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【과학상식 제415호161223】햇빛만으로 알코올·식량 만든다.

작성자

신종오

등록일

2016.12.26

조회

0

 [과학상식 제415호]                                                       2016. 12.  23

  

햇빛만으로 알코올·식량 만든다.


[요약]


○ 식물의 광합성을 재연할 수만 있다면 연료(알코올)와 식량(녹말)까지 만들어 낼 수 있다

○ 햇빛으로 값비싼 수소 연료를 생산하는 '인공나뭇잎'(광촉매) 소자가 개발됐다.

인공나뭇잎으로 이산화탄소가 발생하지 않는 수소연료 생산기술로도 활용될 수 있다.

인공 광합성 기술이 상용화된면 인류는 더 이상 화석연료에 의존할 필요가 없게 된다


[본문]


인류는 100년 안에 식물의 광합성 과정에 대한 비밀을 알아낸 후 건조한 사막지대 여기저기에 식물보다 더 높은 효율로 물질과 에너지들을 생산하게 될 것이다. 태양에너지를 사용하는 문명이 화석연료를 사용하는 문명보다 인류를 더 행복하게 해 줄 것이다.  

100여 년 전인 1912년 이탈리아의 광화학자 자코모 치아미치안(1857~1922) 박사가 과학학술지 사이언스에 밝힌 내용이다. 치아미치안 박사의 예언은 당시 과학자들의 식물 광합성 원리에 대한 호기심이 바탕이 된 것이다.  

그의 예언대로 100년 뒤 과학자들이 숙제를 풀어낸다면 인류는 최대 과제인 에너지 문제에서 해방되는 것은 물론 이산화탄소 증가로 인한 지구온난화도 막을 수 있게 될것이다.


신이 만들어 놓은 식물 광합성의 원리는 인류의 실험실에서 천천히 한 꺼풀씩 벗겨지고 있다. 기하급수적으로 늘어나는 인구와 이를 따라가지 못하는 식량 생산, 고갈되기 시작하는 에너지들…. 이런 인류의 절박함이 과학자들의 도전으로 이어진 결과다. 사실 식물 광합성의 핵심 원리는 풀 한 포기가 하늘에서 내리쬐는 햇빛, 뿌리에서 올라오는 물(H2O), 공기 중에 떠돌아다니는 이산화탄소(CO2)를 받아들여 산소(O)와 탄소화합물인 포도당·녹말 등으로 이뤄진 열매를 만들어 낸다는 것이다. 화학식으로 따지면 포도당은 C6H12O6인데 녹말은 포도당이 많이 뭉쳐 있는 형태로, 모두 원소인 탄소(C)와 수소(H)·산소(O)의 조합이다. 인류가 인공적으로 식물 광합성을 그대로 재연할 수만 있다면 연료(알코올)와 식량(녹말)까지 만들어 낼 수 있다는 얘기다. 이 과정에서 물 분자가 분해되면서 자연 상태에서 단독으로 존재하지 않는 원소이며 미래 에너지로 떠오르는 수소도 얻을 수 있다.    

햇빛을 잘 빨아들여 인공광합성 작용으로 수소에너지를 만들 수 있는 '인공나뭇잎'(광촉매) 소자가 개발됐다. 인공나뭇잎은 물과 햇빛을 원료로 양분을 만드는 나뭇잎처럼 햇빛으로 값비싼 수소 연료를 생산하는 반도체 소자를 말한다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 이재성 교수팀이 독일 헬름홀츠연구소 반디크롤 교수팀과 함께 물속에서 햇빛을 받으면 수소를 발생시키는 인공나뭇잎 소자를 개발했다. 이 소자는 해조류의 광합성 원리를 모방해 태양에너지를 수소로 전환하는 효율을 종전 5%에서 8%로 끌어올렸다. 해조류도 땅 위 식물처럼 태양 빛을 받아 광합성을 하는데 바닷속 깊은 곳에서는 태양 빛을 온전히 받기 어렵다. 해조류는 서식하고 있는 깊이까지 도달하는 파장만을 선택적으로 활용하는 맞춤형 광합성을 한다.  

연구진은 인공나뭇잎이 해조류처럼 햇빛의 서로 다른 파장대를 나눠 이용할 수 있도록 두 개의 광촉매 물질을 병렬로 연결한 '이종쌍전극(Hetero dual photoanode)'의 개념에 착안해 친환경적인 비스무스 바나데이트 산화물과 산화철을 나란히 이어 소자를 개발했다. 이종쌍전극 중 비스무스 바나테이트는 짧은 파장의 빛을, 산화철은 긴 파장의 빛을 각각 활용한다.   

이번 연구는 이산화탄소 발생 저감과 처리에 도움이 될 것으로 보인다. 인공나뭇잎으로 생산한 수소를 연료로 사용하면 이산화탄소가 발생하지 않기 때문이다. 수소연료전지 자동차를 보급하기 위한 수소연료 생산기술로도 활용될 수 있다.

상대적으로 값싸고 안정적인 산화물을 이용한 광촉매 중에서 8% 효율은 세계 최고 수준이며 상용화의 기준으로 여겨지는 효율 10%를 달성해 재생 에너지형 수소충전소를 세우는 데 기여하게된다.

연료가 이산화탄소가 되면 다시 그 이산화탄소를 연료로 바꾸는 ‘탄소 순환’이 되며 인공 광합성 기술이 상용화된면 인류는 더 이상 화석연료에 의존할 필요가 없게 된다.


[출처]  국제신문(2016.12.21), 중앙일보(2016 12. 21), 국가과학기술연구회 불로그

[요약정리]  과학상식 보급위원 양 해 본 


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