청정 재생 에너지의 원천에 대해 논할 때 물의 증발을 가장 먼저 떠올리기는 힘들 것이다.
그러나 과학자들은 미국의 호수와 저수지에서 증발되는 물만 사용해도 전력 수요의 70%를 충당할 수 있으리라고 보고 있다. 더구나 주야간의 전력 수요에 모두 대응이 가능하므로 태양에너지와 풍력에너지가 갖는 간헐성 문제도 해결된다.
콜럼비아 대학의 대학원생이자, 학회지 <네이처 커뮤니케이션즈> 지에 실린 최신 연구의 수석 저자인 아흐메트 함디 카뷰소글루는 이렇게 말한다. “증발은 1년 내내 주야를 가리지 않고 일어난다.” 그는 이 연구에서 증발이 미래에 재생 가능한 에너지원으로 쓰일 가능성을 따졌다. “증발을 조절하면 생산된 전력을 저장하고 관리할 수 있다. 이로서 배터리나 기타 전력 저장 수단 없이도 수요에 맞는 신뢰성 높은 에너지원을 얻을 수 있다.”
콜럼비아 대학의 생체 물리학자이자 이번 논문의 선임 저자인 오즈구르 사힌은 무해한 토양 박테리아인 B. subtilis의 포자를 이용해 주변 공기의 상대 습도에 따라 물을 흡수하거나 방출하는 기술을 개발했다. 습도가 높을 때 이들 포자는 습기를 빨아들여 팽창한다. 습도가 낮을 때는 습기를 방출하며 작아진다. “이러한 절차를 마치 근육처럼 수행한다. 매우 효과적인 근육이다. 포자들을 조립해 더 큰 물질을 만들어 습도가 변할 때마다 움직여 힘을 낼 수도 있다”고 그는 말한다.
사힌의 실험실에서 개발한 이 기계는 여닫히는 셔터로 습도를 조절, 포자가 코팅된 플라스틱 띠에 팽창 및 수축을 지시한다. 그는 “셔터가 닫히면 수면에서 증발한 물이 셔터 아래쪽의 습도를 높인다. 이로서 포자가 코팅된 띠가 길어진다. 띠의 움직임으로 셔터가 열리고 이로서 습도가 줄어 들면서 수분이 빠져나간다. 포자가 코팅된 띠가 짧아지고 셔터가 닫히면 이 사이클이 완료된다. 이 과정은 주기적이므로, 포자가 코팅된 띠는 늘었다 줄었다를 반복한다”라고 설명한다.
이 띠의 움직이는 한쪽 끝은 발전기에 연결되어 있어 전력을 생산한다. 사힌은 “우리는 바람과 물, 태양을 사용해 발전을 할 기술이 있다. 증발 또한 그만큼 강력하다. 그 잠재력을 기대할 때가 왔다”고 말한다.
이 기술은 물을 절약하는 데 쓰일 수도 있다. 이 연구에 따르면 호수와 저수지에서 자연적으로 증발해 대기 속으로 가는 물의 절반을 이 과정을 통해 절약할 수 있다고 한다. 이는 한 해 95조 리터에 달한다. 한 해 동안 미국인들이 소비하는 물의 1/5정도다.
사힌은 이렇게 많은 물을 절약해도 날씨에 미치는 영향은 적다고 덧붙인다. 설령 이러한 설비를 대규모로 배치해도, 그의 기술에 의한 대기 중 습도(대량의 강수에 영향을 미치는) 강수량은 그리 크지 않다. 강수와 습도에 영향을 미치는 수분은 거의 대부분이 바다에서 공급되기 때문이다.
아리조나 주립 대학의 물리학자인 클라우스 래크너는 이 연구에 참여하지는 않았지만, 증발도 어느 정도 사용해서 공기 중 이산화탄소를 빨아들이는 인공 나무를 개발하고 있다. 그는 “증발은 매우 여러 가지 분야에 사용될 수 있다. 가습과 건조 사이클을 통해 기계적 에너지를 획득하는 장면을 보는 것은 멋지다”고 말한다.
