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저장대학, 1일 1천년 시뮬레이션하는 시공간 압축 실험실 구축

최근, 저장(浙江)대학 초중력 원심분리 시뮬레이션 및 실험 장치(CHIEF) 프로젝트 실행가능성 연구 보고서가 국가발전·개혁위원회 허가를 받았다. 해당 프로젝트는 항저우(杭州) 위항구(余杭區) 미래과기성(未來科技城)에 위치했으며 구축 시간이 5년이고 부지면적은 약 59,333㎡이며 총투자액은 20억 위안(한화로 약3,326억)을 초과한다. CHIEF는 "시공간 압축" 기능을 보유하고 있기에 "시간 초월"을 구현할 수 있어 1일에 1천년을 시뮬레이션할 수 있을 뿐만 아니라 실험실에서 "고속철 운행"을 구현할 수 있다. CHIEF는 "국가 중대 과학기술 인프라 시설"로서 대형 복잡성 과학연구 장치 또는 시스템을 의미하며 국가 과학기술 발전을 추진할 수 있는 "중요한 장비"이다. CHIEF와 동등한 수준의 장치로는 베이징 전자-양전자충돌기, 상하이광원(光源), 톈옌(天眼) FAST 전파망원경 등이 있다. CHIEF 프로젝트는 “13.5계획" 기간에 10개 국가 중대 과학기술 인프라 시설 프로젝트 중 하나이다. 표준 중력을 초과하는 중력을 초중력이라고 한다. 초중력 환경조건에서 신기한 효과가 발생할 수 있다. 초중력 환경 조건에서 과학자들은 표준 중력 환경 조건에서 완성하기 어려운 아주 많은 실험을 완성할 수 있다. 초중력장은 "비례 축소" 작용을 보유하고 있으며 초중력장에는 또한 "시간 단축" 효과가 존재한다. 과학자들은 해당 특성을 이용하여 실험 시간을 대폭 단축시킬 수 있다. 초중력 원심분리기에 토양 오염물질 전이 실험 장치를 장착하면 오염물질이 지하에서의 대규모, 장기적 이동을 시뮬레이션할 수 있다. 만약 현실에서 오염물질 전이를 연구하려면 수천 년이 소요되지만 초중력장에서 해당 시뮬레이션 실험을 수행하면 1일 시간이 소요된다. 연구팀은 CHIEF 예비연구 단계에 초중력을 이용하여 "고속열차 운행 동력 효과 테스트 시스템" 등 연구를 수행하였다. 해당 시스템의 설계는 고속열차가 중국 동남부 연해의 깊고 두터운 연질토양 지역에서 운행시 지반침하를 통제하기 위한데 있다. 현실에서 해당 실험을 수행하려면 거대한 자금 및 시간이 소요되지만 초중력 환경의 "비례축소", "시간단축" 효과를 이용하면 작은 모형으로 1시간 동안에 현실에서의 고속철 운행을 시뮬레이션하여 각종 방안을 연구·검증할 수 있다. 해당 "실험실에서의 고속철 운행" 프로젝트는 2017년 "중국 대학 10대 과학기술 진전"에 입선되었다. CHIEF의 용량은 1,900g·t에 달할 예정인데 이는 현재 세계 최대 원심분리기 용량 1,200g·t(중력가속도×t)을 훨씬 초과한다. CHIEF는 순간 상태에서 1만 년 시간, 원자급에서 1Km급 공간, 상온에서 고온고압 등 다상(Poly phase) 매질 운동의 실험 환경에 적합하다. 기존에 저장대학은 CHIEF의 "미니 버전(Mini version)" 장치 ZJU400를 건축공학실험실 지하실에 구축하였다. ZJU400의 "팔(Arm)" 길이는 4.5m이며 2개 회전축에 각각 1개 변의 길이가 1m인 큐브형 실험창을 탑재하였는데 실험창의 최대 지지 하중은 3t이다. ZJU400가 일정한 회전속도에 도달한 후 원심력의 작용으로 실험창에 초중력장이 형성된다. ZJU400은 원심가속도가 150배 중력가속도에 도달할 수 있는 원심분리기이다. 향후 구축하게 될 CHIEF의 회전팔 반지름은 9m에 도달하고 실험창은 3m, 최대 지지 하중은 32t에 도달할 예정인데 이는 ZJU400의 최대 지지 하중의 10배에 해당된다. CHIEF를 지하실에 설치하는 목적은 원심분리기 상부에 탑재된 행잉 바스켓(Hanging basket)이 고속 회전하기에 안전성을 확보하기 위한데 있다. 그러나 고속 회전 환경에서 사람이 직접 실험창에서 실험을 조작할 수 없다. 이에 대비해 실험창에 기계팔을 설치하였으며 모든 작동은 중앙제어장치의 통제에 의해 수행된다. 지하실에 많은 센서를 설치하였기에 검출된 신호 및 데이터는 제어실에 전달될 수 있다. CHIEF의 구축은 미니 버전 ZJU400에 존재하는 원심력이 클수록 하중 지지량이 적고 불평형 저항 능력이 낮은 단점을 보완할 수 있다.

중국과학원 지구빅데이터공유플랫폼, 5PB의 데이터 공유 가능

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최근 중국과학원은 "지구 빅데이터 과학프로젝트"의 2018년도 주요 성과인 지구 빅데이터 공유 서비스플랫폼을 발표하였다. 지구 빅데이터 공유 서비스플랫폼은 다분야 대량 데이터를 통합시킨 서비스데이터 구동형 과학발견 및 의사결정 지원 과학플랫폼이다. 해당 플랫폼은 공유의 방식으로 전세계 사용자에게 전역 고유식별자(GUID) 정규화 지구 빅데이터를 체계적, 다원화, 동적, 연속적으로 제공한다. 또한 데이터, 컴퓨팅, 서비스를 통합시킨 데이터 공유 시스템 구축을 통해 지구과학 데이터 공유의 신모델 형성을 촉진한다. 현재 동 플랫폼에 탑재된 공유 데이터 총량은 약 5PB에 이르는데 그중 지구관측 데이터가 1.8PB, 생물생태 데이터가 2.6PB, 대기해양 데이터가 0.4PB, 기초지리 데이터 및 지상관측 데이터가 0.2PB를 차지한다. 한편으로 층서학 및 고생물 데이터베이스에 기록된 49만 개 데이터, 중국 생물종 목록의 360만 개, 미생물자원 데이터베이스의 42만 개, 오믹스학 관련 10억 개 데이터를 공유하였다. 이번에 발표한 지구 빅데이터 공유 서비스플랫폼은 2개 핵심시스템 즉, 데이터 공유 서비스시스템과 CASEarth Databank 시스템 그리고 1개 지역시스템 즉, 디지털 실크로드 지구빅데이터시스템이다. 2개 핵심시스템 중 하나인 데이터 공유 서비스시스템은 지구 빅데이터 특별프로젝트의 데이터자원을 공개·공유하는 관문(gateway)이다. 현재 동 서비스시스템은 5PB 데이터에 대한 온라인 검색, 조회, 다운로드 등 공유서비스를 제공하고 있다. 다른 하나의 핵심시스템인 CASEarth Databank 시스템은 긴 시계열의 다원 지구관측데이터 즉석활용 제품군을 제공한다. 예를 들면 1986년 중국 측지위성 지상국 설립 이후 20만 개 장면 총 240만 개 제품, 가오펀(高分)위성 1/2 및 즈위안(資源)3호 위성 등에 기반한 2m 해상도의 중국지도, 국내외 위성 데이터로 작성한 30m 해상도의 세계지도, 중점지역 서브미터급 즉석활용 제품군 등을 제공한다. 이외, 디지털 실크로드 지구빅데이터시스템은 "일대일로" 지역의 자원, 환경, 기후, 재해, 유적 등 테마 데이터세트 94개, 자체 지식재산권 데이터 제품 57종, 120TB(테라바이트)를 초과하는 공유 데이터를 보유하고 있다. 현재 동 시스템은 페타바이트(Petabyte)급 하드웨어/소프트웨어 환경을 갖추었고 중국어, 영어, 프랑스어 등 다중 언어 버전으로 국제 관련 기관에 공유하고 있다. 현재 하드웨어 조건의 지속적인 개선으로 지구 빅데이터 공유 서비스플랫폼의 데이터는 지속적으로 온라인화 될 전망이고 해마다 3PB에 달하는 데이터를 업데이트할 예정이다.

