공기 중의 수증기가 장치에 전력을 공급할 수 있습니다.

유명한 물리학자 Nikola Tesla는 폭풍우 구름에서 발생하는 과정을 이용하여 공기 중의 습기로부터 전기를 얻고자 했습니다. 연구실의 어느 누구도 그들이 보고 있는 것을 믿을 수 없었습니다. 실험 장치인 습도 센서가 전기 신호를 생성하기 시작했습니다. 좋습니다. 불가능하다고 생각할 수 있습니다.

매사추세츠 대학교 애머스트(University of Massachusetts Amherst)의 준 야오(Jun Yao)는 "어떤 이유로 장치를 작업하던 학생이 전원을 연결하는 것을 잊었습니다."라고 말했습니다. "그게 이야기의 시작이야."

5년 전 그 순간 이후로 Yao와 그의 동료들은 습한 공기에서만 전기를 수확할 수 있는 기술, 즉 수분전기로 알려진 개념을 개발해 왔습니다.

수년 동안 주변에 있었던 아이디어입니다. Nikola Tesla와 다른 사람들은 과거에 그것을 조사했지만 유망한 결과를 얻지 못했습니다. 그러나 곧 바뀔 수 있습니다.

전 세계의 여러 연구 그룹은 자연적으로 공기 중에 떠 있는 물 분자에서 전기를 수집하는 새로운 방법을 발견하고 있습니다. 이는 물 분자가 그들 사이에 아주 작은 전하를 전달할 수 있기 때문에 가능합니다. 이는 연구자들이 제어하려는 과정입니다. 문제는 사용할 수 있을 만큼 충분한 전기를 모으는 것입니다. 그러나 과학자들은 이제 소형 컴퓨터나 센서에 전력을 공급할 수 있을 만큼 충분히 수확할 수 있을 것이라고 믿고 있습니다. 그것은 거의 연중무휴로 우리 주위를 떠돌아다닐 수 있는 새로운 형태의 재생 에너지에 대한 감질나는 전망을 높입니다.

습도는 공기 중에 부유하는 수증기에 의해 발생하지만 이 물 분자는 다른 물질로 옮길 수 있는 미세한 전하를 띤다(Credit: Alamy)

2020년에 Yao와 그의 동료들은 박테리아에 의해 생성된 작은 단백질 나노와이어가 공기에서 전기를 수확할 수 있는 방법을 설명하는 과학 논문을 발표했습니다 . 정확한 메커니즘은 아직 논의 중이지만 재료의 작은 기공이 떠다니는 물 분자를 가둘 수 있는 것으로 보입니다. 물질에 문지르면 물 분자도 물질에 전하를 부여하는 것처럼 보입니다.

Yao는 그러한 시스템에서 대부분의 분자가 표면 근처에 머물며 많은 전하를 축적하는 반면 다른 몇 가지는 더 깊이 침투한다고 설명합니다. 이로 인해 재료층의 상부와 하부 사이에 전하 차이가 발생합니다.

"시간이 지남에 따라 전하 분리가 일어나는 것을 볼 수 있습니다."라고 Yao는 말합니다. "실제로 클라우드에서 일어나는 일입니다." 훨씬 더 크고 극적인 규모에서 폭풍우 구름은 또한 결국 번개의 형태로 방전되는 반대 전하의 축적을 만듭니다 .

이것은 물 분자의 움직임에 영향을 미치고 전하 분리를 위한 적절한 조건을 생성함으로써 전기를 생성할 수 있음을 의미합니다. "이 장치는 문자 그대로 지구상 어디에서나 작동할 수 있습니다."라고 Yao는 말합니다.

그 2020년 논문은 빙산의 일각으로 판명되었습니다.

Yao와 그의 동료들은 2023년 5월에 나노기공으로 채워진 동일한 종류의 구조를 만들었지만 그래핀 산화물 플레이크 및 폴리머에서 나무에서 추출한 셀룰로오스 나노섬유에 이르기까지 다양한 재료를 사용하여 후속 연구를 발표했습니다 . 약간의 차이는 있지만 모두 작동했습니다. 이것은 재료 자체가 아니라 구조가 중요하다는 것을 암시합니다.

지금까지의 실험에서 사람의 머리카락보다 얇은 장치는 1볼트의 일부에 해당하는 매우 적은 양의 전기를 생성했습니다. Yao는 단순히 더 많은 재료를 만들거나 그 조각을 함께 연결함으로써 여러 볼트 이상의 유용한 전하를 얻을 수 있다고 제안합니다. 즉각적인 전원을 제공하기 위해 표면에 뿌릴 수 있는 액체로 만들 수도 있다고 그는 제안합니다.

연구에 참여하지 않은 영국 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 재료 공학자인 Reshma Rao는 "정말 흥미진진하다고 생각합니다."라고 말했습니다. "사용할 수 있는 재료의 종류에는 엄청난 유연성이 있습니다."

