미래 에너지의 아이디어를 얻다 - 인공 광합성 / 김은기

 남아메리카 상공에서 바라본 아마존 밀림은 그 크기가 실로 대단했다. 비행기로 한 시간이 넘게 날아가는 동안 온통 녹색으로 펼쳐진 광경에 마음이 절로 상쾌해지는 것 같았다. 하지만 그 풍경을 바라보던 나는 이내 가슴이 아팠다. 중간중간 산림이 없는 곳이 보였기 때문이다. 밀림 한가운데 건물들이 들어서 있고, 건물들을 연결하는 도로가 줄을 그어 놓은 것처럼 열대 우림을 가로질러 커다란 마을과 큰 도시로 연결되어 있었다.

 

 아마존 밀림은 그 크기가 한반도의 35배에 달하는데 지구의 산소 가운데 20퍼센트가 이곳에서 만들어진다고 한다. 과연 '지구의 허파'라고 불릴 만하다. 그러나 매일 축구장 면적의 100개에 달하는 크기가 농장이나 도로 건설 등으로 사라진다고 한다. 이 속도라면 50년 후에는 아마존 지역의 밀림은 물론, 지구 전체의 30퍼센트에 해당하는 동식물이 거의 사라질지도 모른다. 이것은 지구가 점점 더 더워지는 까닭이기도 하다.

 

 현재 지구 온난화를 방지하려는 여러 가지 방안이 연구되고 있다. 그러한 가운데 우리가 기댈 곳은 태양 에너지뿐이라는 주장이 지배적이다. 만약 식물들의 광합성을 대신할 수 있는 인공 광합성 자이가 개발되어 나무를 대신할 수 있다면 어떨까? 어쩌면 지구 온난화의 위기를 해결할 수도 있지 않을까?

 

처음 - 지구 온난화 위기를 해결할 방안으로 떠오른 인공 광합성 기술

 

 중간 1  태양 에너지를 이용한 자연 광합성의 신비로움

 

 모든 자연의 순환은 거대한 온실인 지구 안에서 이루어진다. 그 과정에서 식물의 역할은 매우 중요하다. 우리가 매일 먹는 밥 속의 탄소는 몸속에서 분해되어 무기질인 이산화 탄소로 연소된다. 마치 자동차가 유기물인 휘발유를 산화시켜 무기물인 인산화 탄소를 내뿜는 것과 같다. 자동차의 경우에는 이런 현상은 '산화' 혹은 '연소'라고 부르다. 그리고 사람의 경우에는 '호흡'이라고 부른다. 사람이 숨을 쉬는 것은 몸속 산화로 생긴 이산화 탄소를 세포와 허파 밖으로 내보내는 반응이라고 할 수 있다.

 

 공기 중의 이산화 탄소는 식물의 광합성에 의해 다시 나무의 섬유소나 감자의 녹말로 전환된다. 이산화 탄소의 탄소가 녹말의 탄소로 순환된 것이다. 따라서 이것은 광합성의 결과이며 녹말에 에너지가 저장된 것이다. 이처럼 광합성은 지구의 탄소 순환에 매우 중요한 역할을 한다. (이렇게 보면 우리가 지금 먹는 빵 속의 탄소는 오래전 공룡의 뒷다리 뼈에 들어 있던 탄소일지도 모른다. 탄소는 순환하기 때문이다.)

 

 광합성은 밝음과 어둠, 즉 명(明)과 암(暗)의 두 단계 반응으로 진행된다. 명반응은 빛이 관여하는 반응으로, 빛 에너지를 다음 반응에도 쓸 수 있는 화학 에너지로 만든다. 암반응은 빛에서 만들어 낸 에너지, 즉 명반응의 결과인 화학 에너지 같은 고에너지 물질을 써서 이산화 탄소를 포도당으로 만든다. 공기 속의 이산화 탄소를 빵으로 만드는 일을 하는 셈이다.

 

 빛 에너지를 확학 에너지로 만드는 명반응과 화학 에너지를 포도당으로 만드는 암반응은 모두 식물 세포에 들어 있는 조그만 공장인 엽록체에서 일어난다. 식물 세포엔ㄴ 아주 작은 크기의 엽록체가 세포 하나당 100개 정도 들어 있다. 그 엽록체가 백만 개 모이면 손톱 크기 정도가 된다.

