3분 읽기
- 잎에는 광합성을 수행하여 실내공기에서 CO2 함량의 90%를 추출하는 시아노박테리아가 있다.
- 현재 인공 식물의 최대 발전 가능 전력은 약 140µW(마이크로와트)

실내공기 정화하고 전기도 생산하는 인공 식물 개발

붉은색 정맥과 들쭉날쭉한 잎을 가진 이 인공 식물은 일반 식물과 비슷하게 보일 뿐만 아니라 동일한 기능을 가지고 있다. 잎에는 광합성을 수행하여 실내공기에서 CO2 함량의 90%를 추출하는 시아노박테리아가 있다. 일반 관엽 식물은 약 10%만 흡수한다. 게다가 인공 식물은 전기도 생산할 수 있다. 

▲ 이 바이오솔라 인공 식물에는 녹색 잎이 필요하지 않다. © Binghamton University, State University of New York

우리 대부분은 하루 대부분을 실내에서 보낸다. 그러나 우리가 숨쉬는 실내공기는 장기적으로 우리에게 해를 끼칠 수 있다. 특히 충분히 환기하지 않는 경우 더욱 그렇다. “건축 자재, 카펫 등 많은 재료가 독성 물질을 방출할 수 있다. 숨을 내쉬고 들이마시면 이산화탄소 수치도 높아진다. "요리할 때나 외부 공기 유입으로 인한 위험도 있다"고 뉴욕주립대학교 빙햄턴 캠퍼스의 최석헌씨는 설명했다.

높은 CO2 수준에 단 몇 시간이라도 노출되면 인지 능력이 손상되고 염증 반응을 일으키며 두통, 피로, 피로를 유발할 수 있다. 최씨와 그의 동료 마리암 레자이(Maryam Rezaie)는 실내 공기질을 개선하는 동시에 스타일리시해 보일 수 있는 장치를 개발했다.

CO2 90% 감소

본 발명은 바이오 기반 태양전지를 함유한 5개의 투명한 잎을 가진 인공 식물이다. Synechocystis 속의 단세포 담수-시아노박테리아가 여기에 살고 있다. “단일 바이오태양 전지는 시아노박테리아가 주입된 양극, 음극 및 이온 교환막으로 구성된다. 이들 세포는 금속 경로를 통해 서로 전기적으로 연결되고 미세유체 채널을 통해 유동적으로 연결된다”고 Rezaie와 Choi는 설명했다. "증산과 모세관 작용은 살아있는 식물과 나무의 영양분 분배 시스템을 모방하여 각 바이오솔라 세포에 물과 영양분을 가져온다.”

▲ 실내 탄소 포집 및 활용을 위한 남조류 인공 식물의 작동 원리. a) 광합성 동안 포집된 CO2를 O2와 생체 전기로 전환하는 인공 식물. b) 실내 조명, 물, 영양소를 활용하여 CO2를 O2로 전환하여 실내 공기 질을 개선하는 인공 식물. c) 줄기에 부착된 5개의 바이오솔라 셀을 보여주는 식물의 인공 잎 사진. 셀은 줄기 바깥쪽에서 전기적으로 연결되어 있으며, 줄기는 유체를 운반한다. d) 남조류가 주입된 양극, 음극, 이온 교환막으로 구성된 바이오솔라 셀의 개략적 그림. 전기를 생성하는 남조류는 광합성 동안 전기를 생성한다. (AC: 활성탄). (출처:관련논문 Cyanobacterial Artificial Plants for Enhanced Indoor Carbon Capture and Utilization / Maryam Rezaie, Seokheun Choi / First published: 10 August 2024 https://doi.org/10.1002/adsu.202400401)

기존 식물과의 이러한 유사성은 인공 식물에도 비슷한 기능을 부여하는데, 그 이유는 인공 식물의 "거주자"인 시아노박테리아가 일반 관엽 식물과 마찬가지로 광합성을 수행하기 때문이다. 따라서 관엽 식물은 햇빛과 CO2로부터 산소를 생산하지만, 인공 식물의 초기 테스트에서 알 수 있듯이 일반 식물보다 훨씬 효율적이다. 실내공기의 이산화탄소 함량을 90% 감소시켰다. 일반 관엽 식물의 경우 이는 10%에 불과하다.

▲ 발전. a) 남조류가 있는 생물태양 전지와 남조류가 없는 생물태양 전지의 편광 곡선과 전력 밀도. b) 인공 식물과 인공 잎의 편광 곡선과 전력 출력. c) 디지털 온도계에 전원을 공급하는 인공 잎의 사진. d) 데스크탑 발광 다이오드(LED)에 전원을 공급하는 인공 식물의 사진. e) CO2 환원 중 인공 잎의 편광 곡선과 전력 출력.

식물을 휴대폰 충전기로?

시아노박테리아에는 또 다른 기능이 있다. 광합성 중에 소량의 생체 전기를 생성한다. 현재 인공 식물의 최대 발전 가능 전력은 약 140µW(마이크로와트)이지만 최씨는 궁극적으로 이 출력을 mW(밀리와트) 이상으로 늘리기를 희망하고 있다. “나는 이 전기를 휴대폰 충전이나 다른 실용적인 목적으로 사용할 수 있기를 바란다”고 연구원은 말했다.

추가 업그레이드에는 물과 영양분 유지 관리를 최소화하고 다양한 종의 박테리아를 사용해 장기적인 생존 가능성을 보장하는 것도 포함될 수 있다. “조금만 조정하면 이러한 인공 식물을 모든 가정에서 발견할 수 있다”고 최씨는 말했다.
(Advanced Sustainable Systems, 2024; doi: 10.1002/adsu.202400401)
출처: Binghamton University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]