흙으로 작동하는 연료 전지 개발

연료 전지의 3D 프린팅된 덮개가 지면 위로 살짝 드러나 있습니다. 이 덮개는 공기 흐름을 유지하면서 이물질이 장치 내부로 들어가는 것을 방지합니다. 사진 제공: 빌 옌/노스웨스턴 대학교

노스웨스턴 대학교 연구진이 토양에 자연적으로 존재하는 미생물을 이용해 전기를 생산하는 연료 전지를 개발했습니다. 이 장치는 일반 소설책 크기 정도로, 토양 속 유기물을 분해하는 미생물의 에너지를 포착하여 소량의 전력을 생산합니다.

이 토양 에너지 기반 시스템은 정밀 농업 및 환경 모니터링에 사용되는 지하 센서를 구동하도록 설계되었습니다. 이는 독성 및 가연성 물질을 포함하고, 복잡한 글로벌 공급망에 의존하며, 전자 폐기물 증가에 기여하는 기존 배터리에 대한 잠재적인 대안을 제시합니다.

배터리 없이 센서에 전력 공급하기

연구팀은 연료 전지의 성능을 입증하기 위해 토양 수분을 측정하고 촉각을 감지하는 센서를 작동시켰습니다. 이러한 촉각 감지 기능은 들판을 지나가는 동물과 같은 야생 동물의 움직임을 모니터링하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 이 시스템에는 기존 무선 주파수 신호를 반사하여 데이터를 무선으로 전송하는 소형 안테나가 포함되어 있어 에너지 소비를 극히 낮게 유지합니다.

이 장치는 광범위한 환경 조건에서 신뢰성을 입증했습니다. 건조한 토양과 침수된 환경 모두에서 작동했으며, 유사 시스템보다 약 120% 더 오래 지속되는 전력을 생산했습니다.

이 연구는 인터랙티브, 모바일, 웨어러블 및 유비쿼터스 기술에 관한 ACM(Association for Computing Machinery) 학술대회 논문집 에 게재되었습니다 . 연구진은 또한 다른 연구자들이 이 연구를 기반으로 추가적인 작업을 진행할 수 있도록 설계, 튜토리얼 및 시뮬레이션 도구를 공개했습니다.

사물인터넷에 토양 미생물이 중요한 이유

"사물인터넷(IoT) 기기의 수는 끊임없이 증가하고 있습니다."라고 이번 연구를 이끈 노스웨스턴대 졸업생 빌 옌은 말했습니다. "미래에 수조 개의 기기가 존재한다고 상상해 보세요. 이 모든 기기를 환경에 유해한 리튬, 중금속, 독성 물질로 만들 수는 없습니다. 분산된 기기 네트워크에 전력을 공급하기 위해 적은 에너지를 사용할 수 있는 대안을 찾아야 합니다. 해결책을 모색하던 중, 우리는 토양 미생물 연료 전지에 주목했습니다. 이 전지는 특수 미생물을 이용해 토양을 분해하고, 그 과정에서 발생하는 적은 에너지를 센서에 공급합니다. 토양에 미생물이 분해할 유기 탄소가 존재하는 한, 연료 전지는 잠재적으로 영구히 작동할 수 있습니다."

미생물 연료 전지(MFC)는 배터리와 유사한 방식으로 작동합니다. 양극, 음극, 전해질로 구성되어 있지만, 화학 반응 대신 박테리아가 자연적으로 전자를 방출하는 원리를 이용합니다. 이러한 전자가 시스템을 통과하면서 전류가 생성됩니다.

"이 미생물들은 어디에나 존재합니다. 이미 모든 토양에 살고 있죠."라고 이번 연구의 수석 저자인 노스웨스턴 대학교의 조지 웰스 교수는 말했습니다. "우리는 매우 간단한 공학 시스템을 이용해 이 미생물들이 만들어내는 전기를 포착할 수 있습니다. 이 에너지로 도시 전체에 전력을 공급할 수는 없겠지만, 아주 미량의 에너지를 포착하여 실용적인 저전력 장치에 사용할 수 있을 겁니다."

태양광 및 배터리 구동 센서의 과제

정밀 농업은 토양의 수분, 영양분, 오염 물질과 같은 상태를 지속적으로 추적하는 대규모 센서 네트워크에 의존합니다. 이러한 데이터는 농부들이 더 나은 정보에 기반한 결정을 내리고 작물 수확량을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

하지만 이러한 센서에 전력을 공급하는 것은 큰 과제입니다. 배터리는 결국 수명이 다하면 교체해야 하는데, 이는 대규모 농장에서는 비현실적입니다. 태양광 패널 또한 오염되기 쉽고, 햇빛이 필요하며, 공간을 차지하기 때문에 신뢰성이 떨어질 수 있습니다.

옌은 "야생 환경, 농장, 습지 등에 센서를 설치하려면 배터리를 사용하거나 태양 에너지를 활용하는 방법밖에 없다"고 말했다. "태양광 패널은 먼지가 쌓이기 쉽고, 해가 없을 때는 작동하지 않으며, 공간을 많이 차지하기 때문에 오염된 환경에서는 제대로 작동하지 않는다. 배터리 역시 전력이 소모된다는 문제가 있다. 농부들이 100에이커(약 40헥타르) 규모의 농장을 돌아다니며 정기적으로 배터리를 교체하거나 태양광 패널의 먼지를 털어낼 수는 없을 것이다."

