일본산업뉴스요약

생물 배터리, 궁극의 친환경
차원이 다른 효율, 물고기 및 미생물도 실험

살아 있는 생물은 모두 발전기이다. 이렇게 말하면 사람들은 놀라겠지만, 최근 연구에서 사람, 동물, 물고기 등 정도의 차이는 있지만 근육을 움직일 때는 반드시 전기가 발생된다는 것이 밝혀졌다. 이러한 전기를 생활에 이용하는 것. 이것이야말로 궁극의 친환경인 것이다.

-- 논이나 정수장만이 아닌 인체에도 응용을 목표 --
지바(千葉) 현 노다(野田) 시. 여기에 조금 별다른 논이 있다. 한 그루의 벼 주위를 발포 스티로폼이 둘러싸고 있다. 이것은 사실 논이 아닌 실험장이다. 도쿄약과대학 생명과학부의 와타나베(渡辺) 교수가 땅 속에 있는 미생물을 이용해 논에서 전기를 만들어내는 실험이다. 미생물이 유기물 분해 시 방출하는 전자를 전극을 통해 모아 발전하는 것이다.

‘발전균’이라고도 불리는 이러한 미생물은 슈와넬라균이나 지오박터균이라고도 불리며, 진흙 속에 광범위하게 존재한다. 와타나베 교수는 이 발전균을 이용한 발전 실험을 지바현 노다 시의 논에서 시행하고 있는 것이다.

벼를 발포 스트로폼으로 둘러싸는 것에는 이유가 있다. 이 발포 스트로폼은 ‘튜브’일뿐만 아니라 플러스 ‘전극’인 것이다. 그렇다면 마이너스 전극은? 그것은 땅이다. 땅 표면에 발전균이 집결해 유기물을 분해하면서 몸 밖으로 전자를 방출. 이 전자가 플러스 극으로 흐르면서 미세한 전류가 발생하는 것이다.

한 그루 벼에서 생산되는 발전량은 수 밀리와트(mW)로 적지만 1평방미터의 경우 100mW 정도로, 센서를 통해 수온을 관리하거나 수집한 데이터를 농가에 전송하는 등 ‘스마트 농업’용으로 응용될 수 있는 가능성이 있다고 한다.

이러한 가운데 지금 가장 현실성이 높은 용도는 폐수 처리이다. 현재 하수 처리 시설에서 주류인 것은 발전균과는 다른 호기성(好氣性) 미생물을 이용한 활성 오염법이라고 하는 폐수 처리이다. 호기성 미생물이기 때문에 그 기능 및 증식을 위해서는 산소를 공급해주지 않으면 안 된다. 많은 전력도 필요하다.

이것을 전력균으로 대체한다면 어떨까? 우선 전력균은 혐기성(嫌氣性)이기 때문에 산소가 필요 없고 공기를 공급하기 위한 전력도 필요 없다. 게다가 미생물 자체가 전력을 만들어낸다. 발생되는 오염 양도 줄어 일석이조이다.

-- 전극 비용이 과제 --
2015년까지 신에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁 사업으로써 도쿄대학과 와타나베 교수가 있는 도쿄약과대학, 세키스이(積水)화학공업, 파나소닉로 구성된 공동개발 프로젝트가 추진되었다. 1평방미터 사이즈의 소형 실험 장치를 이용한 연구에서는 발전균이 호기성 미생물을 이용했을 때와 거의 같은 처리 능력을 확인. 소비 에너지는 80% 절감해 “성공적이었다”(와타나베 교수).

기후(岐阜)대학 연구팀은 전력균의 폐수 처리 시, 폐수 안의 인도 함께 회수하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 인은 농업용 비료 등에 사용되지만, 일본은 거의 모든 양을 수입에 의존하고 있어 그 의미가 크다. 실용화를 위한 연구 개발은 계속되고 있지만, “기술적으로는 아직 개발 단계”라는 와타나베 교수. 연구는 추진되고 있지만 아직 “기업이 제품화한 사례는 없다”(와타나베 교수).

그 이유 중 하나가 전극의 비용이다. 실용화되기 위해서는 꽤 큰 전극이 필요하지만 그 전극의 촉매에 백금 등이 사용되기 때문에 ‘비용이 비싸다”(와타나베 교수). 이를 해결하기 위한 기술 개발이 앞으로의 테마가 될 것이다. “미생물 발전이 22세기 초반에는 폐수 처리의 주류가 되었으면 좋겠다”라고 와타나베 교수는 말한다.