중국, 최초로 5G 전송 4K 초고화질 텔레비젼 구현

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2018년 1월 13일, 차이나모바일, 화웨이(華為)회사와 공동으로 광둥(廣東)성 선전(深圳)시에서 5G 네트워크 4K 텔레비전 전송 테스트에 성공적으로 중앙라디오텔레비전방송총국에서 구축하였다.  이번 전송 테스트에서 차이나모바일의 5G 테스트 네트워크를 통하여 중앙텔레비전방송총국 춘절연합만회(음력설 특집방송) 선전 분회장(分會場)의 4K 초고화질 신호를 중앙라디오텔레비전방송총국 베이징(北京) 기계실에 전송함과 아울러 중앙라디오텔레비전방송총국 4K 초고화질 베이징 신호를 선전 분회장의 중앙라디오텔레비전방송총국 4K 초고화질 중계차에 전송하여 실시간 신호 전송을 구현함으로써 2019년 춘절연합만회 5G 기술의 응용에 기술 검증 및 준비에 기반을 마련하였다. 2018년 12월 28일, 중국 첫 5G 기술 기반 국가급 뉴미디어 플랫폼을 중앙라디오텔레비전방송총국에서 구축하기 시작했다. 당일, 중앙라디오텔레비전방송총국은 차이나텔레콤, 차이나모바일, 차이나유니콤, 화웨이회사와 공동으로 5G 뉴미디어 플랫폼 협력 구축협약을 체결하여 중앙라디오텔레비전방송총국 5G 미디어 응용 실험실 구축이 가동되었고 현재 이미 실험실 계획 설계 및 시스템 준비를 기본적으로 완성하였으며 5G 네트워크 기반 4K 초고화질 비디오 전송, 4K VR생방송 제작, 4K 비디오 모바일 편집 및 4K 채널휴대폰 스크린 투영 등 다양한 응용 실험을 지원할 수 있게 되었다. 중앙라디오텔레비전방송총국 5G 뉴미디어 플랫폼 구축 계획에 근거하여 2019년 중화인민공화국 전국인민대표대회 및 중국인민정치협상회의 기간에 5G 미디어 응용 실험실을 가동하여 5G 관련 응용 정규화 테스트, 체험 및 전시 플랫폼을 형성하고 4K 초고화질 비디오 및 오디오 프로그램 백홀(Backhaul) 및 생방송을 지원하는 5G 전문기술 연구개발을 수행할 전망이다. 또한 10개 시범 도시에서 4K 초고화질 비디오 신호 5G 생방송을 구현할 예정이다.

상하이교통대, 세계 첫 궤도각운동량 도파로 광자칩 개발

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최근 상하이교통대학 진셴민(金賢敏) 연구팀은 세계 첫 궤도각운동량(Orbital Angular Momentum, OAM) 도파로 광자칩을 개발하였다. 이로써 최초로 광칩에서 광자OAM 자유도를 확보할 수 있는 광도파로를 구축함과 아울러 도파로에서 광자OAM의 고효율 고충실도 전송을 구현하였다. 해당 성과는 광통신 및 양자컴퓨팅 등 분야에 널리 응용될 전망이다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 특집기사로 발표되었다. 최근에 "도넛" 모양으로 분포된 강도 구조, 나선형 파면의 위상구조 및 OAM의 독특성을 보유하고 있는 꼬임광선(twisted light)은 광학조작, 광학집게(optical tweezer) 등 분야에 광범위하게 응용되고 있다. 뿐만 아니라 OAM은 빛의 스핀각운동량과 달리 무수한 위상학적 전하(topological charge) 및 내재적 직교성을 보유하기에 통신시스템의 채널 용량 긴축 문제 해결에도 이용할 수 있다. 이외 양자정보 등 분야에서 광자 OAM은 고차원 양자상태 분배 및 고차원 양자컴퓨터 구축에 응용 가능하다. 하지만 대규모 OAM 응용에 앞서 전송, 발생, 조작 등을 통합시켜야 하는데 기존 연구는 칩에서 OAM을 구현하지 못했다. 연구팀은 펨토초 레이저 직접묘화 기술을 통해 최초로 도파로 횡단면이 "도넛" 모양인 3차원 집적 OAM 도파로 광자칩을 개발하였다. 연구팀은 칩에서 나온 꼬임광선과 기준 광의 간섭 측정, 칩 전/후 상태에 대한 투영 측정을 통해 도파로가 저차(low order) OAM 모드를 고효율 고충실도 전송하며 전송효율은 전반적으로 60%에 도달할 뿐만 아니라 고차 모드를 저차 모드로 전환시킬 수 있음을 실험적으로 검증하였다. 뿐만 아니라 기존의 2비트 "큐비트(qubit)" 상태를 초과한 3비트 "큐트릿(qutrit)" 상태를 고충실도 전송할 수 있어 해당 도파로가 고차원 양자상태 전송 및 제어에 이용 잠재력이 있음을 설명한다.

중국과기대, 중국 첫 양자컴퓨터 제어 시스템 개발

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최근, 중국과학기술대학 궈광찬(郭光燦) 연구팀은 반도체 및 초전도양자비트에 기반한 장기적 연구를 통하여 간소화하고 고효율적인 양자컴퓨터 제어 시스템을 개발하여 양자 칩에 대한 조절 제어를 구현함과 아울러 양자 칩의 성능 우위를 발휘할 수 있게 하였다. 해당 시스템을 번위안(本源) 양자 계측제어 통합 장비라 명명하고 2018년 12월 6일 공식적으로 발표하였다. 양자컴퓨터는 복잡한 시스템으로서 핵심 칩 외에도 조작 제어 시스템은 중요한 핵심 소자이다. 현재 절대다수 양자컴퓨터 개발팀은 상업용 계기장비를 이용하여 자체로 양자컴퓨터 제어 시스템을 구축하고 있다. 그러나 전통적인 과학계기는 오직 단일한 신호 출력 또는 수집 임무를 담당하며 높은 생성 원가, 낮은 호환성, 기능 중복, 집적 어려움 등 문제점이 존재한다. 상기 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 반도체 및 초전도 양자 비트에 대한 혁신적 이용 및 개발을 수행하여 간소화, 고효율 양자 컴퓨터 제어 시스템-번위안 양자 계측제어 통합 장비 OriginQ Quantum AIO를 개발함으로써 모든 양자컴퓨터 제어 시스템의 기능을 한대의 양자 칩에 대한 제어를 완정하게 구현할 수 있는 장비에 통합시켰다.

"지린 1호" 위성망, 궤도운행 중 위성 총 12개 보유

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2019년 1월 21일, 중국은 주취안(酒泉)위성발사센터에서 창정(長征) 11호 운반로켓으로 "지린(吉林) 1호" 광스펙트럼 01&02 위성을 성공적으로 예정궤도에 진입시켰다. 이번 임무는 "지린 1호" 위성 프로젝트의 다섯 번째 및 창정계열 운반로켓의 299번째 발사이다. 이번에 발사한 두 위성은 기존의 "지린 1호" 위성망을 형성할 예정이다. 이로써 "지린 1호" 위성망은 창광(長光)위성기술유한회사의 개발한 궤도운행 중 위성 12개를 보유하였다. 이번에 발사한 "지린 1호" 스펙트럼 01&02 위성은 각각 "지린린차오(林草) 1호"와 "원창(文昌)슈퍼컴퓨팅 1호"이며 신형 다중스펙트럼 위성에 속한다. 두 위성은 "지린 1호" 위성의 성숙한 독립장치 및 기술토대를 충분히 계승하였고 다중스펙트럼 이미징 장치 및 단파, 중파, 장파 적외선 카메라 등 하중을 탑재하여 위성자체적 지능처리시스템을 보유하였기에 5m 해상도, 110km 관측폭, 26개 스펙트럼 대역의 원격관측 데이터를 획득할 수 있다. 이 두개의 위성은 26개 스펙트럼 대역의 원격감지 데이터를 획득할 수 있으며 기존의 "지린 1호" 위성에 비해 20개나 더 많은 스펙트럼 대역을 보유하기에 임업 분야에서 활엽림 및 침엽림 만의 구분에서 어떤 수종인지를 구분할 수 있는 능력을 갖추었다. 임업분야와의 심층 협력으로 개발된 광스펙트럼 01 위성은 임구의 수종 구성 분석, 임업화재 조기경보, 병충해 식별, 황막화 방제 등 분야에서 고효율적이고 정밀한 응용 서비스를 제공할 예정으로 중국의 임구 원격 모니터링 능력을 대폭적으로 향상시킬 전망이다. 광스펙트럼 02 위성은 창광회사와 하이난성(海南省) 원창시, 항천슈퍼컴퓨팅센터가 공동 투자해 개발한 위성으로 초대규모 해역에 대한 쾌속 커버링이 가능해 관측해역의 정밀 기초정보를 적시로 획득할 수 있다. 해당 위성은 주로 해양생태 모니터링, 해양자원 탐사 등 업무에 전방위적 원격관측 정보를 지원함으로써 중국의 해양 원격 정보화 수준 향상을 더한층 촉진할 예정이다. 해당 위성은 하이난자유무역구(항)의 첫 번째 운영 중 상업위성이다. "지린 1호" 위성망은 지금까지 선후하여 20,000번 이상의 촬영임무를 수행하였고 누계로 10개 이상 국가, 20개 이상 업종, 100개 이상 기관에 다양한 유형의 원격관측 정보서비스를 제공하였을 뿐만 아니라 전세계 어떠한 지점도 하루에 2번 내지 4번 방문할 수 있고 일당 200개 이상의 표적을 관측할 수 있는 능력을 갖추었다. 이외에, "지린 1호" 광스펙트럼 위성은 창광회사와 교통운수부 수상운수과학연구원이 공동 개발한 "수이윈(水運) 1호" 하중을 탑재하였다. "수이윈 1호"는 위성하중 개발, 탑재 발사, 관측데이터 전송 등 핵심문제를 해결하였다. 또한 위성-하중 통합화 기술, 궤도상 지능처리 기술을 도입해 단일 위성을 이용한 무선통신 유도, 다중 스펙트럼 원격탐사(주위성 동원) 등 우주실험 기능을 동시에 구현하였다. "수이윈 1호"는 세계 최초의 민간 상업위성 기반 궤도상 지능적 선박 추적·촬영용 위성하중이다. 이 또한 중국 수상운수업계 최초로 구축한 자체재산권을 보유한 독자개발 첨단기술우주실험플랫폼이다. "수이윈 1호"는 위성자체적 지능처리시스템을 갖추었기에 향후 선박 무인조종, 극지 항해 지원, 해상 오염방지, 원양 응급구조 등 분야의 통신유도 원격우주과학실험에 사용 가능하다. 또한 범위성망 데이터 네트워킹을 실험적으로 검증하는 외, 위성의 시간해상도를 향상시킬 전망이다.