연구진은 대신 토양 자체에서 직접 에너지를 추출하는 데 집중하여 환경을 에너지원으로 활용했습니다.

초기 미생물 연료 전지가 실패한 이유는 무엇일까요?

토양 기반 미생물 연료 전지는 1911년부터 존재해 왔지만, 일관된 성능을 제공하는 데 어려움을 겪어왔습니다. 이러한 시스템은 제대로 작동하기 위해 수분과 산소가 모두 필요한데, 특히 건조한 환경에서는 지하에서 이를 유지하기가 어렵습니다.

옌 교수는 "미생물 연료 전지(MFC)는 100년 이상 개념으로 존재해 왔지만, 불안정한 성능과 낮은 출력 때문에 특히 습도가 낮은 환경에서 실용화에 어려움을 겪어왔다"고 말했습니다.

새로운 디자인으로 성능이 향상되었다

이러한 문제들을 해결하기 위해 연구팀은 2년 동안 다양한 디자인을 개발하고 테스트했습니다. 네 가지 버전을 비교하고 9개월 동안 성능 데이터를 수집한 후 최종 프로토타입을 선정하여 야외에서 테스트했습니다.

획기적인 발전은 기하학적 구조의 변화에서 비롯되었습니다. 양극과 음극을 서로 평행하게 배치하는 대신, 새로운 설계에서는 서로 수직으로 배치했습니다.

탄소 펠트(미생물의 전자를 포착하는 저렴하고 풍부한 전도체)로 만들어진 양극은 토양 아래에 수평으로 놓여 있습니다. 전도성 금속으로 만들어진 음극은 지표면까지 수직으로 뻗어 있습니다.

이 구조는 여러 문제를 동시에 해결하는 데 도움이 됩니다. 장치 상단은 공기에 노출되어 있어 안정적인 산소 공급을 보장합니다. 동시에 하단 부분은 습한 토양에 묻혀 건조한 환경에서도 수분을 유지합니다. 보호 덮개는 이물질 유입을 방지하고, 작은 공기실은 공기 흐름을 가능하게 합니다.

이 설계는 홍수 발생 시에도 내구성을 향상시킵니다. 방수 코팅 덕분에 음극은 계속 작동할 수 있으며, 수직 구조는 물이 빠진 후 서서히 건조되도록 도와줍니다.

실제 환경에서 뛰어난 결과

최종 시제품은 수분 함량이 41%인 비교적 건조한 토양부터 완전히 물에 잠긴 환경에 이르기까지 광범위한 토양 조건에서 우수한 성능을 보였습니다. 평균적으로 센서 작동에 필요한 전력보다 68배 더 많은 전력을 생산했습니다.

이러한 결과는 해당 시스템이 농경지나 자연환경과 같은 실제 현장에 적용하기에 충분히 견고하다는 것을 시사합니다.

진행 중인 연구 및 향후 잠재력

이 연구가 처음 발표된 이후 미생물 연료 전지에 대한 관심은 꾸준히 증가해 왔습니다. 연구자들은 효율성, 안정성 및 재료를 개선하기 위해 노력하고 있으며, 환경에 미치는 영향을 더욱 줄일 수 있는 생분해성 설계에 대한 연구도 진행하고 있습니다.

노스웨스턴 연구팀은 자신들의 시스템 구성 요소 전부를 일반적인 하드웨어 재료로 조달할 수 있다고 밝혔습니다. 현재 그들은 복잡한 공급망과 분쟁 광물을 사용하지 않고 완전히 생분해 가능한 버전을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.

"코로나19 팬데믹을 통해 우리는 위기가 전자제품의 글로벌 공급망을 어떻게 교란시킬 수 있는지 잘 알게 되었습니다."라고 이번 연구의 공동 저자인 조시아 헤스터 전 노스웨스턴대 교수(현 조지아 공과대학교)는 말했습니다. "우리는 모든 지역 사회가 컴퓨팅을 이용할 수 있도록 지역 공급망과 저렴한 재료를 사용하는 장치를 만들고자 합니다."

이 기술은 대규모 시스템에 전력을 공급하기 위한 것은 아니지만, 농업, 환경 모니터링 및 확장되고 있는 사물 인터넷 분야에서 저전력 장치를 지원하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

핵심 사항

• 과학자들이 자연적으로 발생하는 토양 미생물을 이용하여 전기를 생산하는 새로운 연료 전지를 개발했습니다.
• 이 시스템은 토양 수분을 추적하고 움직임이나 접촉까지 감지하는 지하 센서에 전력을 공급할 수 있습니다.
• 이 제품은 건조한 토양부터 완전히 침수된 환경에 이르기까지 광범위한 조건에서 지속적으로 작동합니다.
• 이 기술은 정밀 농업에 사용되는 센서용 배터리보다 더 깨끗한 대안을 제공할 수 있습니다.

"토양 기반 컴퓨팅: 실용적인 토양 미생물 연료 전지 설계를 위한 엔지니어 가이드"라는 제목의 이 연구는 미국 국립과학재단(NSF, 과제 번호 CNS-2038853), 미국 농무부 산하 국립식량농업연구소의 농업 및 식품 연구 이니셔티브(AFI, 과제 번호 2023-67021-40628), 알프레드 P. 슬론 재단, VMware 연구소 및 3M의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/04/260419054821.htm