조나단 트렌트: 미세조류에서 추출하는 에너지

몇년 전, 저는 바이오연료 개발에 대한 연구를 시작했습니다. 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 동시에, 농업에 필요한 물과 비료와 토지에 위협이 되지 않는 바이오연료를 만들고 싶었던 것입니다.

그러던 중 이런 아이디어를 구상하게 되었습니다. 물결에 자연스럽게 떠다닐 수 있도록 고안된 신축성 좋은 밀폐용기에 폐수와 석유를 생산하는 미세조류(물속에서 광합성하는 단세포 생물)를 채워 얕은 물속에 띄워놓고 배양하자는 아이디어인데요. 물론, 여기서 우리가 배양하려는 미세조류는 태양에너지를 받고 자라며 고맙게도 이산화탄소를 흡수하고 산소를 배출합니다. 이 조류들이 자라면서 배출하는 열기는 용기 밖의 주변 물속으로 발산되며, 이 조류들을 채취, 가공하여 바이오연료 뿐만 아니라 화장품과 비료와 가축사료도 만들 수 있습니다. 물론, 그 정도의 성과를 거두려면 대규모 양식장으로 확장시켜야 하고, 그럴 경우, 근안을 운항하는 배나 어부들과 같은 이해관계자들과 갈등이 빚어지기 일쑤겠지요. 하지만 무엇보다 중요한 건, 우리가 하루 빨리 기존의 화석연료를 대체할 만한 액체 연료를 개발해야 한다는 것입니다.

그렇다면 왜 하필 '미세조류'냐구요? 지금 보이는 그래프는 바이오연료의 생산에 쓰일 가능성이 있는 다양한 종류의 농작물을 나타낸 건데요, 에이커(acre)당 연간 50갤런(gallon)의 바이오 연료를 생산하는 대두라든지, 해바라기나 캐놀라나 자트로파나 야자나무가 있고요. 저기 보이는 긴 막대그래프가 가리키는 것이 바로 미세조류입니다. 즉, 미세조류들은 에이커 당 연간 2,000~5,000 갤런의 바이오 연료를 생산합니다. 에이커당 연간 50갤런을 생산하는 대두와는 비교가 되죠.

그렇다면 미세조류란 무엇일까요? 미세조류란 매우 작은 -- 그러니까, 극단적으로 작은, 사람의 머리카락과 단세포 생물인 미세조류를 비교한 이 사진에서도 볼 수 있듯이, 미세조류는 매우 작습니다. 수백만년 전부터 있어 왔던 이 작은 유기체들은 수천가지의 다양한 종류에 이르기까지 크게 번식하여 세상에 살고 있습니디. 그 중에는 지구상 가장 빠르게 성장하는 식물종도 있으며 앞서 말했듯이, 엄청나게 많은 양의 기름을 생산합니다.

그렇다면 왜 미세조류를 연안에서 키우려는 걸까요? 사실을 말씀드리자면 해안 도시들을 고려해봤을 때 우리에겐 선택의 여지가 없습니다. 미세조류들을 배양시킬 폐수를 얻어야 하는데 보다시피 폐수처리시설들은 대부분 해안도시에 건설되어 있거든요. 일례로, 위 사진의 샌프란시스코는 900마일이나 되는 하수관을 통해 폐수를 앞바다에 쏟아 버립니다. 물론 폐수처리방식은 도시마다 가지각색이에요. 폐수를 정화하는 도시들이 있는가 하면 어떤 도시에선 바로 쏟아버리죠. 하지만 정화가 되었든, 되지 않았든 폐수는 미세조류를 키우기에 딱 적합한 환경입니다. 자 그럼 이 시스템이 어떻게 작동되는지 볼까요? (Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae) '미세조류 연안 양식장'의 앞글자를 따서 '오메가'라고 짧게 불리는 시스템입니다. 나사(NASA)에서는 멋진 이니셜을 따는 게 중요하거든요.

자, 그럼 이런게 어떻게 작용하느냐고요? 이미 어느 정도는 보여드렸는데요. 물 위를 떠다닐 수 있도록 고안된 용기에 폐수와 이산화탄소를 넣는 겁니다. 미세조류들은 폐수에서 영양분을 얻어 자라겠죠. 또 이들이 없다면 온실가스가 되어 대기 중으로 방출되었을 이산화탄소를 흡수합니다. 물론 이 해조류들은 태양에너지를 받으며 자라고 해면의 파도를 통해 서로 골고루 섞이게 되며, 해조류들이 자라는 지역의 온도는 주변 바닷물의 온도에 의해 고르게 유지될 것입니다. 게다가, 앞서 언급했듯이, 미세조류들은 산소, 바이오연료, 비료와 가축사료, 그밖의 유용한 바이오 물질을 만들어냅니다.

