지구상에서 스스로 에너지를 생산할 수 있는 유일한 생물이 식물이다. 태양광을 이용해 물과 이산화탄소로부터 에너지원인 탄수화물을 생산한다. 우리가 알고 있는 ‘광합성(Photosynthesis)’ 현상을 말한다.
따라서 광합성은 이산화탄소 배출을 줄이고, 또한 청정에너지를 생산할 수 있는 지구상에서 일어나고 있는 가장 경이롭고 중요한 생명 현상이다. 그런 만큼 많은 과학자들이 인공광합성 기술을 개발하기 위해 많은 노력을 기울여왔다.
그리고 최근 새로운 성과들이 나타나고 있다. 토론토 대학에서 인공광합성 연구를 하고 있는 필 드 루나(Phil De Luna) 박사는 28일 과학기술 비평지 ‘알퍼(alphr)’와 인터뷰를 통해 “신기술을 통해 복잡한 광합성 과정을 실용화하는데 성공하고 있다.”고 말했다.
고성능 태양광전지로 태양광을 흡수한 후 고성능 촉매를 통해 에너지 생산 효율을 높이고 있다는 것. “계획대로 생산 효율을 높여갈 경우 기존 배터리는 물론 자동차, 심지어 747 보잉 비행기에 이르기까지 에너지 확보가 가능하다.”고 말했다.
과거에 이런 발언을 했다면 허풍이라고 했을 것이다. 그러나 과학자들은 최근 새로운 기술개발을 통해 인공광합성 시대에 접근하고 있는 분위기다. 대표적인 사례가 광합성 패널(photovoltaic panels)이다.

식물에 근접한 광합성 패널 개발

그동안 태양광을 수집하기 위해 과학자들은 반도체를 기반으로 광합성 패널을 사용해왔다. 그러나 패널 가격이 너무 비싼데다 패널을 설치한다 하더라도 생산효율 면에서 자연(식물)을 따라가지 못하는 어려움을 겪고 있었다.
생산효율이 낮은 것은 인공광합성 패널이 식물의 엽록소 기능을 충분히 모방하지 못하기 때문. 엽록소는 태양빛을 흡수하면 에너지적으로 들뜬 상태가 된다. 이 들뜬 에너지는 주변으로 높은 에너지의 전자를 전달해 일련의 화학반응을 일으키게 한다.
이러한 화학반응을 통해 식물은 물을 분해해 산소를 생성한다. 뿐만 아니라 다양한 화학반응의 에너지원인 ATP와 NADPH를 만들게 된다. 이렇게 생성된 ATP와 NADPH는 암반응 과정(캘빈회로, calvin cycle)을 통해 이산화탄소로부터 탄수화물을 합성하는데 이용된다.
조지아 대학의 개리 헤이스팅(Gary Hastings) 교수 연구팀이 주목한 것은 태양광을 수집하는 과정에서 인공광합성 패널이 높은 에너지의 전자를 전달받지만 얼마 안 있어 그 에너지를 대부분 상실한다는 점이다.
인공광합성 패널의 생산효율이 낮아지는 가장 큰 원인이다. 교수팀은 이 문제가 패널 자체적인 문제로 보았다. 그리고 높은 에너지의 전자를 전달할 수 있는 과정을 화학적으로 규명하는데 성공하고 있다.

“인공광합성 시대, 빨리 다가오고 있어”

헤이스팅 교수는 “오랜 연구 끝에 자연의 광합성 현상에서 볼 수 있는 명반응에 접근한 메커니즘을 확인하는데 접근하고 있다.”며, “이를 기반으로 향후 5년 내에 식물 수준의 에너지를 발휘할 수 있는 광합성 패널 시제품을 선보이겠다.”고 말했다.
생산효율을 낮추는 두 번째 원인은 (태양광을 이용해) 이산화탄소를 탄수화물로 만드는 과정이다. 식물의 경우 이 일을 수행하는 분자들이 매우 안정적으로 믿을 수 없을 정도로 많은 양의 에너지를 생산하고 있다.
지금까지 개발된 인공광합성 촉매로는 따라갈 수 없을 정도다. 지난 10년간 많은 과학자들이 이 문제를 해결하기 위해 많은 연구를 거듭해왔다. 그리고 뛰어난 에너지 생산효율을 내고 있는 식물 분자 메커니즘을 밝혀내고 있는 중이다.
특히 중국, 캐나다 공동연구팀을 통해 큰 성과가 이루어지고 있다. 중국 푸단대학의 분자생물학자인 장보 교수는 “니켈, 철, 코발트, 인 등을 합성해 식물 광합성 능력에 근접한 고효율 촉매를 개발했다.”고 말했다.
이 연구결과는 이산화탄소 배출에 대처하기 위한 2000만 달러 상금의 기술공모전 ‘$20M NRG COSIA Carbon XPRIZE’에서 응모작으로 주목을 받고 있는 중이다. 최종 목표는 이 기술을 적용한 공정과정 구축이다.
불과 수년 전까지 과학자들조차 인공광합성의 실현을 먼 미래 일로 생각해왔다. 그러나 최근 연구 성과들은 자연을 모방하는 일이 불가능한 일이 아니며, 또한 인공광합성 시대가 얼마 남지 않았다는 점을 말해주고 있다.
루나 교수는 “최근 연구를 통해 이전에 상상할 수 없었던 놀라운 일들이 벌어지고 있다.”며, “이처럼 빠른 성과가 나타나고 있는데 대해 크게 감격하고 있다.”고 말했다. 그는 “정책적 차원에서 지원이 이루어질 경우 인공광합성 실현이 더 빨라질 것”이라고 말했다.
최근 인공광합성 연구가 실용화를 위한 첫 단계에 접어들었다는 것이 관계자들의 일반적인 평가다. 헤이스팅 교수와 루나 교수는 지금과 같은 속도로 연구가 진행될 경우 얼마 안 있어 인공광합성이 중요한 신재생에너지로 부상할 수 있다고 보고 있다.
지구온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 대량 흡수하면서 또한 새로운 청정에너지를 대량 생산할 수 있는 시대가 다가오고 있다는 것. 헤이스팅 교수는 “그동안 꿈꿔왔던 ‘에너지 유토피아’가 멀지 않았다고 말했다.
광합성 현상은 자연이 인류에게 물려준 값진 선물이다. 태양광을 이용해 에너지를 무한 생산할 수 있는 인공광합성 기술이 예상보다 빨리 개발되고 있다는데 많은 사람들이 큰 기대를 걸고 있는 중이다.