매사추세츠대학 아머스트교의 연구팀이 2023년 5월에 학술 잡지 Advanced Materials에 게재한 논문에서 공기 중에 있는 물 분자의 전하로부터 전력을 얻을 수 있는 기술을 발표했습니다.
Generic Air-Gen Effect in Nanoporous Materials for Sustainable Energy Harvesting from Air Humidity - Liu - Advanced Materials - Wiley Online Library
https://doi.org/10.1002/adma.202300748
Engineers at UMass Amherst Harvest Abundant /7 : UMass Amherst
Engineers at UMass Amherst Harvest Abundant Clean Energy from Thin Air, 24/7 | UMass Amherst
Researchers describe the “generic Air-gen effect”—nearly any material can be engineered with nanopores to harvest, cost effective, scalable, interruption-free electricity.
www.umass.edu
매사추세츠 대학 아머스트교의 공학부에서 전기·컴퓨터 공학을 가르치고 있는 Jun Yao 씨는, "공기에는 방대한 양의 전기가 포함되어 있습니다."라고 말합니다.
Yao 씨는 이번에 발표한 기술에 대해 "단지 물방울의 덩어리인 구름을 상상해 주세요. 물방울은 전하를 띠고 있어 조건이 갖춰지면 번개를 생성합니다만, 번개로부터 확실하게 전기를 얻는 방법은 알 수 없습니다. 한편, 우리는 인간이 만든 작은 구름으로부터 확실하고 지속적으로 전력을 생성하고 수확할 수 있도록 했습니다."라고 코멘트.
Yao 씨가 말하는 「제네릭 에어젠 효과(generic Air-gen effect)」는, 전기를 만들어낼 수 있는 세균인 Geobacter sulfurreducens를 사용한 2020년의 연구를 바탕으로 하고 있습니다. 이 연구에서 Yao 씨는 Geobacter sulfurreducens에서 얻은 단백질 나노 와이어로 만든 특수 소재를 사용하여 공기 중에서 에너지를 얻을 수 있다고 발표했습니다.
당시에는 단순히 「에어젠 효과(Air-gen effect)」라고 불리고 있던 이 현상에 대해서 한층 더 연구하던 Yao 씨는, 어떤 특성을 갖추면, 세균으로부터 얻은 특수 소재가 아니어도 거의 모든 물질에서 에어젠 효과를 낳을 수 있다는 것을 알아냈습니다. 그 특성은 100 나노미터보다 작은 구멍, 즉 모발 두께의 1000분의 1 이하의 작은 구멍이 열려 있는 상황입니다.
이 100 나노미터라는 구멍의 크기는 공기 중의 물 분자가 다른 분자에 부딪히지 않고 진행하는 거리인 평균 자유행정이 약 100 나노미터인 것에서 유래하고 있습니다.
작은 구멍이 있는 얇은 소재에 공기가 닿으면 구멍을 통해 물 분자가 소재 위에서 아래로 통과합니다. 그러나, 구멍이 100 나노미터 이하의 나노세공이면, 물 분자는 구멍의 가장자리에 부딪히기 쉬워집니다. 그러면 소재의 상부에 하부보다 많은 전하를 띤 물 분자가 모여 마치 뇌운처럼 언밸런스한 상태가 됩니다. 이를 이용함으로써 습도를 포함한 공기를 마치 전지처럼 이용하여 에너지를 얻는 것이 이번 연구팀이 제창한 '제네릭 에어젠 효과'의 원리입니다.
청정에너지를 낳는 기존의 태양광발전이나 풍력발전은 비 오는 날에는 사용할 수 없거나 바람이 불지 않는 지역에서는 사용할 수 없다는 단점이 있습니다. 그러나 습도는 어떠한 지역에서도 어떠한 날씨에도 공기에 포함되어 있으므로 전 세계에 다양한 소재를 사용한 수확기(하베스터)를 설치하여 24시간 365일 에너지를 수확할 수 있습니다.
Yao 씨는 "이 아이디어는 단순하면서도 지금까지 발견된 적이 없고, 다양한 발전 가능성이 있습니다. 열대우림과 건조한 지역에 각각 다른 소재로 만들어진 수확기를 떠올려 주시면 되겠습니다."라고 말했습니다.
또한, 공기 중의 습도는 3차원 방향으로 어디든 존재하고 나노세공 박막은 그 두께가 머리카락의 천분의 1 정도밖에 안 되기 때문에, 수천 층을 쌓아도 수확기의 설치면적을 별로 늘리지 않으면서 효율적으로 스케일업이 가능합니다. 이에 따라 일반적인 전기사업에서 사용되는 킬로와트 단위의 전력을 생산하는 것도 가능합니다.
이 기술의 전망에 대해 Yao 씨는 "어디에서나 깨끗한 전기를 사용할 수 있는 미래의 세계를 상상해 보세요."라고 말했습니다.
과학자 폼 미쳤다!!
이제 전기세 걱정 없는 세상에서 살 수 있는 건가요?
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