톈궁 2호, 감마선폭발 최적 편광 관측 결과 획득

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2019년 1월 15일 중국유인우주공정판공실(CMSEO)에 의하면, 톈궁(天宮) 2호 우주실험실에 탑재된 감마선 폭발 편광 탐측기는 감마선 폭발 순간 복사의 고정밀도 편광 탐측을 성공적으로 완성하였다. 해당 연구성과는 "Nature Astronomy"에 온라인으로 게재되었다. 이번에 발표한 성과는 20세기 60년대 감마선 폭발을 발견한 후 획득한 최적 편광 관측 결과로서 블랙홀 형성 및 초상대론적 제트(Jet) 생성 등 기본 천체물리 과정을 더욱 잘 파악하여 우주의 극한 물리적 환경 및 조건에서 기초 과학 문제를 연구하는데 중요한 역할을 발휘할 전망이다. 2016년에 발사된 톈궁 2호는 14개 항목의 국제과학 프런티어 및 첨단기술 발전 방향의 우주과학 및 응용 임무 연구를 수행하였다. 그중 중국과 유럽이 공동으로 개발한 세계 첫 대면적, 대시야 필드, 고정밀도 감마선 폭발 편광 탐측기가 포함되는데 이는 중국 유인우주선공정의 전형적인 국제 협력 프로젝트이다. 궤도상 운행 기간에 감마선 폭발 편광 탐측기는 양호한 성능, 정확한 보정으로 전부의 궤도상 관측 임무를 완성하였다. 해당 탐측기는 모두 55개 감마선 폭발을 탐측하였으며 그중 5개 감마선 폭발에 대하여 고정밀도 편광 측정을 수행하였다. 이는 현재까지 세계에서 가장 큰 고정밀도 감마선 폭발 편광 측정 샘플이다. 또한 감마선 폭발 기간 평균 편광도가 약 10%로 비교적 낮았고 감마선 폭발 단일 펄스 내 편광각 진화 현상도 발견하였다. 해당 관측 결과는 감마선을 생성하는 초상대론적 제트 내부 진화가 편광각의 쾌속적인 변화를 유발하기에 관측된 감마선의 평균 편광도도 비교적 낮음을 의미한다. 상기 발견은 새로운 과학문제를 제안하였다. 스위스, 독일, 폴란드 등 국가에서는 이미 감마선 폭발 편광 탐측기 후속 국제 협력팀을 구축하였으며 스웨덴, 일본 등 국가에서도 협력 의향 및 기여 방식을 제안하였다. 국제 협력팀은 이미 중국 우주정거장 후속 실험 "감마선 폭발 편광 탐측기 2호" 제안서를 제출하였다. 이는 블랙홀 형성 및 초상대론적 제트 생성 등 중대 과학문제를 해결하는데 핵심적인 기여를 할 전망이다.

창어 4호, 달에서 인류사상 최초로 목화씨 발아 성공

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2019년 1월 15일, 중국은 창어 4호가 달표면에서 인류사상 최초로 목화씨를 발아시키는데 성공하였다고 발표하였다. 과학보급용 생물시험하중은 지름이 173mm이고 높이가 198.3mm인 고도로 밀봉된 원통형의 내압용기이다. 고성능 알루미늄합금에 방부식 처리된 생물시험용기는 구조 모듈, 열제어 모듈, 컨트롤 모듈, 광선유도 모듈, 생물 모듈 등으로 구성되었고 내부에 감자, 애기장대, 유채, 목화, 초파리, 효모 등 6종 생물 외에 물 18ml, 토양, 공기, 열원 및 2개 감시카메라를 탑재하였다. 생물시험용기의 총무게는 2.608kg이고 생물성장 공간은 약 1리터에 달한다. 생물시험용기는 창어 4호가 달에 착륙한 첫날인 2019년 1월 3일 23시 18분에 전기작동을 시작해 생물성장발육 모드에 진입하였고 1월 12일 20시에 마지막 한 장의 사진을 전송한 뒤 1월 12일 20시 03분 34초에 지상의 명령에 따라 작동을 멈추었다. 생물시험용기 내부 사진에서 목화씨의 새싹은 자람새가 좋았다. 작동 중지와 더불어 생물시험용기 내부의 6종 생물은 이번 과학보급용 시험 임무를 완료하고 -52℃의 달의 밤온도 환경에서 냉동상태에 들어간다. 가동되어서부터 작동중지까지 누계 212.75시간에 생물시험용기는 종자를 순조롭게 발아시켜 설계지표를 달성하였고 일부 지표는 설계 기대치를 초과하였다. 고도의 진공, 높은 온도차, 강한 복사 등 열악한 달 환경에서 첫 그루의 식물 새싹을 재배한 것은 인류 최초의 달표면 생물배양시험 성공을 의미한다. 창어 4호에 탑재된 6종 생물은 달표면의 저중력, 강한 복사, 높은 온도차 등 극한 조건을 대비해 선택된 내고온, 내동성(freezing resistance), 복사 저항, 간섭 방지(anti-interference) 등 특성을 지닌 동식물이다. 그리고 생물다양성을 확보하기 위해 각 영역에서 대표적인 생물을 선별하였다. 최종 시험결과, 내고온 목화씨는 발아에 성공하였지만 나머지 내저온 종자는 발아에 실패하였다. 이번 시험은 생물 휴면, 운반도중 요동침, 급수 관리, 밀봉 관리, 월면 채광 등 5대 난제를 극복하였다. 연구팀은 구조 분석, 밀봉재료 성능 최적화 등 다양한 방법을 통해 장기적 -57℃ 저온에서의 미세한 공기 누출 현상을 해결하였다. 또한 -60℃에서 -80℃ 온도범위에서 과학보급용 하중이 생물생존에 적합한 온도를 안정적으로 유지하도록 하기 위해 20여 번의 열방안 설계 및 최적화를 통해 최종적으로 반도체냉각기, 전기가열기, 방열판 및 단열 조치를 결합시키는 방식을 채택해 내부 지능화 온도제어를 달성하였다. 달에서의 광합성작용 상황을 파악하기 위해 용기에 구멍을 뚫고 광선유도관으로 태양광을 끌어들이는 기법으로 용기 내 생물이 빛을 받게 하였다. 연구팀은 여러 번의 실험을 통해 유도관의 방위와 각도를 특수하게 설계함으로써 달표면 분진에 의한 유도관 막힘을 회피하였다. 급수시간을 정확하게 통제하기 위해 물저장실에 18ml 생물전용 물을 담은 물주머니와 전자펌프를 비치하고 물호스 입구를 신형 용제로 막음으로써 달에서만 물이 생물보관실 표면으로 방출되어 생물성장에 필요한 수분을 공급하도록 하였다. 이번 시험을 통해 연구팀은 대량의 보귀한 원시데이터를 획득하였다. 달의 저중력, 강한 복사, 자연광 조사 조건에서 동식물의 성장발육 상태 연구를 통해 향후 달기지 구축을 위해 연구토대와 경험을 제공할 수 있다.

창어 5호, 2019년 말 전후에 발사 예정

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최근 중국은 달탐사 프로젝트를 지속적으로 추진할 예정으로 2019년 말 전후에 창어 5호를 발사해 지구밖 천체에서 탐사기의 자동 샘플링/귀환 기술을 확보한다는 계획을 밝혔다. 창어 5호는 지역화 연착륙 및 샘플링/귀환을 실현해 달탐사 프로젝트의 "달궤도 선회, 월면 착륙, 지구 귀환" 3단계 목표를 달성할 전망이다. 달 및 심우주 탐사는 인류의 지구밖 우주공간 탐구에서 필수 선택이다. 중국은 달탐사 프로젝트를 시행하여서부터 심우주 탐사 분야에서 꾸준히 성과를 거두고 있다. 2013년 12월에 창어 3호는 중국 우주선으로서 최초로 지구밖 천체에 연착륙하여 달표면 순시탐사를 완성했다. 2014년 11월에 달탐사 프로젝트 3기 재진입 귀환비행 시험을 성공리에 마쳤다. 2019년 1월에 창어 4호는 최초로 달뒷면의 폰 카르만 충돌분지(Von Kármán crater)에 성공적으로 연착륙했다. 창어 4호는 원위치 탐사와 순시 탐사를 병행하는 한편 지구-달 라그랑주L2점에 발사한 중계위성을 통해 지구와 교신한다. 4기 달탐사 프로젝트의 막이 열리면서 향후 창어 6호와 창어 7호 달탐사기를 발사할 예정인데 전자는 달의 극지 탐사 및 달 남극에서의 샘플링/귀환 등 임무를 수행하고 후자는 달 남극의 지형, 물질성분 등 종합탐사를 목표로 한다. 그리고 창어 8호는 달기지 구축, 월면에서의 3D 프린팅, 달토양으로 집짓기 등 과학연구기지 공동구축을 위한 가능성 시험을 수행하게 된다. 이외에 중국은 2030년 전에 화성, 소행성, 목성 탐사 등을 포함한 4차례 심우주 탐사를 실시할 계획이다. 구체적으로 2020년에 첫 화성탐사기를 발사해 화성 선회/착륙/순시탐사를 수행하고 그 다음에 화성 샘플링/귀환, 소행성 탐사, 목성계 및 행성 접근통과 탐사 등 3차례 임무를 계획하고 있다.

