습기전기 - 새시대 에너지원의 연구

"어떤 이유에서인지 이 장치를 만들고 있던 학생이 전원을 연결하는 것을 잊어버렸다"

(메사추세츠 애머스트 대학 준 야오)

5년 전 그 순간 이후로, 야오와 그의 동료들은 습한 공기에서만 전기를 얻을 수 있는 기술을 개발해 왔습니다. 이것은 '습기 전기'로 알려진 개념입니다. 오랜 세월 동안 있어왔으며, 니콜라 테슬라 등의 연구에도 유망한 결과를 얻지는 못했습니다.

 

전 세계의 여러 연구 단체들이 공기 중에 자연스럽게 떠다니는 물 분자로부터 전기를 모으는 새로운 방법을 발견하고 있습니다. 이 물 분자들이 그들 사이에 작은 전하들을 전달할 수 있기 때문에 가능한 개념인데, 이 과정을 통제하고 사용할 수 있을 만큼 충분한 전기를 공급받는 것이 과제입니다. 과학자들은 현재 소형 컴퓨터나 센서등에 동력을 공급할 수 있는 수확이 가능할 지도 모른다고 생각하고 있습니다.

이 개념은 24시간 연중무휴로 우리 주변에 떠있을지도 모르는 새로운 형태의 재생 에너지에 대한 전망을 제기하고 있습니다.

2020년, 야오와 그의 동료들은 박테리아에 의해 만들어진 어떻게 작은 단백질 나노와이어가 공기로부터 전기를 수확할 수 있는지를 설명하는 과학 논문을 발표했습니다. 정확한 메커니즘은 아직 논의 중이지만, 그 물질의 작은 구멍들은 부유하는 물 분자들을 잡을 수 있는 것으로 보이며, 이 물질의 접촉이나 마찰로서 물 분자가 그것에 전하를 빌려주는 것처럼 보입니다.

야오는 이러한 시스템에서 대부분의 분자는 표면 근처에 머물며 많은 전하를 축적하고, 일부 분자는 더 깊이 침투한다고 설명합니다. 이것은 재료 층의 상부와 하부 사이에 전하의 차이를 발생시킵니다.

"시간이 지남에 따라 전하 분리가 발생하고 있음을 알 수 있습니다. 실제로 구름에서는 이와 같은 현상이 발생합니다. 훨씬 더 크고 더 극적인 규모에서, 폭풍 구름은 결국 번개의 형태로 방전되는 서로 반대되는 전하들의 축적을 만들어냅니다. 이것은 물 분자의 움직임에 영향을 주고 전하 분리에 적합한 조건을 만들어냄으로써 전기를 생산할 수 있다는 것을 의미합니다. 이 장치는 말 그대로 지구상 어디에서나 작동할 수 있습니다." 라고 야오는 말하고 있습니다.

2020년 논문이 일부에 불과했다.

야오와 그의 동료들은 2023년 5월에 후속 연구를 발표했는데, 그곳에서 그들은 그래핀 옥사이드 플레이크와 폴리머에서부터 나무에서 파생된 셀룰로스 나노 섬유에 이르기까지 다양한 다른 물질을 사용하여 나노포어로 채워진 같은 종류의 구조를 만들었습니다. 그들은 약간의 차이는 있지만 모두 작동했ㅇ며, 이것은 재료 자체보다는 구조가 중요하다는 것을 암시합니다.

지금까지의 실험에서, 사람의 머리카락보다 얇은 장치들은 매우 적은 양의 전기를 발생시켰는데, 이는 소량의 전기에 해당하며, 단순히 더 많은 재료를 만들거나 그 조각들을 서로 연결함으로써 수 볼트 이상의 유용한 전하를 얻기 시작할 수 있다고 제안합니다. 그것은 심지어 표면에 뿌려져 즉각적인 동력원을 제공할 수 있는 액체로 만들어질 수도 있다고 그는 제안합니다.

이번 연구에 참여하지 않은 영국 임페리얼 칼리지 런던의 재료 엔지니어 레슈마 라오(Reshma Rao)는 "정말 흥미로운 일인 것 같다. 사용할 수 있는 재료의 종류는 매우 유동적입니다." 라고 설명합니다.

그럼에도 불구하고, 이러한 기술이 건물 전체나 자동차와 같이 에너지가 부족한 기계에 동력을 공급하는 것을 상상하는 것은 현실적이지 않을 수 있다고 Rao는 말하고 있습니다. 습도에 의한 발생은 센서나 소형 웨어러블 전자 장치와 같은 사물 인터넷에 전력을 공급하기에만 충분할 수 있다고 합니다.

