인공눈

인공눈(人工雪, artificial snow)은 제설기와 같은 장치를 이용하여 인공적으로 만든 눈을 말한다.

개요

인공눈은 인위적으로 내리게 하는 눈을 말한다. 일반적으로 비행기에서 빙핵(氷核)이 되는 요오드화은(AgI) 등의 무기물질을 산포하여 고공에서 빙결을 촉진하는 방법을 채택하고 있다. 미국에서 얼음 형성능이 있는 빙핵활성세균(Ice nucleation active bacteria)을 발견, 이 균을 이용하여 미생물성 증설체 'Snamax'를 개발하였다. 1984년부터 스키장 등에서 실용화되고 있고, 현재는 전 세계적으로 보급되어 있다.

지금으로부터 약 80여 년 전, 일본 홋카이도에는 눈(雪)에 대한 연구로 한창인 과학자가 있었다. 겨울이면 홋카이도에서 지겨울 정도로 많이 볼 수 있던 눈은 가장 손쉽게 구할 수 있는 연구 재료였다. 당시 연구 장비로는 카메라와 현미경이 전부였다. 그는 홋카이도대학과 해발 2,000m가 넘는 산 중턱 등에서 직접 눈 사진을 찍으며 눈 결정 구조를 연구하는데 몰두했다. 이렇게 찍은 눈 결정 사진은 2년간 3,000여 종류에 이른다.

그는 또 각기 다른 온도와 습도에서 수많은 눈 결정을 키우는 실험을 진행하며 온도나 습도에 따라 눈 결정 구조가 달라진다는 사실을 밝혀냈다. 이런 노력 끝에 그는 1936년 세계 최초로 인공눈 결정을 만드는데 성공한다. 자신의 전공이었던 핵물리학을 뒤로 하고 홋카이도에서 평생 눈 연구에만 매진한 인물, '나카야 우키치로' 박사가 그 주인공이다. 이렇게 만들어진 인공눈 덕분에 오늘날에는 눈이 오지 않아도 눈을 볼 수 있다. 인공 제설기 없이도 간단히 인공눈을 만들 수 있다. 집에서 손쉽게 만들 수 있는 인공눈, 바로 이 '재료'만 있으면 가능하다.

인공눈 만들기

교과과정

• 초등 3-1 우리 생활과 물질
• 초등 4-1 모습을 바꾸는 물
• 중 2 우리 주위의 화합물

학습주제

• 물의 상태변화 이해하기
• 폴리아크릴산나트륨 특성 알아보기
• 인공눈 제작 원리 이해하기

실험 방법 및 원리

인공눈의 실험 방법

실험 주의 사항

• 인공 눈가루는 인터넷 과학사에서 구입할 수 있다.
• 인공 눈가루를 입에 넣거나 먹지 않도록 주의해야 한다.
• 인공 눈가루에 물을 너무 많이 넣으면 젤처럼 변하니 주의해야 한다.

딱딱한 가루에서 보들보들한 눈가루로

실험에서 인공 눈가루에 물을 부으면 건조하고 딱딱하던 가루가 몽글몽글 부풀어 오르는 모습을 관찰할 수 있다. 반응속도가 빨라서 순식간에 부풀어 오르는데, 이때 막대로 저어주면 가루들이 마치 눈이 쌓이듯 소복하게 컵을 채워 온다. 손으로 가루를 만져보면 보들보들하고 시원해, 마치 눈을 만지는 것과 비슷한 촉감을 느낄 수 있다.

실험에 사용된 인공 눈가루의 정체는 '폴리아크릴산나트륨(Sodium Polyacrylate)'이다. 이 성분은 백색의 가루로, 점성이 크고 물을 잘 흡수하는 성질이 있다. 때문에 물을 부었을 때 이를 모두 흡수하면서 가루 자체의 크기가 커진 것이다. 이렇게 부풀어 오른 인공 눈가루는 바람이 잘 통하는 곳에서 건조시키면 수분이 빠져 나가면서 원래의 가루로 돌아간다.

