 글로벌(Source Global) 같은 기업들은 비타민 약통에 들어 있는 실리카 팩처럼 공기 중의 수분을 흡수하는 물질인 흡습제를 이용해 수분을 끌어들인 후 열을 가해 이를 방출한다. 이론적으로 흡습제 기반 기술은 더 낮은 습도에서도 물을 흡수할 수 있고, 응축 시스템을 가동할 필요가 없어 초기 단계의 에너지 소비가 적다는 장점이 있다. 소스 글로벌은 전력 공급 없이 태양광으로 자체 구동되는 자사 시스템을 이미 수십 개국에 설치했다고 밝혔다.

하지만 이 기술을 가동하는 데에도 여전히 많은 에너지가 필요하다. 열교환기를 가동하거나 흡습제에서 물을 방출하기에 충분한 열을 만들어내야 하기 때문이다. 야기는 MOF가 이러한 한계를 극복할 수 있다고 믿는다. 현재 아토코도 이를 입증하기 위해 노력하고 있다. 아토코의 시스템은 공기의 온도를 이슬점까지 낮추는 열교환기나 대기 중 수분을 끌어당기는 흡습제 대신 특별히 설계된 MOF를 이용해 물 분자를 직접 포집한다. 아토코의 시제품에는 베이비 파우더처럼 보이는 MOF가 유리 같은 표면에 부착돼 있다. MOF의 기공은 자연스럽게 물 분자를 끌어들이면서도 막히지 않은 상태를 유지해, 이론적으로는 직사광선에서 나오는 정도의 열만으로도 물을 쉽게 방출할 수 있다. 아토코의 산업용 설계는 이 과정을 더 빠르게 하기 위해 전기를 사용하지만, 회사는 외부 에너지 공급 없이 완전히 독립적으로 작동하는 두 번째 설계도 개발 중이다.

MOF를 활용해 대기수 포집에 나서는 기업이 아토코만 있는 건 아니다. 경쟁사인 에어줄(AirJoule)은 텍사스와 아랍에미리트에 MOF 기반 대기수 생성기를 도입했으며, 애리조나 주립대학교 연구진과 협력해 앞으로 몇 달 안에 더 많은 장치를 배치할 계획이다. 이 회사는 원래 덥고 습한 도심에서 운행되는 전기버스를 위한 고효율 공조 시스템을 개발하려 했지만, 창립자인 맷 조어(Matt Jore)가 미국 정부의 대기수 포집 연구 소식을 접한 뒤 사업 방향을 바꿨다. 이 스타트업의 주가는 다소 불안정하지만 조어는 시장 규모 자체가 워낙 커 사업을 지속할 수 있다고 말한다. 실제로 피닉스와 그 인근 지역을 포함하는 매리코파 카운티만 해도 점점 고갈되는 지하 대수층에서 매일 12억 갤런(약 45억 리터)의 물을 끌어다 쓰고, 강과 같은 지표 수원(水原)에서 추가로 8억 7,400만 갤런(약 33억 리터)을 조달하고 있다.

필자에게 “하루에 수십억 갤런의 물이 사용된다”고 설명하던 조어는 흥미로운 사실을 알려주었다. “매일 대기 중으로 유입되는 물의 양이 얼마나 되는지 아세요? 250억 갤런(약 946억 리터)입니다.”

필자의 눈이 휘둥그레졌다. “전 세계적으로요?”

그는 “피닉스 대도시권에서만 하루 약 250억 갤런의 물이 대기 중으로 유입됩니다”며 이렇게 설명했다. “그걸 끌어다 쓸 수 있다면 그게 바로 수원이 되는 거죠. 이 물은 사라지지 않습니다. 전 세계 어디에나 있어요. 우리는 대기를 전 세계가 무료로 쓸 수 있는 수원으로 봅니다.”