중국과기대, HBV 만성 간염에 의한 간암 발생 메커니즘 규명

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최근 중국과학기술대학 생명과학·의학부, 중국과학원 선천면역·만성질환중점실험실, 허페이(合肥)마이크로스케일물질과학국가연구센터 톈즈강(田志剛) 연구팀은 형질전환 생쥐에서 TIGIT 억제성 경로가 HBV에 대한 CD8+T 세포의 내성을 유지시키는 반면 해당 내성 파괴는 HBV 형질전환 생쥐(HBV 보유 모델) 간에 만성 염증을 일으키고 최종적으로 간암으로 진행됨을 발견하였다. 해당 논문은 "Breakdown of adaptive immunotolerance induces hepatocellular carcinoma in HBsAg-tg mice"란 제목으로 "Nature Communications"에 게재되었다. 만성 B형 간염(chronic HBV)은 만성 간염, 간경화, 간암을 유발하지만 만성 HBV 감염 연구에 적합한 생쥐모델을 구축하지 못했다. 간은 특수한 면역관용 장기이다. 간의 면역세포는 주로 면역관용 상태를 나타낸다. 임상에서 HBV 보유자 및 HBV 형질전환 생쥐 간의 CD8+T 세포는 고발현 억제성 수용체로 인해 면역 억제 상태에 빠져 간손상을 유발하지 않는다. 그러나 간의 면역관용 환경이 파괴되면 면역세포가 활성화되어 바이러스를 제거하는 과정에서 유발되는 면역응답으로 인해 간에서 염증이 발생한다. 연구팀은 HBV 형질전환(HBs-tg) 생쥐 간에서 억제성 수용체 TIGIT의 고발현은 TIGIT 억제성 경로에 대한 지속적 차단을 통해 생쥐로 하여금 만성 간염에 걸리게 할 수 있을 뿐만 아니라 TIGIT 차단 후 생쥐에 HBV 표면항원 백신을 접종하면 생쥐가 간암에 걸릴 수 있음을 발견하였다. 연구팀은 해당 메커니즘 연구 과정에 TIGIT 차단 후 HBs-tg 생쥐 간에서 CD8+T 세포 수효가 증가하고 활성화가 증강됨과 아울러 항원 특이성 CTLs가 나타남을 발견하였다. CD8+T 세포를 제거한 HBs-tg 생쥐의 TIGIT 차단 후 간손상은 뚜렷하게 완화되었다. 또한 TIGIT 차단 후 HBs-tg 생쥐 백신 면역 기간에 CD8+T 세포를 제거할 경우 간암으로 진행되지 않는다. 해당 연구는 TIGIT 억제성 경로가 HBV 보유쥐에서 CD8+T 세포의 내성을 유지시킴을 발견하였고 또한 만성 HBV 감염 유도 간암 생쥐모델을 성공적으로 구축함으로써 후속적 심층 연구를 위해 HBV 관련 간암 예방치료에 적합한 동물모델을 제공하였다.

동물연구소, 새로운 반수체 줄기세포 구축

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최근 중국과학원 동물연구소 연구팀은 새로운 반수체 줄기세포 구축에 성공하였다. 해당 연구성과는 "Cell Reports"에 게재되었다. 진핵생물의 유전정보는 모두 세포핵에서 염색체 형식으로 존재한다. 이배체 세포는 2쌍의 염색체를 보유하고 있는데 이는 포유동물이 유전정보를 전달하는 형식이다. 그러나 반수체 세포는 오직 1쌍의 염색체를 보유하고 있는데 이는 해당 유전체의 복잡 정도를 감소시키기에 열성 동형접합체의 획득에 유리하며 아주 높은 가치를 보유한 유전학 연구 도구이다. 2011년과 2012년에 생쥐의 자성 개체 및 웅성 개체 반수체 배아줄기세포계가 성공적으로 구축되었다. 그 후 쥐, 게잡이원숭이 및 인간 유래 반수체 배아줄기세포도 구축되었다. 해당 주요한 반수체 세포 유형은 이미 기능성 유전자 선별 및 동물모델 구축 등에 응용되고 있다. 배아줄기세포와 달리 영양층 줄기세포는 자기갱신 능력을 보유한 영양층 전구세포로서 태반에서 다양한 유형의 영양층 세포로 분화될 수 있으며 태반 발달, 기능 및 관련 질병 발병 메커니즘을 연구하는 이상적인 체외 모델이다. 그러나 기존에 영양층 줄기세포에 대한 유전자 편집의 극히 제한적인 효율성 제한으로 영양층 줄기세포가 유전학 연구 등 분야에서의 광범위한 응용 역시 제한적이다. 연구팀은 배양 시스템에 대한 최적화를 통하여 자성 개체 반수체 낭배에서 생쥐 자성 개체 반수체 영양층 줄기세포계(Haploid trophoblast stem cells, haTSC)를 성공적으로 구축함과 아울러 해당 영양층 줄기세포계가 체외 배양 과정에서 게놈의 안정성을 유지할 수 있음을 입증하였다. 심층적인 연구 결과, 해당 영양층 줄기세포계는 전통적인 영양층 줄기세포 표지 유전자를 고발현시킬 수 있을 뿐만 아니라 유전자 발현 패턴에서 이배체 영양층 줄기세포와 아주 유사하였다. 더욱 중요한 것은 체외 및 체내 실험 결과, 반수체 영양층 줄기세포는 고효율적으로 태반 조직에 키메라(Chimera)될 수 있으며 또한 영양층 계통의 각종 세포 유형으로 분화될 수 있기에 광범위한 배아 외 발달 잠재력을 보유하고 있다는 점이다. 이외에 연구팀은 반수체 영양층 줄기세포는 전체 게놈 동형접합형 유전 돌연변이 세포 라이브러리에서 효과적으로 유전자 선별을 유도할 수 있음을 입증하였다. 자성 개체 반수체 영양층 줄기세포의 구축은 동형접합형 유전자 돌연변이 영양층 줄기세포의 쾌속적이고 효과적인 획득에 유리하다. 이는 태반에서 영양층 계통의 운명 결정 및 분화 특히 기능성 유닛의 구축 연구에 아주 큰 편리를 제공할 전망이다.

베이징대 인민병원, 인공지능 기법으로 당뇨병환자 형별 분류

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최근 베이징대 인민병원 내분비과 지리눙(紀立農) 연구팀은 데이터구동방식(data driven system)으로 환자의 당뇨병 형별을 분류함으로써 더욱 정확한 치료를 위해 데이터적 지원을 제공하였다. 해당 성과는 "Lancet Diabetes Endocrinol"에 게재되었다. 당뇨병은 췌장분비기능 장애 또는 인슐린 저항에 의해 발생하고 혈당 상승을 특징으로 하는 대사성 질환이다. 국제당뇨병연맹에서 발표한 2017년 세계 당뇨병 분포도에 의하면, 전세계 성인 당뇨병환자는 4.2억 명에 달하는데 평균 11명 가운데 1명이 당뇨병을 앓고 있다. 그중 중국의 당뇨병환자만 1.14억 명으로 전세계의 3분의 1을 차지한다. 전세계적으로 20년 이상 이용해온 당뇨병 분류 체계는 병인, 병리생리 특성에 근거해 당뇨병을 여러 개 아형으로 나누었다. 하지만 임상 치료 가이드 역할에 한계가 있는 것으로 나타났다. 확실한 당뇨병 형별 진단은 정확한 치료에 근거를 제공할 수 있다는 점에 입각해 연구팀은 보다 세밀한 당뇨병 형별 분류 연구에 매진하였다. 일찍 북유럽의 Groop 연구팀은 인공지능 방식으로 초기 발생 당뇨병을 상이한 아군으로 분류하였고 또한 아군별 임상 표현 및 상응한 치료방법도 상이하다는 것을 증명하였다. 하지만 상기 연구는 북유럽을 대상한 것으로 타지역에서의 적용여부는 확실하지 않다. 지리눙 연구팀은 중국의 초기 발생 당뇨병 사례 2,316건과 미국의 사례 815건을 별도로 연구하였다. 연구팀은 인공지능의 클러스터링 기법을 통해 연령, 체질량지수(BMI), 혈당 수준, 인슐린 민감성 지수(HOMAIR) 및 췌장 섬유세포 기능지수(HOMAB) 등 5개 영역에서 중국과 미국의 당뇨병환자를 4개 아형으로 분류하였다. 데이터 분석 결과, 중국과 미국의 당뇨병환자 4개 아형의 주요 임상 특성은 거의 일치하였고 북유럽 아형의 특성과도 일치하였다. 이로써 정확한 당뇨병 형별 분류 이론은 다양한 환자군 및 종족 사이에서 안정성을 유지함을 입증하였다.

