청정에너지 기술, 식물에서 배운다
청정에너지 기술, 식물에서 배운다
  • 김은영 워싱턴 주재기자
  • 승인 2010.01.11 12:43
  • 댓글 0
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인공 광합성으로 공기중 CO2 흡수
광합성원리 이용 태양전지 상업화

내 사무실 창가에 앉아 있는 화분들이 모두 겨울 햇살을 향해 고개를 돌리고 있다. 몇 잎 밖에 나지 않은 작은 녀석들을 사다가 키운지 일 년 새 매번 새 잎을 틔우고 그 잎이 좀 더 넒게 자라는 것을 들여다보면서 물을 주고 하는 것이 내 마음이 쉴 수 있는 아주 중요한 순간들이다.

그들은 햇빛을 향해 늘 잎을 벌리고 내 사무실 공기 중의 이산화탄소를 흡수해 내가 주는 물로 산소를 만들어 내게 주면서 자신의 몸체가 되는 줄기와 잎을 만들어 간다. 반면에 동물인 나는 그들이 만든 바이오매스인 채소를 먹고 숨을 쉬면서 소화작용으로 생성된 이산화탄소를 내뿜는다. 우리는 이렇게 산소와 탄소를 주고받고 있다.

퀀텀과학자 죤조 맥페든(Johnjoe McFadden)에 의하면 모든 생명은 탄소를 근거로 하고 있다고 한다. 그리고 세포가 생명활동을 하기 위한 물이 그 다음의 기본적인 요소이고 수소, 산소, 질소와 소량의 무기질이 필요하다고 한다.

지구는 20억년 전에 광합성작용을 할 수 있는 박테리아가 나타나기 시작하면서 생명이 자라기에 좋은 조건인 생태계가 형성되어 나타나기 시작했다. 6억년 전부터는 알지나 박테리아를 먹이로 하는 원시형태의 동물이 나타나기 시작했고, 진화를 계속해 20만년전부터는 원시 형태의 인간이 나타났다.

인간은 지구의 생태계가 그동안 생산해온 바이오매스의 탄소를 연료로 사용하는 방법을 터득해 지구 속에 수십억년 동안 매장된 죽은 생명체의 탄소를 대기 중으로 배출하기 시작했다. 인간의 지혜와 함께 기하급수적으로 늘어나는 인구와 대기 중으로 배출되는 이산화탄소의 양도 늘어나 축적되어 결국 생태계는 멸종의 위기를 맞고 있다.

이것을 거꾸로 돌이킬 수 있는 방법은 없을까. 과학자들을 그것을 식물에서 배우고자 한다. 이산화탄소를 흡수하여 에너지를 얻는 기술.
지난 12월 22일 미 에너지부(DOE)는 인공 광합성작용을 이용한 에너지 연구 허브에 투자하겠다고 발표했다. 총 3억6600만불을 고효율에너지 빌딩의 연구와 차세대 원자로에 대한 연구 허브와 함께 햇빛을 연료로 바꾸는 에너지 허브에 투자를 하겠다고 발표하면서 광합성작용을 이용한 기술개발에 신선한 관심을 나타냈다.

이를 계기로 최근에 발표된 이 분야의 기술의 현주소를 점검해 본다.
국립버클리연구소 산하 헤리오스 태양에너지 연구센터의 헤인즈 프레이 박사와 헹 자오 박사는 최근 발표한 그들의 논문에서 나노 크리스탈 코발트 옥사이드를 촉매로 사용해 인공 광합성작용을 하는데 성공했다고 발표했다.
이들은 식물의 엽록소 작용과 같은 촉매의 선택을 위하여 여러가지 물질을 실험하고 고려해 봤지만 그 중 나노 크리스탈 코발트 옥사이드가 가장 효율이 좋고, 견고하며, 빠르게 반응할뿐더러 무엇보다도 지구상에 흔하게 널려 있어서 값이 싼 것이 장점이라고 한다.

산디아 국립 연구소에서는 S2P(Sunlight to Petrol) 프로젝트의 시범실험이 성공적이었다고 발표했다. 이 시범 프로젝트에 사용된 방법으로 CR5(Counter-Rotating Ring Receiver Reactor Recuperator)가 사용됐다.
맥주통 모양과 크기의 통속에 직경 1피트의 14개의 코발트 페라이트를 넣고 태양로로 태양빛을 그 통속으로 쪼인다. 코발트 페라이트는 2600도의 온도에서 산소를 잃게 되는데 그때 다시 온도를 2000도로 내리고 이산화탄소에 노출시키면 코발트 페라이트는 이산화탄소에서 산소를 빼앗아 이산화탄소를 일산화탄소로 변하게 된다.

생산된 일산화탄소는 메탄올이나 가솔린 같은 연료로 만들 수 있는 빌딩블럭이 되어 바이오연료로 사용할 수 있게 된다. 이 기구를 대형화하는데 가장 어려운 점은 2600도의 높은 온도로 높일 수 있는 태양로 제작이다. 이를 해결하는데 약 10년 이상 걸릴 것으로 예상된다.
광합성작용을 흉내내어 전기를 생산하는 회사가 있다. 영국에 본부를 둔 ‘G24’사는 염료를 이용해 햇빛의 광자를 전자로 바꾸게 하고 반도체로 그 전자를 분산시켜 전기를 생산하는 태양전지 산업화에 성공했다.
이 DSTF(Dye Sensitized Thin Film)는 이미 홍콩에 처녀수출을 하고 중국의 국립연구소 세 곳과 공동 연구협약을 이루어 냈다. 에너지부에 의하면 염료박막기술은 태양전지 생산가를 5배 낮출 수 있고 효율을 20%까지 올릴 수 있는 가능성이 있다. G24의 DSTF 현재 효율은 12%다.

생명의 가장 기초적인 에너지 생산시설, 잎의 광합성 작용을 흉내내어 에너지를 생산하는 작업이 시작됐다. 사무실에 앉아 햇빛을 향해 모든 잎들을 향하고 있는 화분들을 보면서 상상해본다. 지구 여러 곳에 설치된 수 많은 넓은 인공 잎들, 그 인공 잎들이 공기 중의 이산화탄소를 힘껏 빨아들이고 산소를 마음껏 뿜어내며 다시 산업혁명 이전의 청정 공기의 지구로 돌아가는 미래를.


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