떨어지는 빗물을 이용해 깨끗한 에너지를 활용하기 위한 한 걸음

두 물질이 접촉하면 표면에 있는 대전된 물체가 미세한 충격을 받습니다. 풍선을 피부에 문지르면 정전기가 발생하는 원리가 바로 이것입니다. 마찬가지로, 일부 표면 위를 흐르는 물은 전하를 얻거나 잃을 수 있습니다. ACS Central Science 에 보고된 연구진은 이 현상을 이용하여 튜브를 통과하는 빗방울에서 전기를 생성했습니다. 그들은 12개의 LED를 밝힐 수 있는 충분한 전력을 생성하는 새로운 종류의 흐름을 시연했습니다.

"수직관을 통해 떨어지는 물은 특정 물 흐름 패턴인 플러그 흐름(plug flow)을 이용하여 상당한 양의 전기를 생산합니다."라고 이 연구의 교신저자인 시울링 소는 말합니다. "이 플러그 흐름 패턴은 빗물을 이용하여 깨끗하고 재생 가능한 전기를 생산할 수 있도록 합니다."

흐르는 물이 터빈을 돌리면 전기가 생성됩니다. 그러나 수력 발전은 강처럼 수량이 많은 지역에서만 가능합니다. 수량이 적고 유량이 느린 경우, 전하 분리 현상을 이용하는 것이 대안입니다. 전하 분리 현상은 물이 전기 전도성 내부 표면을 가진 수로를 통과할 때 전하를 생성하는 현상입니다. 하지만 전하 분리는 물이 흐르는 표면에만 국한되기 때문에 매우 비효율적입니다.

이전에 과학자들은 마이크로 또는 나노 크기의 수로를 통해 더 넓은 표면적을 확보하여 연속적인 물 흐름을 생성함으로써 효율을 개선하려고 노력해 왔습니다. 그러나 물은 자연적으로 그렇게 작은 수로를 통과하지 못하며, 펌프로 물을 펌핑할 경우 생성되는 에너지보다 더 많은 에너지가 필요합니다. 따라서 소, 치 키트 아오, 그리고 동료들은 빗물이 통과할 수 있는 더 큰 수로를 사용하여 전기를 생산하고자 했습니다.

연구팀은 탑 바닥에서 금속 바늘을 통해 물이 흘러나와 높이 32cm(12인치), 너비 2mm의 수직 폴리머 튜브 입구로 빗방울 크기의 물방울을 뿜어내는 간단한 장치를 설계했습니다. 튜브 상단에서 물방울이 정면으로 충돌하면서 플러그 흐름(plug flow)이 발생했습니다. 짧은 물기둥 사이에 공기 주머니가 형성된 것입니다. 물이 튜브 내부로 흘러내리면서 전하가 분리되었습니다. 그 후, 물은 튜브 아래 컵에 모였습니다. 튜브 상단과 컵에 설치된 전선이 전기를 생산했습니다.

플러그 플로우 시스템은 튜브를 통해 떨어지는 물의 에너지 중 10% 이상을 전기로 변환했습니다. 또한, 연속적으로 흐르는 물과 비교했을 때, 플러그 플로우 시스템은 5배 더 많은 전기를 생산했습니다. 실험 결과 빗방울의 속도가 비보다 훨씬 느렸기 때문에, 연구진은 이 시스템을 사용하여 떨어지는 빗방울에서 전기를 얻을 수 있을 것으로 예상했습니다.

또 다른 실험에서 연구진은 두 개의 관을 통해 물을 동시에 또는 순차적으로 흐르게 하면 두 배의 에너지가 생성된다는 것을 관찰했습니다. 이 정보를 바탕으로 연구진은 네 개의 관을 통해 물을 흐르게 했고, 이 장치는 12개의 LED에 20초 동안 지속적으로 전원을 공급했습니다. 연구진은 플러그 흐름 방식의 에너지가 수력 발전소보다 설치 및 유지 관리가 더 간편할 수 있으며, 옥상과 같은 도시 공간에도 편리할 수 있다고 말합니다.

저자는 싱가포르 교육부, 과학기술연구청, 싱가포르 국립대학 산하 건강혁신기술연구소의 연구비 지원에 감사드립니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250416135601.htm