기본 콘텐츠로 건너뛰기

실제 나뭇잎처럼 자체적 조절 시스템을 갖춘 인공 광합성 시스템



 (The artificial photosynthesis system produces formic acid from carbon dioxide and water – at right is its unique electrolyzer. Credit: Osaka Metropolitan University)

​

태양 전지는 이미 전 세계 에너지 생산에서 상당한 부분을 차지하고 있습니다. 하지만 밤이나 날씨가 흐릴 때는 발전을 못한다는 문제가 여전히 존재합니다. 따라서 낮에 발전되는 에너지 일부를 화학 에너지로 저장하거나 혹은 아예 석유 화학 산업을 대체할 수 있는 물질을 생산하는 인공 광합성 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

​

인공 광합성이라는 용어는 사실 포도당을 만들지는 않지만, 태양 에너지를 이용해서 화학 물질을 합성한다는 면에선 비슷하기 때문에 붙은 명칭입니다. 보통 태양 전지를 통해 전기를 생산해 이를 이용한 전기 화학적 반응을 이용하거나 광화학 반응을 통해 물질을 생성합니다.

​

하지만 어느 쪽이든 태양 에너지가 불규칙하면 에너지 생산 역시 불규칙해지면서 반응이 최적 상태에서 일어나지 못하는 경우가 많습니다. 식물의 광합성 반응은 빛이 약하거나 변동이 심해도 안정적으로 일어나는 것과 대조적입니다.

​

오사카 시립 대학 (Osaka Metropolitan University) 연구팀인 태양 전지 인공 광합성 시스템에 진찌 나뭇잎과 같은 능력을 구현하는 시스템응 개발했습니다. 연구팀의 시스템은 변동 폭이 심한 태양 에너지를 자기 조절 시스템으로 조절하면서 이산화탄소와 물로부터 포름산을 생산할 수 있습니다. 포름산은 적절한 화학 공정을 거치면 각종 석유 화학 제품을 생산할 수 있습니다.

​

전기 화학 반응을 태양 전지에 의존할 경우 생기는 문제점은 들어오는 전류량이 불규칙하다보니 화학 반응도 최적 조건이 아니라 반응 속도가 제각각이 되면서 생산 산물의 농도와 품질이 달라지게 된다는 것입니다.

​

여기에 태양광 패널은 단순히 고정된 양의 전력을 생산하는 것이 아닙니다. 햇빛과 온도에 따라 특정 순간에 패널은 가장 효율적으로 전력을 생산할 수 있는 전압과 전류의 특정 조합을 가지는데, 이를 최대 전력점(MPP, Power Point Tracking)이라고 합니다. 이를 벗어나면 시스템의 전력 생산 능력이 떨어집니다.

​

기존 시스템은 최대 전력점 추적 (MPPT, Maximum Power Point Tracking)을 통해 이 문제를 해결합니다. MPPT는 태양광 패널의 전압과 전류를 지속적으로 모니터링하고, 햇빛의 변화에 따라 패널이 가장 효율적인 지점 근처에서 작동하도록 전기 부하를 조절하는 전자 제어 장치입니다. 하지만 이를 위해 컨트롤러, DC-DC 컨버터, 그리고 전력을 완충하고 안정화하기 위한 배터리를 추가해야 합니다. 상당한 추가 비용이 들어가서 경제성이 더 떨어지는 구조입니다.

​

연구팀의 해결책은 전해조(electrolyzer) 자체의 물리·화학적 특성을 활용한 '화학적 MPPT(chemical MPPT)'입니다. 이는 중간 단계를 제거하고 전해조 자체가 자기 조절 능력을 통해 작업을 수행하도록 하는 것입니다. 핵심은 전해조 내부에 내장된 특수 고체 전해질입니다. 이 전해질은 온도가 상승함에 따라 이온 저항이 감소해 이온이 전해질을 더 쉽게 통과할 수 있게 합니다. 온도와 햇빛에 따라 자체 조절 능력을 지녀 별도의 시스템 없이도 자체적으로 반응을 조절합니다.