에어줄이 아토코보다 먼저 시장에 진출했다는 점 외에도 두 회사는 MOF를 조달하는 방식에서 차이를 보인다. 에어줄의 시스템은 화학 대기업 바스프(BASF)에서 구매한 기성 제품으로 가동되는 반면 아토코는 야기의 소재 설계 역량을 바탕으로 다양한 용도와 지역에 맞춘 맞춤형 MOF를 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

마그누스 바흐(Magnus Bach) 아토코 사업개발 부문 부사장은 “이 계열의 소재를 처음 고안한 발명가가 우리와 함께하고 있고, 그의 버클리 연구실에서 나온 성과를 활용할 수 있다는 점을 고려하면, 우리는 다른 조건이 같을 때 세계 최고의 소재를 설계할 수 있는 매우 유리한 출발선에 서 있다”고 말했다.

야기는 두 종류의 제품군을 구상하고 있다. 하나는 전기로 이용해 하루 수천 리터의 물을 생산할 수 있는 산업용 물 생성기이고, 다른 하나는 태양과 주변 온도에서 얻는 에너지만으로 전력이 없는 오지에서도 작동하는 수동형 시스템이다. 이론적으로 이 장치들이 더 발전하면 앞으로 담수화 시설은 물론 도시 전체의 상수도 시스템을 대체할 수도 있다. 다음 현장 시험은 2026년 초 지구에서 가장 덥고 건조한 지역 중 하나인 모하비 사막에서 진행될 예정이다.

야기와 워터젠의 안나 체르냐프스키는 모두 상수도 시스템과 분리돼 별도로 작동할 수 있는 분산형 모델을 구상 중이라고 밝혔다. 옥상의 태양광 패널이나 배터리처럼 가정에 설치된 장치를 통해 전력망에 연결되지 않은 상태에서도 각 가정에서 스스로 물을 생산할 수 있게 한다는 아이디어다.

다만 규모의 경제를 통해 비용을 낮추지 않으면 이러한 목표를 달성하기 어렵다. 체르냐프스키는 “하나의 장비를 통해 물을 생산하고, 냉각하고, 여과까지 해야 한다”며 “이 모든 기능을 하나의 소형 장치에 담는 것은 아주 어려운 일”이라고 말했다.

이러한 어려움에도 불구하고, 야기의 유년 시절 경험은 그에게 전력망에 의존하지 않고 살아갈 수 있는 자유의 가치를 일깨워 주었다. 그는 사람들이 언제, 어떤 방식으로 물을 쓸 수 있는지가 정해진 시스템의 제약에 좌우되지 않고, 물이라는 가장 기본적인 필수 자원을 스스로 확보할 수 있어야 한다고 믿는다.

야기는 “나의 진정한 꿈은 사람들에게 자립을, 물에 대한 자립을 제공해 생계나 생존을 다른 누군가에게 의존하지 않도록 하는 것”이라고 말했다.

대화가 끝나갈 무렵, 필자는 만약 어린 시절의 자신을 만날 수 있다면 어떤 말을 해주고 싶을지 야기에게 물었다. 그는 “요르단은 물 부족 문제가 가장 심각한 나라 중 하나”라며 “‘성실한 태도를 유지하면서 세상을 주의 깊게 관찰하라’고 말해주고 싶습니다. 열정만 있다면, 어떤 일을 하는지는 중요치 않습니다”라고 말했다.

필자는 “이 기술을 설명하면 그 아이는 뭐라고 할까요?”라며 좀 더 구체적으로 물었다.

야기는 미소 지으며 “어린 오마르는 아마 당신이 자기를 속이고 있다고 생각할 겁니다. 이 모든 게 거짓말이고, 당신이 무언가 노리는 게 있다고 느끼겠죠”라고 답했다. 지금 야기는 어린 오마르의 상상력을 훌쩍 뛰어넘는 아이디어를 현실로 만들어가고 있다.

이 글을 쓴 알렉산더 C. 카우프만(Alexander C. Kaufman)은 에너지, 기후 변화, 오염, 비즈니스 및 지정학 분야를 10년 넘게 취재해 온 기자다.

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