 

 각각의 엽록체는 하나의 공장이라고 할 수 있다. 말하자면 나뭇잎은 밀가루보다도 작은, 아주 미세한 공장들이 빽빽하게 들어차 있는 공단에 비유할 수 있다.

 

 명반응은 태양 전지와 원리가 비슷하다. 태양 전지는 광촉매 등을 이용해 태양 에너지로 전기를 발생시키는 것인데, 광합성 작용에서는 엽록소가 태양 전지의 물질 역할을 한다.

 

 이때 명반응의 효율은 태양 전지보다 낮다. 그 까닭에는 여러 가지가 있다. 그 대표적인 예로 식물은 자기한테 필요한 태양 에너지만 잡는다. 잎의 모든 표면에서 태양 빛을 모두 잡으면 잎이 더워서 죽어버리기 때문이다. 또한 잎은 자신이 잡은 에너지를 다른 형태의 에너지인 확학 물질로 전달해야 하는데, 한 형태에서 다른 형태로 에너지가 바뀌면서 에너지 전달 효율이 떨어진다. 그래서 빛 에너지를 화학 에너지로 만드는 명반응은 그리 효율적이지 않다. 전달 과정에서 에너지 차이가 큰 반응은 그에 따른 에넞 손실도 크기 때문이다. 하지만 명반응 과정에서 만들어진 고에너지 물질을 이횽해 이산화 탄소에서 포도당을 만드는 암반응 과정은 다르다. 수많은 일꾼이 중간중간 반응에 참여한다. 그래서 효율이 더 높다.

 

중간1 - 명반응과 암반응으로 이루어지는 자연 광합성

 

 

중간2 인공 광합성으로 에너지와 식량 위지를 해결하다

 

 이산화 탄소는 사람이 호흡을 할 때 나오기도 하지만 공장에서 보일러를 돌릴 때도, 사람들이 자동차를 운전할 때도 나온다. 공장이 많아지고 에너지 소비가 늘면서 이산화 탄소는 점점 증가하고, 지구는 온실 안처럼 더워지고 있다. 그래서 남극의 빙산이 녹는 지구 온실 효과가 생겨난 것이다. 연구자들은 이를 해결하려고 자연 광합성에 눈을 돌리게 되었다. 광합성은 지구 온난화와 에너지 이기라는 골치 아픈 문제를 동시에 해결할 수 있는 매력적인 반응이기 때문이다.

 

 지구의 모든 에너지는 태양에서 비롯된다. 핵융합 반응이 태양을 모방한 것이라면, 인공 광합성은 자연 광합성을 모방한 것이다. 인공 광합성은 태양 에너지를 이용하려는 세 가지 방안 가운데 하나이다. 그렇다면 태양 에너지를 이용하여 에너지를 얻는 세 가지 방안에는 어떤 것이 있을까?

 

 첫 번째 태양열을 전기로 바꾸는 태양 전지 장치이다. 지붕 위나 햇볕이 강한 사막 등에서 흔히 볼 수 있는 태양 전지판이 그 대표적인 예다. 두 번째는 태양 에너지를 광촉매로 이용해 물을 분해하여 산소와 수소로 변환시킨 뒤 수소를 사용하는 연료 전지를 이용한 방법으로 전기를 발생시키는 것이다. 세 번째는 태양에너지를 광촉매로 이용해 물을 분해하고 그것에서 발생한 전자를 고에너지 물질에 저장한 뒤 이를 사용해 메탄올과 같은 기초 확학 원료를 만드는 것이다. 이 반응이 자연 광합성과 가장 유사한 방법이다.

 

 인공 광합성이 자연 광합성과 다른 점이 있다면 빛을 잡는 것이 엽록소가 아닌 광촉매라는 것과 그 에너지로 포도당이 아닌 메탄올을 만든다는 것이ㅏㄷ. 그 까닭은 포도당을 만드는 과정이 너무 복잡하기 때문에 좀 더 간단한 화합물로 만들어 다른 물질의 초기 원료로 쓰기 위해서다.

