풍력 및 태양열 발전소가 꾸준히 신설되고 있는 유럽에서는 신재생 에너지의 잉여 에너지의 가용성 증가와 가격의 저렴화 추세를 활용해 기존 보다 한층 저렴하고 효율적인 녹색 수소 연료와 저장 기술 개발이 한창이다.

아직도 지구상의 에너지 대부분은 화석 연료로 발전되고 있는 가운데, 신재생 에너지 시대로 이행기를 거치고 있는 국제 대체 에너지 시장은 풍력, 태양열, 하수도 폐수를 기체 상태의 수소(H2)를 대체 에너지원으로 생성・저장할 수 있는 기술 모색에 열중하고 있다.

그런 가운데 최근 스위스의 과학자들이 식물 이파리 모양의 초박형 태양열 집전 및 저장 디바이스를 개발해 화재다.

이 ‘인공 나뭇잎’을 공개한 스위스 로잔 연방 에콜 폴리테크닉 공대(École polytechnique fédérale de Lausanne, 이하 EPFL)의 연구진은 태양빛에 노출된 식물 잎이 수행하는 자연 광합성 작용 원리에서 착상을 얻었다고 한다.

식물의 광합성 작용은 태양이 내뿜는 빛을 에너지원으로 삼아서 공기 중의 이산화탄소(CO2)를 흡수한 후 포도당(C6H12O6)과 산소(6O2)로 생성해 대기로 다시 내뿜어 내는 일련의 화학적 반응 과정이다.

같은 원리로, 인공 나뭇잎은 햇빛을 연료 삼아 공기 중에 있는 습기(H2O)를 흡수한 후 수소와 산소로 분리시키는 작용을 한다. EPFL의 연구진이 개발한 ‘인공 잎’은 유리섬유 표면에 반도체 성분의 촉매제를 입혀 제작됐다.

유럽 에너지 시장은 친환경 대체 에너지 원천으로써 특히 태양광 활용에 관심이 크다. 햇빛은 어디에나 다량으로 존재하는 공짜의 풍부한 천연자원일 뿐만 아니라, 특히 일조량이 긴 여름철은 광발전을 하기에 매우 적합하다.

문제는 태양광으로 발전된 전기를 보관하는 일이다. 계절에 따른 밤낮 길이와 밤낮의 순환의 변화에도 늘 안정된 태양열 공급을 확보하기 위해서 에너지 업계는 태양열 발전된 신재생 에너지를 수소 연료 형태로 저장하는 기술을 주의 깊게 주목한다.

인공 광합성 기술은 본래 10여 년 전인 지난 2011년, 미국의 화학자 다니엘 노체라(Daniel G. Nocera) 박사가 개발한 기술이다. 당시 MIT 공대의 노체라 박사 연구진은 실리콘을 소재로 한 인공 칩(chip)으로 햇빛과 공기 중 물로부터 수소와 산소 분자로 분리하는데 성공해 완전 무공해 청정 전기를 발전시켜 저장할 수 있는 기술의 가능성을 최초로 열었다.

이번 EPFL 연구진은 노체라 박사의 연구에서 채 해결되지 못한 두 가지 숙제 거리 — 1) 대기 중에서 물을 효과적으로 채취하고, 2) 햇빛으로부터 보다 강력한 화학 반응을 촉매 하는 방법 — 을 개선했다는 점이 성과로 꼽힌다. 연구진은 현재 역학 공정, 화학적 반응력, 효율성 최적화 개선 작업과 물이 충분한 환경과 사막처럼 건조한 기후에서도 작동할 수 있는 시스템 개선 작업을 진행중이라고 한다.

또, 한층 개선된 고효율 태양열➡︎수소 전환과 안정성 기술 연구는 영국의 케임브리지 대학에서도 추진 중이다. 생산가가 저렴하고 견고한 ‘인공 나뭇잎’ 기술을 물 공급이 용이한 해수로나 수역((水域)에 수상 발전기로서 응용할 경우, 향후 태양열 발전을 보조하는 수상 전력 발전 디바이스로 유용할 수 있다고 케임브리지 대의 연구진은 최근 영국의 과학 학술지 ‘네이처(Nature)’(2022년 8월 17일 자)에서 발표한 바 있다.