야오밍은 습한 공기를 잠재적 에너지 자원으로 조사하는 유일한 팀과는 거리가 멀었습니다. 2020년 이스라엘의 한 그룹이 두 금속 조각 사이에 습한 공기를 통과시켜 전기를 수확할 수 있었습니다. 습한 공기가 금속 위를 흐를 때 금속에 전하를 유도했습니다.

이 현상은 1840년 영국 북동부 뉴캐슬 북쪽 탄광의 열차 운전사가 엔진을 작동하다가 손에 이상한 따끔거림을 느꼈을 때 처음 기록됐습니다. 나중에, 그는 손가락과 자동차의 레버들 중 하나 사이로 아주 작은 불꽃이 튀어 오르는 것을 발견했고, 그 사건을 조사했던 과학자들은 증기가 엔진의 보일러의 금속에 문지르는 것이 전하가 축적되게 했다고 결론지었습니다.

2020년 논문을 공동 집필한 이스라엘 텔아비브 대학의 대기과학 연구원 콜린 프라이스는 작은 금속 조각을 이용한 실험실 실험에서 발생하는 전하량이 매우 적었다고 말합니다. 하지만 그는 자신과 동료들이 시스템을 개선하기 위해 노력하고 있다고 덧붙였습니다. 그러나 야오와 그의 동료들의 기기들이 약 20%의 상대습도에서 전기를 생산하기 시작하는 반면, 60% 이상의 상대습도가 필요하다는 것이 한 가지 제한점이 될 수 있습니다.

한편, 포르투갈의 한 팀은 유럽 연합이 자금을 지원하는 '캐처(CATCHER)'라는 프로젝트를 진행하고 있는데, 이 프로젝트도 습한 공기를 에너지 공급원으로 활용하는 것도 목표로 하고 있습니다. 포르투갈 리스본에 있는 루소포나 대학의 재료 과학자인 스비틀라나 류브칙은 이 프로젝트를 조정하고 있으며, 카스카타 추바(Cascata Chuva)라는 회사를 공동 설립했습니다.

"엔지니어링 프로토타입이 올해 말까지 어느 정도 완성될 것으로 생각합니다."라고 류브칙은 말하고, 그 회사의 공동 설립자이기도 한 그녀의 아들 안드리 류브칙은 작은 LED 조명이 켜지고 꺼지는 비디오를 보여줍니다. 그는 지르코늄 산화물로 만들어진 지름 4cm 정도의 회색 원반을 들고 있는데, 이 물질이 습한 공기로부터 물 분자를 가둬서 작은 수로를 통해 강제로 흐르게 할 수 있다고 설명합니다. 그는 이것이 하나의 디스크에서 약 1.5 볼트를 공급할 수 있는 양의 전하를 발생시킨다고 말합니다. 그는 두 개의 디스크만으로도 LED를 작동시킬 수 있다고 주장하며, 더 많은 재료 조각들이 함께 연결되어 훨씬 더 큰 출력을 낼 수 있다고 덧붙였습니다.

그러나 작업에 대한 일부 정보는 온라인에서 확인할 수 있지만 팀의 최신 실험에 대한 전체 세부 정보는 아직 공개되지 않거나 동료 평가를 받지 않았습니다. 이 그룹은 또한 디스크가 LED에 연결되어 전원을 공급하는 방법을 보여주는 어떤 자료도 공유하기를 거부했습니다.

라오는 이러한 모든 수전기적 노력의 배후에 있는 메커니즘에 대해 많은 의문이 남아있다고 하면서, 이것이 작동하는 이유의 근본적인 측면에서 더 조사해야 할 것이 많다고 이야기 합니다.

상업화에 대한 문제도 있습니다. 에너지 결정의 환경적, 경제적 균형을 연구하는 캐나다 맥길 대학의 토목 기사 사라 조단은 이와 같은 기술을 상용화하려는 사람은 누구나 충분한 전력 출력과 다른 재생 에너지와 비교하여 가격 경쟁력을 입증해야 한다고 말합니다.

풍력과 태양열과 같은 더 확립된 재생 에너지 기술은 분명히 유리한 출발점을 가지고 있습니다. 화석 연료로부터 벗어나는 것이 특히 시급한 시기인 앞으로 10년 안에 그들은 아마도 훨씬 더 중요한 것으로 드러날 것입니다.

이러한 어려움에도 불구하고, 라오 씨는 새로운 에너지 물질이 수력 발전에 대한 연구로부터 나올 것이라는 "희망의 빛"이 남아있다고 말합니다.