인공 광합성, 지구를 살리는 새로운 에너지 연료로 각광

지속가능한 에너지 솔루션을 향한 획기적인 새로운 연구가 진행되면서 과학자들은 이산화탄소(CO₂), 물, 햇빛으로부터 강력하고 에너지 밀도가 높은 연료인 메탄(CH₄) 생산을 위해 광합성의 자연적인 과정을 모방하는 청색기술을 성공적으로 적용하고 있다.

지난 10월 12일 미국화학회(ACS: American Chemical Society)에서 발행하는 저널인 'ACS 엔지니어링(ACS Engineering Au)'에 보고된 이러한 혁신적인 접근 방식은 재생 불가능한 화석연료를 대체할 수 있는 프로토타입 시스템을 제시할 뿐만 아니라, 재생 에너지 기술의 미래를 엿볼 수 있게 해주고 있다.

인공 광합성이란 무엇인가

식물은 오랫동안 햇빛을 이용해 광합성을 하고 CO₂와 물을 산소와 당으로 전환하여 연료로 사용하는 기술을 습득해 왔다. 반면에 인간은 태양이 제공하는 풍부하고 지속가능한 에너지원을 활용할 수 있는 방법을 모색해 왔으며, 그 중에서 태양광 패널(solar panel)이 가장 널리 사용되는 방법 중 하나이다.

이런 가운데 ACS의 카즈나리 도멘(Kazunari Domen)이 이끄는 연구팀은 태양광을 이용해 물(H₂O)을 수소와 산소 가스로 분리하는 인공 광합성 시스템을 개발하여 주목을 받고 있다. 연구팀의 목표는 이 과정을 광합성에 더 가깝게 모방하여 CO₂를 흡수하고 태양 에너지를 메탄으로 저장하는 동시에 비용 효율적이고 확장 가능한 재료를 활용하도록 발전시키는 것이다.

연구팀은 반응 촉진을 위해 각각 알루미늄 도핑된 티탄산스트론튬(SrTiO3) 광촉매로 코팅된 태양 전지판과 유사한 반응 셀 세트를 만들었다. 이 셀들은 물로 채워져 있어 햇빛에 노출되면 물을 수소와 산소 가스로 분해한다. 그런 다음 수소 가스를 정제해 주입하여 CO₂와 반응하게 하면 메탄과 물을 형성시킨다. 그리고 물은 광반응기를 사용하여 첫 번째 단계로 다시 재활용되도록 하였다.

이전에 설계된 100m² 면적의 소규모 광촉매 태양열 수소 생산기지를 기반으로 하는 이 새로운 장치는 수개월에 걸쳐 여과된 수소 가스를 지속적으로 생산하고 있다.

연구팀은 광생성된 H₂를 CH₄로 전환하기 위해 촉매를 사용한 CO₂ 메탄 발생기를 부착하여 광합성 메탄을 성공적으로 만들어 축적시켰다. 이 실험에서 연구팀은 다양한 버전의 장치를 탐색했으며, 각 버전은 특정한 실험 목적과 조립품을 구성하는 크기에 맞게 조정되었다. 특히 그 중 한 버전은 2022년 유럽혁신위원회(EIC: European Innovation Council)에서 수여하는 인공 광합성을 통해 '태양에서 얻는 연료(Fuel from the Sun)' 공모전에서 호라이즌 상(Horizon Prize)을 수상하며 지속가능한 에너지 분야에서의 실제 적용 가능성과 잠재력을 보여주었다.

이 기술을 실제로 적용한 결과, 작은 침실 크기인 14제곱미터 크기의 셀 어레이가 다양한 기상 조건에서 3일 동안 연속적으로 작동했다. 연구팀은 이번에 개발한 인공 광합성 시스템은 결과가 유망하지만 효율을 좀 더 향상시켜야 대규모 전력 생산을 위한 선택지로 고려할 수 있다는 점도 인정했다. 

인공 광합성 식물을 보다 광범위하게 적용하기 위해 식물 규모를 확장하는 일은 쉽지 않다. 연구팀의 논문에 따르면 미니 플랜트에서 인공 광합성 장치의 본격적인 산업응용 분야로 전환하는 과정에서 발생할 수 있는 장애물과 해결책이 뒷받침되어야 하고, 이 기술의 실제 구현에 대한 현실적인 관점이 포함되어야 한다고 지적하고 있다.