연구 저자들은 입수 가능한 기상 자료에 기반, 미국 내 증발식 발전의 가능한 발전량을 계산하였다. 단 여기서 농지, 강, 오대호, 해안선 등의 증발량은 배제했다. 이들을 포함하여 더욱 복잡한 상호작용을 모델링하다가는 오류가 발생할 수 있기 때문이었다.
분명 이 연구자들의 연구는 실험적이며, 아직 연구실 밖으로 나오지 않았다. 그러나 사힌은 “기술의 효율을 높여 축구장 크기로 늘릴 수 있다면, 증발의 광범위한 사용을 통해 에너지를 얻을 수 있을 것이다. 농부, 도시, 수자원 관리 기관에서는 많은 양의 물을 가두어 놓고 쓰고 있다.” 이 물들은 자연 속의 물과 함께 증발원이 되어줄 것이다. 그리고 이 방식에 사용되는 여러 물질들은 생물학적인 것이며 쉽게 획득할 수 있으므로, 가격이 그리 비싸지는 않을 것이라고 덧붙였다.
언제라도 필요할 때 전력을 생산할 수 있는 것이 증발의 큰 장점이다. 반면 태양에너지나 풍력은 태양빛이 약하거나 바람이 불지 않을 때는 보조 배터리가 필요하다. 더구나 배터리는 싸지 않고, 유해한 물질을 사용하는 경우가 많다.
카뷰소글루는 “인간의 전력 수요는 매일, 계절마다 달라진다. 계절적으로는 여름에 늘어나고, 하루 중에는 퇴근해서 귀가하는 초저녁이 많다. 그러나 풍력과 태양에너지는 인류의 전력 수요를 맞춰 줄 수 없다. 언제나 쓸 수 있는 에너지가 있어야 우리는 병원에 불을 밝히고 가정에서 넷플릭스를 스트리밍해서 볼 수 있다”고 말한다.
증발은 덥고 건조한 날씨일 때 더 많은 에너지를 얻으므로 캘리포니아, 네바다, 아리조나 같이 가뭄에 많이 시달리는 주일수록 이 기술의 이익을 크게 볼 것이다. 사힌은 “흥미롭게도 여러 건조한 지역들은 호수나 대량의 물을 지니고 있다. 예를 들어 콜로라도 강 그리고 미드 호수, 모하비 호수, 파웰 호수, 하부수 호수 등 댐으로 인해 형성된 호수들이 그것이다.”
그는 “물론 물이나 기타 습한 표면이 없는 곳에서는 증발은 미약한 수준이고, 이 개념을 사용할 수 없다. 그러나 이러한 곳에서조차도 일일 상대습도 변화를 통해 전력을 생산할 수 있다”고 말한다.
몇 년 전 사힌의 연구실은 증발로 작동하는 피스톤 구동식 엔진을 만들어, 이 엔진으로 만든 전력으로 전등을 점등한 적이 있었다. 또 자동차 축소 모형의 왕복 엔진을 증발 방식으로 구동시키기도 했다. 과학자들은 현재 소재의 에너지 효율을 높이는 방법을 연구하고 있다. 그리고 이 기술을 통해 물을 절약하고 전력을 생산할 수 있는 호수, 저수지, 온실 등에서 이 개념을 실험해 볼 계획이다.
사힌은 “현재 재생 에너지 기술의 팽창은 많은 기술적, 비기술적 문제를 겪고 있다. 증발 기반 재생 에너지 기술은 기존의 기술보다 특정 지역에 더욱 잘 어울리고 기존 기술이 효과가 없을 때 쓸 수 있는 대안을 제시해 준다”고 말한다.
서울경제 파퓰러사이언스 편집부 / by Marlene Cimons Nexus Media
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