미세조류: 잠재적으로 탁월한 청정 에너지원으로 급부상

지속 가능한 에너지원에 대한 갈망이 점점 커지고 있는 세상에서 과학자들은 예상치 못한 영웅, 즉 미세 조류에 눈을 돌리고 있다. 콩코르디아 대학교의 연구원들은 이러한 작은 유기체의 자연적 과정을 활용하여 전기를 생성하는 마이크로 광합성 전력 세포(μPSC)라는 유망한 신기술을 개발했다. 이제 그들은 이러한 소형 녹색 에너지 공장의 전력 출력을 획기적으로 늘릴 수 있는 방법을 찾았다고 말한다.

이 혁신의 핵심은 믿을 수 없을 정도로 간단한 아이디어이다. 손전등의 배터리를 연결하는 것처럼 여러 μPSC를 함께 연결하는 것이다. 이러한 생물학적 동력원을 다양한 구성으로 배열함으로써 팀은 이 친환경 기술의 실제 적용에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 새로운 수준의 성능을 열었다.

이 기술을 특히 흥미롭게 만드는 것은 청정 에너지를 생산할 뿐만 아니라 그 과정에서 실제로 대기에서 탄소를 제거할 수 있는 잠재력이 있다는 것이다. “무배출 기술을 넘어서는 탄소 배출 감소 기술이다. 대기 중 이산화탄소를 흡수하여 전류를 공급하는 것이다. 유일한 부산물은 물이다.”라고 현재 캘거리 대학의 박사후 연구원인 키란쿠마르 쿠루비나셰티 박사는 성명서에서 말했다.

그렇다면 이러한 미세한 발전소는 어떻게 작동할까? μPSC는 조류가 생존하기 위해 사용하는 기본 과정인 광합성과 호흡을 활용한다. 광합성 중에 조류는 햇빛을 사용하여 물 분자를 분리하고 그 과정에서 전자를 방출한다. 어둠 속에서도 조류는 호흡을 통해 전자를 계속 생산한다. μPSC는 이러한 자유 전자를 포착하여 사용 가능한 전류로 전달하도록 설계되었다.

진짜 마법은 세포의 구조에서 일어난다. 샌드위치를 ​​상상해 보라. 빵 조각은 두 개의 방으로 되어 있다. 하나는 조류(양극)를 담고 있고 다른 하나는 전자를 수용하는 특수 용액(음극)을 담고 있다. 그 사이에는 전자가 전기로 수확될 수 있는 경로를 따라 전자를 유도하는 동시에 양성자를 통과시킬 수 있는 얇은 막이 있다.

박사과정 학생이자 이번 연구의 공동 저자인 딜리판 파니어셀밤은 이 시스템의 중요한 이점을 다음과 같이 강조한다. “인간과 마찬가지로 조류도 끊임없이 숨을 쉬지만 이산화탄소를 섭취하고 산소를 방출한다. 광합성 기계로 인해 호흡 중에 전자를 방출하기도 한다. 발전은 중단되지 않는다. 전자는 지속적으로 수확된다.”

μPSC를 특히 흥미롭게 만드는 이유는 장기간 유지 관리가 필요 없는 작동 가능성이다. 기존 배터리나 태양광 패널과 달리 이러한 살아있는 전원은 스스로 수리하고 유지 관리할 수 있어 잠재적으로 장기간 동안 안정적인 에너지 출력을 제공할 수 있다.

그러나 단일 μPSC는 아주 적은 양의 전기만을 생산한다. 이는 대부분의 실제 응용 분야에 거의 충분하지 않다. 단일 셀에서 가능한 최대 전압은 1.0V에 불과하다. 이것이 현재 연구가 시작되는 곳이다. 연구원들은 전체 전력 출력을 높이기 위해 여러 μPSC를 연결하는 다양한 방법을 탐구했다.

과학자들은 조류가 배출이 없는 에너지원에 전력을 공급하는 데 도움이 될 수 있다고 믿는다. (사진 제공: Unsplash+, Getty Images와 공동 작업)

그들은 여러 가지 구성을 테스트했다. 즉, 셀을 직렬로 연결(크리스마스 조명의 줄처럼), 병렬로(고속도로의 차선처럼) 연결하고 두 가지를 조합하여 테스트했다. 이러한 다양한 배열의 성능을 주의 깊게 분석함으로써 팀은 전압과 전류를 모두 크게 증가시키는 최적의 설정을 식별했다.

가장 유망한 구성은 직렬 연결과 병렬 연결을 결합한 구성이었다. 이러한 하이브리드 배열을 통해 연구자들은 전압과 전류 사이의 균형을 미세 조정할 수 있게 되었고 더 넓은 범위의 저전력 장치에 전력을 공급할 수 있는 가능성이 열렸다.

이 획기적인 발전은 μPSC가 급성장하고 있는 사물인터넷(IoT) 분야에서 실제 응용 분야를 찾을 수 있는 길을 열어줄 수 있다. 환경 조건을 모니터링하고, 야생 동물을 추적하고, 농업 관행을 최적화하는 작은 자체 전원 센서 네트워크를 상상해 보십시오. 모두 산업 조류 군집을 통해 구동된다.

μPSC는 대규모 발전소나 고출력 태양광 어레이를 대체할 수는 없지만 특수 응용 분야에 고유한 이점을 제공한다. 최소한의 유지 관리로 지속적으로 작동할 수 있는 능력과 친환경적인 특성 덕분에 기존 전원이 실용적이지 않은 원격 또는 민감한 환경에 이상적이다.

콩코르디아의 기계, 산업 및 항공우주공학과 교수이자 교신 저자인 무투쿠마란 파키리사미는 "우리 시스템은 광전지가 의존하는 실리콘 제조 기술에 필요한 유해 가스나 마이크로섬유를 사용하지 않는다."라고 설명한다. “게다가 실리콘 컴퓨터 칩을 폐기하는 것도 쉽지 않다. 우리는 생체적합성 폴리머를 사용하므로 전체 시스템이 쉽게 분해되고 제조 비용이 매우 저렴하다.”

점점 커지는 기후 변화 문제에 직면하고 화석 연료에 대한 의존도를 줄이려고 노력하는 가운데 μPSC와 같은 혁신은 솔루션이 예상치 못한 곳에서 나올 수 있음을 상기시켜 준다. 오랜 세월에 걸쳐 검증된 자연의 에너지 수확 방법을 살펴봄으로써 우리는 한 번에 하나의 작은 조류 세포라는 미래에 힘을 실어줄 새로운 방법을 찾을 수 있다.