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전자방출균으로 충전하는 종이배터리, 최빈국가뿐만 아니라 우주에서도 적용
2019-01-10 15:29:04
손승빈
▲모든 박테리아가 나쁜 것만은 아니다(사진=ⓒ123RF)

전기를 생성하는 데 사용할 수 있는 특정 박테리아가 있다. 이 박테리아를 지구상 최빈국가뿐만 아니라 역으로 천문학적인 금액으로 지어진 국제우주정거장(International Space Station)에서 사용할 수 있다. 최근, 저렴하고 폐기가 가능한 종이배터리가 개발되어 특허를 받았다. 개발자인 뉴욕주립대학의 최석현 박사는 이 종이배터리를 상용화할 수 있도록 사업 파트너를 찾고 있다. 한편, 나사의 국제우주정거장에서는 마이크로-12(Micro-12)라는 실험이 진행 중이다. 폐기물 시스템에서 에너지를 생성하는 토대를 만드는 것으로 이는 화성에서의 임무에 필요할 뿐만 아니라 지구에서도 적용 가능하다.

전자방출균, 전자를 외부로 전달하다

▲움직이는 생명체 및 비생명체는 에너지를 필요로 한다(사진=ⓒ123RF)

에너지는 생명체와 전자 기기에 중요한 요소다. 보통, 유기체는 둘 중의 한 방법, 즉 호기성 호흡(산소 호흡)과 혐기성 호흡(무산소 호흡)을 사용해 에너지를 배출하는 것으로 간주된다. 한편, 전자는 에너지가 생성되는 사슬 속에서 전자 제공자로부터 최종 전자 수용체로 전달된다.

호기성 호흡을 하는 유기체의 경우 최종 전자 수용체는 산소다. 반면 혐기성 호흡을 하는 유기체에서 최종 전자 수용체는 일부 다른 화합물이다. 이 두 가지 상황 모두에서 최종 전자 수용체는 살아있는 세포 내부에 위치해 있다.

그러나 세포 외부에 위치한 최종 전자 수용체를 사용하는 혐기성 호흡의 변인이 에너지를 생성하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 유기체를 ‘전자방출균(exoelectrogen)’이라고 부른다. 전자방출균은 최종 전자를 강력한 가용성 산화제 또는 고형 전도체로 전달할 수 있다. 그리고 산화철과 산화망간이 전자방출균이 활용하는 최종 전자 수용체다.

호기성 호흡은 매우 효율적이며 혐기성 호흡보다 선호된다. 혐기성 호흡은 예비 발전기처럼 여겨지며, 산소 공급이 중단되거나 우주나 미생물막 내부처럼 산소가 없는 장소에서만 사용된다.

미생물막에서 ‘쿼럼 센싱(quorum sensing)’이라고 부르는 미생물 정보를 전달하고 미생물의 밀도를 감지하는 데 전자를 사용한다. 여러 박테리아는 대장균과 녹농균 같은 일반적인 박테리아를 포함해 이러한 호흡법을 사용할 수 있다. 한편, 전자방출균이 방출하는 전자를 사용해 저가의 배터리를 만들 수 있다.

전자방출균으로 전력 공급받는 종이배터리

뉴욕주립대학 전자 및 컴퓨터공학과의 최석현 박사가 이 같은 배터리를 개발했다.

금속 및 다른 물질의 얇은 층을 종이 위에 프린트 한 후 동결건조 전자방출균을 추가해 종이배터리를 만든 것이다. 이 배터리는 물이나 심지어 타액을 가해도 활성화할 수 있다. 박테리아를 회복해 몇 분 내에 발광다이오드(LED) 또는 전자계산기를 작동시킬 정도의 전기를 만들어낸다.

박테리아가 종이에 단단히 결합되어 있기 때문에 배터리가 효과적으로 작동하는 것을 방해할 수 있는 산소의 존재는 문제가 되지 않는 것으로 보인다. 이 종이배터리는 한번 사용하면 버리는 1회용이다. 현재 개발된 제품의 평균 수명은 4개월가량 된다. 최 박사는 현재 특허를 신청한 상태이며, 상용화를 위한 기업 파트너를 찾고 있다. 그리고 배터리 성능과 수명을 개선하는 연구를 진행 중이다.

이 저렴한 기기는 전기를 쉽게 이용하지 못하는 최빈국가에서 유용할 것으로 보인다. 국민총소득(GNI)은 국내총생산(GDP)에 해외로부터 기타 소득을 추가한 값을 의미한다. 1인당 GNI는 국가 총인구수를 GNI로 나눠 계산하며 평균 개인이 1년 동안 번 금액을 나타낸다.

세계적으로 1인당 최저 GNI를 기록한 25개 국가 중 아프가니스탄, 네팔 및 하이티를 제외하고는 모두 아프리카 대륙에 있다. 이 국가들의 1인당 GNI는 평균 250~970달러(28만원~108만원)다.

▲전자방출균으로 전력을 공급하는 최초의 배터리가 국제우주정거장으로 전달됐다(사진=ⓒ123RF)

국제우주정거장에서의 전자방출균

이러한 박테리아가 세계 최빈 지역에서의 솔루션이 될 수 있다는 것이 입증됐지만, 가장 값비싸지만 사람이 거의 없는 지역, 바로 우주에서도 유용할 수 있다. 최근 전자방출균의 일종인 쉬와넬라 오나이덴시스 MR-1(Shewanella oneidensis MR-1)이 스페이스X 드래곤 C111.2 우주선을 통해 국제우주정거장으로 전달됐다.

이 박테리아는 마이크로중력 상태에서의 전자방출균의 생리학 및 적합성을 실험하는 데 사용되고 있다. 

화성에서의 임무는 전기와 생명 지원 시스템이 필요하다. 그리고 이 박테리아가 폐기물 시스템에서 전기를 생성할 수 있을 것으로 보인다. 현재로서는 전자방출균이 중력이 적은 우주정거장에서 어떻게 반응할지 알려지지 않았다. 실험을 통해 쉬와넬라의 미생물막 사용, 에너지 생성 메커니즘 및 저중력에 대한 반응을 조사할 계획이다.

한편, 지구에서의 쉬와넬라는 최종 산물에서 에너지를 만들어내기 위해 폐수 처리 공장에서 사용될 수 있다.


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