일광 화상이 새로운 에너지 저장 방식을 고안하게 된 계기

Source: BBC Technology

10시간 전
Chris Baraniuk – 기술 기자

Jeff Liang, UCSB

보스턴에서 캘리포니아까지: 영감

화학 교수 그레이스 한(Grace Han)이 몇 년 전 보스턴에서 남부 캘리포니아를 처음 방문했을 때, 그녀는 차이를 눈치챘습니다. 밖에 몇 시간만 나가도 피부가 처음으로 자극을 느끼며 따끔거렸습니다.

작년 그녀는 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스로 옮겨가 큰 챙 모자, 선글라스, 그리고 충분한 선크림을 착용하기 시작했습니다. 화학 교수인 그녀는 이미 연구를 마친 상태였습니다.

“그냥 여가로 DNA 광화학에 대해 읽고 있었어요,” 라고 그녀는 회상합니다.

그때 그녀는 햇볕에 타서 손상된 피부 속 DNA 분자가 자신에게 도움이 될 수 있다는 사실을 깨달았습니다. 햇빛에 노출되면 이 분자들은 형태가 변해, 평소 형태보다 긴장된 형태로 휘어집니다.

수십 년 동안 과학자들은 형태를 비틀어 에너지를 저장하고, 이후 원래 형태로 돌아가도록 유도해 저장된 에너지를 필요할 때 방출할 수 있는 분자를 찾고자 노력해 왔습니다. 이는 마치 쥐덫을 설치하고 나중에 작동시키는 것과 비슷합니다. 이러한 현상을 분자 태양열 (MOST) 에너지 저장이라고 하며, 저렴하고 배출이 없는 열 공급 방법이 될 잠재력을 가지고 있습니다. MOST 시스템은 에너지를 수개월, 심지어 수년 동안 저장할 수 있습니다.

연구자들은 이전에 이 기술로 제한적인 성공을 거두었지만, 캘리포니아의 햇빛 덕분에 한은 다음에 시도할 방법을 알게 되었습니다.

에너지 저장 분자의 형태 변화를 부드럽고 반복 가능한 방식으로 활성화하는 것이 중요합니다.

다행히도 수백만 년에 걸친 진화가 우리 피부에서 이 과정을 완벽히 다듬어 왔습니다—어느 정도 우리는 살아있는 화학 실험실이라고 할 수 있습니다. 우리 피부 속 DNA 분자는 포토리레이스(photolyase) 라는 효소의 도움으로 햇빛에 의해 뒤틀린 형태를 복구하도록 진화했습니다.

한은 이러한 분자가 에너지 저장 시스템에 완벽한 후보가 될 수 있음을 깨달았습니다.

“그들은 매우, 매우 작아요,” 라고 그녀는 설명합니다. “그리고 질량당 엄청난 양의 에너지를 저장할 수 있죠.”

Han PQ Nguyen, UCSB

에너지 저장 시연

UCSB에서 만든 분자는 소량의 물을 끓여낼 만큼 충분한 에너지를 가두었습니다.

2월에 발표된 논문에서 그녀와 동료들은 지금까지 발표된 것 중 가장 유망한 에너지‑저장 시스템을, 적어도 에너지 밀도 측면에서, 소개했습니다. 그 시스템은 매우 작은 시험관 안의 “아주 작은 주전자”에 물을 빠르게 끓여낼 정도로 강력했다고 한(Han)은 말합니다.

그 부분을 수행한 그녀의 학생들은 결과를 급히 그녀에게 알렸습니다.

“실제로 영상을 보고 전체 용액이 얼마나 빨리 끓는지 보았을 때, 정말 놀라웠어요,” 라고 Han은 회상합니다.

그녀는 분자가 어떻게 작동할지를 예측한 컴퓨터 분석—캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스(University of California, Los Angeles)의 협력자 Kendall Houk와 그의 팀이 수행한—이 작업에 결정적이었다고 강조합니다.

동료 MOST 실험가 Kasper Moth‑Poulsen은 바르셀로나 폴리테크닉 대학교(Polytechnic University of Barcelona)와 기타 기관에서 연구팀을 이끌고 있지만 이번 연구에는 참여하지 않았으며 결과에 깊은 인상을 받았습니다.

