연기 속으로: 인피콘의 화산 모니터링 기술 개발 여정
인피콘은 연구 과제를 혁신으로 전환하여 전 세계적으로 화산 가스 모니터링 및 예측 기술을 발전시키고 있습니다.
인피콘에서 연구 개발은 단순히 기술을 발전시키는 것이 아니라 현실 세계의 문제를 해결하는 것입니다. 엄격한 제품 테스트부터 현장 과학자들과의 긴밀한 협업에 이르기까지, 인피콘은 고객의 고민과 실제 요구를 해결하기 위해 가스를 감지하는 계측기를 개발합니다. 이러한 접근의 강력한 사례 중 하나는 안드레스 디아즈 박사가 주도한 프로젝트입니다. 이 프로젝트는 가스 센서, 가스 크로마토그래피 및 질량 분석법을 활용해 가스를 감지, 정량화 및 모니터링함으로써 화산 분출 직전에 발생하는 현상을 더 잘 이해하고자 합니다. 이러한 통찰력을 바탕으로 화산학자들은 화산 분출을 더 정확히 예측하고 잠재적으로 생명을 구할 수 있습니다.
디아즈 박사는 대학 교수이자 인피콘의 선임 연구 과학자로, 신기술 및 신흥 시장에 주력하고 있습니다. 그의 연구는 과학과 혁신을 연결하며 지진 예측, 우주 탐사, 화산 가스 분석 프로젝트에 기여하고 있습니다. 대학원 시절부터 화산 연구에 대한 열정을 키워온 그는 현재 인피콘 기술을 활용해 환경 재해 발생 전 경고 신호를 감지하는 계측기를 개발하고 있습니다.
이탈리아 에트나 산에서의 최근 연구는 인피콘의 연구개발이 어떻게 글로벌 영향력을 발휘하는지 보여줍니다. 이번 프로젝트에서 우리 연구진이 돌파하고자 했던 주요 과제들을 살펴보겠습니다.
과제: 실험실에 국한된 기술
전통적으로 화산 가스 샘플링은 현장에서 수동으로 샘플을 채취한 후 외부 실험실로 가져와 분석하는 방식이었습니다. 이는 위험할 뿐만 아니라, 샘플링 빈도가 충분하지 않아 영향력이 떨어지고 실시간 통찰력을 얻을 수 없었으며, 샘플을 실험실로 운반하는 데 걸리는 시간으로 인해 데이터가 손상될 수 있었습니다.
초기 질량 분석기는 휴대성이 없고 현장에서 분석하기에는 너무 부피가 크며 안정적인 전원이 필요했기 때문에 이 연구에 적합하지 않았습니다. 또한 가혹한 환경에 잘 대처할 수 있는 장비도 아니었습니다.
획기적인 발전: 휴대용 질량 분석법
현장에서 사용 가능한 질량 분석 시스템의 개발은 이 연구에 변혁을 가져왔습니다. 디아즈는 팀과 협력하여 배낭에 넣을 수 있을 만큼 작은 휴대용 질량 분석기를 설계했습니다. 펠리컨® 케이스에 Transpector® MPH를 사용하는 이 설계 덕분에 과학자와 연구자들은 현장에서 측정하여 가장 정확하고 최상의 측정 결과를 얻을 수 있게 되었습니다.
배낭형 모델에 적용할 질량 분석기의 선택은 화산에서 정밀 측정을 달성하는 데 매우 중요했습니다. Transpector MPH는 상용화된 제품 중 가장 빠른 스캐닝 사중극자 질량 분석기입니다. 이 장비는 다중 가스를 신속하게 측정하고 실시간 동위원소 분석을 수행할 수 있는 능력으로 화산 활동 이해에 필수적인 핵심 기능을 제공했습니다.
도전 과제: 위험한 지형 탐색하기
화산이 분출하기 전에도 환경은 거칠고 뜨겁고 예측 불가능하여 위험합니다. 화산 활동이 증가하거나 분출할 때는 위협이 현실적이고 위험해지며 지속적인 모니터링의 필요성이 더욱 커집니다. 인간은 분출 중인 화산에 들어가 목숨을 걸 수 없지만, 데이터 없이는 과학적 연구가 완성될 수 없습니다.
