무색·무취·무반응 헬륨 누출, 음파로 찾는다

하이커뮤니티매니져 0 2 12:21

중국 난징대 연구팀이 개발한 헬륨 감지 장치. 삼각형 구조 덕분에 2차원 평면상에서 헬륨 누출 위치를 파악하는 데 용이하다. Wang et al.(2025)/Applied Physics Letters 제공

헬륨은 대표적인 비활성 기체로 무색·무취·무반응 특성 때문에 검출이 매우 까다롭다. 중국 연구팀이 음파를 활용해 온습도 등 환경 조건과 관계없이 헬륨의 농도뿐 아니라 누출 방향까지 확인하는 감지기를 개발했다.

중국 난징대 연구팀은 음파를 이용해 헬륨을 감지하는 장치를 개발하고 연구결과를 16일(현지시간) 국제학술지 '어플라이드 피직스 레터스'에 공개했다.

현존 가스 센서는 대부분 화학 반응에 의존해 농도나 누출 등을 감지한다. 다른 물질과 거의 반응하지 않는 헬륨 검출이 까다로운 이유다. 헬륨이 공기 중에 누출돼 농도가 높아질 경우 대기 중 산소 비중을 줄인다. 과도하게 흡입할 경우 질식 위험이 있다.

연구팀은 음파를 활용해 헬륨을 검출하는 방법을 고안했다. 상대적으로 가벼운 기체인 헬륨 농도가 높아지면 전체 기체의 밀도가 변한다. 소리의 매질인 공기의 밀도가 달라지면 음속 등 소리의 특성에도 변화가 생긴다는 점에 착안한 것이다.

장치는 일본 전통 대나무 엮기 기법인 '카고메-비키(Kagome-biki)' 구조에서 영감을 받았다. 실린더 3개가 평면으로 배열돼 작은 삼각형을 이루고, 작은 삼각형 3개가 다시 큰 삼각형의 꼭짓점에 배열된 형태다. 꼭짓점에 있는 스피커에서 발생한 음파는 실린더 속 기체를 통과해 마이크로 전달된다.

헬륨이 실린더 내부로 유입되면 밀도가 변하면서 음파의 속도도 급격히 바뀐다. 연쇄적으로 마이크에서 인지하는 소리의 주파수에도 변화가 발생한다.

장치가 삼각형으로 설계됐기 때문에 어떤 실린더에서 먼저 주파수 변동이 일어났는지 확인하면 어느 방향에서 헬륨 누출이 발생했는지 2차원 평면상에서 확인할 수 있다.

연구팀은 "개발된 장치는 온도나 습도 같은 조건과 무관하다"며 "기존 가스 센서가 작동하기 어려운 극저온 환경에도 적용할 수 있다"고 설명했다.

연구팀은 추후 3차원 공간에서 누출 지점을 찾아낼 수 있도록 장치를 확대해 휴대용으로 개량할 계획이다.

https://m.dongascience.com/news.php?idx=75572

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