​

하지만, 그럼에도 생산된 포름산의 농도가 제각각인 문제는 여전합니다. 이 문제는 화학적으로 해결할 수 없기 때문에 연구팀은 저전력 펌프와 펌프 컨트롤러를 사용해 흐름을 조절했습니다. 전류가 강하면 물/반응물 유량을 증가시켜 제품 농도가 너무 진해지지 않게 조절하고 반대로 전류가 약하면 유량을 줄여 제품이 너무 희석되지 않게 하는 것입니다. 이런 유량 변화가 전해조의 열 방출에도 영향을 주어 온도-저항 루프와 연동되어 시스템을 안정시킵니다.

​

연구팀에 따르면 이 시스템은 실제 광합성 생물처럼 자체 조절(self-regulate) 능력 덕분에 실제 태양광 아래에서도 일출부터 일몰까지 포름산 농도를 비교적 안정적으로 유지했습니다. 그리고 배터리나 복잡한 MPPT 하드웨어 의존도를 크게 낮춰 비용·복잡성 감소와 자율성 높였습니다. 또 자연 광합성처럼 빛이 별로 없는 저조도 환경에서도 작동이 가능했습니다.

​

하지만 아직 장기 내구성 테스트가 필요하고, 극한 저조도나 고전류 상황에서의 실용적 제한이 남아 있습니다. 컨셉이 꽤 괜찮아 보이는데, 문득 식물은 어떤 자기 조절 방식으로 더 완벽하게 이 문제를 해결했는지 궁금해지는 연구이기도 합니다.

​

​

참고

​

https://newatlas.com/energy/artificial-photosynthesis-system-solar-fuel/

​

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/el/d5el00177c

​

라벨:

댓글

댓글 쓰기

이 블로그의 인기 게시물

중등도 코로나 19 환자에서 제한적인 효과만을 확인한 렘데시비르

   현재 렘데시비르는 인공 호흡기 치료가 필요한 환자 등 중증 코로나 19 환자의 치료제로 사용되고 있습니다. 다만 공급이 부족해서 갑자가 중증 코로나 19 환자가 늘어날 경우 수급 문제가 불거질 수밖에 없습니다. 따라서 이를 중등도 코로나 19 환자 (경증이나 무증상은 당연히 치료가 필요없거나 대증 요법 정도) 사용한다는 것은 지금 당장에 급한 연구는 아니지만, 나중에 수급량이 많아지고 가격이 낮아질 때를 생각하면 의미 있는 연구 결과입니다.   렘데시비르 제조사인 길리어드 사이언스의 다아애나 브레이너드 박사 ( Dr. Diana Brainard of Gilead Sciences )는 병원에 입원이 필요했던 중등도 코로나 19 환자 584명을 렘데시비르 5일, 10일 투여 실험군과 위약을 투여한 대조군으로 나눠 임상 경과, 사망 등 중요한 합병증 발생 등에서 차이를 보이는지 조사했습니다. 연구 대상자의 40% 이상은 당뇨 같은 만성 질환이 있었으며 평균 연령은 57세였습니다.   연구 결과 대조군의 2%, 5일 투여군의 2%, 10일 투여군의 1%가 사망했으나 사망자 수가 4명, 3명, 2명 정도로 통계적 차이를 판단하기에는 사망자 수가 적어 결론을 내리기 어려웠습니다. 연구팀은 5일 투여군에서 임상 경과가 다소 호전되는 것을 판단했으나 10일 투여군에서는 통계적 차이를 검증할 수 없었습니다. 결론적으로 말해 중등도 코로나 19 환자에서 렘데시비르 투여는 확실한 임상적 이득이 없었습니다.     5일 투여량만 해도 가격이 3120달러라는 점을 감안할 때 중등도 환자에서 렘데시비르 투여는 설령 공급이 원활하다고 해도 적절한 치료법이 아닌 것으로 판단됩니다. 더구나 지금처럼 공급이 불안해 중증 환자 투여 물량 확보가 아쉬운 상황에서는 말할 것도 없습니다.  이번 연구는 렘데시비르보다 효과가 뛰어나면서 저렴한 차세대 항바이러스 치료제의 필요성을 다시 보여준 것으로 생각됩니다....
댓글 쓰기
자세한 내용 보기

