태양 에너지의 사촌인 인공광합성 기술이 돌아오고 있다.
이탈리아 화학 교수 Giacomo Ciamician는 1912년에 사이언스지에 ‘석탄은 인류에게 가장 집중된 형태의 태양에너지를 제공한다. 하지만 석탄은 무한한 자원이 아니다. 화석 형태의 태양 에너지가 현대생활과 문명이 이용할 수 있는 유일한 태양에너지인가?’라고 말했다.
파리기후협약이 정한 2℃ 온도 상승이라는 목표를 충족시키기 위해서는 인공광합성 기술을 이용한 이산화탄소의 역배출 기술이 필요하다
이탈리아 화학 교수 Giacomo Ciamician는 1912년에 사이언스지에 ‘석탄은 인류에게 가장 집중된 형태의 태양에너지를 제공한다. 하지만 석탄은 무한한 자원이 아니다. 화석 형태의 태양 에너지가 현대생활과 문명이 이용할 수 있는 유일한 태양에너지인가?’라고 말했다.
그는 ‘미래의 광화학(photochemistry of the future)’이라는 제목의 글에서 ‘유리 건물이 모든 곳에 세워지게 된다. 유리 건물의 내부에서는 지금까지 식물의 비밀이었던 광화학 과정이 일어나게 된다. 그러나 자연보다 풍성한 열매를 맺을 수 있도록 인간의 산업에 의해 주도된다. 자연은 서둘지 않지만 인간은 서두르기 때문이다. 삶과 문명은 태양이 빛나는 한 지속된다.’ 라고 말했다.
정원에 있는 식물들은 해가 비치는 동안 놀라운 일을 한다. 식물들은 태양빛에서 흡수한 에너지를 이용하여 필요한 영양분을 만들어낸다. 즉 광합성 작용을 한다. 모든 녹색식물은 광합성을 할 수 있다. 식물이 이런 일을 하는 것은 그들이 살아가는 데 필요한 모든 것을 만들어내기 위해서다. 인간들이 사냥을 하고 식량을 찾아 돌아다니는 동안, 식물은 햇볕 아래서 태양에너지를 이용해 이산화탄소와 물의 원자들을 재배열하여 화학연료인 당을 만들어낸다.
우리가 식물이 하는 일을 따라 하고 싶어 하는 데는 또 다른 이유가 있다. 우리는 에너지를 필요로 한다. 만약 우리가 기름이나 가스를 태울 때 나오는 오염 물질로 공기를 더럽히지 않고 태양 빛을 이용하여 주전자와 자동차 그리고 컴퓨터에 직접 에너지를 공급할 수 있다면 어떻게 될까? 태양은 우리가 1년 동안 화석연료에서 얻는 에너지보다 더 많은 에너지를 지구에 제공하고 있다. 만약 우리가 식물처럼 광합성을 할 수 있고 태양에너지의 일부를 연료로 바꿀 수 있다면 사람들의 생활은 훨씬 편해질 것이다.
앞서 말한 이탈리아 화학자 자코모 치아미치안(Giacomo Ciamician)은 1912년에 식물처럼 광합성 작용을 이용하여 깨끗한 연료를 만들어내는 ‘유리관의 숲’이라는 미래의 에너지 계획을 발표했다. 인공 나뭇잎은 현대판 치아미치안의 유리관의 숲이라고 할 수 있다. 인공 나뭇잎에서는 식물의 비밀을 이용하여 태양에너지를 연료로 바꾼다.
식물 기관은 광자라고 부르는 빛 에너지를 이용하여 매초 400회에 달하는 놀라운 속도로 물 분자를 구성 원자인 산소와 수소로 분해한다. 에너지 과학자들이 이 과정에서 흥미 있어 하는 부분은 물을 분해하는 것과, 그 결과로 발생되는 수소이다. 수소 연료전지에서는 수소와 산소가 다시 결합하여 순수하고 깨끗한 물을 만들면서 에너지를 생산한다. 이 과정에는 탄소가 관여하지 않는다. 따라서 수소야말로 우리가 찾던 21세기 인류 생활에 혁명을 가져올 가능성을 가진 깨끗한 연료이다.
태양광 패널은 효율성 측면에서 이론적 한계를 가지고 있다. 그리고 태양광 패널을 통해 전기를 공급할 수 있지만 액체와 고체 연료가 필요한 곳이 여전히 존재하고 있다. 기후변화는 인공 광합성 연구의 새로운 자극제가 되었다. 식물은 이산화탄소를 격리한다. 파리기후협약이 정한 2℃ 온도 상승이라는 목표를 충족시키기 위해서는 탄소의 포획, 저장과 함께 다량의 바이오에너지를 필요로 한다. 식물은 이산화탄소를 포획하여 바이오연료로 전환시키는 역배출 역할을 하며 바이오연료의 연소로 발생되는 이산화탄소는 포획하여 지하로 격리시킬 수 있다.
