천둥의 원리로 공기 중의 습기로부터 24시간 365일 클린에너지를 꺼낼 수 있는 신기술이 등장

매사추세츠대학 아머스트교의 연구팀이 2023년 5월 학술지 Advanced Materials에 게재한 논문에서 공기 중에 있는 물분자의 전하로부터 전력을 얻을 수 있는 기술을 발표했습니다.

Generic Air‐Gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity - Liu - Advanced Materials - Wiley Online Library
https://doi.org/10.1002/adma.202300748

Engineers at UMass Amherst Harvest Abundant Clean Energy from Thin Air, 24/7 : UMass Amherst
https://www.umass.edu/news/article/engineers-umass-amherst-harvest-abundant-clean-energy-thin-air-247

Engineers at UMass Amherst Harvest Abundant Clean Energy from Thin Air, 24/7 | UMass Amherst

Jun Yao 씨 연구팀은 "공기에는 방대한 양의 전기가 포함되어 있다"며 이번에 발표한 기술에 대해 “그냥 물방울의 덩어리인 구름을 상상해 보면 물방울은 전하를 띠고 있어 조건이 갖추어지면 번개를 생성하는데, 이 번개로부터 확실하게 전기를 얻는 방법을 알 수 없지만 연구팀은 인공적 작은 구름에서 확실하고 지속적으로 전력을 생성하고 수확할 수 있게 했다"고 설명했습니다.

Yao 씨 연구팀의 '제네릭 에어젠 효과(generic Air-gen effect)'는 전기를 만들어낼 수 있는 세균인 Geobacter sulfurreducens를 사용한 2020년의 연구를 바탕으로 하고 있습니다. 이 연구에서 Yao 씨는 Geobacter sulfurreducens에서 얻은 단백질 나노와이어로 만든 특수 소재를 사용하여 공기 중에서 에너지를 얻을 수 있다고 발표했습니다.

당시는 단순히 '에어젠 효과(Air-gen effect)'라고 불리고 있던 이 현상에 대해서 한층 더 연구하고 있던 Yao 씨는 어떤 특성마저 갖추고 있으면 세균으로부터 얻은 특수 소재가 아니어도 거의 모든 물질로 에어젠 효과를 낳을 수 있다는 사실을 알아냈습니다. 그 특성은 100나노미터보다 작은 구멍, 즉 모발 두께의 1000분의 1 이하의 구멍이 열려 있다는 것입니다.

이 100나노미터라는 구멍의 크기는 공기 중의 물분자가 다른 분자에 부딪히지 않고 진행하는 거리인 평균자유행정이 약 100나노미터인 것에 유래하고 있습니다.

작은 구멍이 있는 얇은 소재에 공기가 닿으면 구멍을 통해 물의 분자가 소재의 위에서 아래로 통과합니다. 그러나 구멍이 100나노미터 이하의 나노세공이면 물분자는 구멍의 가장자리에 부딪히기 쉬워진다. 그러면 소재의 상부에 하부보다 많은 전하를 띤 물분자가 모여 마치 뇌운처럼 언밸런스한 상태가 됩니다. 이를 이용함으로써 습도를 포함한 공기를 마치 전지처럼 이용하여 에너지를 얻는 방법이 이번 연구팀이 제창한 '제네릭 에어젠 효과'의 원리입니다.

청정에너지를 생성하는 기존의 태양광발전이나 풍력발전은 비가 오는 날에는 사용할 수 없거나 바람이 불지 않는 지역에서는 사용할 수 없다는 단점이 있습니다. 그러나 습도는 어떠한 지역이나 어떠한 날씨에도 공기에 포함되어 있으므로 다양한 소재를 사용한 수확기(하베스터)를 설치하여 24시간 365일 에너지를 수확할 수 있습니다.

또 공기 중의 습도는 3차원 방향으로 확산하고 나노세공의 박막은 두께가 머리카락의 수분의 1 정도이기 때문에 수천 층을 쌓아서 수확기의 설치면적을 늘리지 않고 효율적으로 스케일업할 수 있습니다. 이를 통해 일반적인 전기사업에서 사용되는 킬로와트 단위의 전력을 생산하는 것도 가능합니다.