폴리아크릴산나트륨의 응용

폴리아크릴산나트륨은 현재 여러 곳에서 사용되고 있다. 물을 잘 흡수하는 성질 덕분에 기저귀 등의 습윤제로, 또 식품의 점도를 높이거나 촉감을 향상시키는 성질 덕분에 식품첨가물로도 많이 사용된다. 특히 밀가루 속 단백질의 점착력을 강화시키고 반죽 중 수분의 함량을 일정하게 유지해 오랫동안 촉촉하게 해 주기 때문에 빵이나 케이크, 마카로니, 스파게티 등에 많이 첨가된다. 열에도 강해(섭씨 약 300도까지 분해되지 않음) 가열처리가 필요한 식품에도 사용할 수 있다. 그밖에 케첩, 마요네즈, 소스나 아이스크림, 캐러멜 등에도 첨가된다. 단, 폴리아크릴산나트륨을 첨가할 때는 식품의 0.2% 이하로 사용해야 한다.

실제 인공눈이 만들어지는 과정

눈이 오지 않는 3월에도 스키장에서 스키를 즐길 수 있는 이유는 바로 인공눈 덕분이다. 실제 인공눈은 제설기로 만들어진다. 제설기는 아주 작은 입자로 된 물을 공중에 뿌리고 땅에 떨어지기 전에 얼려서 인공눈을 만들어 낸다. 때문에 제설기를 작동할 때는 일반적으로 기온이 영하여야 한다. 하지만 최근에는 기술의 발달로 섭씨 3도만 넘지 않으면 인공눈을 만들 수 있다. 습도가 낮으면 물이 얼음이 되는 온도인 0도보다 조금 높아도 눈을 만들 수 있는 성질을 이용한 것이다. 이렇게 만들어진 인공눈은 자연눈과는 다른 성질을 갖는다. 하늘에서 내리는 눈은 육각형의 결정 구조를 가지지만 인공눈은 결정이 생길 충분한 시간 없이 빠르게 얼기 때문에 단순한 결정구조를 갖는다.

스키장의 인공눈

스키장에서 사용되는 눈은 상당수가 인공으로 만들어진다는 사실을 알고 있다. 인공눈은 지금으로부터 약 80년 전 일본 홋카이도에서 눈(雪)을 연구하던 과학자에 의해 처음 고안됐다. 홋카이도는 겨울이 되면 정말 엄청난 양의 눈이 내리는 지역인데, 눈은 정말 쉽게 구할 수 있는 연구 재료였다. 물론 당시의 연구 장비는 카메라와 현미경이 전부였다. 나카야 우키치로라는 이 박사는 해발 2000m가 넘는 산 중턱 등에서 찍은 눈 사진으로 눈 결정 구조를 2년 동안 연구하면서 온도와 습도에 따라 그 구조가 달라진다는 사실을 알아냈다. 이러한 노력 끝에 1936년에는 세계 최초로 인공 눈 결정을 만들어 냈다. 나카야 박사의 연구로 우리는 1년 사계절 언제든지 눈을 볼 수 있는 기술을 갖게 되었다.

인공눈은 제설기를 이용해 아주 작은 입자로 된 물을 공중에 뿌려 급속으로 냉각하는 방식으로 만들어진다. 이런 면에서 본다면 인공 제설기가 만드는 눈은 '얼음가루'라고 볼 수 있는데, 이 과정에서 염화칼슘을 섞기도 하는데, 그 양에 따라 눈의 입자(구조)가 달라진다고 알려졌다. 이렇게 만들어진 인공눈은 우리가 일반적으로 보는 자연 상태의 눈과는 성질이 다른데, 겨울철 하늘에서 내리는 눈은 육각형 모양의 구조를 가지고 있지만, 인공 눈은 빠르게 얼기 때문에 결정이 생길 충분한 시간이 부족하다. 그래서 육각형이 아닌 직사각형 등 단순한 구조를 가지게 된다. 하늘에서 내린 눈을 밟았을 때 눈과 눈 사이에 공간이 메워지면서 나는 '뽀드득뽀드득' 소리도 인공 눈에서는 들을 수 없다.