“우리 최고의 시스템은 킬로그램당 1 메가줄 정도였어요. 그때는 1.6 정도였는데, 정말 놀라운 수치였죠,” 라고 그는 Han과 동료들이 달성한 에너지 밀도를 언급하며 말합니다.

그들이 2월 논문에 기록한 1.65 MJ kg⁻¹은 현재 휴대폰과 전기차에 가장 많이 쓰이는 리튬‑이온 배터리의 에너지 밀도보다 훨씬 높습니다.

John Griffin, Lancaster University

도전 과제 및 향후 연구

• 형상 변화를 유도하는 빛의 파장은 300 nm이며, 이는 “매우 강한 자외선”의 한 형태라고 랭커스터 대학교의 John Griffin이 말한다. “그 빛은 태양으로부터 우리에게 오지만 양은 매우 적다.”
• 뒤틀린 분자의 형태를 되돌리고 에너지를 방출시키는 트리거는 염산이었다 – 사용 후 중화해야 하는 매우 부식성이 강한 물질이다. “가장 이상적인 선택은 아니다,”라고 Han이 인정한다.

Han은 자연광에 대한 시스템의 반응성을 개선하고, 독성 화학 물질 없이 에너지 방출을 유도할 수 있게 될 것이라 기대한다.

전 세계는 여전히 난방 용도로 화석 연료에 크게 의존하고 있다. 분자 태양‑열 시스템과 화석 연료는 모두 화학 에너지 저장 형태이지만, MOST 기술은 “아무것도 태우지 않고 작동한다”고 Moth‑Poulsen이 강조한다.

게다가, MOST는 화석 연료가 특정 지역에 집중된 것과 달리 지구 어디서든 활용될 수 있다. 그래서 호르무즈 해협 봉쇄 …

더 넓은 관점

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Technology of Business 섹션에서는 “09pzno”가 최근 문제를 일으켜 연료 물류에 영향을 미쳤다고 언급합니다.

Moth‑Poulsen은 MOST(Molecular Solar Thermal) 에너지 저장 시스템이 장기, 심지어 수십 년 동안 에너지를 저장할 수 있다고 말합니다. 열로 저장된 열에너지는 최선의 경우 몇 시간, 며칠, 혹은 몇 달 정도만 지속될 수 있습니다.

“고려해야 할 다른 점이 있습니다,” 라고 독일 뒤스부르크‑에센 대학교 및 수소 중심 ZBT 연료전지 기술 센터의 과학 이사 Harry Hoster가 말합니다.

MOST 시스템의 광감응 분자는 비교적 얇게 퍼져 있어야 합니다. 너무 두꺼우면 빛이 모든 분자를 충분히 침투하지 못합니다.

“아주 낙관적인 시나리오라면, 이것을 5 mm 두께로 만들 수 있을 겁니다,” 라고 Hoster가 추정합니다.

또한, 분자를 액체에 담는다는 것은 에너지를 저장하거나 외부로 전달하기 위해 시스템의 한 부분에서 다른 부분으로 그 액체를 이동하거나 펌프질해야 할 가능성이 높다는 뜻입니다. 이는 비용과 복잡성을 증가시킵니다.

“무언가를 펌프질해야 할 순간, 고장날 수 있는 요소가 더 늘어납니다,” 라고 Hoster가 말합니다.

Griffin은 자신과 동료들이 MOST 기술의 고체형 버전을 연구하고 있다고 말합니다. 또한 MOST의 고체 형태를 연구하고 있는 Han은 이러한 형태가 투명한 창 코팅 형태가 될 수 있다고 말합니다. 이렇게 하면 결로를 방지하거나 방을 따뜻하게 하는 데 열을 방출할 수 있습니다.

그러나 Hoster는 MOST가 건물에 필요한 모든 열을 제공할 수 있을지 회의적입니다. 다만 위성이나 항공기의 온도에 민감한 부품을 가열하는 데는 활용될 수 있습니다.

“훌륭한 과학입니다. 그들이 이 기능을 제대로 구현해낸 것이 아름답습니다.”

혁신과 연구는 계속될 가능성이 높지만, 현재 이 분야가 여전히 비교적 틈새 시장임을 언급할 가치가 있습니다. Griffin은 작년에 약 70명의 참석자가 모인 MOST 기술 회의에 참석했다고 회상합니다.

“그것이 바로 이 분야를 연구하는 전 세계 커뮤니티 전체였습니다.”