식물 따라 햇빛으로 연료 만들기, 이젠 배터리도 필요 없다? 🌱☀️

인공 광합성 시스템은 이산화탄소와 물로부터 포름산을 생성합니다. 오른쪽 이미지는 그룹의 고유한 전해조를 보여줍니다. 출처: 오사카 메트로폴리탄 대학교

식물이 햇빛으로 양분을 만드는 광합성, 학교에서 다들 배우셨죠. 그런데 인간도 이걸 흉내 내서 햇빛으로 연료를 만드는 기술이 있습니다. 바로 '인공광합성'인데요. 일본 오사카공립대 연구진이 여기서 골칫거리였던 배터리를 통째로 없애버린 똑똑한 시스템을 내놨습니다. 어떻게 한 건지 풀어볼게요.

인공광합성이 뭔데?

먼저 개념부터요. 식물은 햇빛 + 물 + 이산화탄소를 받아서 양분을 만들죠. 인공광합성도 똑같습니다. 햇빛으로 물과 이산화탄소(CO2)를 유용한 연료로 바꾸는 거예요.

이번에 만들어낸 연료는 **'포름산(formic acid)'**이라는 화학물질입니다. 이름은 생소하지만, 핵심은 에너지를 저장해뒀다가 나중에 꺼내 쓸 수 있다는 점이에요. 햇빛이라는 에너지를 액체 형태로 담아두는 일종의 '태양 연료'인 셈이죠. 게다가 골칫거리인 CO2를 소모하니, 탄소 저감 효과까지 있고요.

이 과정의 핵심 장치가 **'전해조(electrolyzer)'**입니다. 태양전지가 만든 전기를 받아서, 화학에너지(연료)로 바꿔주는 변환기예요.

문제는 '변덕스러운 햇빛'이었다

그런데 여기에 까다로운 난관이 있었어요. 바로 햇빛이 하루 종일 변한다는 점입니다. 아침엔 약하고, 한낮엔 강하고, 구름 끼면 또 약해지고. 빛이 이렇게 출렁이면 효율을 일정하게 유지하기가 어렵거든요.

그래서 기존 시스템들은 **MPPT(최대전력점추종)**라는 제어 기술을 썼습니다. 햇빛이 변할 때마다 전압과 전류를 계속 조정해서 태양전지가 늘 최대 효율로 돌게 만드는 거죠. 좋은 기술이긴 한데, 문제가 있었어요. 이 MPPT를 돌리려면 배터리와 각종 전자 부품이 줄줄이 필요했거든요. 효과는 있지만 그만큼 비싸지고 복잡해지는 게 흠이었습니다.

해결책: 전해조가 '스스로' 조절하게 만들다

연구진의 발상이 똑똑한 지점이 바로 여기예요. "복잡한 제어장치를 따로 달지 말고, 전해조가 알아서 조절하게 하면 되지 않을까?"

연구팀은 특수한 고체 전해질을 써서 전해조를 새로 설계했습니다. 그랬더니 전해조가 배터리나 외부 제어장치 없이도 스스로 MPPT 기능을 수행하게 됐어요.

원리가 정말 우아합니다. 아마오 교수의 설명을 들어볼게요. "햇빛이 강해지면 전해조가 자연스럽게 뜨거워집니다. 그런데 이 가열이 전기 저항을 떨어뜨리도록 설계했어요. 그러면 전기가 더 자유롭게 흐르게 되죠."

쉽게 말하면 이래요. 햇빛이 강하다 → 전해조가 뜨거워진다 → 저항이 낮아진다 → 전기가 더 잘 흐른다. 즉 빛이 세지면 알아서 전기를 더 많이 통과시키는 구조인 거예요. 별도의 두뇌(제어장치)가 명령을 내리지 않아도, 물리적 성질 자체가 자동 조절 장치 역할을 하는 셈이죠. 온도가 오르면 저절로 밸브가 열리는 똑똑한 수도꼭지를 떠올리면 비슷합니다.

이 자가조절 덕분에 ① 하루 종일 연료 생산이 안정적으로 유지되고 ② 시스템이 자동화되며 ③ 비싼 배터리와 부품 의존도가 확 낮아집니다. 일석삼조죠.

진짜 햇빛 아래서 검증 완료

실험실 성공은 많지만 실제 야외에서 되느냐가 관건이잖아요. 연구진이 시제품을 진짜 야외 햇빛 아래에서 시험했는데, 빛의 양이 들쭉날쭉 변해도 물과 CO2로부터 포름산을 안정적으로 꾸준히 만들어냈습니다.

흥미로운 비하인드도 있어요. 마쓰바라 부교수에 따르면, 이 기술은 2025 오사카·간사이 엑스포의 공동 전시관에서 이미 한 번 선보였다고 합니다. 당시 전시관의 미니어처 디오라마를 구동할 만큼 충분한 연료를 생성해냈대요. 작긴 해도 "햇빛으로 만든 연료가 실제 기기를 돌린다"는 걸 눈앞에서 증명한 거죠. 연구진이 "성공을 확신했다"고 말한 것도 이런 경험이 있었기 때문입니다.

정리하며

요약하면, 연구진이 ① 햇빛으로 물과 CO2를 연료(포름산)로 바꾸는 인공광합성에서 ② 복잡하고 비싼 배터리·제어장치를 ③ '뜨거워지면 저항이 낮아지는' 자가조절 전해조로 대체해 ④ 실제 햇빛 아래서 안정적인 생산을 입증했다는 이야기였습니다.

개인적으로 가장 멋지다고 느낀 건, 복잡한 전자장치로 억지로 제어하는 대신 물질의 자연스러운 성질을 그대로 활용했다는 점이에요. 햇빛이 세지면 알아서 더 잘 작동하는, 어찌 보면 식물의 광합성을 더 닮은 방식이죠. 마쓰바라 부교수의 말처럼 언젠가 우리 집 기기를 햇빛으로 충전하는 날이 온다면, 그 시작엔 이런 '단순하게 만드는 영리함'이 있었다고 기억될 것 같네요. 해당 연구는 학술지 EES 솔라에 게재됐습니다. 🔋

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