인공광합성은 에탄올과 같은 액체 연료의 원천이며 탄소 역배출 역할을 할 수 있다. 일부 학자들은 ‘수소 경제(hydrogen economy)를 이산화탄소 배출 감소의 해결책으로 강조하고 있다. 전체 에너지 인프라를 교체하는 대신 연료만 교체할 수 있는 것이다. 인공광합성을 통해 태양 에너지로 수소 또는 에탄올을 생산할 수 있다면 환경적 피해 없이 액체 연료를 계속 사용할 수 있는 것이다. 모든 것을 전기화시키는 것은 석유를 에탄올로 전환시키는 것보다 훨씬 더 어려운 일이다.
최근 인공광합성 분야의 투자와 연구가 활발히 이루어지고 있다. 여러 가지 광화학 프로세스에 대한 연구가 이루어지고 있으며 그 중 일부는 식물보다 더 효율적인 광합성 결과를 나타내고 있다.
2017년 9월 ‘에너지 환경 과학(Energy and Environmental Science)’에 발표된 미국에너지부 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 논문에서는 이산화탄소를 에탄올(에탄올은 이미 미국 내 가솔린 수요의 10%를 차지하고 있다)과 에틸렌(화학 산업의 중요한 원료)으로 변환시킬 수 있는 새로운 프로세스를 소개하고 있다.
올해 네이처 카탈리스트(Nature Catalyst)에 발표된 최근 논문에서는 광전지를 이산화탄소 전기분해 장치에 연결시키는 기술에 관해 설명하고 있다. 혐기성으로 호흡하는 미생물이 이산화탄소와 물을 전기 에너지와 함께 부탄올(butanol)로 변환시킨다. 이러한 공정은 전기 에너지를 원하는 제품으로 변환시킬 수 있는 능력이 100%에 가깝고 시스템 전체가 태양빛을 연료로 변환시키는 효율이 8%에 이른다고 설명하고 있다. 태양광 패널의 최대 전기 변환효율이 20% 정도라는 점을 고려할 때 이는 괜찮은 수치이며 사탕수수와 스위치그래스와 같은 가장 효율적인 식물들도 6% 정도의 효율을 나타낸다는 점에 비교할 수 있을 것이다.
인공광합성의 또 다른 형태로 연구되는 것은 수소 연료를 둘러싼 잠재적 가능성이다. 하버드 대학교 연구진들은 최근 태양에너지를 수소로 변환시킬 수 있는 ‘바이오닉 잎’을 만들었다. 주목할 만한 점은 바이오닉 잎을 순수 이산화탄소에 노출시키면 효율성이 급격히 높아진다는 점이다. 이러한 가능성은 앞으로 더욱 효율적으로 활용될 수 있다.
환경적이고 실용적 관점에서 수십억 개의 인공식물을 만들어낸다는 것은 잘 선택된 바이오연료용 식물을 파종하는 것보다 현실성이 떨어질 수 있다. 그러나 식물들은 좋은 표토를 필요로 하며 이는 재배를 반복할수록 급속히 악화된다. 바이오연료는 증가하는 인구를 먹여 살릴 수 있는 농토를 사용해야 하며 막대한 양의 담수를 필요로 한다. 인공광합성의 중요한 점은 사막이나 불모지, 심지어 바다에서도 ‘재배’할 수 있다는 점이다. 우리는 자연에서 영감을 얻는다. 하지만 자연을 이해하고 통제하며 이를 개선하는 일은 매우 어려운 일이다.
📚 Reference
https://nststory2014.blog.me
정원에 있는 식물들은 해가 비치는 동안 놀라운 일을 한다. 식물들은 태양빛에서 흡수한 에너지를 이용하여 필요한 영양분을 만들어낸다. 즉 광합성 작용을 한다. 모든 녹색식물은 광합성을 할 수 있다. 식물이 이런 일을 하는 것은 그들이 살아가는 데 필요한 모든 것을 만들어내기 위해서다. 인간들이 사냥을 하고 식량을 찾아 돌아다니는 동안, 식물은 햇볕 아래서 태양에너지를 이용해 이산화탄소와 물의 원자들을 재배열하여 화학연료인 당을 만들어낸다.
우리가 식물이 하는 일을 따라 하고 싶어 하는 데는 또 다른 이유가 있다. 우리는 에너지를 필요로 한다. 만약 우리가 기름이나 가스를 태울 때 나오는 오염 물질로 공기를 더럽히지 않고 태양 빛을 이용하여 주전자와 자동차 그리고 컴퓨터에 직접 에너지를 공급할 수 있다면 어떻게 될까? 태양은 우리가 1년 동안 화석연료에서 얻는 에너지보다 더 많은 에너지를 지구에 제공하고 있다. 만약 우리가 식물처럼 광합성을 할 수 있고 태양에너지의 일부를 연료로 바꿀 수 있다면 사람들의 생활은 훨씬 편해질 것이다.
앞서 말한 이탈리아 화학자 자코모 치아미치안(Giacomo Ciamician)은 1912년에 식물처럼 광합성 작용을 이용하여 깨끗한 연료를 만들어내는 ‘유리관의 숲’이라는 미래의 에너지 계획을 발표했다. 인공 나뭇잎은 현대판 치아미치안의 유리관의 숲이라고 할 수 있다. 인공 나뭇잎에서는 식물의 비밀을 이용하여 태양에너지를 연료로 바꾼다.
