오사카 도립대학 연구진이 배터리 기반 제어 장비 없이도 더 안정적으로 태양 연료를 생산할 수 있는 인공 광합성 시스템을 개발했다. 전해조에 자체 조절 화학 성분을 직접 통합함으로써 복잡성과 비용을 모두 줄였다. 고장 나거나 전력이 떨어지기 쉬운 부품을 제거하는 것보다 더 '우아한 해결책'은 없으니까.
식물이 수백만 년 동안 특허 없이 해온 광합성처럼, 인공 광합성은 태양광을 이용해 물과 이산화탄소를 에너지가 풍부한 화합물로 변환한다. 그중 하나가 포름산으로, 연료이자 에너지 저장 수단으로 사용될 수 있다. 태양이 휴식을 취하기로 한 날에 유용하다.
이 시스템의 핵심은 전해조로, 태양 전지에서 나온 전기를 화학 에너지로 변환해 포름산 같은 연료로 저장한다. 문제는? 태양광이 악명 높을 정도로 일관성이 없다는 점이다. 하루 종일 변덕을 부리는 성가신 습관이 있다. 대처하기 위해 대부분의 인공 광합성 시스템은 최대 전력점 추적(MPPT)을 사용하는데, 이는 태양 전지가 최대 전력을 공급할 수 있도록 전압과 전류를 지속적으로 조정하는 방법이다. 하지만 기존 MPPT 설정은 일반적으로 배터리와 추가 전자 장치에 의존해 에너지 흐름을 안정화한다. 물론 작동은 하지만, 마치 스위스 아미 나이프를 가져와서 드라이버 하나만 있으면 되는 작업을 하는 것처럼 비용과 복잡성을 추가한다.
오사카 도립대학 인공 광합성 연구 센터의 마츠바라 야스오 부교수와 아마오 유타카 교수가 이끄는 팀은 이이다 그룹 홀딩스와 협력해 전해조 자체를 재설계했다. 그들의 접근 방식은 장치에 직접 내장된 특수 설계된 고체 전해질을 사용하여 전해조가 자체적으로 MPPT를 수행할 수 있도록 한다. 배터리가 필요 없다. 태양광이 증가하면 전해조가 가열되어 전기 저항이 떨어지고 전기가 더 자유롭게 흐른다. "이로 인해 시스템이 자동으로 전기적 행동을 조정합니다"라고 아마오 교수는 설명했다. 이는 냄비에 뚜껑을 덮으면 물이 더 빨리 끓는다는 사실을 발견한 이후 가장 만족스럽게 간단한 복잡한 문제 해결책처럼 들린다.
실제 야외 조건에서 테스트했을 때, 시스템은 태양광이 불안정한 주식 시장처럼 변동해도 물과 CO2에서 포름산을 지속적으로 생산했다. "성공할 것이라고 확신했습니다"라고 마츠바라 교수는 말하며, 이 시스템이 이전에 2025년 오사카 간사이 엑스포에서 미니어처 디오라마에 전력을 공급했다고 언급했다. 연구 결과는 EES Solar에 게재되었으며, 자료는 오사카 도립대학이 제공했다. 과학도 가끔은 홍보가 필요하니까.