이번에 개발한 장치는 햇빛을 이용해 강력한 온실가스인 메탄을 생성하기 때문에 온실가스 배출에 기여하지 않도록 메탄의 저장, 활용 및 잠재적 누출을 관리하는 것이 필수적이다. 이번 연구는 메탄을 청정 에너지원으로 활용할 때 환경에 미치는 영향과 지속가능성에 대한 논의를 시작하는 한편, 잠재적인 환경 영향을 관리하고 완화하기 위한 추가 탐색과 개발을 촉진할 것으로 보인다.

태양광 패널과 인공 광합성으로 지구 살리기
인공 광합성과 태양광 패널은 태양의 힘을 이용하면서도 두 가지 모두 각각 뚜렷한 이점을 제공할 뿐 아니라, 서로 다른 에너지 수요를 충족시키며 재생 에너지 기술에서 고유한 틈새 시장을 개척하고 있다. 메탄과 같은 화학 결합에 에너지를 저장할 수 있는 인공 광합성은 선택적 에너지 활용을 제공할 수 있다. 이처럼 다양한 산업 분야에서 연료나 원료로 활용할 수 있는 화학물질을 생산함으로써 다목적 솔루션의 제시도 가능하다. 또한 대기 중 이산화탄소를 사용하고 완화하는 능력이 뛰어나 탄소중립 연료 생산의 길을 제시하고, 온실가스 배출과 관련된 문제를 해결할 수가 있다. 그러나 인공 광합성은 여전히 개발 단계에 있으며, 연구팀은 기술의 복잡성으로 인한 초기 비용이 많이 들기 때문에 효율성, 확장성, 경제성을 향상시킬 수 있는 방법을 모색하고 있다고 밝혔다.

반면, 성숙하고 널리 구현된 태양광 패널 기술은 수년에 걸쳐 비용과 효율성 측면에서 크게 최적화되어 오늘날 가장 접근성이 높고 비용 효율적인 재생에너지 기술 중 하나가 되었다. 태양광을 전기로 직접 변환하는 기술은 탁월하지만 주로 전기 사용 사례에 국한되어 있고, 탄소포집이나 화학연료 생산에는 직접적인 솔루션을 제공하지 않는다. 또한 태양광 발전은 생산된 전기를 저장해서 사용하려면 배터리와 같은 추가 시스템이 필요한 경우가 많으며 배전망 같은 그리드 인프라(grid infrastructure)에 의존하게 된다.

전반적으로 이 두 시스템은 풍력, 수력 및 기타 친환경 에너지 기술과 함께 화석연료 소비를 줄이는 데 도움이 될 것이다.

청정 에너지로서의 인공 광합성
메탄은 온실가스이지만 에너지 밀도가 높은 연료이며 천연가스의 주성분이다. 천연가스를 포함한 전통적인 화석연료는 형성하는 데 수백만 년이 걸리며, 이를 추출하는 과정은 환경에 해로운 영향을 미칠 수가 있다. 따라서 재생 가능한 에너지원에서 메탄을 생산하는 방법을 개발하면 재생 불가능한 화석연료의 필요성을 점차적으로 줄일 수 있게 된다. 연구팀은 이러한 개념 검증 시스템을 플라스틱이나 기타 화학원료의 전구체 생산에 적용하여 대량의 지속가능한 바이오 연료를 생산할 수 있도록 확장할 수 있다고 믿고 있다.

인공 광합성을 통해 식물의 능력을 모방하려는 노력은 지속가능한 에너지 생산을 위해 많은 가능성을 열어주고 있다. 햇빛을 활용하여 메탄을 생산하는 능력은 재생 불가능한 화석연료에 대한 의존도를 줄이면서 보다 지속 가능하고 친환경적인 에너지 솔루션으로 나아갈 수 있는 길을 제시하고 있다. 

하지만 여정은 여기서 끝나지 않는다. 이러한 인공 광합성 시스템의 효율성과 확장성을 더욱 연구하고 최적화하여 대규모로 구현할 수 있도록 해야 하기 때문이다. 전반적으로 인공 광합성에 대한 연구는 혁신적인 에너지 솔루션을 향해 한 걸음 더 나아가는 것을 의미하며, 오랜 시간 동안 지구에서 생명을 유지해 온 자연의 과정을 더 깊이 이해하고 복제할 수 있는 기회를 제공하는 것이다. 과학과 기술, 지속가능성의 융합은 발전을 거듭할수록 에너지의 미래를 형성하는 데 중추적인 역할을 할 것이다.