바닷물 이용한 ‘블루 에너지’ 시대 오나?

효율 8000배 향상된 나노 튜브 개발

2019.12.09 12:15 심재율 객원기자

지금 세계는 ‘그린 에너지’에 큰 관심이 쏠려있지만, ‘블루 에너지’가 다음을 이어받을 준비를 하고 있다.

블루 에너지는 민물과 소금물 사이의 화학적 차이를 이용해서 전기를 얻는 것이 핵심이다. 현재 과학자들은 우표 크기의 막(멤브레인)과 나노 튜브를 이용해서 블루 에너지를 뽑아내는데 성공했다. 이것을 저렴한 비용으로 크게 확대할 수 있다면, 강이 바다를 만나는 해안을 가진 국가의 수백만명에게 탄소 없는 전력을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

사이언스, 파퓰러 메카닉스 등은 럿거스 대학 (Rutgers University) 과학자들이 강과 바닷물이 만나는 곳에서 일어나는 자연적인 상호작용을 이용하는 ‘블루 에너지’ 개발에 획기적인 발전을 이루었다고 최근 보도했다.

럿거스 대학의 박사과정 학생인 세미 세틴닥(Semih Cetindag)은 최근 미국 매사추세츠에서 열리는 재료연구학회에서 블루 에너지의 난관을 극복했다고 발표했다.

민물~짠물의 전하 차이를 이용해 전기 생산    

강과 바다가 만나는 하구 또는 델타는 민물과 짠물이 상호작용하면서 서로 재분배하는 방법 때문에 엄청난 에너지 잠재력을 지니고 있다.

물 입자의 전하는 자기 전하와 같은 방식으로 작용한다. 같은 전하는 서로 밀어낸다. 물 안에 강한 음전하를 띤 나노 튜브를 넣어두면 다른 음전하를 막아준다. 이런 식으로 물을 정렬하면 그들 사이에 엄청난 전하차를 가진 두 개의 분리된 웅덩이를 만드는 것을 의미한다.

민물과 짠물의 전하차이를 이용해서 전기를 생산한다. ⓒ 픽사베이

민물과 짠물의 전하 차이를 이용해서 전기를 생산한다. ⓒ 픽사베이

에너지가 풍부한 소금의 전하 차이를 이용하면 전기를 발생시키는 것이다. 이것은 또한 우리 몸의 전기 시스템이 물에 녹은 짠 전해질들에 의해 활성화되는 이유이기도 하다.

2013년 프랑스 과학자들이 이런 막을 만들었다. 그들은 실리콘 질산염으로 세라믹 필름을 만들었다. 그리고 그 필름을 ‘붕소나트륨 나노튜브'(BNNT)로 뚫었다. 고강도 합성 물질을 조사하는데 사용하는 BNNT는 음전하가 높기 때문에, 음전하를 띤 물 이온을 막을 수 있다. 실제로 프랑스 과학자들이 민물과 소금물 사이에 BNNT로 처리한 막을 놓았을 때, 양 이온이 소금물에서 민물로 움직였지만, 음으로 충전된 이온들은 대부분 차단되었다는 것을 발견했다.

양쪽 사이의 전하 불균형은 너무 강해서 연구자들은 1㎠ 당 수백만 개의 모공이 들어 있는 1㎡짜리 막으로 연간 약 30메가 와트를 발전할 수 있을 것으로 추정했다. 이 정도면 400여 가구에 전력을 공급할 수 있다.

그러나 아직까지는 우표 크기의 필름을 만드는 것은 불가능하다는 것이 입증되었다.

럿거스 대학 팀은 이 난관을 극복하기 위해 자기장을 사용하기를 원했다. 문제는 BNNT는 자기성이 없다는 것이다. 그래서 세틴닥은 코팅제를 이용해서, 나노 튜브가 자기장을 띄도록 했다. 마지막으로, 연구팀은 플라스마 빔을 사용하여 막의 상단 및 하단 표면에 있는 물질의 일부를 식각하여 튜브가 양쪽에 열려 있도록 했다.

효율 높이면 원전 2000개 용량 발전도 가능    

연구진이 소금물과 담수를 분리하는 작은 용기에 막을 넣었을 때, 이전 프랑스 팀의 BNNT 실험보다 면적당 8000배나 많은 전력을 생산했다. 연구팀은 앞으로 이 성능이 훨씬 좋아질 것으로 기대한다.

세틴닥은 “우리는 막의 모든 능력을 아직 이용하지 않고 있다”고 말한다. 그것은 BNNT의 효율이 이제 2%에 불과하기 때문이다. 이 효율이 높아질 경우 과학자들이 오랫동안 생각해왔던 푸른 에너지의 실용화가 가능해 질 전망이다.

처음 이 가능성이 나온 것에 비하면, 럿거스 대학 연구팀은 많은 진전을 이루었지만, 발전할 소지가 여전히 많이 남아있다.

블루 에너지의 가능성은 그 엄청난 규모에서 비롯된다. 강은 매년 약 3만 7000 ㎦의 민물을 바다로 흘려보낸다. 민물과 짠 바닷물 사이의 이러한 교차점은 많은 전기를 발생시킬 수 있는 가능성을 만들어낸다.

최근의 한 추산에 따르면, 2000개의 원자력 발전소를 가동해야 얻을 수 있는 전력인 무려 2.6 테라와트의 전기를 생산할 수 있다는 의견도 있어 향후 발전 가능성이 기대된다.

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