땀과 소변으로도 에너지를 만들 수 있다? - 미생물 연료전지(MFC)

땀과 소변으로도 에너지를 만들 수 있다? 

- 미생물 연료전지(MFC)

 미생물을 재료로 하여 연료전지로 활용하는 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell)의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 현재까지 MFC의 개발은 주로 오수나 폐수 등에 포함된 유기물의 화학 에너지를 미생물을 촉매로 하여 전기에너지로 변환하는 방식으로 전기를 생산해내는 것이 주를 이루었다. 점차 이 분야가 개발됨에 따라 연구진들은 오수, 폐수의 미생물에 한정된 것이 아닌 다양한 생체원료를 이용하여 MFC개발을 진행하고 있다. 그 중에서 인간의 노폐물 소비를 담당해주는 땀과 소변을 이용하여 전력을 생산하는 미생물연료전지가 개발되어 모든 이들에게 흥미를 주고 있다. 

[그림 1] 인간 배터리 

출처 : 123RF

 미생물 연료전지의 원리는 기존 연료전지와 비슷하다. 연료전지는 물을 전기분해하면서 수소와 산소가 만들어 지는 원래를 반대로 이용한 장치이다. 즉, 산소와 수소를 결합 시키면 물과 전기가 발생하게 된다. 여기서 발생하게 된 전기를 붙잡아서 이용하는 것이 연료전지의 원리이다. 미생물 연료전지는 수소대신 유기물을 백금 대신 미생물을 사용한다는 점이 다르다.

[그림 2] 연료전지의 원리

출처 : YOU ME 특허법인

 

 환경∙친화적이고 다양한 응용이 가능한 생물연료전지가 갖는 장점에 전 세계가 주목하고 있다. 스스로 전기에너지를 생산하고 이 전기에너지를 이용하여 폐수와 같은 유기 폐기물을 처리 가능하기 때문에 매우 낮은 비용으로 환경문제를 해결 할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 뿐만 아니라 무기물을 사용하는 일반적인 연료전지와 달리 유기물인 생체물질을 이용한다는 점이 최대 장점이다. 이러한 점 때문에 한국과학기술기획평가원은 미생물 연료전지를 10년 후 한국경제를 책임질 미래 10대 유망기술 중 하나라고 선정하기도 하였다.

 

 현재 기술 수준까지 땀과 소변을 이용한 미생물 연료전지를 통해 전기 생산에 성공하는 수준까지 이르렀다. 땀과 소변을 이용하여 전기를 생산할 수 있게 되면서 인간의 배터리화가 SF영화 속에서의 가상현실이 아닌 현실이 되어 가고 있다는 것을 실감한다. 지금부터 땀과 소변을 이용한 연료전지는 어떠한 원리를 통해 전기를 생산해 내는지에 대하여 알아보자.

 

 첫 번째로, 땀을 이용한 연료전지에 대해서 알아보자. 최석현 미국 뉴욕주립 빙엄턴대 연구팀이 땀으로 구동 가능한 섬유 형태의 바이오 배터리를 개발해서 화제가 되었다. 구부리거나 늘릴 수 있어 앞으로 각종 웨어러블 기기에 응용될 수 있을 것으로 전망하고 있다. 이는 박테리아를 통해 산화∙산원 반응을 일으켜 전력을 생산하는 원리이다. 인체에서 생성되는 땀이 미생물의 연료전지의 동력으로 작동하는 것이다. 이 기술을 보고 미국 정보기술(IT) 매체 디지털드렌드는 “이번연구가 신체에서 데이터를 수집해서 전송할 수 있는 웨어러블 기기를 위한 길을 열어 줄 수 있다”라고 전망하였다. 예를 들어 운동 상태를 모니터링 할 수 있는 티셔츠나 발걸음을 추적하는 양말 등 스마트 의류의 길을 개척할 것으로 보여진다.

 

[사진 1] 땀으로 작동되는 미생물 연료전지 

출처 : 빙햄튼 대학교

 배터리 양극과 음극은 분리막 없이 단일한 챔버 안에 구성된다. 음극은 전도성과 친수성이 높은 소재로, 액체 상태의 박테리아 세포로부터 전기 반응을 극대화할 수 있도록 만들어졌다. 연구팀은 6.4μW/㎠ 최대 출력과 52μA/㎠의 전류 밀도를 확보했다. 이는 다른 유연한 종이 기반의 미생물 연료 전지와 유사한 수준이다. 또 늘리거나 구부리는 테스트에서도 배터리 작동이 안정되는 것을 확인했다.

