번개 원리로 공기 중 습기에서 청정 에너지를…

매사추세츠대학 아머스트 연구팀이 학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 게재된 논문에서 공기 중에 있는 물 분자 전하로부터 전력을 얻을 수 있는 기술을 발표했다.

공기에는 방대한 전기가 포함되어 있다. 연구팀은 이번에 발표한 기술에 대해 단지 물방울 덩어리인 구름을 상상해보라면서 인간이 만든 작은 구름에서 확실하고 지속적으로 전력을 생성하고 수확할 수 있게 했다고 밝혔다.

연구팀이 말한 제너릭 에어젠 효과(generic Air-gen effect)는 전기를 만들어낼 수 있는 세균인 지오박터 설파레듀센스(Geobacter sulfurreducens)를 이용한 2020년 연구를 바탕으로 하고 있다. 이 연구에선 지오박터 설파레듀센스에서 얻은 단백질 나노 와이어로 만든 특수 소재를 이용해 공기 중에서 에너지를 얻을 수 있다고 밝혔다.

당시는 단순히 에어젠 효과라고 불리던 이 현상에 대해 연구하다가 어떤 특성마저 갖추고 있으면 세균으로부터 얻은 특수 소재가 아니어도 거의 전체 물질로 에어젠 효과를 만들 수 있는 걸 알아냈다. 이 특성은 100나노미터보다 작은 구멍 그러니까 모발 두께 1,000분의 1 이하도 안 되는 구멍이 열려 있다는 것이다. 100나노미터라는 구멍 크기는 공기 중 물 분자가 다른 분자에 부딪히지 않고 진행하는 거리인 평균 자유 행정이 100나노미터인 것에 유래하고 있다.

작은 구멍이 있는 얇은 소재에 공기가 닿으면 구멍을 통해 물 분자가 소재 위에서 아래로 통과한다. 하지만 구멍이 100나노미터 이하 나노 세공이면 물 분자는 구멍 가장자리에 부딪히기 쉬워진다. 그러면 소재 상부에 하부보다 많은 전하를 띤 물 분자가 모여 마치 뇌운처럼 불균형한 상태가 된다. 이를 이용해 습도를 포함한 공기를 마치 전지처럼 이용해 에너지를 얻는 게 이번 연구팀이 제창한 제너릭 에어젠 효과 원리다.

청정 에너지를 낳는 기존 태양광 발전이나 풍력 발전에는 비오는 날에는 사용할 수 없거나 바람이 불지 않는 지역에선 쓸 수 없다는 단점이 있다. 하지만 습도는 어떤 지역에서도 어떤 날씨에서도 공기에 포함되어 있어 전 세계에 다양한 소재를 이용한 수확기를 설치해 24시간 365일 에너지를 수확할 수 있다.

연구팀은 이 아이디어는 단순하면서도 지금까지 발견된 적이 없고 다양한 가능성이 있다고 강조한다. 또 겅기 중 습도는 3차원 방향으로 확산하고 나노 세공 박막은 두께가 머리카락 수분의 1 정도밖에 없기 때문에 수천 개 층을 쌓앗 수확기 설치 면적을 늘리지 않고 효율적으로 스케일업할 수 있다. 이에 따라 일반 전기 사업에서 사용되는 킬로와트 단위 전력을 생산하는 것도 가능하다. 연구팀은 이 기술 전망에 대해 어디에서나 깨끗한 전기를 사용할 수 있는 미래 세계를 상상해보라고 밝히고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.