[취재파일] 현실로 바짝 다가선 인공식물

식물이 담당하는 가장 큰 역할은 지구상에 있는 모든 생명체가 필요로 하는 에너지를 끊임없이 만드는 일이다. 식물은 뿌리에서 빨아 올린 물과 공기 중의 이산화탄소 그리고 햇빛을 이용해 모든 생명체의 에너지원인 탄수화물을 만든다. 바로 광합성이다. 식물이 없다면, 빛 에너지를 직접 이용할 수 있는 식물이 없다면 지구상에는 생명체가 존재할 수 없다.

그렇다면 식물처럼 물과 이산화탄소, 햇빛을 이용해 필요한 에너지를 생산하는 인공식물이나 장치를 만들 수는 없는 것일까? 광합성을 하는 인공식물을 만들 수는 없을까?

현재 인류가 사용하고 천연가스의 주성분은 탄소와 수소가 결합한 유기물인 메탄(CH4)이다. 식물이 광합성을 통해 에너지원인 유기물을 만드는 것처럼 인공식물이 메탄을 직접 만들어 낼 수는 없을까?

광합성으로 메탄을 만드는 인공식물이 등장하게 되면 우선 인류는 에너지인 천연가스를 거의 한없이 얻을 수 있는 길이 열리게 된다. 특히 화석연료인 기존의 천연가스와는 달리 광합성을 통해 만든 천연가스는 지구온난화에서 자유로울 수 있다는 것이 큰 장점이다.

최근 미국국립과학원회보(PNAS)에는 햇빛을 이용해 천연가스를 만들 수 있는 새로운 방법이 소개됐다(Nichols et al., 2015).

미국 캘리포니아대학교(UC Berkeley)와 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Lab.), 유타 주립대학교(Utah State Univ.) 공동연구팀은 물과 햇빛, 이산화탄소를 이용해 천연가스의 주성분인 메탄을 생산하는 새로운 방법을 개발했다.

연구팀이 개발한 새로운 방법은 두 단계로 우선 빛에너지를 이용해 물을 분해해서 수소를 만들고 이어서 만들어진 수소를 이산화탄소와 결합시켜 천연가스인 메탄을 만드는 것이다.

이를 화학반응식으로 쓰면 다음과 같다.

(1) 2H2O(물) + 빛에너지 ---> 2H2(수소)+ O2(산소)

(2) 2H2(수소) + (박테리아) + CO2(이산화탄소)  ---> CH4(메탄) + O2(산소) 화학반응식을 보는 순간 어렵게 느껴질 수도 있지만 식물이 하고 있는 광합성을 그대로 흉내 낸 것이다. 물과 햇빛, 이산화탄소를 이용해 유기물인 메탄을 생산하는 과정이다. 특히 기존과 달리 나노 반도체 기술과 함께 생물체인 박테리아를 이용했다는 점이 특징이다. 보통 쓰레기 처리장에서는 유기물이 분해되는 과정에서 메탄이 만들어지는데 연구팀은 산소가 거의 없는 쓰레기 처리장에서 메탄을 만드는 박테리아(M. barkeri)를 이용해 효율적으로 메탄을 생산하는 인공식물을 만든 것이다.

최근 인공식물에 대한 관심이 커지는 것은 고갈되지 않는 에너지원을 찾을 수 있을 뿐 아니라 대기 중의 이산화탄소를 지속적으로 흡수해 지구온난화를 억제하는 일거양득의 효과를 기대할 수 있기 때문이다. 똑같은 메탄이더라도 인공식물이 만드는 메탄과 기존 천연가스의 주성분인 메탄 사이에는 큰 차이가 있다.

일반적으로 화석연료가 연소된다는 것은 석탄이나 원유, 천연가스 형태로 길게는 수억 년에서 짧게는 수백만 년 동안 땅속에 갇혀 있던 탄소가 온실가스인 이산화탄소 형태로 대기 중으로 배출되는 것을 의미한다. 최근 들어 화석연료 사용이 급증하면서 대기 중 이산화탄소가 크게 늘어나는 이유다.

하지만 인공식물이 만들어내는 메탄은 지구온난화를 걱정할 필요가 없다. 인공식물이 만들어낸 메탄이 연소될 때 배출되는 이산화탄소는 인공식물이 광합성으로 메탄을 만들 때 들어간 이산화탄소의 양과 같기 때문이다. 전체적으로 보면 인공식물이 현재 대기 중에 있는 이산화탄소를 잠시 잡았다가 다시 대기 중으로 배출하는 것인 만큼 인공식물이 메탄을 생산하고 생산된 메탄이 연소되는 과정을 함께 볼 경우 대기 중에 있는 온실가스의 총량에는 변함이 없다. 말 그대로 ‘탄소중립(carbon neutral)'인 것이다.

현실로 바짝 다가선 인공식물, 지구온난화로 인한 기후변화를 막을 수 있는 한 방안일 뿐 아니라 우주공간에서도 인간이 필요로 하는 에너지를 만들 수 있는 한 방법이 될 수 있다. 연구가 계속해서 진행될 경우 달이나 화성에 인공 숲을 만드는 일도 불가능한 일만은 아닌 듯싶다.  

<참고문헌>

* Eva M. Nichols, Joseph J. Gallagher, Chong Liu, Yude Su,  Joaquin Resasco, Yi Yu, Yujie Sun, Peidong Yang, Michelle C. Y. Chang, Christopher J.  hang.Hybrid bioinorganic approach to solar-to-chemical conversion.Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015; 201508075 DOI:10.1073/pnas.1508075112