최 교수는 “실시간 정보를 수집하기 위해 다양한 환경에 쉽게 통합되는 유연하고 신축성 있는 전자 제품 요구가 많다”면서 “지속 가능하고 재생 가능하며 환경 친화형의 소형 미생물 연료 전지는 유용한 에너지 기술이 될 수 있다”고 설명했다.

 

 다음으로는 인체에서 또 다른 방법으로 노폐물을 제거 해주는 소변을 이용한 연료전지에 대해서 알아보자. 이 연구는 영국 바스대학교의 연구팀에서 성공하였다. 이 연구팀은 스마트폰 같은 소형기기를 충전할 수 있는, 오줌을 원료로 한 저렴한 연료전지를 개발하는데 성공하였다. 개발된 연료전지는 100원짜리 동전 크기 이다. 제작비는 매우 저렴하다. 약 1800원에서 3600원 사이라고 한다. 오줌이 연료전지를 통과하는 과정에서 박테리아와 작동해 전기가 생산되는데, 그 전기를 곧바로 사용하거나 저장을 해도 된다.

[사진 2] 오줌동력 연료전지를 들고 있는 로렌조 박사 

출처 : University of Bath

 연구팀은 한 개의 세포가 입방미터당 약 2와트의 전기를 생산할 수 있다고 하는데, 스마트폰 충전이 얼마 가능한지 정확지는 않다. 하지만 다수의 세포를 겹쳐 놓으면 그 성능이 크게 증가할 거라고 연구팀은 예측한다. 일개의 세포에서 방출되는 에너지 양을 "수소에너지나 태양에너지 같은 대체 전력과 아직 비교할 수 없다"고 연구팀은 인정한다. 하지만 소형이라는 점과 생산 원가 면에서 장점이 크다는 것이다. 수석 연구자인 출러는 "전력 공급이 불가능하거나 비용 면에서 불가한 빈곤층의 삶을 변화시킬 수 있는 기술을 개발했다. 그 자체가 대단한 성과이다. 어려운 상황에 있는 사람들, 그들의 삶의 질을 개선하는데 이 연구가 도움되길 바란다." 라고 말하기도 할 정도로, 이 기술의 개발은 후진국 및 개발도상국에 유효하다는 것을 입증 할 수 있다. 

[사진 3] 에너지화 화장실

출처 : BIZION

 영국 브리스톨 웨스트잉글랜드대 연구진들은 오줌을 이용한 연료전지를 이용하여 친환경 화장실을 개발하여 화제를 불러 모았다. 이 화장실은 국제 구호단체 '옥스팜'의 의뢰를 받고 빌앤멜린다게이츠 재단(Bill & Melinda Gates Foundation)의 자금 지원을 받아 개발된 이 화장실은 앞으로 테스트를 거친 뒤, 전기 시설이 부족한 난민캠프 등에 보급될 것으로 보인다. 연구진들은 이 화장실을 대학 캠퍼스 내 학생회관 옆에 설치하고 검증에 들어갔다. 화장실의 모습은 실제로 옥스팜이 공급하고 있는 난민캠프 화장실과 비슷하게 만들었다. 화장실 내부에는 오줌이 전기로 만들어지는 과정을 눈으로 확인할 수 있도록 투명 스크린도 설치했다.

 

 현재 연구진들이 개발한 미생물 연료전지 하나를 만드는 데 드는 비용은 1파운드(약 1700원) 정도 되며, 이 전지를 적용한 화장실을 만들 경우 600파운드(약 100만원) 정도면 충분하다고 말하고 있다. 미생물 연료전지는 비용도 적게 들고 반영구적으로 사용할 수 있다는 점에서 매우 실용성이 높은 기술이라 할 수 있다.

 

 땀과 소변, 어찌보면 지금까지 인간에게는 노폐물을 배출하는 하는 쓸모없는 것 중의 하나였을지 모른다. 하지만 미생물 연료전지가 발달함에 있어서 땀과 소변은 아주 소중한 원료 중 하나가 되었다. 앞으로의 미생물 연료전지의 발달에 따른 에너지 사용 체계의 변화가 기대해본다.