청정 에너지 무제한으로 공기 중에서 생성 가능 기술 등장

번개 원리로 공기 중의 '수분'에서 24시간 365일 청정 에너지를 얻을 수 있는 신기술이 등장했다.

미국 매사추세츠대학교 애머스트 캠퍼스 연구팀은 2023년 5월 5일(현지시각) 국제학술지 어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재된 논문(Generic Air-Gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity)에서 공기 중의 물 분자 전하로 전력을 얻을 수 있는 기술을 발표했다.

매사추세츠대학교 애머스트 공과대학에서 전기 및 컴퓨터 공학을 가르치고 있는 준 야오(Jun Yao)는 이번에 발표한 기술에 대해 “공기에는 엄청난 양의 전기가 포함되어 있다. 구름의 물방울은 전하를 띠고 있어 조건이 맞으면 번개를 발생시킨다”며, “하지만, 번개에서 전기를 안정적으로 얻을 방법을 알지 못한다. 반면 우리는 인간이 만든 작은 구름에서 지속적으로 전력을 생산하고 수확할 수 있도록 했다”고 설명했다.

야오 교수팀이 제안한 '제네릭 에어젠 효과(generic Air-gen effect)는 2020년 전기를 생산할 수 있는 혐기성 박테리아인 지오박터(Geobacter)를 이용한 연구를 기반으로 하고 있다. 이 연구에서 야오 교수팀은 지오박터 종의 하나인 지오박터 설파레듀센스(Geobacter sulfurreducens)에서 얻은 단백질 나노와이어로 만든 특수 소재를 이용해 공기 중에서 에너지를 얻을 수 있다고 발표했다.

당시 단순히 '에어젠 효과(Air-gen effect)라고 불렸던 이 현상을 더 연구하던 야오는 특정한 특성만 갖추면 박테리아에서 얻은 특수 소재가 아니더라도 거의 모든 물질이 에어젠 효과를 낼 수 있다는 것을 알아냈다. 그 특성이란 100나노미터보다 작은 구멍, 즉 머리카락 굵기의 1000분의 1 이하의 구멍이 뚫려 있다는 것이다.

이 100나노미터 구멍의 크기는 공기 중의 물 분자가 다른 분자와 부딪히지 않고 나아갈 수 있는 거리인 평균 자유행로가 약 100나노미터라는 데서 유래한다.

작은 구멍이 뚫린 얇은 소재에 공기가 닿으면 구멍을 통해 물 분자가 소재의 위에서 아래로 통과한다. 하지만 구멍이 100나노미터 이하의 나노 기공이라면 물 분자는 구멍의 가장자리에 부딪히기 쉽다. 그러면 소재의 상부에 하부보다 전하를 많이 띤 물 분자가 모여 마치 뇌운처럼 불균형한 상태가 된다. 이를 이용해 습기를 머금은 공기를 마치 배터리처럼 이용해 에너지를 얻는 것이 이번에 연구팀이 제시한 '제네릭 에어젠 효과'의 원리다.

기존의 청정에너지를 생산하는 태양광이나 풍력발전은 비 오는 날에는 사용할 수 없거나 바람이 불지 않는 지역에서는 사용할 수 없다는 단점이 있다. 하지만 습도는 어떤 지역, 어떤 날씨에도 공기에 포함되어 있기 때문에 세계 곳곳에 다양한 재료를 이용한 수확기(하베스터)를 설치하면 24시간 365일 에너지를 수확할 수 있다.

야오는 "이 아이디어는 간단하지만, 지금까지 발견되지 않은 다양한 가능성을 가지고 있다. 열대 우림에서는 한 종류의 재료로, 더 건조한 지역에서는 다른 재료로 만든 수확기를 상상해 보면 된다"라고 말했다.

또한, 공기 중의 습도는 3차원 방향으로 확산되고, 나노 기공 박막은 굵기가 머리카락의 몇분의 일 정도밖에 되지 않기 때문에 수천 겹을 쌓아 올리면 수확기 설치 면적을 늘리지 않고도 효율적으로 확장할 수 있다. 이론적으로는 일반 전기 사업에서 사용하는 킬로와트 단위의 전력을 생산할 수 있다고 한다.

이 기술의 전망에 대해 야오는 "어디에서나 깨끗한 전기를 사용할 수 있는 미래 세상을 상상해 보라"고 말했다.