재생 연료의 왜곡
수십 년 동안 한 과학자 그룹이 인공 잎에 자연 광합성을 복제하고 햇빛의 힘으로 대기에서 직접 연료를 만들어내려고 시도해왔다. 그 결과는 뻔하다. 거의 모든 에너지는 태양으로부터 나오고, 그중 대부분은 광합성에서 나오기 때문이다. 광합성은 간단한 과정이다. 물, 햇빛, 이산화탄소가 들어가고 당과 산소가 나온다. 그러나 자연 광합성으로만 세계적으로 증가하는 에너지 수요를 충족시킨다는 것은 현실성이 없어 보인다.
바이오연료를 얻기 위해 옥수수나 포플러, 큰개기장을 재배할 때 에너지 효율 면에서는 상당한 단점이 있다. 식물은 햇빛을 쉽게, 실패 없이 전환시킨다. 그러나 빛으로부터 유용한 저장 에너지를 얻어내는 효율성은 1퍼센트에 지나지 않는다. 옥수수를 예로 들어보자. 농부는 디젤 트랙터로 밭을 갈고, 제초제를 사용해 잡초를 제거하고, 콤바인을 사용해 작물을 수확하고, 가공을 위해 이를 싣고 수 킬로미터를 운반한다. 또 가공 공장에서는 옥수수를 갈아 으깬 후, 효소와 암모니아를 혼합해 박테리아를 죽이기 위해 익힌 다음 액화시켜 효모와 함께 며칠 동안 발효시킨 후 당분을 에탄올로 전환시킨다. 이게 끝이 아니다. 그다음에는 증류시켜 원심 분리한다. 고체가 분리되고 액체는 흡착된다. 포집된 이산화탄소는 탄산음료 제조업자에게 판매된다. 변성제를 추가해 면세 적용을 받고 음용할 수 없게 만든 다음, 저장 탱크로 보낸다. 또 여기서 탱커 트럭에 실려 정유 공장에 간 다음, 가솔린과 혼합된다.
업계는 이것을 재생 연료라고 부르지만, 의미를 크게 왜곡하는 어휘다. 모든 과정이 디젤, 석유, 가솔린, 전기, 보조금 등에 크게 의존하고 있다. 계산기로 다시 두드려보면, 옥수수 기반의 에탄올은 생산에 드는 것을 약간 초과하는 에너지를 만들어낼 뿐이다. 토지이용, 지하수 고갈, 생물다양성 손실, 질소 비료의 영향 등으로 배출물을 더하면 배출 효율이 논란이 될 수밖에 없다. 옥수수를 가장 유용하게 사용하는 최선의 방법은 에탄올로 변환해 스포츠 유틸리티 차량 연료로 사용하는 것이 아니라 배가 고픈 사람들의 식량으로 사용하는 것이다.
인공 잎 프로젝트
그렇다면 농장, 비료, 트랙터, 트럭, 가공 공장, 보조금의 도움 없이, 사람과 물이 어디에 있든 물과 이산화탄소로 연료를 만들 수 있다고 상상해보라. 이것이 바로 대니얼 노세라가 20여 년 전에 구상한 인공 잎 프로젝트의 목표다.
노세라는 하버드대의 에너지 과학 교수다. 그는 1980년대 초 칼텍대학원 시절부터 물을 수소와 산소로 분리하는 연구에 전념했다. 그의 직업은 수소 경제에 활력을 불어넣기 위한 수단으로 시작되었다. 그의 초기 기술은 한 면이 코발트-니켈 촉매로 코팅된 얇은 실리콘 시트를 사용했는데, 이 시트가 물 용기에 떨어지면 한 면에는 수소가, 다른 한 면에는 산소가 거품을 일으켰다. 초기 언론은 그 기술의 의미를 칭찬하고 격려했다. 노세라 자신은 가난한 사람들에게 주어질 혜택을 예언했다. 이걸로 요리할 때 수소 가스를 태우거나 연료 전지로 전기를 생산하는 방법을 설명했다. 그러나 가난한 사람이 수소통을 가지고 무엇을 할 수 있겠는가? 그저 비싼 기술일 뿐이고, 경제적인 의미라고는 없는 과학적 진보였다.
수소는 우주에서 가장 가벼운 우너소로 도깨비불처럼 흩어진다. 수소 1파운드는 가솔린 1파운드보다 3배나 더 많은 에너지를 함유하지만, 수소 1파운드를 얻는 것은 까다로운 과정이며 장미, 고압 탱크, 압축기가 필요하다. 한 가족이 충분히 쓸 수 있는 에너지를 생산하려면 합판 1장 크기의 실리콘 조각과 욕조 3개에 해당되는 탱크가 필요하다. 노세라는 가난한 사람들을 위해 적당한 가격의 에너지를 제공하는 것에 초점을 맞췄지만, 가난한 사람들이 실제로 전기를 생산할 수 있는 방법에 대해서는 거의 생각하지 못했다. 그럼에도 그는 모든 사람이 공유할 수 있는 에너지 자원과 기술을 고안하기로 결심했는데, 이것이 그가 1970년대에 데드 헤드라고 부른 개념이었다. 이 밴드는 사람들이 콘서트에서 곡을 녹음하도록 허용했다. 오늘날에도 음악 트랙을 공유하고 교환할 수 있는 사이트들이 있다. 그런데 이 개념을 에너지 기술에도 사용할 수 있을까?
노세라는 그렇다고 생각한다.
그는 가난한 사람들에게 이익이 되는 기술에 집중함으로써 사회 전체가 최대의 이익을 얻게 될 것이라고 믿었다. 수년 동안 그는 배터리에 투자되는 것만큼 인공 광합성에 자금이 투자된다면 더 발리 돌파구가 마련될 것이라고 회의론자들에게 맞섰다.
드디어 돌파구가 찾아왔다. 2016년 6월 3일, 노세라와 그의 동료 패멀라 실버는 태양에너지, 물, 이산화탄소를 결합해 에너지 밀도가 높은 연료를 만드는 데 성공했다고 발표했다. 2개의 촉매제를 사용해 물에서 자유 수소를 만들었는데, 이것이 액체 연료를 합성하는 박테리아인 랄스토니아에우트로파에 공급된다. 박테리아에 순수 이산화탄소가 주어졌을 때 그 과정은 광합성에 비해 10배 효율적이다. 이산화탄소를 공기 중에서 가져온다면 3~4배 효율적이다. 최근까지 노세라는 수소 기체를 만들기 위해 무기화학에 집중해왔다. 그와 그의 하버드팀은 수소를 사람을 위한 에너지원이 아닌 박테리아를 위한 에너지의 원료로 보고, 원래 목표인 햇빛과 물로 만들어진 값싼 에너지를 향해 큰 발걸음을 내디뎠다. 박테리아도 잊어서는 안 된다. 경제적 실행 가능성이 점점 눈앞의 현실로 다가오고 있는 인공 광합성은 그렇게 인공적이지만은 않을 것이다.
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