빛으로 자원을 만든다! 인공광합성

인간이 빛을 발전시킨 과정이 정말 놀랍지? 지금부터 더 놀라게 될거야. 한계에 도전하고 있는 빛과 관련된 최신 연구를 소개하려고 하거든. 그 시작은 ‘인공광합성’! 똑똑한 인간들은 이제 식물을 거치지 않고 직접 빛을 이용해 자원을 얻으려는 시도를 하고 있단다.
 

● 빛으로 만드는 탄소화합물

광합성은 식물이 햇빛과 공기 중의 이산화탄소를 이용해 에너지원인 포도당(탄소화합물)을 만드는 과정이에요. 포도당을 만들고 나면 물(수증기)과 산소가 나오지요. 이렇게 만들어진 포도당은 식물의 에너지원으로 쓰이고, 또 다른 물질과 합쳐져서 식물의 몸체를 만들거나, 열매로 저장되기도 해요. 그러면 초식동물들은 소중한 먹이로 사용해요. 육식동물들은 초식동물들을 먹으며 살아가기 때문에 빛은 지구생태계의 근원이라고 할 수 있지요.

게다가 광합성 과정에서 나온 산소는 생물이 호흡하는 데 없어서는 안 되는 중요한 역할을 해요. 즉 지구는 식물이 없다면 생명이 살 수 없는 행성이 될 거예요.

무엇보다 식물 광합성의 가장 놀라운 점은 햇빛과 약간의 물, 그리고 동물이 필요 없다고 내뱉는 대기 중의 이산화탄소를 이용해서, 유용한 물질을 만들어 낸다는 점이에요. 따라서 과학자들은 이 광합성의 비밀을 밝히기 위해 아주 오랫동안 노력해 왔어요.

민병권 센터장팀이 만든 ➊ 인공광합성 장치와 ➋ 인공광합성 장치를 만드는 데 필요한 투명한 태양전지기술. 태양전지판을 통과한 빛은 장치 안에 있는 물과 촉매에 영향을 줘서 인공광합성

이 더 잘 일어나도록 돕는다. - 민병권 제공

● 태양전지기술과 촉매를 이용한 인공광합성

식물의 광합성 과정에서 나오는 탄소화합물은 인간에게 아주 유용한 자원이에요. 먹거리는 물론 섬유, 목재 등으로 사용할 수 있는데다 석탄과 같은 유용한 지하자원이 되기도 하니까요. 게다가 과학을 이용한다면 포도당이 아니라 인간이 더 유용하게 사용할 수 있는 일산화탄소나 개미산 같은 탄소 화합물을 만들 수도 있어요. 이 기술을 ‘인공광합성’ 기술이라고 불러요.

지난 3월 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 민병권 센터장은 인공광합성 장치를 만드는 데 성공했어요. 식물에서는 엽록소가 빛을 에너지로 사용하도록 도와 줘요. 광합성 과정의 핵심이지요. 인공광합성에서는 태양전지기술이 엽록소의 역할을 대신해요.

이 기술이 만든 전기가 물을 산소와 수소 이온으로 분리하지요. 이때 만들어진 수소 이온은 이산화탄소와 반응해 일산화탄소와 물을 만들어요. 이 일산화탄소가 바로 사람이 이용할 수 있는 탄소화합물이랍니다.

일산화탄소는 대기 중에서는 인간에게 유독한 기체지만, 탄소화합물로서 아주 유용하게 사용할 수 있어요. 탄소와 산소가 1개씩 결합한 간단한 형태기때문에 천연 가스나 에탄올 같은 다른 형태의 탄소화합물로 바꾸기 쉽거든요.게다가 식물은 태양으로부터 받은 에너지의 1% 정도만 탄소화합물을 만들 수 있는데, 민병권 연구팀의 인공 광합성 장치는 효율이 무려 4%가 넘었답니다.

또한 다양한 촉매를 이용하면 여러가지 탄소화합물을 만들 수도 있어요. 예를 들어 구리를 이용하면 연료로 쓰는 메탄올, 플라스틱과 염료를 만드는 데 유용하게 쓰는 에틸렌을 만들 수도 있답니다.

wikipedia 제공

○ 광합성의 비밀을 밝힌 멜빈 켈빈

18세기 말, 조지프 프리스틀리가 유리종 안에 넣은 나뭇가지와 양초로 산소 존재를 확인했어요. 그 뒤 식물이 이산화탄소와 물을 이용해 산소를 만든다는 사실이 차츰 밝혀졌지요.

그러나 포도당이 만들어지는 과정은 20세기인 1945년에 멜빈 켈빈(오른쪽 사진)에 의해서 밝혀졌어요. 켈빈은 이 공로로 1961년 노벨화학상을 받았답니다.

어린이과학동아