미생물 연료전지, 흙에서 무한에 가까운 에너지를 끌어낸다

미국 노스웨스턴대 연구팀이 토양에 자리 잡고 미생물이 흙을 분해할 때 생성되는 전력을 토양에 있는 탄소를 포집하는 종이책 크기의 장치를 통해 놀라운 새로운 전기 생산 방법을 시연했다.

'미생물 연료전지(MFC)'는 100년 이상 사용되어 온 기술이다. 양극, 음극, 전해질로 구성된 배터리와 비슷하게 작동하지만, 화학 물질에서 전기를 끌어오는 대신 박테리아가 흙을 먹으면서 자연적으로 전자를 주변 도체에 인가하는 방식으로 작동한다.

지금까지는 흙 속에 묻혀 있으면서도 물과 산소를 공급하는 것이 문제였다. 노스웨스턴대 출신의 프로젝트 책임자인 빌 옌(Bill Yen)은 "MFC는 한 세기 이상 개념으로 존재해 왔지만, 불안정한 성능과 낮은 출력으로 인해 특히 습도가 낮은 환경에서 실용화하려는 노력에 걸림돌이 되었다"고 말한다.

그래서 연구팀은 박테리아 세포에 산소와 물을 지속적으로 공급하기 위한 몇 가지 새로운 디자인을 개발하기 시작했고, 수평 디스크 위에 수직으로 놓인 카트리지 모양의 디자인으로 성공을 거두었다. 디스크 모양의 탄소 음극은 장치 바닥에 수평으로 놓여 있으며, 미생물이 흙을 소화할 때 전자를 포집할 수 있도록 토양 깊숙이 묻혀 있다

한편 전도성 금속 음극은 양극 위에 수직으로 위치한다. 따라서 바닥 부분은 깊은 토양의 수분에 접근할 수 있을 만큼 충분히 깊숙이 자리하고, 상단은 표면과 같은 높이에 위치한다. 전극의 전체 길이에 걸쳐 신선한 공기 틈이 있으며, 상단의 보호 캡은 먼지와 이물질이 떨어져 음극의 산소 공급을 차단하는 것을 방지한다. 또한 음극의 일부는 방수 소재로 코팅되어 있어 침수 시에도 음극의 소수성 부분이 산소와 접촉하여 연료 전지가 계속 작동할 수 있도록 만들었다.

시험 결과, 이 디자인은 완전히 물속에 잠긴 상태부터 토양 수분 함량이 41%에 불과한 다소 건조한 상태까지 다양한 토양 수분 수준에서 일관되게 작동했다. 평균적으로 온보드(onboard) 수분 및 터치 감지 시스템을 작동하고 소형 안테나를 통해 인근 기지국으로 데이터를 전송하는 데 필요한 전력보다 약 68배 더 많은 전력을 생성하는 것으로 나타났다.

핵 폐기물을 이용해 만든, 베타 입자(전자)를 방출하는 베타방사(betavoltaic) 다이아몬드 배터리와 같은 다른 초장기의 발전원과 마찬가지로, 여기서 생산되는 전력의 양은 내연기관 자동차나 스마트폰을 구동할 만큼 충분히 많지는 않다. 그보다는 정기적인 배터리 교체 없이 장기적으로 작동할 수 있는 소형 센서에 전력을 공급하는 데 더 적합하다.

빌 옌은 "이러한 장치 수조 개를 사용하는 미래를 상상한다면 모든 장치를 환경에 위험한 리튬, 중금속, 독소 없이 만들 수 있다"면서, "우리는 분산된 디바이스 네트워크에 전력을 공급하기 위해 적은 양의 에너지를 제공할 수 있는 대안을 찾아야 했는데, 해결책을 찾던 중 특수 미생물을 사용해 토양을 분해하고 그 적은 양의 에너지로 센서에 전력을 공급하는 토양 속 미생물 연료 전지를 찾게 되었고, 미생물이 분해할 수 있는 유기 탄소가 토양에 존재하는 한 연료 전지는 잠재적으로 영원히 지속될 수 있다"고 설명한다.

따라서 이러한 센서는 수분, 영양분, 오염 물질 등 다양한 토양 요소를 모니터링하고 기술 중심의 정밀 농업 방식을 적용하고자 하는 농부들에게 매우 유용할 수 있다. 이러한 센서 수십 개를 농장 주변에 설치하면 향후 수년, 심지어 수십 년 동안 데이터를 생성하는 데 유용할 것으로 보인다.

연구팀에 따르면 이 디자인의 모든 구성 요소는 철물점에서 기성품으로 구입할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이라고 한다. 따라서 이 연구와 광범위한 상용화를 가로막는 공급망이나 재료 문제는 없을 것으로 보인다.