화학으로 만드는 인공 눈

제설기 없이도 간단히 인공 눈을 만들 수 있다. 바로 '이것'만 있으면 집에서 손쉽게 인공 눈을 만들 수 있는데, 혹시 초등학교 3학년 과학 시간 때 인공 눈 만들기를 했던 기억이 날 수 있다. 하얀 인공 눈가루에 물을 넣으면 진짜 눈처럼 변했다. 인공 눈가루는 폴리아크릴산나트륨이라는 성분으로 이루어져 있다. 딱딱했던 폴리아크릴산나트륨이 물을 흡수하면, 보드랍고 시원한 눈처럼 되는데, 이 성분은 물을 잘 흡수하고 밖으로 다시 잘 내보내지 않는다고 알려져 있다. 하지만 부풀어 오른 인공 눈가루를 바람이 잘 통하는 곳에서 건조하면 수분이 빠져나가면서 원래의 가루로 돌아간다. 폴리아크릴산나트륨은 백색의 분말 형태로 냄새와 맛이 없다.

폴리아크릴산나트륨은 특히 물을 흡수해 촉촉하고 폭신폭신하게 만드는 성질이 있어 음식에도 자주 활용된다. 오랫동안 촉촉함과 폭신폭신함을 유지해야 하는 빵이나 케이크, 떡은 물론이고 마요네즈나 케첩, 아이스크림(바로 위 사진)에도 쓰인다. 단, 폴리아크릴산나트륨의 사용량은 식품의 0.2% 이하이어야 한다. 또한 폴리아크릴산나트륨은 물을 아주 많이 흡수하는 반면 다시 내놓지 않는 독특한 성질을 가지고 있기 때문에 기저귀에나 여성 위생용품에도 사용된다. 아기가 소변을 보면 재빨리 흡수하기 때문에 뽀송뽀송한 느낌이 유지되는 것이다.

석유화학으로 만드는 인공 얼음

화학으로 인공 눈뿐만 아니라 얼음도 만들 수 있다. 그 중 '슈퍼 아이스'는 폴리에틸렌(PE)으로 만들어지는 '인공 얼음'이다. 슈퍼 아이스는 영하 31도에서 영상 65.5도까지 온전한 상태를 유지할 수 있어 1년 사계절 어느 장소에나 기온의 구애 없이 설치할 수 있다. 특히 바닥재처럼 깔기만 하면 돼 시공도 간단하다. 또한 물을 얼려 쓰는 기존 얼음과 다르게 슈퍼 아이스는 재사용할 수 있는데, 슈퍼 아이스로 만들어진 아이스링크는 물걸레로 몇번 문질러 주는 것만으로도 빙질 관리를 할 수 있다고 알려져 있다. 한쪽 표면의 수명은 대개 4~5년 정도라고 하는데, 한쪽 표면이 닳아버리면 반대편으로 뒤집어 다시 4~5년을 이용할 수 있다고 하니 정말 경제적이다.

자연을 닮은 화학

지금까지 화학으로 만드는 인공 눈과 얼음에 대해 알아봤는데, 자연물을 대체하는 화학 이야기는 언제 들어도 신기하고 재미있는 것 같다. 인공눈과 얼음은 우리의 삶을 더욱 즐겁고 활기차게 하는 레저 영역에 국한돼 있지만, 앞으로 자연을 모방한 화학은 우리 삶에 엄청난 파급효과를 줄 것으로 기대되고 있다.

참고자료

• 〈인공눈〉, 《네이버 국어사전》
• 〈인공눈〉, 《생명과학대사전》
• 〈몽글몽글 인공눈 만들기〉, 《KISTI의 과학향기 칼럼》
• 한화솔루션 블로거, 〈스키장 인공 눈, 어떻게 만들까? 우리가 몰랐던 과학 이야기 (323)〉, 《세계일보》, 2023-12-07

같이 보기

• 눈
• 인공
• 장치
• 온도
• 습도
• 실험
• 스키
• 제설기
• 스키장
• 홋카이도
• 폴리아크릴산나트륨

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