인공잎, 기후변화에 맞서 에너지의 미래가 되다

나뭇잎에 의한 광합성으로 인해 세상은 우리와 같은 영장류가 살기 좋은 곳이 되었으며 오늘날 과학자들은 우리의 많은 문제를 다시 해결하기 위해 인공 변종을 만들기 위해 노력하고 있다고 Satyen K. Bordoloi는 썼습니다.

공룡시대에는 지구가 인간을 받아들일 준비가 되어 있지 않았습니다. 대기에는 이산화탄소가 풍부했습니다. 그러나 나무와 잎사귀는 엄청났습니다. 이는 그들이 햇빛을 사용하고, 이산화탄소를 흡수하고, 광합성이라는 과정을 통해 산소를 방출한다는 것을 의미합니다. 대기 중 산소가 증가하고 지구 냉각 및 식물 다양성과 같은 다른 요인과 함께 영장류가 출현할 수 있는 길을 열었습니다.

그리하여 세상은 나무와 그 나뭇잎으로 인해 인간이 살 수 있게 되었습니다. 세계가 인간이 만든 기후 위기라는 새로운 위기를 겪으면서 과학자들은 우리를 위해 지구를 구하기 위해 다시 나뭇잎으로 돌아가고 있습니다. 유일한 차이점은 이번에는 잎이 인공적이고 인공적이며 칩이 있다는 것입니다. 전 세계의 과학자들은 기후 변화부터 깨끗하고 풍부한 연료 제조에 이르기까지 현재의 여러 문제를 해결하기 위해 이들에게 투자하고 있습니다. 이 분야는 아직 따라잡지 못했지만 오늘날 우리가 상상하는 것보다 더 많은 방식으로 세상을 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

인간의 에너지 수요는 한계를 넘어섰습니다. 그러나 온실가스를 배출하므로 더 많은 화석 연료를 태워 생산할 수는 없습니다. 체르노빌과 후쿠시마가 보여 주듯이 원자력에는 고유한 위험이 따릅니다. 광합성에서 영감을 얻은 인공 잎 기술은 지난 수십 년 동안 등장한 가장 유망한 기술 중 하나입니다. 그 이유는 간단합니다. 오염시키는 대신 이산화탄소를 오염시키고 산소를 방출하는 동시에 우리의 필요에 맞는 연료를 생산하기 때문입니다. 따라서 이를 대규모로 복제할 수 있다면 녹색 에너지를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 세계를 오염 제거할 수도 있습니다.

문제는 광합성이 복잡하고 힘든 화학반응이라는 것이다. 식물은 수백만 년의 진화 덕분에 쉬워 보이지만 실제로는 햇빛을 포착하고 물 분자를 분해하여 대기의 이산화탄소와 결합하여 식물이 자라는 데 필요한 에너지를 생성하는 양성자를 만드는 등 복잡한 일련의 과정이 필요합니다. 수백만 년의 연습에도 불구하고 공장은 기껏해야 1%의 효율성만을 관리합니다. 우리 인간에게 어떤 기회가 있었나요?

많은 것이 밝혀졌습니다. 과학자들이 깨달은 것은 과학의 세 가지 분야, 즉 화학, 생물학, IT를 혼합하여 인공 잎 또는 생체 공학 잎이라고 부르는 일종의 천연 잎의 생체 공학 버전을 생산할 수 있다는 것입니다.

오랜 세월 동안 인간은 식물이 지구에 도달하는 빛을 흡수하기 위해 어떻게 잎을 태양쪽으로 펼치는지 관찰해 왔습니다. 우리도 이것을 모방할 수 있는 것을 만들 수 있다면 오랫동안 환상을 가져왔습니다. 아이디어가 처음 인간에게 주어졌을 때는 기술이 없었지만, 디지털 시대에 우리는 이제 그렇게 할 수 있는 자원을 갖게 되었습니다.

'잎사귀'라는 용어는 잘못된 명칭이지만 길잡이 역할을 합니다. 이러한 장치는 칩과 전극이 있는 디지털 장치이기 때문에 잘못된 이름입니다. 빛을 인도하는 것은 기본 원리가 잎의 원리와 동일하기 때문입니다. 즉, 광합성: 에너지를 얻기 위해 태양에 노출되는 넓은 표면적을 갖고, 다른 것을 생성하기 위해 공기 중에 있는 화합물을 섭취합니다.

태양광 패널도 칩으로 만들어지며 태양 에너지로 작동합니다. 태양광 패널을 인공 잎이라고 부를 수 있나요? 원칙은 유사하지만 동일하지 않기 때문에 실제로는 아닙니다. 태양광 패널은 태양 에너지를 흡수하여 우리가 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환합니다. 인공 잎이라고 말할 때, 우리는 또 다른 복잡성 계층을 의미합니다. 즉, 나뭇잎처럼 공기에서 가스와 화합물을 가져와 우리에게 유용한 것으로 바꾸는 능력입니다.

생체 공학적 잎을 만드는 데 있어 최초의 실질적인 돌파구는 2011년에 달성되었습니다.

2011년 다니엘 노세라(Daniel Nocera) 교수가 이끄는 MIT 연구원들은 나뭇잎처럼 태양 에너지를 직접 화학 연료로 바꿀 수 있는 장치를 개발했습니다. 인공 잎의 장점은 작동하는 데 외부 전선이나 제어 장치가 필요하지 않다는 것입니다. 그것은 기본적으로 양면에 다양한 촉매 물질이 결합된 실리콘 태양전지였습니다. 물에 넣고 햇빛을 받으면 물에 거품이 생깁니다. 한쪽에는 산소 거품이 있고 다른 쪽에는 수소 거품이 있었습니다. 양면을 분리하는 장벽을 만들 수 있는 용기에 넣은 거품을 모아 연료 전지에 공급하여 전력을 만드는 등 다양한 작업에 사용할 수 있습니다. 이 장치는 무선으로도 사용할 수 있지만 유선으로 연결하면 물 분해 효율이 2.5%에서 4.7%로 높아진다. 동일한 내용을 자세히 설명하는 논문은 여기에서 읽을 수 있습니다.