3년 연속 기록적인 더위가 이어진 후, 올해도 또 한 번 불볕더위가 예상된다. 에어컨? 사라지지 않을 것이다. 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 에어컨 대수가 3배로 늘어날 것으로 전망한다. 이는 건강에는 좋다. Lancet 연구에 따르면 2019년에만 에어컨이 약 20만 명의 조기 사망을 예방했다. 하지만 지구에는 나쁘다. 인공 냉방은 이미 전 세계 전력 사용량의 7%, 온실가스 배출량의 3%를 차지하며, 제대로 폐기되지 않으면 이산화탄소보다 지구 온난화 잠재력이 더 큰 냉매가 누출될 수 있다.

더위를 느끼며 많은 과학자와 스타트업이 고체 상태 냉각을 강화하기를 희망하고 있다. 현재 고체 상태 냉각은 미니 냉장고, 전기차 배터리, 일부 고급 게임용 컴퓨터 등 소규모로 사용된다. 기존 에어컨은 압축기와 팬을 사용해 냉매를 순환시키고 액체에서 기체로 변화시켜 열을 전달한다. 반면 고체 상태 시스템은 가돌리늄과 비스무트 텔루라이드 같은 전도성 물질을 통해 열을 이동시키며, 이는 이론적으로 더 적은 부작용으로 공간과 표면을 냉각할 수 있다.

문제는 기존 에어컨의 효율성을 따라잡을 수 있느냐다. 열 전달을 연구하는 미시간 대학의 기계 공학 교수인 Pramod Reddy는 "남은 핵심 질문 중 하나는 왜 고체 상태 냉각기가 일반적인 열역학 사이클만큼 효율적이지 않은가입니다."라고 말한다.

다양한 접근법을 시험하기 위한 연구와 시범 프로그램이 진행 중이다. 브루클린에 본사를 둔 Mimic Systems는 반도체 재료에 전류를 통과시켜 한쪽에서 다른 쪽으로 열을 이동시키는 열전 냉각을 사용한다. 이 회사의 실내 규모 기후 제어 시스템은 밴쿠버의 한 아파트에서 시범 운영 중이다. 독일 회사 Magnotherm은 재료를 자화 및 탈자화하여 열을 전달하는 자기 열량 설정에 의존하는 시스템을 슈퍼마켓 체인에서 테스트할 예정이다. 홍콩의 한 팀은 재료가 팽창 및 수축하면서 가열 및 냉각되는 엘라스토칼로릭 장치가 0°C 이하로 내려갈 수 있다고 발표했다. 영국의 Barocal은 압력 변화에 따라 온도가 변하는 바로칼로릭 시스템에 베팅하고 있다.

그러나 특히 열전 분야의 전문가들은 고체 상태 방식이 얼마나 잘 경쟁할 수 있을지 의구심을 품고 있다. 노스웨스턴 대학에서 전기 및 열 전도성을 연구하는 Jeff Snyder 교수는 대부분의 현대 HVAC 시스템의 성능 계수(COP)가 3이라고 설명한다. 이는 시스템이 투입되는 에너지 단위당 3단위의 열을 이동시킨다는 뜻이다. 특히 열전 소자는 높은 온도 변화 수준에서 성능이 훨씬 낮은 경향이 있어 자동차 시트 뒷면 냉각과 같은 틈새 용도에 가장 적합하다고 Snyder는 말한다.

그러나 효율성이 전부는 아니라고 Rocky Mountain Institute의 기후 기술 가속기 Third Derivative의 매니저인 Lindsay Rasmussen은 주장한다. 이 기관은 Magnotherm과 Mimic을 모두 지원한다. 미국에서 현재 사용되는 대부분의 에어컨은 이산화탄소보다 지구 온난화 잠재력이 2,000배 이상 높은 R410A라는 냉매를 사용한다. 게다가 움직이는 부품이 많아 내구성이 떨어질 수 있으며, 특히 기계적으로 덜 복잡한 고체 상태 모델과 비교할 때 더 그렇다.

그럼에도 불구하고 장치 부족으로 효율성 문제에 답하기 어렵다. Rasmussen은 대안이 얼마나 잘 작동하는지 이해하려면 연구자들이 단순히 COP를 보는 대신 기존 모델과의 장기적인 에너지 소비를 비교해야 한다고 말한다. 예를 들어 Mimic은 실내 규모 모델이 1년 동안 일반 에어컨의 전력 소비와 맞먹을 것이라고 주장한다. 엘라스토칼로릭과 바로칼로릭 시스템도 유망하지만, 실내 규모 프로토타입은 아마 2~3년은 더 걸릴 것이라고 Rasmussen은 덧붙인다.

결국 고체 상태 냉각이 압축기 기반 에어컨을 대체할 가능성은 희박하다. 그러나 지구가 따뜻해지고 인도 같은 곳에서 향후 10년 동안 수천만 대의 새 에어컨이 설치되면서, 고체 상태 냉각은 지속 가능한 냉방의 중요한 대안으로 떠오를 수 있다.