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전기 뱀장어와 비슷한 새로운 종류의 발전기

전기 뱀장어의 힘을 이용한 기술을 통해 지속가능한 과학 발전을 타진하는 기사가 2018년 5월 2일 '학생 사이언스뉴스(Science News for Students)'에 실렸다.

  

전기 뱀장어는 고전압 충격으로 먹이를 기절시키는 능력으로 유명하다. 이 생물체에서 영감을 받은 과학자들은 이 장어의 놀라운 비밀을 전기를 만들 수 있는 유연하고 새로운 방법으로 만들기 위해 변형시켰다. 뱀장어의 새로운 인공 전기 “기관”은 일반적인 배터리가 작동하지 않는 상황에서 전력을 공급할 수 있다.

물을 주성분으로 하는 이 새로운 인공 장기는 젖은 곳에서도 작동할 수 있다. 그래서 그 장치는 수영을 하거나 실제 동물처럼 움직이도록 고안된 부드러운 몸체의 로봇에 동력을 공급할 수 있을 것이다. 또한 심장 박동 조절기를 작동시키는 것처럼 신체 내부에서 유용하게 사용될 수도 있다. 그리고 그것은 꽉 쥐는 단순한 움직임을 통해 힘을 발생시키는 것도 가능하다.

 

스위스에 본부를 둔 한 연구팀은 2월 19일 캘리포니아 주 샌 프란시스코에서 열린 과학 회의에서 이 새로운 장치를 설명했다.

전기 뱀장어는 특수 세포를 이용해 전하를 발생시킨다. 전해질로 알려진 이 세포들은 장어의 2미터 길이의 대부분을 차지한다. 수천 개의 세포들이 장어 안에 줄지어 있다. 세포들이 모이면 쌓아 놓은 빵 위의 줄처럼 보인다. 세포들은 근육과 매우 비슷하지만, 동물들이 수영하는 것에는 도움이 되지 않는다. 세포들은 전하를 띤 입자들인 이온들의 움직임을 전기를 발생시키도록 유도한다.

작은 관들이 파이프처럼 세포를 연결한다. 대부분의 경우, 이러한 채널은 양의 전하를 띤 분자(이온)가 세포의 앞과 뒤에서 바깥으로 흐르도록 한다. 그러나 뱀장어가 전기 충격을 주고 싶을 때는 몸이 일부 통로를 열고 다른 경로들을 닫는다. 전기 스위치처럼, 이것은 이제 양극으로 충전된 이온이 통로의 한쪽에서 다른 쪽으로 흐르게 한다.
뱀장어가 움직일 때, 이 이온들은 어떤 곳에서는 양의 전하를 형성한다. 이로 인해 다른 곳에서는 음극이 발생한다. 전하의 차이는 각각의 전기 세포에 전기를 일으킨다. 너무 많은 전해질들로 인해, 이러한 전기는 점점 커진다. 뱀장어는 물고기를 놀라게 할 정도로 강한 충격을 만들어 낼 수도 있고, 말을 떨어뜨릴 수도 있다.
 

점부터 점까지

새로운 인공 장기는 자체적인 전해질을 사용한다. 그것은 장어나 배터리와 전혀 닮지 않았다. 대신에, 색깔 있는 점들이 투명한 플라스틱의 두 장을 덮는다. 전체 시스템은 색깔이 화려하고 유체로 채워진 랩 두 장과 비슷하게 된다.

각 점의 색깔은 다른 젤을 나타낸다. 한 장에는 빨간 색과 파란 색 점이 표시된다. 소금물은 붉은 점의 주성분이다. 파란 점은 담수에서 만들어진다. 두 번째 장에는 초록색과 노란색 점이 있다. 녹색 젤은 양극으로 충전된 입자를 포함한다. 노란색 젤은 이온을 음극으로 충전한다.

전기를 만들기 위해서는, 한 장을 다른 시트 위에 놓고 누른다.

한 시트에 있는 빨간색과 파란색 점은 다른 시트에 있는 녹색과 노란색 점 사이에서 인접한다. 이 빨간색과 파란색 점들은 전해질의 통로처럼 작용한다. 통로들은 충전된 입자들이 녹색과 노란색 점 사이를 흐르게 한다.

뱀장어처럼, 전하의 움직임은 작은 전기를 만든다. 또한 장어와 마찬가지로 많은 점들이 모여 있으면 엄청난 충격을 줄 수 있다.

