과학자들이 최초로 태양광을 효율적으로 흡수할 수 있는 단일 분자를 개발했다. 이 분자는 태양 에너지를 자동차 청정 연료로 사용할 수 있는 수소로 바꾸는 촉매 역할을 한다.
이 새로운 분자는 전체 가시광선에서 에너지를 수집하기 때문에, 현재의 태양 전지보다 50% 이상 더 많은 태양 에너지를 이용할 수 있다. 이번 발견은 인간이 화석 연료에서 벗어나 기후 변화에 영향을 주지 않는 에너지원으로 전환하는 데 도움을 줄 수 있다.
우리나라와 일본에서는 수소를 이용해서 배기가스를 아주 적게 배출하는 미래의 차량 연료로 사용하는 연구가 활발하다. 그러나 아직까지는 수소를 얻는데 비용과 시설이 많이 들어간다.
수소를 생산하는 일반적인 방법은 전기를 이용하여 물 분자를 수소와 산소로 분리하는 것이지만, 잠재적으로 더 단순하고 효율적인 방법은 광촉매 물 분리법이다. 이것은 전기 대신 빛을 에너지원으로 사용함으로써 공정을 더욱 간단하게 하는 방법이다.
태양 전지 보다 태양에너지를 50% 이상 수확할 수 있다. ⓒ 픽사베이
아직 아무도 광촉매 수소 생산을 상용화하지 못했지만, 매우 뜨거운 연구 영역 중 하나이다. 이번에 오하이오 주립대학(OSU) 연구팀은 지금까지 가장 효율적인 광촉매 분자를 발견했다는 내용의 논문을 네이처 케미스트리(Nature Chemistry) 저널에 발표했다.
태양에너지를 화학결합에 저장
“중요한 것은 우리가 태양에서 온 광자를 수소로 바꿀 수 있다는 것이다. 간단히 말해서, 우리는 햇빛 에너지를 나중에 사용할 수 있도록 화학 결합에 저장하고 있다”고 오하이오 주립대학(OSU) 클라우디아 투로(Claudia Turro) 교수는 말했다.
연구자들은, 이전에는 수집하기 어려웠던 태양 가시광선의 일부인 저 에너지 적외선을 포함하여, 햇빛의 전체 가시 스펙트럼에서 에너지를 수집하여 수소로 변환하는 것이 가능하다는 것을 처음으로 보여주었다. 수소는 이산화탄소나 탄소 같은 부산물을 생산하지 않는 깨끗한 연료이다.
투로 교수는 “이 시스템이 분자를 흥분된 상태로 만들 수 있고, 거기서 광자를 흡수하고 두 개의 전자를 저장해 수소를 만들 수 있다”고 말했다. 두 개의 광자에서 파생된 하나의 분자에 두 개의 전자를 저장하고, 전자 두 개를 함께 사용하여 수소를 만드는 것은 전례가 없는 일이다.
태양에서 온 에너지를 자동차의 연료로 바꾸려면, 먼저 에너지를 모으는 메커니즘을 필요로 한다. 그런 뒤 그 에너지는 연료로 변환되어야 한다. 변환에는 촉매라고 불리는 것이 필요하다. 즉, 화학 반응을 가속화하여 태양 에너지에서 수소와 같은 사용 가능한 에너지로의 변환을 가능하게 하는 것이다.
태양에너지를 모아 수소로 바꾸려는 대부분의 이전 시도들은 예를 들어 자외선같이 더 높은 에너지 파장에 초점을 맞추었다.
이전의 시도들은 또한 두 개 이상의 분자로 이루어진 촉매제에 의존했는데, 촉매들은 태양열로 연료를 만들 때 전자를 교환한다. 그러나 그 교환으로 에너지가 손실되기 때문에, 그 멀티 분자 시스템의 효율성이 떨어진다.
태양빛으로 물을 분해하므로 부산물이 안 나온다. ⓒ 픽사베이
투로 교수는 단일 분자 촉매에 의존하는 몇 가지 시도 역시 비효율적이었다고 말했다. 일부는 햇빛의 전체 가시광선에서 에너지를 수집하지 않았기 때문이며, 일부는 촉매의 기능이 빠르게 저하되었기 때문이라고 말했다.