그럼에도 불구하고 그러한 기술이 전체 건물이나 자동차와 같은 에너지 소모가 많은 기계에 전력을 공급하는 것을 상상하는 것은 현실적이지 않을 수 있다고 Rao는 경고합니다. 습도는 센서 또는 소형 웨어러블 전자 장치와 같은 사물 인터넷 장치에 전원을 공급하는 데 충분할 수 있습니다.

이와 같은 기술을 상용화하려는 사람은 다른 재생 에너지에 비해 충분한 전력 출력과 비용 경쟁력을 입증해야 합니다.

Yao's는 습한 공기를 잠재적인 에너지 자원으로 조사하는 유일한 팀과는 거리가 멀다. 2020년 이스라엘의 한 그룹은 두 개의 금속 조각 사이에 습한 공기를 통과시켜 전기를 수확했습니다 . 습한 공기는 금속 위를 흐르면서 금속에 전하를 유도했습니다.

이 현상은 1840년 영국 북동부의 뉴캐슬 북쪽 탄광에서 기차 운전사가 엔진을 작동하는 동안 손이 이상한 따끔거림을 느꼈을 때 처음 기록되었습니다. 나중에 그는 손가락과 차량 레버 중 하나 사이에서 작은 불꽃이 튀는 것을 발견했습니다 . 사건을 조사한 과학자들은 증기가 엔진 보일러의 금속과 마찰하면서 전하가 축적되었다고 결론지었습니다 .

2020년 논문을 공동 집필한 이스라엘 텔아비브 대학의 대기과학 연구원인 콜린 프라이스(Colin Price)는 작은 금속 조각을 사용한 실험실 실험에서 생성된 전하가 매우 낮다고 말했습니다. 그러나 그는 자신과 동료들이 시스템을 개선하기 위해 노력하고 있다고 덧붙였습니다. 그러나 Yao와 그의 동료의 장치가 약 20%의 상대 습도에서 전기를 생성하기 시작하는 반면, 한 가지 제한 사항은 60% 이상의 상대 습도가 필요하다는 것입니다.

한편, 포르투갈의 한 팀은 습한 공기를 에너지원으로 활용하는 것을 목표로 하는 CATCHER라는 유럽 연합이 자금을 지원하는 프로젝트를 진행하고 있습니다 . 포르투갈 리스본에 있는 Lusófona 대학의 재료 과학자인 Svitlana Lyubchyk는 이 프로젝트를 조정하고 있으며 CascataChuva라는 회사를 공동 설립했습니다.

Lyubchyk는 "엔지니어링 프로토타입이 대략 올해 말까지 준비될 것이라고 생각합니다. 켜고 끕니다. 그는 지르코늄 산화물로 만들어진 직경 약 4cm(1.6인치)의 회색 디스크를 들고 이 물질이 습한 공기에서 물 분자를 가두어 작은 채널을 통해 흐르게 할 수 있다고 설명합니다. 그는 이것이 단일 디스크에서 약 1.5볼트를 공급하기에 충분한 전하를 생성한다고 말합니다. 단지 2개의 디스크만으로도 LED에 전원을 공급할 수 있으며 더 많은 재료 조각을 함께 연결하여 훨씬 더 큰 출력을 생성할 수 있다고 그는 주장합니다.

높은 습도는 윔블던 챔피언십에서 우려를 불러일으켰지만 기술이 확장될 수 있다면 미래에도 전력원이 될 수 있습니다(Credit: Getty Images)

그러나 작업에 대한 일부 정보는 온라인에서 사용할 수 있지만 팀의 최신 실험에 대한 전체 세부 정보는 아직 게시되거나 동료 검토되지 않았습니다. 이 그룹은 또한 디스크가 LED에 연결되어 전원을 공급하는 방법을 보여주는 자료 공유를 거부했습니다. Rao는 이러한 모든 수분 전기적 노력 뒤에 있는 메커니즘에 대해 많은 질문이 남아 있다고 말합니다. "이것이 작동하는 이유에 대한 근본적인 측면에서 조사해야 할 것이 훨씬 더 많습니다."

상용화 문제도 있다. 이와 같은 기술을 상용화하려는 사람은 누구나 다른 재생 에너지와 비교하여 충분한 전력 출력과 비용 경쟁력을 입증해야 한다고 에너지 결정의 환경 및 경제적 균형을 연구하는 캐나다 맥길 대학의 토목 엔지니어 Sarah Jordaan은 말합니다.

풍력 및 태양열과 같은 보다 확립된 재생 에너지 기술은 분명히 유리한 출발점을 가지고 있습니다. 그것들은 아마도 화석 연료로부터의 전환이 특히 시급한 향후 10년 동안 훨씬 더 중요하다는 것이 증명될 것입니다 .

이러한 도전에도 불구하고 Rao는 새로운 에너지 물질이 흡습성 연구를 통해 나타날 것이라는 "희망의 광선"이 남아 있다고 말합니다.