허페이물질과학연구원, 수중 항생제 쾌속 분해 가능한 신규 촉매 개발

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최근 중국과학원 허페이(合肥)물질과학연구원 지능기계연구소 쿵링타오(孔令濤) 연구팀은 일종의 제어 가능한 새 촉매를 설계해 넓은 pH 범위에서의 고효율적 항생제 분해를 달성하였다. 해당 성과는 "Nanoscale"에 게재되었다. 일반적으로 사람과 동물은 복용한 항생제를 완전히 흡수할 수 없다. 따라서 대량의 항생제는 대사산물 또는 원상태 그대로 환경에 배출되어 병원성미생물의 약물내성을 일으켜 민감균의 약물내성을 강화한다. 전형적인 항생제인 테트라사이클린은 인체에 섭취된 후 위장에서 일부분이 흡수되고 섭취량의 약 75%는 친화합물의 형태로 체외로 배출되며 생태환경 및 생물안전에 크나큰 잠재적 위협을 가져다준다. 펜톤(Fenton) 기술로 유기물을 고효율적으로 분해할 수 있지만 강산성 조건에서만 펜톤반응이 일어나기에 실제 응용은 제한을 받는다. 쿵링타오 연구팀은 일종의 형태 제어가 가능한 촉매를 개발하였다. 해당 촉매는 펜톤시스템의 테트라사이클린 분해 효율을 뚜렷하게 향상시킬 뿐만 아니라 최적의 pH 반응범위를 중성까지 확장시킨다. 해당 연구는 촉매 분해 메커니즘을 상세하게 논술하였다. 연구팀은 테트라사이클린 분해의 가능성 경로를 추측함으로써 테트라사이클린 분해가 어려운 문제를 해결하였고 또한 펜톤유사반응의 pH 응용범위를 확장시켜 광범위한 응용전망이 있다.

난징대학, 온실가스의 온난화 효과 과소평가 가능성 제안

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최근 난징(南京)대학 대기·지구시스템과학교육부국제협력연합실험실 연구팀은 에어로졸의 간접적 기후효과 연구에서 획기적 진전을 거두었다. 해당 연구성과는 "Aerosol-driven droplet concentrations dominate coverage and water of oceanic low-level clouds"란 제목으로 "Science"에 게재되었다. 해당 성과는 주어진 기상조건에서 구름-물 경로(cloud liquid water path) 및 수송량에 대한 영향을 통해, 해양 하층운 복사강제력의 대부분 변화(75%)를 구름 응집핵(CCN)의 변화로부터 해석할 수 있음을 규명하였다. 이는 기존 연구에서 해양 하층운 복사강제력에 미치는 CCN의 영향이 엄청 과소평가되었음을 설명함과 아울러 온실가스의 온난화 효과도 심하게 과소평가되었을 가능성을 의미한다. 해당 성과는 기존에 연구해온 인간활동으로 인한 기후변화에 대한 인식을 높여주었고 또한 미래 기후변화 예측에도 중요한 의미가 있다. 구름 응집핵으로서의 에어로졸 입자에 의해 야기되는 구름 복사강제력 변화는 인간활동에 의해 유래된 복사강제력의 주요 구성 부분일 뿐만 아니라 기후 평가에서 불확실성이 가장 큰 항목이기도 하다. 입사 태양복사에 대한 해양 하층운의 유의적 반사작용 및 이로 인한 냉각효과를 감안해 에어로졸 입자가 어떻게 해양 하층운의 성질에 영향을 미치고 나아가 해양 하층운 복사강제력에까지 영향을 미치는지를 밝히는 것은 지구시스템의 에너지수지 및 기후변화를 이해하는데 중요한 의미가 있다. 기존 연구에서 사용해온 위성관측에 기반한 에어로졸 광학신호(예를 들어 광학 두께 또는 에어로졸 지수)로 에어로졸-구름 상호작용을 연구하는 방법은 반전기술의 제한을 받아 구름속에 진입한 실제 CCN 농도를 나타내기 어렵고 깨끗한 대기속의 CCN 농도는 더욱이 측정할 수 없다. 그리고 CCN과 기상요소가 구름에 대한 영향을 어떻게 분리할 것인지는 해당 연구에서 또 하나의 어려움이다. 상기 두 문제를 해결하기 위해 연구팀은 다음과 같은 방법을 제안하였다. 새로 구축한 구름방울 수농도(Nd) 및 구름밑면 상승속도(Wb) 반전방법을 통해 구름밑면 과포화 상태에 상응하는 CCN 농도를 획득함으로써 상기 에어로졸 광학신호를 이용한 에어로졸-구름 상호작용 연구의 어려움을 해결하였다. 또한 기상요소에 기반해 구름을 분류한 후 각 유형에 대한 CCN의 영향을 별도로 연구함으로써 기상요소의 간섭을 효과적으로 배제하였다. 그림에서 색상은 구름방울 수농도를 나타내고 단위는 ㎤이다. 구름방울 수농도 분포를 통해 선박 배출 흔적을 쉽게 식별해낼 수 있다. 1㎤당 구름방울 수가 50 이상일 때 강수가 억제되는 동시에 구름에 덮인 면적은 더 커진다. 선박 배출 흔적이 겹치는 곳에서 구름방울 농도와 구름 면적은 더 크게 나타난다. 작은 구름방울로 구성된 구름층이 클수록 우주로의 태양에너지 복사는 더 많아진다. 동 연구는 이스라엘 히브리대학 Daniel Rosenfeld 교수를 중심으로 중국 산시성(陝西省)기상과학연구소 주옌녠(朱延年) 박사, 난징(南京)대학 왕밍화이(汪名懷) 교수, 저장(浙江)대학 위사오차이(俞紹才) 교수 및 미국, 독일의 학자가 공동으로 완성하였다.

베이징대, 페로브스카이트 태양전지 수명 대폭 향상

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최근, 베이징대학 공학원 재료과학·공정학부 저우환핑(周歡萍) 연구팀은 화학·분자공정대학 옌춘화(嚴純華) 연구팀과 공동으로 전환효율을 보장하는 조건에서 페로브스카이트 태양전지의 수명을 연장시켰다. 해당 연구성과는 "Eu3+/Eu2+ 산화환원 이온쌍을 이용한 요오드화납 페로브스카이트 태양전지 작동 수명 향상"이라는 제목으로 "Science"에 게재되었다. 소자 수명(안정성) 및 광전기 전환효율은 태양전지의 최종 발전 원가를 결정하는 2개 핵심 요인이다. 전세계에서 일반적으로 사용하는 결정질 실리콘 태양전지 효율은 이론적 한계에 접근하였기에 원가를 한층 더 절감시키기 어렵다. 원가 및 효율 우위를 모두 보유한 페로브스카이트 태양전지는 해당 분야의 연구 관심사로 되었다. 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 결정 구조를 보유한 유기/무기 혼성화 금속 할로겐화물을 흡광층으로 이용하고 있다. 해당 전지는 간단한 제작 방식, 낮은 생산원가 및 뛰어난 광전 성능으로 2009년부터 관심사로 되었으며 또한 광전기 전환효율은 3.8%에서 23.7%로 상승하여 개발 전망이 가장 빠른 태양광발전 기술로 되었다. 그러나 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제는 가장 큰 어려움으로 되었고 또한 페로브스카이트 산업화에서 원가, 공법, 수명 등 측면도 시급히 해결해야 될 문제이다. 본 연구는 페로브스카이트 소재가 광조사 및 열복사 작용 조건에서 불안정한 문제점을 해결하기 위해 페로브스카이트 활성층에 Eu3+/Eu2+ 산화환원 이온쌍을 도입하는 새로운 메커니즘을 제안하였다. 해당 이온쌍은 Pb0과 I0 결함을 동시에 제거함과 아울러 소자 사용 수명 기간 내에 순환적으로 역할을 발휘할 수 있다. 이를 기반으로 배터리 초기 효율을 향상시켰고 특히 배터리의 장기적 안정성을 뚜렷하게 향상시켜 할로겐화납 페로브스카이트 태양전지에서의 안정성을 제한하는 주요한 본질적 문제를 해결하였는데 이는 페로브스카이트 태양전지 산업화 생산을 추진시킬 전망이다.