비싼 로듐, 저렴하게 바꿔야
투로 연구팀은 로듐(rhodium) 분자 하나로 어떻게 촉매를 만들 수 있는지를 연구했다. 이에 연구팀은 적외선에서 자외선에 이르는 전체 가시광선에서 에너지를 모으는 방법을 알아냈다.
새 방식은 자외선 광자로 작동하는 기존의 단일 분자 시스템보다 거의 25배나 효율적이라고 연구팀은 밝혔다. 연구진은 활성 분자가 함유된 산성 용액에 LED 조명을 비추며 실험한 결과 수소 가스가 방출된 사실을 밝혀냈다.
하지만 상업적으로 실행 가능한 청정 연료 생산 수단이 되기에 앞서 해결해야 할 문제가 여전히 남아있다. 가장 중요한 것은 로듐이 희귀하고 비싸다는 것이다. 이에 연구팀은 로듐을 더 저렴한 재료로 어떻게 대체할 것이며, 오랫동안 촉매역할을 할 수 있는지 노력하고 있다.
(9238)
로그인후 이용 가능합니다.
한국과학기술원(KAIST) 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀은 폐암 세포의 성질을 변환시켜 전이를 막고 약물 저항성을 제거하는 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 연구팀은 폐암 세포를 전이시킬 능력이 없는 상피세포가 전이 가능한 중간엽세포로 변하는 '천이 과정'(EMT)에서 나타나는 다양한 암세포 상태를 수학모델로 만들었다.
중성자별끼리 충돌해 초강력 폭발을 일으키며 금을 생성하는 '킬로노바'(Kilonova)의 모든 조건을 갖추고 이를 준비 중인 쌍성계가 처음으로 관측됐다. 이런 쌍성계는 1천억개가 넘는 우리 은하 별 중에서도 열 손가락 안에 꼽을 정도로 극히 드문 것으로 제시됐다.
2016년 알파고가 바둑을 둘 때 소모한 전력은 가정집 100가구의 하루 전력 소모량과 맞먹고, 2021년 테슬라가 발표한 자율주행용 인공지능(AI) 학습 서버 한 대의 전력소모량이 알파고의 10배를 넘는다. 에너지 위기 시대에 초저전력·고성능을 특징으로 하는 차세대 메모리 소자인 스핀트로닉스(spintronics·전자의 회전 방향을 제어해 정보를 효율적으로 저장하는 소자) 기술 혁명이 필요한 이유다.
멸종한 인류의 사촌인 네안데르탈인이 아시아 코끼리의 2∼3배에 달하는 '일직선상아 코끼리'를 사냥해 먹을 만큼 큰 집단을 유지하고 있었다는 연구 결과가 나왔다. 네안데르탈인은 기껏해야 20명이 넘지 않은 작은 집단을 이뤄 생활한 것으로 여겨져 왔지만 최대 13t에 달하는 고대 코끼리를 잡고 그 고기를 모두 소모한 걸로 볼 때 훨씬 더 큰 집단 생활을 한 거로 추정된다는 것이다.
드론은 저렴한 가격과 기동성으로 소방·정찰·국방 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히 운용 주체·의도를 숨길 수 있어 군뿐만 아니라 범죄 집단, 테러리스트들도 쓰는 도구가 되고 있다. 최근 각국 정부는 공항·국가 중요 시설을 대상으로 한 테러를 방지하기 위해 다양한 안티드론 시스템을 구축하고 있는데, 우크라이나와 러시아의 전쟁이 안티드론 기술 평가장이 되고 있다.
진화적으로 인간과 가장 가까운 동물 중 하나인 침팬지도 10대 때는 사춘기 청소년처럼 충동적이고 위험한 행동을 보이지만 인내심은 오히려 10대 청소년보다 강하다는 연구 결과가 나왔다. 미국 CNN 방송은 30일 미시간대 알렉산드라 로사티 교수팀이 콩고공화국 보호구역에서 태어난 야생 침팬지 40마리를 대상으로 충동성과 위험 감수 경향, 인내심 등을 측정하는 실험을 한 결과 이런 사실을 확인했다고 보도했다.
지진이 발생하면 냉장고 디스플레이에 경고가 뜨고 가스 밸브가 자동으로 잠긴다면 훨씬 안전할 수 있다. 기상청은 '지능형 사물인터넷'(사물지능융합기술·AIoT) 기술을 활용한 지진정보 전달체계를 마련하는 '차세대 지진재난문자 서비스 연동방안 연구'를 올해 진행한다고 29일 밝혔다.