물고기를 발전에 이용하는 움직임도 있다. “전기장어가 크리스마스트리와 당신의 마음을 밝혀드립니다”. 최근 시나가와(品川) 수족관(도쿄)에서 시작된 한 이벤트가 인기를 얻고 있다. 이것은 쇼가 아니다. 크리스마스트리 바로 옆에 거대한 수조가 있고, 그 안을 약 1.4m의 두 마리 전기장어가 우아하게 헤엄치며 점등한다.

항상 표지판에 표시되는 전기장어의 발전량을 자세히 보면 어느 법칙이 존재한다는 것을 알 수 있다. 외부로부터 자극을 받을 때 강한 전기가 발생한다는 것이다. 나고야대학원 이학연구과의 고바시(小橋) 특임강사에 따르면, 전기장어는 발전 세포를 있어 통상적으로 세포 안의 전위는 마이너스, 세포 밖은 플러스이다. 펌프를 통해 안쪽의 이온이 밖으로 뿜어져 나오기 때문에 일반적으로 세포막 안쪽의 전위는 마이너스 약 90밀리볼트(mV)이다.

하지만 외부로부터의 자극을 받으면 변화가 일어난다. 척추에 뻗어있는 전기운동신경에서 ‘아세틸콜린’이라는 물질이 방출되어 세포막에 새로운 통로가 만들어지는 것이다. 대량의 플러스 전하가 세포 안으로 흘러 들어가 전위는 단숨에 플러스 60mV까지 상승한다.

이 나트륨이온이 흘러 들어가는 순간에 150mV의 전압이 발생. 전기장어가 가진 몇 천 개의 발전 세포는 직렬로 이어져 있기 때문에 전기는 증폭되고, 최대 600~800V의 전류가 발생하는 것이다. 1회 당 천분의 1초라는 순간의 발전이지만, 가정용 콘센트(100V)에 비해 매우 크다.

이 전기장어의 발전 구조를 사람에게 응용하는 연구를 시작한 연구자도 있다. 미시건대학의 슈레더 교수가 그 주인공이다.

-- 사람도 같은 구조 --
전기장어의 발전 기관과 같은 구조의 것을 사람의 몸 안에 이식한다면 발전이 가능하지 않을까? 슈레더 교수는 이와 같은 가설을 세워 그 가능성을 모색하고 있다. 만약 실현된다면 페이스메이커(Pacemaker) 및 인공 장기를 계속 가동시킬 수 있게 된다. 고바시 특임강사도 “이론적으로는 전기장어의 발전을 응용해 배터리 등을 제작할 수 있다”라고 한다. 변환 효율 100%의 생물 배터리. 이런 배터리가 10년 후에 등장할 수 있을지도 모른다.

이화학연구소의 다나카(田中) 유닛 리더가 모델로 하고 있는 것은 연골 어류의 일종인 전기가오리이다. 다나카 리더는 전기가오리가 전류를 발생시키는 구조를 응용해 인공적으로 전류를 발생∙제어하는데 성공했다. 다나카 리더는 이것을 배터리로 활용할 수 있을 것이라고 보고, 저장된 전하를 아세틸콜린의 주입으로 한 번에 흐르도록 해 인공적으로 전기를 발생시켰다.

통상적으로 전기가오리는 전기를 한 순간밖에는 흐르게 할 수 없지만, 에세틸콜린의 주입 방법을 연구해 1분 이상 전류가 지속될 수 있도록 했다고 한다. 다나카 리더는 “자연계에서 ATP 획득은 비교적 용이하다. 이 에너지를 사용해 전하를 저장, 아세틸콜린으로 한 번에 흐르도록 하는 것. 이러한 시스템을 통해 생물 배터리를 개발할 수 있다”라고 말한다. 10년 후에는 시작품을 제작, 20년 후의 실용화를 목표로 한다.

생물과 발전(發電). 아무 관계도 없어 보이지만, 이 둘을 연결할 경우 지금까지 상상도 할 수 없었던 새로운 미래가 열릴지도 모른다.

 -- 끝 --