중미, 전세계 해양 온난화 최신 추정값 산출

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최근 중국과 미국 과학자는 공동으로 상층 해양 온도가 얼마 상승하고 향후 어떻게 변화할지에 대한 추정값을 산출하였다. 산출 결과에 의하면, 향후 "파리기후협정" 목표에 도달하려면 21세기 마지막 20년에 해양 상층부 온도는 1991~2005년 평균에 비하여 0.4℃ 상승하여야 한다. 해당 논문은 "Science"에 게재되었다. 해양 온난화에 대한 추산 결과는 일치하지 않다. 2013년에 발표된 국제 정부 간 기후변화 제5기 평가보고서는 5개 해양 열함량 변화 추이에 대한 추정값을 밝혔다. 그중 최소 추정값은 최대 추정값의 절반이다. 중국과학원 대기연구소 청리징(成裡京)은 미국 세인트토마스대학(St.Thomas University), 캘리포니아대학 버클리캠퍼스(University of California, Berkeley) 및 미국국립기상연구소(National Center for Atmospheric Research, NCAR)와 공동으로 연구를 수행하여 해양 온난화 정도에 대한 분쟁은 기존의 해양 관측 데이터 정밀도 부족 및 데이터량 부족으로 유발되었다고 주장하였다. 2005년 후 해양에 새 장비를 설치하여 비교적 양호한 전세계 해양 열함량을 예측하였지만 2005년 전으로 거슬러 올라가 그 이전의 해양 상황을 관측할 수는 없다. 연구에 의하면, 2017년 해양 상층부 2,000m 깊이 열함량을 새롭게 추정하였다. 일본기상청, 호주연방과학산업연구기구(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO), 미국프린스턴대학(Princeton University) 등도 업그레이드된 방법 또는 개선된 방법을 이용하여 해양 열함량 변화에 대하여 추정하였다. 해당 새로운 추정 방법은 고도의 일치성을 나타냈는바 1955년 후 전세계 해양 열함량은 상승 추이를 나타냈다. 현재의 기후 모델은 역사적 해양 온난화를 아주 잘 모의할 수 있다. 1970~2010년 사이에 해양 상층부 2,000m 깊이의 온난화 속도는 0.39W/m2이며 최근 관측 결과와 거의 일치하다. 모델로 예측한 결과에 의하면 향후 아무런 기후 정책을 이행하지 않으면 21세기 마지막 20년에 모든 상층부 2,000m 깊이 해양의 평균 온도는 0.78℃ 상승(1991~2005년의 평균 상태 대비)할 전망인데 이는 지난 60년 해양 온난화 총량의 6배이다.

최근 12년간 SO2의 시공간적 변화 패턴 및 형성 원인 규명

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중국의 에너지 구조는 주로 석탄인데 석탄 연소에서 생성되는 SO2 오염은 중국이 직면한 중대한 환경오염 문제이다. SO2는 인체 건강에 막대한 영향을 미칠 뿐만 아니라 SO2가 가스 입자 전환을 통하여 형성된 2차 에어로졸 입자는 먼지연무의 발생 및 발전을 악화시킨다. "11차 5개년계획" 후 SO2 오염물질 배출 감소는 중국의 주요 임무로 되었다. 연구에 의하면, 중국의 SO2 배출량은 뚜렷하게 감소되는 추세를 보이고 있지만 다음과 같은 과학문제는 아직도 규명되지 않고 있다. (1) SO2는 지속적인 단방향 감소인지 아니면 복잡한 파동 과정이 존재하는지? (2) 다양한 지역에서 SO2의 변화는 어떠한 연관성과 차이성이 존재하는지? (3) 변화의 형성원인은 무엇이며 배출량 변화를 제외하고 기상조건은 어떠한 역할을 일으키는지? 상기 문제를 해결하기 위해 중국과학원 대기물리연구소 중부대기·글로벌환경탐측중점실험실(LAGEO) 박사 왕팅(王婷), 연구원 왕푸차이(王普才)는 벨기에고층대기연구소, 칭화(清華)대학과 공동으로 최신 위성 SO2 제품, 배출 리스트 및 기상장(Meteorological field) 등을 이용하여 최근 12년간 중국 SO2의 시공간 변화패턴 및 형성원인을 상세하게 분석하였다. 해당 연구성과는 "Atmos. Chem. Phys."에 게재되었다. 중국의 SO2는 뚜렷한 계절 및 지역적 분포 특성이 있는데 겨울에 농도가 가장 높으며 고농도인 2개 지역은 화베이(華北)평원과 청위(成渝)지역에 위치한다. 최근 10년간 전국 범위에서 SO2는 전체적으로 감소되는 추세이며 또한 농도가 높은 지역일수록 감소량이 더욱 뚜렷하다. 그러나 해당 감소는 단방향 감소가 아니고 4개 뚜렷한 단계가 존재한다. 2005년 후 단기적으로 상승되었고 2007~2008년 및 2014~2016년 사이에 2차의 급속한 감소를 경과하였으며 2009~2013년 5년간 지속적인 상승 단계를 경과하였다. 전체 동부 지역에서 상기 특성을 나타내지만 북방 및 남방의 형성원인은 다르다. 북방 지역 SO2 배출량의 변화도 4개 단계가 존재하는데 SO2 농도 변화와 완전히 일치하다. 그러므로 SO2 농도는 SO2 배출량으로 유발되었다고 주장하는데 해당 해석 분산의 백분율은 81%에 달한다. 총 배출량에서 산업 분야의 배출은 전체 단계에서 주도적인 SO2 변화를 유발하였다. 북방 지역과 비교할 때 남방지역은 산업 및 생활 배출 감소 동기화 역할을 중요시하였기에 남방 지역의 SO2 배출량은 지속적으로 감소되는 추이이다. 그러나 남방지역의 SO2 농도는 2009~2013년에 상승되었다. 그러므로 SO2 배출량에 의한 농도 해석 분산은 오직 45%이다. 심층적인 연구 결과, 2009~2013년 남방 지역의 SO2 농도 상승은 적은 강수량, 풍속(Wind speed) 감소 및 정적 힘(Static force) 안정성 증가 등을 포함한 불리한 기상 요인으로 유발되었으며 또한 기상 조건의 역할이 배출감소에 미치는 영향을 초과하였다. 그러므로 2009~2013년 SO2의 상승을 유발하였다.

저장대학, 1일 1천년 시뮬레이션하는 시공간 압축 실험실 구축

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최근, 저장(浙江)대학 초중력 원심분리 시뮬레이션 및 실험 장치(CHIEF) 프로젝트 실행가능성 연구 보고서가 국가발전·개혁위원회 허가를 받았다. 해당 프로젝트는 항저우(杭州) 위항구(余杭區) 미래과기성(未來科技城)에 위치했으며 구축 시간이 5년이고 부지면적은 약 59,333㎡이며 총투자액은 20억 위안(한화로 약3,326억)을 초과한다. CHIEF는 "시공간 압축" 기능을 보유하고 있기에 "시간 초월"을 구현할 수 있어 1일에 1천년을 시뮬레이션할 수 있을 뿐만 아니라 실험실에서 "고속철 운행"을 구현할 수 있다. CHIEF는 "국가 중대 과학기술 인프라 시설"로서 대형 복잡성 과학연구 장치 또는 시스템을 의미하며 국가 과학기술 발전을 추진할 수 있는 "중요한 장비"이다. CHIEF와 동등한 수준의 장치로는 베이징 전자-양전자충돌기, 상하이광원(光源), 톈옌(天眼) FAST 전파망원경 등이 있다. CHIEF 프로젝트는 “13.5계획" 기간에 10개 국가 중대 과학기술 인프라 시설 프로젝트 중 하나이다. 표준 중력을 초과하는 중력을 초중력이라고 한다. 초중력 환경조건에서 신기한 효과가 발생할 수 있다. 초중력 환경 조건에서 과학자들은 표준 중력 환경 조건에서 완성하기 어려운 아주 많은 실험을 완성할 수 있다. 초중력장은 "비례 축소" 작용을 보유하고 있으며 초중력장에는 또한 "시간 단축" 효과가 존재한다. 과학자들은 해당 특성을 이용하여 실험 시간을 대폭 단축시킬 수 있다. 초중력 원심분리기에 토양 오염물질 전이 실험 장치를 장착하면 오염물질이 지하에서의 대규모, 장기적 이동을 시뮬레이션할 수 있다. 만약 현실에서 오염물질 전이를 연구하려면 수천 년이 소요되지만 초중력장에서 해당 시뮬레이션 실험을 수행하면 1일 시간이 소요된다. 연구팀은 CHIEF 예비연구 단계에 초중력을 이용하여 "고속열차 운행 동력 효과 테스트 시스템" 등 연구를 수행하였다. 해당 시스템의 설계는 고속열차가 중국 동남부 연해의 깊고 두터운 연질토양 지역에서 운행시 지반침하를 통제하기 위한데 있다. 현실에서 해당 실험을 수행하려면 거대한 자금 및 시간이 소요되지만 초중력 환경의 "비례축소", "시간단축" 효과를 이용하면 작은 모형으로 1시간 동안에 현실에서의 고속철 운행을 시뮬레이션하여 각종 방안을 연구·검증할 수 있다. 해당 "실험실에서의 고속철 운행" 프로젝트는 2017년 "중국 대학 10대 과학기술 진전"에 입선되었다. CHIEF의 용량은 1,900g·t에 달할 예정인데 이는 현재 세계 최대 원심분리기 용량 1,200g·t(중력가속도×t)을 훨씬 초과한다. CHIEF는 순간 상태에서 1만 년 시간, 원자급에서 1Km급 공간, 상온에서 고온고압 등 다상(Poly phase) 매질 운동의 실험 환경에 적합하다. 기존에 저장대학은 CHIEF의 "미니 버전(Mini version)" 장치 ZJU400를 건축공학실험실 지하실에 구축하였다. ZJU400의 "팔(Arm)" 길이는 4.5m이며 2개 회전축에 각각 1개 변의 길이가 1m인 큐브형 실험창을 탑재하였는데 실험창의 최대 지지 하중은 3t이다. ZJU400가 일정한 회전속도에 도달한 후 원심력의 작용으로 실험창에 초중력장이 형성된다. ZJU400은 원심가속도가 150배 중력가속도에 도달할 수 있는 원심분리기이다. 향후 구축하게 될 CHIEF의 회전팔 반지름은 9m에 도달하고 실험창은 3m, 최대 지지 하중은 32t에 도달할 예정인데 이는 ZJU400의 최대 지지 하중의 10배에 해당된다. CHIEF를 지하실에 설치하는 목적은 원심분리기 상부에 탑재된 행잉 바스켓(Hanging basket)이 고속 회전하기에 안전성을 확보하기 위한데 있다. 그러나 고속 회전 환경에서 사람이 직접 실험창에서 실험을 조작할 수 없다. 이에 대비해 실험창에 기계팔을 설치하였으며 모든 작동은 중앙제어장치의 통제에 의해 수행된다. 지하실에 많은 센서를 설치하였기에 검출된 신호 및 데이터는 제어실에 전달될 수 있다. CHIEF의 구축은 미니 버전 ZJU400에 존재하는 원심력이 클수록 하중 지지량이 적고 불평형 저항 능력이 낮은 단점을 보완할 수 있다.

