인공 광합성이 수소 경제를 열 수 있을까?

자연 광합성 대체

Directly or indirectly, a massive amount of the energy we use has been produced through photosynthesis. This is of course true of the calories powering our bodies, but ultimately also of fossil fuels, which are just “stored” photosynthesis from plants that died eons ago.

직접적이든 간접적이든, 우리가 사용하는 에너지의 막대한 양은 광합성을 통해 생산되었습니다. 이는 우리 몸에 에너지를 공급하는 칼로리에도 해당되며, 궁극적으로는 수억 년 전에 죽은 식물들의 ‘저장된’ 광합성인 화석 연료에도 적용됩니다.

So, 많은 노력이 자연 광합성을 개선하거나 조류에서 바이오연료를 만드는 등 새로운 용도로 활용하는 데에 전념해 왔습니다. 구축 대규모로 수행하면 증가하는 대기 중 CO2 농도를 제한하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

하지만 살아있는 유기체를 다루지 않고도 광합성 과정을 모방할 수 있다면 어떨까요? 결국 이것은 반드시 살아있는 세포가 필요하지 않은 전기화학적 과정입니다. 이것이 이른바 ‘인공 광합성’이 약속하는 바입니다.

이는 태양 에너지를 포착하는 능력을 광전지보다 한 단계 끌어올릴 것입니다. 광전지는 햇빛으로 전기만을 생성할 수 있고 화학 반응에 직접적인 영향을 주지는 못합니다.

일본 선진과학기술대학원대학(JAIST)과 도쿄대학의 세 연구원이 이 기술을 현실에 한 걸음 더 가까이 가져온 것으로 보입니다. Chemical Communications에 발표된 논문 제목은 “바이오 영감 하이드로겔: 인공 광합성을 향한 고분자 설계¹”입니다.

광합성은 어떻게 작동하나요?

식물에서 광합성은 대략 CO2와 물을 흡수하고, 빛을 에너지원으로 사용하여 탄수화물과 산소를 생산하는 과정입니다.

출처: Britannica

그렇지만 이것은 매우 간단한 화학 방정식으로 축소될 수 있으며 인공적으로 쉽게 복제될 수 있는 것으로 보입니다.

출처: Britannica

하지만 실제 수행 방식을 살펴보면 이야기가 달라집니다. 식물 광합성은 수십 개의 중간 반응과 무수히 많은 하위 구성 요소, 그리고 때때로 복잡한 전자 이동을 포함하는 잘 알려지지 않은 분자 메커니즘까지 포함하는 가장 복잡한 생화학적 기계 중 하나입니다.

브리태니커 백과사전에서 이 주제에 대한 종합적인 설명은 10,000단어에 달합니다. 이를 연구하는 과학자들은 광합성에 대한 개요를 잡기 위해 훨씬 더 복잡한 도식을 다루어야 합니다:

출처: Lumen Learning

주로 자연에서 탄수화물을 생성하는 데 사용되지만, 이론적으로는 빛을 에너지원으로 활용하여 물에서 수소를 합성하는 등(광촉매) 다양한 다른 응용에도 사용할 수 있습니다.

수소 생산을 위한 바이오 영감 하이드로겔

자연 광합성 단계 중 하나가 물을 산소와 2H+ 원자로 분해하는 것이므로, 전체 과정을 모방하려 하기보다 그 단계만 복제하는 것이 더 쉬울 것으로 보입니다. 일본 연구진은 하이드로겔을 이용해 이 작업을 진행했습니다.

출처: Chemical Communications

그들은 루테늄 복합체와 플래티넘 나노입자와 같은 기능성 분자를 사용했으며, 이들은 함께 작용해 자연 광합성 과정을 모방하고 강력한 광촉매로 알려져 있습니다. 혁신은 이 입자들을 조직한 방식에 있습니다:

“여기서 독특한 점은 분자들이 하이드로겔 내부에서 조직된 방식입니다. 구조화된 환경을 만들면서 에너지 전환 과정을 훨씬 더 효율적으로 만들었습니다.”

Reina Hagiwara – JAIST 박사과정 학생

출처: Chemical Communications

향상된 효율성

하이드로겔을 사용함으로써 이전 방법에 비해 또 다른 핵심 개선점은 금속 입자들이 뭉치는 것을 방지한다는 점이며, 이는 과정의 효율성을 감소시키는 경향이 있습니다.