 

 그렇다면 인공 광합성은 자연 광합성에 비해 효율이 어떨까? 자연 광합성에서 식물은 태양 빛 가운데 눈에 보이는 가시광선 계열 중 빨강과 파랑의 두 가지 파장만을 흡수한다. 이것을 근거로 계산해 보면 잎에 도달하는 태양 에너지의 11퍼센트가 광합성 과정에서 포도당으로 변할 수 있다. 하지만 잎에서 반사되는 빛도 있어 실제로는 3~6퍼센트 정도만 포도당으로 변한다고 보면 된다. 연구 결과 아직은 인공 광합성이 자연 광합성을 따라가지 못한다. 그러나 명반응, 즉 잡은 태양 에너지를 유기 물질로 변화시키는 단계의 효율이 매우 낮아 현재 기술로는 자연 광합성 효율의 100분의 1에도 미치지 못하는 것으로 밝혀졌다. 그래서 연구자들은 수년 사이에 효율을 3퍼센트로 올리는 데 그 목표를 두고 있다.

 

 중간2 - 광촉매를 이용하여 메탄올을 생성하는 인공 광합성의 원리와 한계

 

끝- 인공 광합성, 미래의 지구를 지키 수 있을까?

 

 현재 인간은 태양 에너지의 극히 일부분만 사용하고 있다. 그러므로 태양 빛을 잘 잡을 방법을 개발하는 것이 중요하다. 식물이 태양열을 이요해 감자를 만드는 효율을 두 배로 높일 수만 이다면 우리는 현재 생산하고 있는 식량의 두 배를 만들 수 있기 때문이다.

 

 또한 굳이 기름을 사용해 온실가스를 증가시키면서 지구의 온도를 높이지 않아도 된다. 태양이 주는 에너지를 두 배로 잘 잡아서 감자를 두 배로 수확하고, 그 감자로 알코올인 에탄올을 두 배로 만들어 자동차를 굴러가게 하면 된다. 인산화 탄소를 원료로 광합성을 한다면 이것이야말로 완전한 '자원의 순환'이라고 할 수 있다.

 

 자연에는 녹색 잎이 아닌 다른 색으로 광합성을 하는 생물도 있다. 바로 바닷속 생물들이다. 바다의 깊이가 깊을수록 통과하는 빛의 파장은 변한다. 예를 들어 갈색 조류인 다시마 같은 해조류는 육지 식물이 흡수하지 않는 파장인 녹색을 흡수한다. 그렇다면 태양열을 두 배로 사용하는 방법으로 녹색 식물에 해조류의 광합성 영역을 더하게 되면 어떻게 될까? 실제로 이 기술은 향후 10년 안에 이룰 수 있을 것으로 보인다.

 

 식물은 나름의 생존 목적이 있다. 그래서 유전 공학을 이용해 그들을 강제로 변화시키는 것은 여러 가지 문제를 일으킬 수 있으므로 식물의 원리를 정확히 파악해 인공적으로 광합성을 할 방법을 찾아야 한다. 그렇게 된다면 여러 종류의 빛을 받아들일 수 있는 기능을 광촉매나 태양 전지의 집광 장치에 적용하고, 포도당을 만드는 기능을 광촉매와 연결시켜 좀 더 쉽게 포도당을 만들어 낼 수 있을 것이다.

 

 앞으로 자연 광합성을 모방한 인공 광합성은 인간이 도전할 만한 가장 고도의 기술이자, 지구를 살리는 궁극적인 해결책이 될 것이다.

 

 끝 - 지구가 직면한 여러 가지 문제의 해결책이 될 수 있는 인공 광합성 기술

 

 

 * 핵심 정리

 

갈래 - 설명문

성격 - 객관적, 해설적, 체계적

제재 - 인공 광합성

주제 - 인공 광합성의 원리와 한계, 앞으로의 과제

특징

       ① 지구가 직면한 문제를 제시하며 경각심을 불러일으킴

       ② 유추의 방법으로 과학적 지식을 알기 쉽게 전달함

       ③ 과정, 비교대조 등의 방법으로 자연 광합성과 인공 광합성의 단계, 공통점과 차이점 등을 체계적이고 이해하기 쉽게 전달함.

 

 

출처 - 김은기, 고등학교 독서, 동아출판, 2019.