후난창더고신구, 세계 최대 규모 타워크레인 스마트공장 오픈

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최근 후난창더(湖南常德)고신구에서 세계 최대 규모 중롄중커(中聯重科) 타워크레인 스마트공장 오픈식이 열렸다. 12개 자동화 생산라인, 100여 대 산업로봇, 16개 CNC가공센터를 갖춘 동 스마트공장은 평균 10분당 1개 표준 마디를 만들어내고 90분당 1개 붐대를 생산해내며 110분당 1대 타워크레인을 출하할 수 있다. 7.8억 위안(한화로 약 1,293억 원)을 투자해 건설한 해당 스마트공장은 후난의 100억급 규모화 스마트제조 산업 육성에 이바지함과 아울러 중국의 공학기계 스마트화 제조 수준을 새 단계에 끌어올릴 전망이다. 2016년에 착공에 들어간 중롄중커 타워크레인 스마트공장은 독일의 산업 4.0 표준에 따라 건설하였다. 동 스마트공장은 세계에서 유일하게 지능제어, 지능생산라인, 지능물류, 지능검사 기술을 통합시킨 가장 선진적이고 고효율적이며 친환경적인 타워크레인 스마트공장이다. 스마트공장의 생산계획 지능화, 생산과정 투명화, 품질관리 실시간화 등 지능화 관리 수요를 충족시키기 위해 회사측은 일련의 전면적이고 고효율적인 MES제조집행시스템을 개발하였다. 해당 시스템은 생산라인 설비 계층, 시스템 데이터 계층, 생산관리 계층, 의사결정 지원 계층 등 4개 계층으로 나뉘는데 지능화 설비에 기반한 설비 감지, 산업인터넷 플랫폼을 매개체로 설비와 생산과정 데이터를 통합시킨 데이터 분석, 제조집행시스템을 핵심으로 생산업무 디지털화 관리체계 구축을 통한 프로세스 집행, 빅데이터 플랫폼을 의사결정 분석 플랫폼으로 이용한 정보 의사결정을 달성하였다. 오픈식에서 중롄중커는 스마트공장에서 출하한 T6515, T6250, T7525 등 새로운 4.0 PC 플랫 톱 타워크레인 신제품을 선보였다. 상기 신제품은 하중·속도 순응 기술, 고효율 선회구동 기술 등 다수 국제 선진기술에 힘입어 종합 인양 효율, 운반 효율, 지정위치도달 효율, 지정위치도달 정밀도, 동급 타워크레인 부품 호환성 등이 향상되었다.

저장대, 최초의 삼차원 광학 위상절연체 개발

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최근 저장(浙江)대학 정보·전자공학학원 천훙성(陳紅勝) 연구팀과 싱가포르 남양이공대 Baile Zhang/Yidong Chong 연구팀은 최초의 삼차원 광학 위상절연체를 공동으로 개발하였다. 해당 성과는 삼차원 위상절연체를 페르미온 시스템에서 보손 시스템으로 확장시킴으로써 도파로에서 광자의 전송효율을 높일 전망이다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 기존의 광학 위상절연체 실험연구는 이차원 공간에만 제한되었고 삼차원 광학 위상절연체에 대한 연구에서 확실한 성과는 없다. 표면파가 이차원 공간에서 전파될 때 일차원 단일방향 위상학적 경계상태(boundary State)만 존재하지만 삼차원 광학 위상절연체에서 전파될 때 위상학적 표면 상태는 이차원 무질량 디랙 페르미온(massless Dirac fermion)으로 표현된다. "Nature" 심사전문가는 해당 연구 성과에 대해 "실험적으로 삼차원 광학 위상절연체를 구현한 것은 매우 중요한바 해당 신흥 분야의 발전을 촉진할 것이다."라고 평가했다.

저장대, 가변형 인장성능을 보유한 고인성 콘크리트 재료 개발

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최근 저장(浙江)대학 건축공학학원 쉬스랑(徐世烺) 연구팀이 개발한 인장 변형성능이 일반 콘크리트의 800배에 달하는 고인성, 내구성, 균열제어형 섬유보강 콘크리트 재료가 2018년도 국가기술발명 2등상을 수상하였다. 자체 지식재산권을 보유한 해당 성과는 중대 혁신가치가 있는 기술체계를 형성하였고 공학적 검증도 통과하였다. 콘크리트는 인프라 구축에 광범위하게 응용되는 재료이지만 높은 취성과 쉽게 균열이 생기는 등 자연적 속성을 보유하고 있다. 콘크리트 균열은 대형 토목공사의 수명을 단축시키고 대규모 경제적 손실을 입히는가 하면 중대 안전사고도 유발한다. 연구팀이 개발한 고인성 콘크리트의 인장변형 한계치는 일반 콘크리트의 800배인 8.4%에 이르고 최대 균열폭은 0.1mm에 훨씬 못 미치며 열악환경에서의 내부식 내구성 요구를 충족시킨다. 연구팀은 재료의 역학성능, 내구성, 구조적 성능 등 지표를 얻기 위해 대규모 체계적 테스트를 수행하였다. 테스트 결과 고인성 콘크리트의 변형성능, 강도 종합성능 등 2개 지표는 기존의 세계 최고치에 비해 각각 70%와 60% 높았다. 해당 성과는 콘크리트의 인성이 약하고 취성이 높으며 쉽게 균열이 생기는 본질적 결함을 근본적으로 해결하였다. 고인성 콘크리트는 규모화 산업생산에 들어갔고 이미 저장 신링(新嶺)터널, 창산항(常山港) 특대교 등 주요 인프라 프로젝트에 사용되었다. 현재 연구팀은 중요 공학구조의 안전사용에 기술적 지원을 제공하고자 고인성 섬유보강 콘크리트 재료 및 복합구조에 대한 동적 충격성능 연구를 추진 중이다.

중국과기대, 금속 나노촉매의 사이즈 효과 발견

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최근, 중국과학기술대학 루쥔링(路軍嶺) 연구팀은 리웨이쉐(李微雪) 연구팀과 공동으로 최초로 금속 나노촉매에서 기하학적 효과 및 전자 효과가 각자 촉매반응에 대한 사이즈 변화에 따른 조절 규칙을 규명하였으며 박리 금속 입자의 기하학적 효과와 전자 효과를 분할하는 전략-금속 나노 입자의 "산화물 선택성 피복" 방법을 독창적으로 제안하였다. 이로써 중요한 응용 배경을 보유한 백금 촉매로 벤질알코올을 선택적으로 벤즈알데하이드로 산화시키는 반응에서 고활성 및 고선택성 전환을 구현할 수 있게 되었다. 금속 나노 촉매 입자의 기하학적 구조 및 전자 구조는 사이즈에 따라 동기화 변화되기에 2종 구조 효과가 촉매반응 활성, 선택성에 대한 기여 및 사이즈에 대한 의존 관계를 효과적으로 구분하기 어렵다. 그러므로 금속 촉매 사이즈 효과의 내재적 본질을 규명하여 기하학적 구조 효과 및 전자 효과가 입자 사이즈와의 강한 관련성을 깨뜨리고 나아가 더욱 우수한 성능의 촉매를 설계하는 것은 현재 불균일 촉매(Heterogeneous catalysis) 분야의 연구과제로 되고 있다. 연구팀은 4nm보다 크거나 4nm보다 작은 입자 크기 조건에서 기하학적 효과 및 전자 효과는 각각 주도적 반응의 성능을 제어하며 따라서 촉매 반응의 선택성 및 활성은 모두 입자 사이즈에 따라 "화산형" 변화추세를 나타냄을 발견하였다. 연구팀은 이를 기반으로 "산화물 선택성 피복" 4nm 입자의 낮은 배위 원자를 통하여 부반응 발생을 효과적으로 억제시켜 높은 비질량 활성 및 고선택성 촉매를 획득하였다. 본 연구에서 제안한 "산화물 선택성 피복" 금속 나노 입자 전략으로 박리 금속 입자의 기하학적 효과 및 전자 효과를 효과적으로 분할할 수 있을 뿐만 아니라 촉매 성능이 입자 사이즈 변화에 따른 "화산형" 곡선 법칙을 깨뜨렸다. 해당 전략은 촉매 반응의 기하학적 효과 및 전자 효과를 연구하는데 효과적인 수단을 제공함과 아울러 고활성, 고선택성 금속 촉매를 설계하는데 중요한 지침을 제공하였다.

