태양광선으로 수소연료 만든다

천연광합성에 합성 재료 도입하는 반인공 광합성 통해 물을 수소와 산소로 분해
모의 태양광으로 조명이 들어온 광전기화학전지를 보여주는 2 전극 실험. / 사진:KATARZYNA SOKÓL

국제적 연구팀이 식물의 광합성 과정에서 아이디어를 얻어 언젠가 수소연료 생산에 이용할 수 있는 신기법을 증명했다. 수소연료는 깨끗하고 거의 무제한의 신재생 에너지 원이다. 학술지 ‘네이처 에너지’에 발표된 논문에서 영국 케임브리지대학과 독일 보훔루르대학 연구팀은 태양광선을 이용해 물 분자를 구성요소인 수소와 산소로 분해하는 원리증명 방식의 개요를 설명했다.

식물도 광합성 중 태양광선을 에너지로 변환할 때 물 분자를 ‘분해’한다. 인공 광합성 기법은 수십 년 전부터 존재했지만 신재생 에너지 생산에 응용되지는 않았다. 이런 기법에 사용해야 하는 촉매제에 여러 가지 결함이 있기 때문이다.

논문의 대표 작성자인 어윈 라이스너 케임브리지대학 에너지&지속가능성학과 어윈 라이스너 교수에 따르면 이번 연구는 떠오르는 ‘반인공 광합성’ 분야의 ‘분수령’을 이룬다. 이 방식은 천연효소의 능력에 인공 기술을 접목해 순수 인공 광합성 기법의 일부 한계를 극복하려 한다. 라이스너 교수는 “신재생 연료·화학물질 생산을 위한 태양광 에너지 변환, 다시 말해 태양광 연료 합성은 탈화석 시대 우리 사회의 동력 조달에 중요한 전략”이라고 뉴스위크에 말했다.

“천연 광합성이 태양 에너지를 저장하고 온실가스 이산화탄소를 당류로 변환하도록 진화했지만 이 과정은 에너지 효율이 그다지 좋지 않다. 인공광합성은 천연광합성을 모방하며 물 분해를 통해 물에서 지속가능한 수소, 또는 이산화탄소 고정(이산화탄소 분자를 유기물로 변환)에서 탄소 기반 연료를 생산하려는 취지지만 일반적으로 비싸거나, 유독성이거나 또는 비효율적인 촉매제가 걸림돌로 작용한다. 천연과 인공 세계의 최대 장점을 결합하는 방법으로 새 연구 방향을 구축하고 효소 같은 고도로 효율적이고 풍부한 생물 촉매제를 태양광 기기의 합성 재료와 결합해 태양광 연료 합성을 효율화한다.”

연구팀의 기법은 합성 색소에 덧붙여 조류에 존재하는 수소화효소로 알려진 주요 효소를 도입해 태양광으로 다른 도움 없이 물을 수소와 산소로 분해한다. 이 시제품 모델은 자연 광합성보다 태양광선을 더 많이 흡수할 수 있다. 라이스너 교수는 “이 새로운 시스템은 자연 광합성에 비해 태양광 스펙트럼을 더 널리 활용하고 변환율이 높으며 여러 단계의 경쟁적인 대사 단계를 우회한다”며 “이는 합성 생물학이나 재료과학만으로는 달성할 수 없다”고 말했다.

연구팀에 따르면 이 연구는 생물학적·유기물 성분을 무기물과 통합하는 데 따르는 다수의 어려운 도전과제를 극복하며 “결과적으로 에너지 변환 목적의 미래 반인공 시스템 개발에 유용한 도구를 늘려준다.” 라이스너 교수는 이 신기법은 아직 원리증명에 지나지 않으며 현재 상태로 현실세계에 활용하기에는 너무 취약하다고 강조한다. 그러나 연구팀은 이 개념을 발전시켜 가까운 장래에 광범위한 활용 가능성을 입증하기 희망한다.

수소는 널리 미래의 연료로 각광받아 왔으며 일부 차량과 기타 분야에서 사용되고 있다. 수소는 화석연료와 달리 예컨대 바다 같은 어떤 수역에서도 추출할 수 있다는 점을 감안할 때 대단히 풍부하다. 게다가 온실가스나 기타 오염원을 배출하지 않는다. 수소 연료전지의 유일한 부산물은 물과 열이다.

그러나 현재는 수소연료 생산에 필요한 대량의 에너지를 얻기 위해 화석연료를 태운다. 신재생 에너지원에서 수소를 생산하기 위한 확장 가능하고 저렴하고 배출 없는 솔루션이 필요하다는 의미다. 이번의 반인공 광합성 기술은 이 문제의 해결책으로 세계 각지의 과학자들이 제안하는 다양한 접근법 중 하나다.

– 아리스토스 조지우 뉴스위크 기자