“가장 큰 도전은 이 분자들을 어떻게 배열해야 전자를 원활하게 전달할 수 있는지 파악하는 것이었습니다. 폴리머 네트워크를 사용함으로써 입자들이 뭉치는 것을 방지할 수 있었으며, 이는 합성 광합성 시스템에서 흔히 발생하는 문제입니다.”

Kosuke Okeyoshi – JAIST 부교수

그 결과, 기존 기술보다 더 많은 수소를 생산하는 훨씬 효율적인 광촉매가 되었습니다.

출처: Chemical Communications

빛 포획 젤

향상된 효율성의 또 다른 요인은 젤이 빛을 사실상 가두어 원하는 화학 반응을 구동할 가능성을 높인다는 점입니다.

미세젤을 정밀하게 제작하여 가시광선 파장보다 작은 직경을 만들도록 최적화했습니다. 이를 통해 플래티넘과 루테늄 미세 입자를 젤 안에 조직된 메쉬 형태로 통합할 수 있었습니다.

출처: Chemical Communications

수소 혁명의 핵심은?

수소, 혹은 수소로 만든 암모니아는 오랫동안 녹색 에너지로 세계를 구동할 잠재적인 이상 연료로 여겨져 왔습니다.

전기 형태가 아닌 화학 형태로 존재함으로써 수소는 녹색 에너지를 훨씬 오래 저장할 수 있으며, 해운이나 중공업과 같은 핵심 분야에서 배터리보다 화석 연료를 대체하기에 더 적합합니다.

문제는 전기분해를 통한 수소 생산이 매우 에너지를 많이 소모하고 효율도 낮다는 점입니다. 이로 인해 수소 생산에 사용되는 대부분의 녹색 에너지가 낭비되어 아이디어의 경제성을 해칩니다.

녹색 수소의 효율성 문제는 근본적으로 현재 개념이 너무 많은 단계를 필요로 한다는 점입니다: 빛 → 직류 전류 → 전기분해 → 수소 생성. 각 추가 단계는 효율을 낮추고 장비에 대한 추가 자본 및 자원을 요구합니다.

직류 전류를 교류로 변환하고 태양광 발전소에서 수소 합성 현장까지 전력망을 통해 전달해야 한다면 상황은 더욱 악화됩니다.

직접 광촉매를 이용하면 “빛 → 수소 생성”으로 중간 단계 없이 전환할 수 있습니다.

다음 단계

더 나은 폴리머

이 논문은 정교하게 조직된 광촉매 입자 네트워크가 수소 생산에 혁신을 가져올 수 있음을 보여줍니다. 여기서 사용된 하이드로겔은 단지 발판에 불과할 수도 있습니다.

연구진은 보다 진보된 폴리머 네트워크가 설계될 것으로 기대합니다. 이는 촉매 성분을 작은 입자뿐 아니라 길고 가는 분자 사슬 형태로 고정시켜 접촉 면적과 빛 포획을 증가시키는 것을 포함할 수 있습니다. 또한 튜블린/미세소관과 같은 자연 초분자 활용도 가능할 것입니다.

수소 그 이상

이 연구는 수소 생산에 초점을 맞췄지만, 햇빛으로 촉매될 수 있는 화학 반응은 수소뿐만 아니라 훨씬 더 많습니다.

예를 들어, 오사카의 일본 연구진이 인공 광합성의 또 다른 형태를 이용해 중탄산염과 바이오매스 유래 피루브산으로부터 푸마르산을 생성하는 방법을 발견했습니다.

플래티넘을 넘어

많은 수소 생성 방법이 플래티넘이나 루테늄과 같은 같은 계열의 희귀 금속을 사용해 물 분자를 분해하는 데 의존합니다. 이는 하이브리드 차량의 인기가 높아지는 것 외에도 플래티넘에 투자하는 이유 중 하나가 될 수 있습니다.

동시에, 플래티넘의 높은 비용은 연구자들이 보다 비용 효율적인 대안을 찾도록 촉진했습니다.

예시들은 니켈 기반 전기분해를 통한 수소 생산 진보와 내장 스와프를 이용한 물 분해로 수소 생성에서 확인할 수 있습니다.

