태양광발전 대 광합성

태양광발전 대 광합성

광합성과 태양광발전은 태양으로부터 에너지를 수확하는 방식이 뚜렷하게 다르고 서로 다른 연료를 생산하기 때문에, 에너지 변환효율을 비교하기는 어렵다. “저장된 화학적 잠재력을 제공하는 광합성과 즉각적인 전력을 제공하는 태양광발전 기술 사이의 의미 있는 비교를 위해서, 우리는 현존 기술을 이용하여 수소를 생산하기 위한 태양광발전에 의한 물 전기분해를 인공광합성의 전형적인 예로 고려했다.”라고 아리조나주립대(Arizona State University) 바이오에너지광합성센터(Center for Bioenergy and Photosynthesis)장인 토마스 무어(Thomas Moore)와 ‘Science` 발표논문의 공동저자들은 설명했다. “인공적인 시스템의 의해서 생산된 수소는 광합성에 의해서 생산된 당과는 열역학적으로 등가이다. 이러한 관점에서 볼 때는 인공적인 시스템이 천연 시스템보다 우수하지만, 주어진 에너지 생산에 필요한 대지 면적으로 측정된 효율적 태양에너지 변환의 가능성을 토대로 할 때에는 기술적 공정과 생물학적 작용 모두 원칙적으로 비슷한 결과를 제공한다.”라고 연구진은 말했다. 태양광발전 기술은 기초 원리들과 더불어 재료의 발전을 이용함으로써 태양에서 전기로의 전력변환과 물 전기분해에 의한 수소 생산에서 기록적인 효율들을 얻고 있다. 이와는 반대로, 광합성은 초기 생명체에게 자급자족의 에너지 생산 수단으로 제공되었기 때문에, 그것이 선택된 환경에서 유래한다. 하지만 많은 진화론적 적응이 이루어짐에 따라서 광합성은 완벽한 에너지 생산 시스템과는 멀어졌고, 인간의 활동과 경제를 뒷받침할 태양파생 연료를 제공하기에 최적인 것은 확실히 아니다. 모든 천연 광합성 유기체들은 집광 안테나 시스템을 포함하고 있다. 그러한 안테나에서는 대략 수백 개의 특수한 염료 분자들이 에너지를 모아서 광화학 작용이 일어나는 반응센터로 전달한다. 너무 많은 염료들이 빛 에너지를 흡수하면, 에너지를 처리할 광합성 기관의 용량은 빠르게 초과된다. 햇빛이 가장 강할 때에는, 잎에서 흡수된 에너지가 독성 화학작용으로 전환되어 식물에 손상을 주거나 심지어 죽이는 것을 피하기 위해서는 최대 80퍼센트의 흡수 에너지가 폐기되어야 한다. 수확량이 높은 곡물의 선택, 토지 이용 개선, 현대식 비료 사용, 물 사용, 해충 통제를 위한 농약, 그리고 결국에는 녹색혁명 및 거기에 수반되는 모든 것들과 같은 점진적인 개량들을 기반으로 현대농업은 광합성을 최대한 못살게 굴었다. “우리는 광합성의 기본적인 디자인으로부터 발생되는 중요한 비효율성들을 다수 확인했으며 광합성을 고쳐서 인간의 에너지 수요를 충족시키는 능력을 개선하는 방법을 제안했다.”라고 CLAS(College of Liberal Arts and Sciences) 화학생화학과 교수인 무어는 설명했다. “광합성에 대한 이러한 개량은 수천 년 전에 농업이 시작된 이후로 행해진 점진적인 단계들을 능가한다. 결국 우리는 합성생물학을 이용함으로써 물리학과 인공광합성에 관한 기초연구로부터 얻은 지식과 경험을 인간의 에너지 수요를 충족시킬 기술과 생물학이 결합된 광합성으로 바꾸려고 한다.”라고 그는 말했다. 대략 133 TW로 가동되는 광합성은 생물권과 지구상의 생명체에게 동력을 제공하고 있다. 현재 미국 국내총생산(GDP)과 영양공급을 부양하기 위한 인간의 활동은 광합성 순일차생산량(NPP)의 약 24퍼센트 정도이다. “생물권에 대한 인간의 NPP 삭감 비용은 지질학적 시간 규모에 걸쳐 확립된 경계들을 가로지르며 여러 지구계를 되돌릴 수 없게 만들고 있다.”라고 무어는 말했다. 영향을 받은 지구계로는 질소순환, 탄소 순환, 신선한 물, 토지 이용, 그리고 생물다양성 손실률 증가가 포함된다. 달리 말하면 광합성 에너지 흐름은 현재 인간이 쓰기 위한 식품과 제한된 생체에너지 생산량을 포함하는 생물권 서비스들을 위해 예약되어 있으며 너무 많은 예약을 받은 것이 거의 확실하다. 결과적으로, 계속 증가하는 인구를 위해 우리의 GDP와 식품을 성장시킬 생체연료를 점점 더 많이 제공할 비축된 광합성 용량은 없다. 사실, 그와 같은 요구가 생겼을 때, 그러한 용량은 생물권 서비스의 위험을 더 많이 무릅쓰고서야 나온다. "다행히도, 인간의 수요를 충족시키도록 광합성 NPP의 효율이 극적으로 개선될 수 있었다. 지구계에 대한 부수적 영향은 최소로 하면서 133테라와트가 150 테라와트로 증가되었다. 인공시스템에서 증명된 원리들을 기반으로 한 합리적인 디자인이 태양-생체연료 변환 효율을 특정 수요를 충족시키도록 최적화하는데 이용될 수 있도록 선택된 광합성 시스템에 관해서 나는 생각하고 있다.”라고 무어는 말했다. “그와 같은 광합성 시스템은 자기조립, 수리, 복제 및 지구에 풍부한 물질의 사용을 포함한 살아있는 세포의 중요 특징들을 보유하고 있다는 점에서 살아있을 것이다. 이러한 특징들은 지속가능 에너지 생산을 확장하고 지역 수요에 맞추는데 필수적이겠지만, 살아있지 않은 인공구조물에 대해서는 표현하기 어려울 것이다.“라고 무어는 말했다. * 그림1 : 식물과 태양전지 중 어느 것이 태양에너지를 수확하는데 더 효율적일까? 이 질문과 대답이‘Science’ 5월 13일 호에 발표된 논문의 주제이다.