돌파구: 위험 환경용 로봇 탑재체
위험하고 적대적인 환경 가능성을 극복하기 위해 팀은 다리형 로봇과 드론에 인피콘 기술을 장착하는 방안을 개발했다.
HAPSITE Scout(무인 항공기(UAV)에 통합되어 CO₂, H₂S, SO₂, H₂O 등 주요 화산 가스를 실시간으로 감지하도록 설계된 다중 가스 감지 페이로드 프로토타입)를 탑재한 최초의 드론이 2022년과 2023년 스트롬볼리 화산 및 불카노 섬에서 성공적으로 배치되었습니다. 원래 인피콘 가스 크로마토그래프-질량 분석기인 HAPSITE® CDT의 액세서리로 개발된 HAPSITE Scout는 또한 플룸을 측정하는 동안 현장에서 가스 샘플을 수집하기 위해 탑재된 샘플 수집기를 사용하며, 이후 더 심층적인 GC/MS 분석을 위해 다른 위치로 운반될 수 있습니다. 휴대성 및 극한 환경에서의 실시간 현장 분석과 같은 HAPSITE의 기능을 기반으로 하는 HAPSITE Scout를 통해 연구자를 노출시키지 않고도 드론을 통해 발생 지점에서 바로 측정을 수행할 수 있습니다.
2025년, 연구팀은 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich)의 로봇 시스템 연구소와 협력하여 ARAMMIS 시스템 (Autonomous Robots for Area Mapping, Monitoring, and In-situ Sensing, 자율적 지역 매핑, 모니터링 및 현장 감지 로봇)을 화산에 최초로 배치했습니다. ETH 취리히의 다리형 로봇에 장착된 INFICON Transpector MPH를 통해 연구진은 활화산 분화구 가장자리까지 직접 진입할 수 있는 시스템을 투입하여 배출 가스를 분석할 수 있었으며, 이는 인간이 접근하기 어렵거나 위험한 지역에서 실시간 현장 분석을 가능케 했습니다.
도전 과제: 적대적 환경 속의 기계
화산은 기술에 대해 독특하게 적대적인 환경을 조성한다. 강렬한 진동은 장비를 불안정하게 하거나 손상시킬 수 있으며, 험준한 지형은 로봇 탑재체의 이동성과 안정성에 도전장을 내민다. 또한 이산화황, 황화수소, 불화수소(HF), 염화수소(HCl)와 같은 부식성 가스는 드론과 로봇의 노출된 전자 장비를 손상시킬 위험이 있다. 이러한 적대적인 환경을 견딜 수 있는 시스템을 설계하려면 모든 조건을 고려해야 한다.
돌파구: 극한을 위한 공학
이러한 가혹한 환경에서도 신뢰성을 확보하기 위해 팀은 현장에서 마주치는 조건보다 더 극한의 환경을 견딜 수 있도록 설계된 시스템을 여러 차례 반복 개발하고 테스트했습니다. 여기에는 다음이 포함되었습니다:
- 진동을 흡수하는 지지점을 설계하여 진공 펌프의 탑재체 안정성과 내구성을 향상
- 케이블 연결부와 경유로를 설계하여 잠재적 움직임으로 인한 전선 단락 방지
- 필터를 추가하여 화산 지형의 입자가 질량 분석기에 유입되어 흡입구를 막는 현상 방지
- 배낭, 로봇, 드론 설계에 보호 하우징을 적용하여 견고성을 강화해 움직임, 진동, 물, 충격으로 인한 손상 방지
- 전자 부품에 특수 코팅을 적용하여 가스로 인한 부식 방지
대담한 아이디어에서 혁신적인 도구로
우리의 화산 연구는 아직 끝나지 않았습니다. 현장 조사마다 새로운 변수가 발견되고, 각 도전은 더 큰 혁신을 불러일으킵니다. 이것이 인피콘의 연구개발(R&D)과 연구기관·정부기관과의 협력의 진정한 본질입니다. 단순히 솔루션을 제공하는 것이 아니라 현실 세계의 요구에 부응하도록 지속적으로 개선해 나가는 것입니다. 실험실용 계측기부터 견고한 현장용 시스템에 이르기까지, 화산 프로젝트는 가혹한 환경에서의 센싱 기술의 미래를 보여줍니다. 이를 통해 더 안전하고, 더 스마트하며, 더 예측 가능한 환경을 만들어 갑니다.
