본 기사는 ENN이 전하는 최신 환경뉴스입니다. 앞으로 본지는 ENN은 물론 전세계 환경전문 언론에서 전하는 세계 환경문제도 함께 전달, 보도할 예정입니다. (편집자주)
태양을 흡수하다: 인공 광합성은 깨끗하고 지속 가능한 에너지 자원임을 약속한다.
빛을 모으고 물 분자를 분리하여 수소를 생성
[2021년 6월15일 = ENN] 인간은 식물이 할 수 없는 많은 일을 할 수 있다. 우리는 걸어 다닐 수 있고, 말하고, 듣고 보고 만질 수 있다. 그러나 식물은 인간보다 한 가지 큰 장점이 있다: 태양으로부터 직접 에너지를 만들 수 있다는 것이다.
햇빛을 직접 사용 가능한 에너지로 바꾸는 과정을 광합성이라고 하며 곧 인간은 태양 에너지를 모방하여 깨끗하고 저장 가능하며 효율적인 연료로 활용할 수 있다.
그렇게 된다면 청정에너지에 대한 완전히 새로운 영역을 열 수 있다. 1년 동안 인류 문명에게 필요한 충분한 에너지가 1시간 만에 햇빛의 형태로 지구에 도달한다.
Purdue의 과학 대학의 생물 물리학자이자 물리학 교수인 Yulia Puskhar는 식물을 모방하여 에너지를 활용할 수 있는 방법을 가지고 있다.
풍력과 태양광 전지로 활용되는 태양열은 두 가지 주요 청정에너지의 형태이다. 세 번째 (합성 광합성)를 추가하면 재생 가능 에너지 환경이 극적으로 바뀔 것이다.
부피가 큰 배터리 없이 쉽게 에너지를 저장하는 능력은 인간이 사회에 깨끗하고 효율적으로 전력을 공급하는 능력을 극적으로 향상할 것이다.
풍력 터빈과 태양광 발전 모두 환경적 영향과 복잡한 요소 측면에서 단점이 있다. Pushkar는 인공 광합성이 이러한 함정을 우회할 수 있기를 희망한다.
Pushkar는 “우리와 전 세계의 다른 연구자들은 접근 가능한 에너지를 만들기 위해 매우 열심히 노력하고 있다.”며, “무독성이고 쉽게 구할 수 있는 요소로 만들 수 있는 깨끗하고 지속 가능한 에너지. 우리의 인공 광합성이 앞으로 나아갈 길이다.”라고 말했다.
광합성은 식물이 태양의 빛과 물 분자를 포도당 형태의 사용 가능한 에너지로 변환하는 복잡한 과정이다. 이를 위해 그들은 단백질, 효소 및 금속뿐만 아니라 일반적으로 유명한 엽록소와 같은 색소를 사용한다.
현재 인간이 가지고 있는 인공 광합성에 가장 가까운 기술은 태양 전지가 태양 에너지를 전기로 변환하는 광전지 기술이다.
이 과정은 비효율적이며 태양 에너지의 약 20% 정도만 담아낼 수 있다. 반면에 광합성은 훨씬 더 효율적이다; 광합성과 관련된 생체 분자의 화학 에너지 형태로 태양 에너지의 60%를 저장할 수 있다.
단순한 태양광 전지인 태양 전지판의 효율성은 반도체의 빛 에너지 흡수 능력과 전지의 전력 생산 능력에 의해 제한된다. 이와 같은 한계는 과학자들이 합성 광합성으로 능가할 수도 있다.
Pushkar는 “인공 광합성을 사용하면 근본적인 물리적 한계가 없다.”라고 하며, “우리는 이미 천연 광합성의 선례를 가지고 있어서 60%의 효율적인 시스템을 매우 쉽게 상상할 수 있다. 그리고 우리가 매우 야심 차게 노력하면 최대 80%의 효율성을 가진 시스템을 상상할 수도 있다. 광합성은 인공 광합성의 첫 번째 단계인 물을 분리 할 때 매우 효율적이다. 식물의 Photosystems II 단백질은 1초에 이 단계를 천 번을 한다. 깜빡이면 끝이다.”라고 말했다.
Pushkar의 그룹은 빛을 모으고 물 분자를 분리하여 수소를 생성하는 인공 잎의 유사체를 만들어 이 과정을 모방하고 있다.
수소는 연료 전지를 통해 자체적으로 연료로 사용되거나 천연가스와 같은 다른 연료에 추가되거나 연료 전지에 내장되어 차량에서 주택, 소형 전자 장치, 실험실과 병원에 이르기까지 모든 곳에 전력을 공급할 수 있다.
그녀가 가장 최근 발견한 광합성 과정에서 물 분자가 분리되는 방식에 대한 통찰은 최근 Chem Catalysis : Cell Press 저널에 게재되었다.
Pushkar 실험실의 과학자들은 무엇이 가장 효과적인지 그리고 그 이유를 이해하기 위해 천연 photosystem II 단백질과 합성 촉매 조합을 실험했다.
그녀는 또한 지구에서 풍부하고 쉽게 얻을 수 있으며 지구에 무독성인 화합물과 화학 물질을 사용하는 데 우선순위를 두었다.
인공 광합성의 과정은 광합성이 매우 다면적이라는 사실 때문에 모든 생화학 학생들이 한탄할 정도로. 복잡하다.
Pushkar는 “반응은 매우 복잡하다.”라고 하며, "물 분자를 분리하는 화학은 매우 복잡하고 어렵다."라고 말했다.
과학자들은 1970년대부터 인공 광합성을 연구해 왔다. 이 기간도 오랜 시간이었지만 광합성이 진화하는 데 수백만 년이 걸렸다는 것에 비하면 긴 시간은 아니다.
그뿐만 아니라 과학자들은 비행, 커뮤니케이션 또는 지능과 달리 광합성은 단 한 번만 진화했다고 믿는다 - 약 30 억 년 전, 지구가 존재하기 시작한 지 약 15억 년이 되었을 시기를 말한다.
Pushkar는 향후 10~15년 이내에 상업용 인공 광합성 시스템이 온라인화되어 시작할 수 있을 만큼 충분한 진전이 이루어질 것이라고 예상한다. 그녀의 연구는 National Science Foundation에서 지원했다.
다음은ENN과 Purdue University가 전하는 뉴스링크입니다.
본지 객원기자(외신) 이상현 소개
서울 영동고등학교를 거쳐 미국 Beverly Hills 고등학교를 졸업하고 Parks College of Aviation & Engineering,에서 항공우주공학 석사를 취득했다.
미국의 McDonnell Douglas (현 The Boeing Company)와 NASA와의 연구 협업 및 파견 근무 등 다양한 경력을 거친 후 현재 국내 지에프오엔엠㈜ / 총괄사업 이사로 근무중이다.