실험실에서 과학자들은 100볼트를 만들 수 있었다. 이것은 거의 미국의 표준 콘센트가 배달하는 전기의 양과 같다. 연구팀은 지난 12월에 처음으로 네이처 지에 결과를 발표했다.

인공 장기는 만들기 쉽다. 충전된 젤은 3D프린터로 인쇄할 수 있다. 그리고 주요 성분이 물이기 때문에 이 시스템은 비용이 많이 들지 않는다. 그리고 또한 시스템의 기복이 작다. 압박을 받고, 으깨지고 늘어난 후에도, 젤은 여전히 작동한다. "우리는 시스템이 무너질까 봐 걱정할 필요가 없습니다"라고 토마스 슈뢰더(Thomas Schroeder)는 말한다. 그는 안리반 구하(Anrivan Guha)와 함께 연구를 이끌었다. 둘 다 프리부르크 대학의 스위스 대학원생이다. 그들은 생물 물리학 또는 물리학 법칙이 생명체에서 어떻게 작용하는지를 연구한다. 뱀장어의 팀은 앤 아버(Ann Arbor)에 있는 미시간 대학의 한 그룹과 협력하고 있다.
 

새로운 생각

수백 년 동안 과학자들은 전기 뱀장어가 어떻게 작동하는지 모방하려고 애써 왔다. 1800년에, 이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타(Alessandro Volta)는 최초의 배터리 하나를 발명했다. 그는 그것을 "전기 더미"라고 불렀다. 그리고 그는 이것을 전기 뱀장어를 바탕으로 디자인했다.

“‘전기 뱀장어’를 ‘공짜’전기를 만들어 내는 데 사용하는 것에 대한 많은 노력이 있었습니다.”라고 데이비드 라반(David LaVan)은 말했다. 그는 미국 게이더스버그에 있는 국립 표준 기술 연구소의 재료 과학자이다.
라반은 새로운 연구에 착수하지 않았다. 하지만 10년 전에 그는 장어 한 마리가 얼마나 많은 전기를 생산하는지 측정하는 연구를 주도했다. 장어는 그다지 효율적이지 않다는 것이 밝혀졌다. 그와 그의 팀은 작은 충격을 주기 위해 장어가 음식의 형태로 많은 에너지를 필요로 한다는 것을 발견했다. 따라서 장어의 세포들은 ‘태양열이나 풍력 같은 다른 재생 가능한 에너지원을 대체할 것 같지 않다’는 결론이다.

하지만 그것이 뱀장어가 유용할 수 없다는 것을 의미하지는 않는다. 그는 "금속 폐기물이 없는 소량의 전력을 원하는 용도로 사용할 경우" 전기 뱀장어는 매력적입니다, “라고 말한다.

예를 들어 소프트 로봇은 적은 양의 힘으로 달릴 수 있다. 이러한 장치는 혹독한 환경으로 들어가도록 설계되었다. 장치들은 해저나 화산을 탐험할지도 모른다. 이 장비들은 생존자를 찾기 위해 재해 지역을 수색할지도 모른다. 이와 같은 상황에서는, 물에 젖거나 막히더라도 전원이 꺼지지 않는 것이 중요하다. 슈뢰더는 또한 젤 그리드 접근 방식이 콘택트렌즈와 같은 다른 놀라운 곳에서 전기를 발생시킬 수도 있다고 지적한다.

슈뢰더는 팀이 인공 장기를 위한 방법을 제대로 만들기 위해 많은 시행착오를 거쳤다고 말한다. 그는 3-4년 동안 그 프로젝트에 매달렸다. 그 시간 동안 그들은 많은 다른 버전을 만들었다. 처음에는 연구자들은 젤을 사용하지 않았다. 뱀장어는 전해질의 막을 닮은 다른 합성 물질을 사용하려고 했다. 하지만 그 재료들은 부서지기 쉽다. 합성 물질은 시험 중에 자주 떨어지기도 했다.

젤은 단순하고 내구성이 있다는 사실을 발견했다. 하지만 뱀장어는 작은 전류만을 생산한다. 너무 작아서 쓸모가 없는 것이다. 연구원들은 젤 점의 격자를 크게 만들어 이 문제를 해결했다. 두 장 사이에 있는 점들을 나누면 젤이 장어의 통로와 이온을 흉내 낼 수 있다.

연구원들은 현재 장기가 훨씬 더 잘 활동하게 하는 방법을 연구하고 있다.

 

 

유예원

지속가능저널  sustainability@sjournal.kr

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