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21세기 연금술?


인공 광합성!

 

 



오늘 뭐 먹지?’ 현대인들이 매일 하는 고민 중 하나로는 오늘 먹을 메뉴 이야기를 빼놓을 수 없죠. 입맛도 없고 먹을 시간도 없을 때면, 음식을 먹지 않아도 생명을 유지하는 식물이 절로 부러워지는데요. 이처럼 녹색 식물은 다른 생명체를 섭취하지 않아도 생명을 유지할 수 있어요. 태양빛 에너지를 이용해 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성하는 광합성과정 덕분인데요!

 


과거부터 많은 학자들은 광합성의 무한한 가능성에 관심을 가졌어요. 태양빛과 이산화탄소, 물만 있으면 에너지원을 무한대로 생산할 수 있다니! 광합성만큼 효율적인 에너지 생산방식이 없거든요. 이처럼 광합성에 대해 연구한 학자들 중에는 이탈리아의 광화학자인 자코모 치아미치안Giacomo Ciamician을 빼놓을 수 없답니다. 그는 인공 광합성의 원리를 처음 제시했는데요. 1912사이언스》에 기고한 미래의 광화학Photochemistry of The Future라는 제목의 글에서 다음과 같이 말했답니다.


 

유리 건물이 모든 곳에 세워진다유리 건물의 내부에서는 지금까지 식물의 비밀이었던 광화학 과정이 일어나는데 자연에서보다 풍성한 열매를 맺을 수 있는 산업으로 성장한다태양 에너지를 사용하는 문명은 화석연료를 사용하는 문명보다 인류를 더 행복하게 해 줄 것이다.



자코모 이후 많은 과학자들이 광합성을 인공적으로 모사하기 위해 다방면으로 노력했는데요. 결국 자코모의 예언이 곧 현실로 다가올 거 같아요. 바로 4차 산업혁명 신기술 중 하나로 주목받고 있는인공 광합성을 통해서 말이죠.



 

인공 광합성, 넌 어떤 아이니?

 



 

인공 광합성은 기존 광합성의 메커니즘과 매우 흡사합니다광합성 과정에서 식물은 태양으로부터 햇볕이라는 에너지를 받아 이산화탄소와 물의 원자를 재배열해 화학연료인 당을 만들어내는데요이와 달리 인공 광합성은 엽록소 대신 광촉매나 반도체성 광전극을 이용하여 수소와 고부가치 화합물을 생산하죠인공 광합성을 통해 만들 수 있는 유익한 화합물의 대표적인 예로 포름산을 들 수 있어요.


포름산은 섬유 염색, 세척제, 연료전지의 연료 등 산업체에서 다양하게 쓰이고 있는 중요 화학물질인데요. 기존 포름산 생산과정에서는 메탄올을 주원료로 사용하여 이산화탄소가 배출됐어요. 하지만 인공 광합성을 통해 포름산을 만들면 오히려 이산화탄소를 감축할 수 있답니다. 에너지를 생산하기 위해 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 줄여준다니! 정말 친환경적인 에너지 시스템이죠? 그래서 인공 광합성을 자연이 주는 선물혹은 ‘21세기 연금술이라는 별명으로 부르는 이들도 많아요.



인공 광합성의 과제 : 효율성과 경제성

 

그렇다면 인공 광합성이 상용화되지 못하는 가장 큰 원인은 무엇일까요? 바로 효율성경제성이랍니다.

 



인공 광합성의 효율은 아직 그다지 높지 않아요. 식물 광합성의 효율은 4~6%인데 반해, 인공 광합성의 효율은 0.1%에 미치는 못하는 수준인데요. 이는 광합성 과정 마지막에 만들어진 탄소화합물의 에너지가 햇빛 에너지의 1000분의 1 수준이라는 뜻이죠. 인공 광합성의 효율을 높이고자 전세계적으로 많은 노력을 하고 있답니다. 특히 한국의 인공 광합성 기술은 세계가 주목할만한 성과를 올리고 있답니다.


 

2015, 국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터에서는 이산화탄소를 일산화탄소로 전환시키는 고효율 촉매를 새롭게 개발했어요. 이 촉매를 이용하면 이산화탄소를 유용한 화학 원료로 전환시킬 수 있답니다. 고효율, 고성능의 은 나노 촉매개발은 인공 광합성 기술 상용화를 한층 앞당길 것으로 기대되고 있죠.


 

또한 2018 6, 태양빛으로 인공 광합성을 하는 ‘3D 플라스틱 인공 나뭇잎이 세계 최초로 한국에서 개발됐어요. 한국화학연구원 탄소자원화연구소 백진욱 박사팀의 성과인데요. 이 나뭇잎은 기존 2D 필름 형태보다 에너지 전환 효율을 150% 향상시킬 수 있어요. 더불어 앞서 말한 포름산 이외에도 선택적으로 원하는 화학물질을 생산할 수 있답니다. 합성하고자 하는 화학물질의 구조와 이를 만드는 과정을 설계한 후, 원료가 되는 물질을 넣어주면 되죠.

 


 


지금까지 인공 광합성에 대해 알아보았어요. 아직까지는 나아갈 길이 먼 신기술이지만 많은 학자들의 끊임없는 연구 덕에 머지않아 인공 광합성이 상용화될 거예요. 먼 훗날에는 태양빛 에너지를 활용해 연료를 생산하고, 이산화탄소를 감축할 수 있는 유토피아가 펼쳐지지 않을까요?

 




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