식물 기관은 광자라고 부르는 빛 에너지를 이용하여 매초 400회에 달하는 놀라운 속도로 물 분자를 구성 원자인 산소와 수소로 분해한다. 에너지 과학자들이 이 과정에서 흥미 있어 하는 부분은 물을 분해하는 것과, 그 결과로 발생되는 수소이다. 수소 연료전지에서는 수소와 산소가 다시 결합하여 순수하고 깨끗한 물을 만들면서 에너지를 생산한다. 이 과정에는 탄소가 관여하지 않는다. 따라서 수소야말로 우리가 찾던 21세기 인류 생활에 혁명을 가져올 가능성을 가진 깨끗한 연료이다.
태양광 패널은 효율성 측면에서 이론적 한계를 가지고 있다. 그리고 태양광 패널을 통해 전기를 공급할 수 있지만 액체와 고체 연료가 필요한 곳이 여전히 존재하고 있다. 기후변화는 인공 광합성 연구의 새로운 자극제가 되었다. 식물은 이산화탄소를 격리한다. 파리기후협약이 정한 2℃ 온도 상승이라는 목표를 충족시키기 위해서는 탄소의 포획, 저장과 함께 다량의 바이오에너지를 필요로 한다. 식물은 이산화탄소를 포획하여 바이오연료로 전환시키는 역배출 역할을 하며 바이오연료의 연소로 발생되는 이산화탄소는 포획하여 지하로 격리시킬 수 있다.
인공광합성은 에탄올과 같은 액체 연료의 원천이며 탄소 역배출 역할을 할 수 있다. 일부 학자들은 ‘수소 경제(hydrogen economy)를 이산화탄소 배출 감소의 해결책으로 강조하고 있다. 전체 에너지 인프라를 교체하는 대신 연료만 교체할 수 있는 것이다. 인공광합성을 통해 태양 에너지로 수소 또는 에탄올을 생산할 수 있다면 환경적 피해 없이 액체 연료를 계속 사용할 수 있는 것이다. 모든 것을 전기화시키는 것은 석유를 에탄올로 전환시키는 것보다 훨씬 더 어려운 일이다.
최근 인공광합성 분야의 투자와 연구가 활발히 이루어지고 있다. 여러 가지 광화학 프로세스에 대한 연구가 이루어지고 있으며 그 중 일부는 식물보다 더 효율적인 광합성 결과를 나타내고 있다.
2017년 9월 ‘에너지 환경 과학(Energy and Environmental Science)’에 발표된 미국에너지부 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 논문에서는 이산화탄소를 에탄올(에탄올은 이미 미국 내 가솔린 수요의 10%를 차지하고 있다)과 에틸렌(화학 산업의 중요한 원료)으로 변환시킬 수 있는 새로운 프로세스를 소개하고 있다.
올해 네이처 카탈리스트(Nature Catalyst)에 발표된 최근 논문에서는 광전지를 이산화탄소 전기분해 장치에 연결시키는 기술에 관해 설명하고 있다. 혐기성으로 호흡하는 미생물이 이산화탄소와 물을 전기 에너지와 함께 부탄올(butanol)로 변환시킨다. 이러한 공정은 전기 에너지를 원하는 제품으로 변환시킬 수 있는 능력이 100%에 가깝고 시스템 전체가 태양빛을 연료로 변환시키는 효율이 8%에 이른다고 설명하고 있다. 태양광 패널의 최대 전기 변환효율이 20% 정도라는 점을 고려할 때 이는 괜찮은 수치이며 사탕수수와 스위치그래스와 같은 가장 효율적인 식물들도 6% 정도의 효율을 나타낸다는 점에 비교할 수 있을 것이다.
인공광합성의 또 다른 형태로 연구되는 것은 수소 연료를 둘러싼 잠재적 가능성이다. 하버드 대학교 연구진들은 최근 태양에너지를 수소로 변환시킬 수 있는 ‘바이오닉 잎’을 만들었다. 주목할 만한 점은 바이오닉 잎을 순수 이산화탄소에 노출시키면 효율성이 급격히 높아진다는 점이다. 이러한 가능성은 앞으로 더욱 효율적으로 활용될 수 있다.
환경적이고 실용적 관점에서 수십억 개의 인공식물을 만들어낸다는 것은 잘 선택된 바이오연료용 식물을 파종하는 것보다 현실성이 떨어질 수 있다. 그러나 식물들은 좋은 표토를 필요로 하며 이는 재배를 반복할수록 급속히 악화된다. 바이오연료는 증가하는 인구를 먹여 살릴 수 있는 농토를 사용해야 하며 막대한 양의 담수를 필요로 한다. 인공광합성의 중요한 점은 사막이나 불모지, 심지어 바다에서도 ‘재배’할 수 있다는 점이다. 우리는 자연에서 영감을 얻는다. 하지만 자연을 이해하고 통제하며 이를 개선하는 일은 매우 어려운 일이다.
📚 Reference
https://nststory2014.blog.me
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