플래티넘 대체 기술의 이러한 진보를 앞서 논의한 하이드로겔 및 광촉매와 결합하면 저렴한 금속, 폴리머, 햇빛만을 이용한 매우 저비용 수소 생산 방법을 만들 수 있을 것입니다.

인공 광합성 및 수소에 투자하기

인공 광합성은 아직도 개발 중인 실험 분야입니다. 그러나 수소 경제의 잠재력이 충분히 커서 많은 기업이 이 가능성에 투자할 준비를 하고 있습니다.

많은 수소 생산 방법이 플래티넘에 의존하기 때문에 이것이 하나의 옵션이 될 수 있습니다: 실제로 물리적 금속 형태의 플래티넘을 직접 구매해 투자할 수 있으며, 대부분의 귀금속 판매업체가 플래티넘 동전 및 금속 막대를 제공합니다. 플래티넘 보석도 하나의 가능성입니다.

거래되는 물리적 플래티넘 보유량은 abrdn Physical Platinum Shares ETF (PPLT)와 GraniteShares Platinum Trust (PLTM)를 통해서도 접근할 수 있습니다.

여러 중개업자를 통해 수소 관련 기업에 투자할 수 있으며, securities.io에서 미국 (USA), 캐나다 (Canada), 호주 (Australia), 영국 (UK) 및 다른 많은 국가에 대한 최고의 중개업자 추천을 찾을 수 있습니다.

특정 수소 관련 기업을 선택하고 싶지 않다면, 플래티넘 관점에서 VanEck 희귀 금속 및 전략적 금속 ETF (REMX)와 같은 ETF를 살펴볼 수 있으며, 수소 중심 ETF인 Global X Hydrogen ETF (HGEN) 또는 VanEck Hydrogen Economy UCITS (HDRO)는 수소를 에너지 원으로 활용하는 잠재력을 활용하기 위한 보다 다양화된 노출을 제공할 것입니다.

수소 기업

(BLDP )

Ballard는 연료 전지 제조업체이며, 1993년에 최초의 연료 전지 버스를 출시한 기술 선구자입니다.

이 회사는 버스, 트럭, 열차/트램, 선박, 광업/건설, 전력 등 중장비 시장에 집중하고 있습니다. 버스가 핵심이었지만, 2025년까지 트럭이 주요 사업 부문이 될 것으로 예상합니다. 또한 유럽이 주요 시장(50-60%)을 유지하고, 그 다음으로 북미가(25%) 차지할 것으로 보고 있습니다.

트럭용 연료 전지는 계속 성장할 것으로 예상되며, 2030년에는 75억 달러 시장을 차지할 전망이며(전체 TAM 1,950억 달러 중), 이는 다른 모든 수소/연료 전지 응용 분야를 합친 규모와 거의 맞먹습니다.

출처: Ballard

높은 전력 요구와 빠른 충전 필요성 때문에, 중장비 차량은 자동차와 같은 경량 차량보다 수소와 연료 전지에 더 적합한 선택이었습니다.

또한 철도에 대한 전차선 필요성과 장거리 운송을 위한 빠른 재충전 필요성을 감소시킵니다.

출처: Ballard

이 회사는 암모니아에도 익숙합니다. 예를 들어, 최근 계약을 통해 Amogy에 “독특한 암모니아 분해 기술에 기반한 암모니아-전력 플랫폼”에 사용할 연료 전지를 제공했습니다.

전기차가 자동차 시장을 빠르게 장악할 가능성은 있지만, 중량 차량은 탈탄소화가 더 어렵습니다.

이 분야에서 확립된 리더십을 바탕으로 Ballard는 수소 경제로의 정책 추진에서 주요 수혜자가 될 것입니다.

연료 전지에 집중함으로써 이 회사는 플래티넘 유무, 광촉매 유무에 관계없이 수소 생산 기술의 비용 절감 효과를 모두 누릴 수 있습니다.

연구 참고문헌:

^{1. Hagiwara, R., Yoshida, R., & Okeyoshi, K. (2024). 바이오 영감 하이드로겔: 인공 광합성을 위한 고분자 설계. Chemical Communications, 60, 13314–13324. https://doi.org/10.1039/D4CC04033C}