베이징대, 냉동전자현미경과 기계학습 기술로 고해상도 정밀원자 구조 해석

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최근 베이징대학 물리학부 인공미세구조·중시계물리 국가중점실험실, 선도학제간융합연구원 정량적생물학센터 마오유둥(毛有東) 연구팀은 냉동전자현미경과 기계학습 기술을 결합시켜 인간유래 프로테아좀 26S가 기질 분해 과정에서의 7가지 중간상태 형태의 고해상도(2.8Å~3.6Å) 정밀 원자구조를 해석하였는데 해당 국소 해상도는 최대 2.5Å에 도달하였다. 해당 논문은 "Nature"에 발표되었는데 특대 복합단백질에 대한 3.6Å 이상 해상도의 체계적 실험연구 기계의 동역학 과정 및 원리를 발표한 것은 "Nature" 사상 처음이다. 이는 냉동전자현미경이 완전 원자 동역학적 분석의 새로운 발전단계에 진입하였음을 의미한다. 연구팀이 규명한 3차원 구조는 놀라운 시공간적 연속성을 나타냈고 원자 수준에서 프로테아좀과 기질의 상호작용 동적 과정을 생생하게 나타냈다. 연구팀은 최초로 아데노신트리포스파타아제 헥사 분자모터속 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP) 가수분해의 완전주기 단계적 순환 전과정에 대한 원자 수준 관측 및 3차원 모델링을 달성하였다. 뿐만 아니라 3종의 상이한 ATP 가수분해 협동반응 패턴 및 프로테아좀의 복잡하고 다양한 기능 제어 방법을 발견하였다. 연구팀은 장기간 미해결이었던 일련의 과학문제를 해결하였다. 예를 들면 아데노신트리포스파타아제 모터가 어떻게 화학에너지를 역학에너지로 전환시키는지를 해결함으로써 기질 중첩풀림(unfolding)의 협동 역학적 메커니즘을 규명하였다.

다롄화학물리연구소, "양자분리 태양광 집광판" 개념 제안

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최근 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 광전재료역학특구연구조(組) 우카이펑(吳凱豐) 연구팀은 희토류금속 이터븀 도핑의 나노결정 재료를 기반으로 "양자분리 태양광 집광판" 개념을 최초로 제안하였고 또한 해당 개념에 기초하여 고효율 태양광 집광판 프로토타입 장치를 제조하였다. 해당 성과는 "Nano Letters"에 게재되었다. 발광형 태양열 집광판(Luminescent Solar Concentrators, LSCs)은 1976년에 W. H. Weber 등에 의해 제안되었다. LSCs는 실리콘 기반 태양전지를 대상한 저가 보완 방안이다. LSCs는 일종의 구조가 상대적으로 간단한 대면적 태양광 포획장치로서 발광단(luminophore)을 투명한 기저(유리판 등)에 코팅하거나 삽입하는 구조이다. 발광단은 패널에 입사된 태양 광자를 흡수한 후 광자를 방출한다. 기저와 공기의 굴절율 차이로 인해 그중의 약 75% 광자는 전반사 모드에 돌입해 패널의 가장자리로 도파된다. 패널 가장자리로 도파된 광자는 패널 가장자리에 부착된 태양전지를 작동시켜 광에너지를 전기에너지로 전환시킨다. 집광효율을 충분히 높일 경우 가장자리에 소량 태양전지를 부착한 1개 LSC만으로 1개 대면적 태양전지에 해당하는 성능을 달성할 수 있어 태양광발전의 원가를 대폭 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 완전 투명 LSCs 또는 반투명 LSCs를 건축물 창문유리에 직접 통합시켜 태양에너지 유리창으로 변신시킴으로써 현존 에너지소비형 건축물로 하여금 에너지 자급자족을 실현할 수 있다. 기존의 LSCs 발광단은 형광효율(80% 이하)이 낮고 자기흡수(self absorption) 손실로 인해 장치 내부 광학효율이 일반적으로 60%에 못 미친다. 양자분리(quantum cutting)는 신기한 광학현상이다. 양자분리 효과에 기반한 재료는 1개 고에너지 광자를 흡수함과 동시에 2개 저에너지 광자를 방출하면서 에너지 보존이란 기본적 물리법칙을 충족시킨다. 따라서 이론상 발광단의 형광 양자 효율을 배로 증가시킬 수 있다. 또한 발광 파장이 재료의 변두리 부위에서 멀리 떨어져 있기에 발광단의 자기흡수 손실을 완전히 억제할 수 있다. 연구팀이 제안한 양자분리 효과 기반 LSCs는 이론적으로 200%의 형광 양자 효율을 달성할 수 있고 또한 자기흡수 손실도 완전히 억제할 수 있다. 따라서 내부 광학효율(ηint)의 이론적 한계를 150%로 새롭게 정의할 수 있다. 연구팀은 희토류금속 이터븀을 도핑한 CsPbCl3 나노결정을 합성하였고 그 형광효율이 164%에 도달해 전형적인 양자분리 특성을 나타냄을 발견하였다. 재료역학 시험 결과 고효율적 양자분리 과정은 피코초 단위에서 발생하였다. 상기 유형의 나노결정으로 제조한 프로토타입의 양자분리 LSCs은 약 120%의 장치 내부 광학효율을 달성하였다. 향후 장치에 대한 더한층 최적화 및 태양광 흡수성능 향상을 통해 대면적 LSCs에서 10%의 외부 광학효율(ηext)을 달성할 전망이다. 연구팀이 최초로 제안한 "양자분리 태양광 집광판" 개념은 태양광발전 원가 절감 및 스마트 건축물 구축 분야에 광범위한 응용전망이 있다. 도시화 추진과 더불어 LSCs로 시구역의 태양전지 부설 면적은 줄지만 건축물 유리창 면적은 충분히 활용할 수 있다. 고효율 저원가 LSC 방안은 완전 투명 또는 반투명 태양에너지 유리창에 응용 가능한 외, 에너지를 자급자족하는 "스마트 교통"에도 응용이 가능해 에너지 절약 및 배기가스 감축을 달성할 수 있다. 뿐만 아니라 온실에도 LSCs를 응용할 수 있다. 연구에 의하면 식물은 적색광에 대한 광합성작용 효율이 가장 높다. LSCs 기술을 온실에 접목시킴으로써 식물의 성장을 최적화함과 아울러 전력도 생산할 수 있다.

중국과기대, 가수분해 수소발생 과정에서 코발트 기반 촉매 작용 규명

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최근 중국과학기술대학 국가싱크로트론방사실험실 웨이스창(韦世强)/야오타오(姚涛) 연구팀과 화학·재료대학 양진룽(杨金龙) 연구팀은 싱크로트론 방사광원에 기반하여 개발한 새 기술을 사용하여 세계 최초로 가수분해 수소발생 과정에서 코발트 기반 촉매의 구조 및 과정을 정확하게 규명했다. 해당 성과는 2019년 1월 1일 "Nature-Catalysis"에 게재되었다. 촉매는 가수분해를 통한 수소발생에서 에너지 전환효율을 향상시키는 핵심부분이다. 따라서 촉매과정 및 촉매상태에서 촉매재료의 구조를 밝히는 것은 매우 중요하다. 연구팀은 원위치 싱크로트론 방사 X선 흡수 정밀구조 분광학 기술을 개발하였고 또한 허페이(合肥), 베이징, 상하이 싱크로트론 방사광원에 기반하여 시험장치를 구축하였다. 그리고 이론적 계산과 결합하여 최초로 전기촉매 수소발생 반응과정에서 코발트 기반 촉매의 활성부위 실제 구조 및 동적 변화 과정을 정확하게 규명하였다. 촉매재료는 물분자에서 수소분자의 분해를 돕는다. 싱크로트론 방사 저장링속의 전자빔을 유도하여 재료 반응 표면에 조사하는 방법으로 상기 과정을 정밀하게 구현할 수 있다. 상업용 귀금속 백금-탄소 촉매는 고효율적이고 안정적인 수소발생 재료로 인정받고 있다. 코발트 기반 촉매재료의 원가는 백금-탄소 촉매의 절반도 안 되지만 성능 및 안정성은 백금-탄소 촉매에 근접하므로 잠재적이고 광범위한 응용전망이 있다.