178Tb/s - 광섬유 통신 신기록 수립

  ( Lidia Galdino, lead researcher on the study. Credit: James Tye / UCL )  현재 가정에 들어오는 초고속 광통신은 10Gb/s 정도가 가장 빠른 편입니다. 그러나 사실 광섬유를 통해서 보낼 수 있는 정보량은 이것보다 훨씬 많습니다. 현재 개발 중인 기술 가운데서는 이미 1Tb/s 이상이 속도를 지닌 것들이 많아 미래에는 테라 인터넷 시대가 가능할 것으로 예상됩니다. 그런 가운데 영국 유니버시티 칼리지 런던 (UCL)의 리디아 갈디노( Lidia Galdino )가 이끄는 연구팀이 178Tb/s라는 신기록을 세웠다는 소식입니다.   광섬유 통신을 위한 주파수는 4.5THz까지 높일 수 있습니다. 최근에 개발된 신기술은 9THz 벽도 돌파했습니다. 그러나 연구팀은 16.8THz라는 새로운 영역에 도달했습니다. 주파수가 높을 수록 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 하지만 16.8THz의 주파수로도 178Tb/s의 데이터 전송 속도는 사실 불가능합니다. 연구팀은  Geometric Shaping (GS) 방식으로 레이저 신호의 페이즈, 밝기, 편광 수준을 조절해 여러 신호가 서로 간섭 없이 전달되게 만들어 이런 신기록을 수립했습니다.   물론 새로운 기술이 항상 그렇듯이 바로 상용화가 가능한 것은 아닙니다. 특히 광섬유는 장거리 정보 전송이 가능해야 할 뿐 아니라 오류 없이 장시간 작동이 가능해야 합니다. 자꾸 에러가 생기거나 고장난다면 아무리 속도가 빨라도 무용지물입니다. 이 단계를 극복하고 경제성까지 갖춰 실용화 되는 경우는 사실 소수에 지나지 않습니다.   하지만 경쟁적으로 Tb 급 대역폭을 지닌 광통신 기술이 개발되고 있어 테라바이트 급 정보도 순식간에 전송할 수 있는 시대가 올 것은 분명합니다. 과거 전화선을 이용한 56K 모뎀에서 지금의 광섬유 기반 초고속 인터넷이 온 것처럼 속도는 계속 빨라질 수밖에 없기 때문입니다...
댓글 쓰기
자세한 내용 보기

코로나 19 감염 위험성이 큰 동물은?

  ( A new genomic study ranks the potential of the SARS-CoV-2 spike protein to bind to the ACE2 receptor site in 410 vertebrate animals. Old World primates and great apes, which have identical amino acids at the binding site as humans, are predicted to have a very high propensity for binding ACE2 and are likely susceptible to SARS-CoV-2 infection. Credit: Matt Verdolivo/UC Davis )    코로나 19를 일으키는  SARS-CoV-2는 사스 및 메르스와 마찬가지로 박쥐를 자연 숙주로 삼는 베타 코로나바이러스 계통입니다. 따라서 본래 박쥐에 살던 바이러스가 중간 단계를 거쳐 사람으로 넘어온 것으로 추정됩니다. 그런데 이 이야기는 SARS-CoV-2 역시 사람에만 감염되는 것이 아니라 종을 넘어 다른 포유류나 조류, 혹은 척추동물에 감염될 수 있음을 시사합니다. 코로나 바이러스가 침투하는 경로인 ACE2 수용체는 다른 척추동물에서도 볼 수 있기 때문입니다. 다만 SARS-CoV-2와 ACE2 수용체의 결합 수준은 동물마다 큰 차이가 있어 감염 위험도는 모두 다를 수밖에 없습니다.   캘리포니아 대학 데이비스 캠퍼스 (UC Davis)의 조안나 다마스 (Joana Damas)와 그 동료들은 410종의 척추동물에서 ACE2 수용체 유전자를 조사해 코로나 19 감염 위험도를 조사했습니다. 연구팀에 따르면 ACE2 수용체 전체가 아니라 25개의 아미노산 배열이 특히 결합력에 큰 영향을 미쳐 감염 가능성을 결정합니다.   연구 결과 쉽게 예상할 수 있듯이 사람과 가까운 침팬치, 고릴라, 보노보...
댓글 쓰기
자세한 내용 보기