이 시스템은 각 묘듈마다 독립적으로 운영됩니다. 일례로, 이 시스템의 묘듈 중의 하나에 예상치못한 문제가 생겼다고 가정해보죠. 한 묘듈이 번개를 맞아 폐수가 새고 있습니다. 하지만 걱정할 필요는 없습니다. 여기서 새고 있는 폐수는 이 시스템이 없었더라도 어차피 바다로 버려졌을 테고, 폐수 속의 조류들은 자연적으로 분해될 수 있는데다가 폐수에서 살던 조류는 깨끗한 물, 그러니까 소금물 속에서 살 수 없기 때문에 자연적으로 죽을 것입니다. 또 이 시스템을 건축하는 데 필요한 플라스틱은 예전에 쓰던 플라스틱에서 추출해 묘듈을 새로 짓는데에 재활용될 것입니다.

우리는 여기서부터 한걸음 더 생각을 발전시킬 수 있을 것입니다. 예를 들어 미래에는 깨끗한 물을 얻는 것이 큰 이슈가 될 것이므로 우리 연구원들은 지금 폐수를 정화시키는 방법을 연구하고 있습니다.

우리가 눈여겨 볼 또 다른 점은 시스템의 구조 자체입니다. 이 구조물은 바다 위에 표면을 만드는데 이 표면은 해초같은 바닷속의 유기체들로 덮어싸여 수중 생물들의 서식지를 보호하고 생물의 다양성을 증가시킬 것입니다. 연안에 지어질 시스템이므로 이 시스템이 바닷속에서 일어나는 일들에 끼칠 영향을 고려해볼 수 있겠죠.

여러분은 아마도, "아이디어는 좋네. 그런데 실현가능할까?" 이렇게 생각하실 겁니다. 그래서 산타 크루즈의 '캘리포니아 낚시와 양식업 시설'에 연구실을 세웠는데요. 그 시설에서 우리가 이 시스템을 실험해 볼 수 있는 커다란 바닷물 탱크를 만들 수 있었습니다. 또 샌프란시스코의 폐수 정화 시설 세 군데 중 한 곳에 실험 장치를 세웠습니다. 이 시스템을 실험하기 위해서죠. 마지막으로 우리는 이 시스템이 해양의 환경에 어떤 영향을 미칠지 알기 위해 몬터레이 만에 있는 '모스 랜딩 해양 연구소'라는 곳에 현장 연구실을 설치했어요. 그곳의 항구에서 우리는 이 시스템이 해양 생태계에 미칠 영향을 연구했죠.

산타 크루즈에 설립한 연구소에서 가능성을 타진하는 실험이 진행되었습니다. 여기가 바로 우리가 미세조류들을 키우고, 플라스틱을 용접하고, 도구들을 만들던 곳이에요. 시행착오도 많이 겪었지만요. 아니, 에디슨이 말했듯이 10.000번의 과정을 거친 걸 수도 있겠죠. 그렇게 우리는 폐수에 미세조류들을 풀고, 조류들의 일생과, 성장하는 과정, 이 생물체들이 좋아하는 것, 또 이 생물체들이 번성하게 하려면 어떻게 해야하는지 등을 모니터링할 수 있는 장비를 세웠습니다. 결국 우리가 개발해야 했던 가장 중요한 것은 소위 PBR이라는 것이었는데요. PBR이란, 저렴한 플라스틱으로 만든, 해수면 위를 둥둥 떠다니며 미세조류가 잘 자라도록 돕는 장비인데요, 이 장비를 만들기 위해 여태껏 설계해놓은 수많은 계획들은 대부분 실패했지만, 결국 제대로 작동하는 30갤런 정도의 설계모델을 만들게 되었죠. 그 크기를 늘여 샌프란시스코에는 450 갤런의 장비를 만들었습니다.

자 이제 이 시스템이 어떻게 작동하는지 보겠습니다. 미세조류를 골라서 폐수에 풀어놓은 다음 이 둥둥 떠다니는, 신축성이 좋은 튜브식 구조물을 통해 순환시킵니다. 물론 표면에서 미세조류들은 햇빛과 영양분을 받고 자랍니다.

하지만 이건 밀폐된 비닐봉지에 갇혀있는 것과 같아요. 미세조류들은 이산화탄소에 질식하는 우리들과는 반대로 이산화탄소를 흡수하고 산소를 내뿜기 때문에 이산화탄소가 고갈되고 산소만 많아지게 되면 문제가 발생할 수 있습니다. 그래서 우리가 직면한 다음 문제는 산소를 어떻게 빼낼수 있는가였죠. 그래서 우리는 물을 순환시켜서 산소를 뽑아낸 다음 이산화탄소 거품을 집어넣을 수 있는 통로를 설치했습니다. 이게 바로 그 아이디어의 원본입니다. 가장 처음 만들어진 모델이죠. 그리고 이건 나중에 샌프란시스코에 설치된 것으로 원형보다 조금 크게 설비되었습니다.

이 아이디어의 또 다른 장점을 소개해 드리겠습니다. 여기에 자리잡은 조류들이 수직 통로에 쌓이게 되어, 조류 덩어리를 채취하는 것이 매우 수월해 졌습니다. 그 다음으로 할 일은 통로 바닥으로 떨어져 밀집된 미세조류들을 채로 건져내 바이오연료를 채취하는 것입니다.

앞에서 저는 이 시스템이 해양 생태계에 미칠 영향을 조사하려고 하는데, '모스 랜딩 해양 연구소'의 현장 연구소에서 관련 실험 시설을 설치한 적이 있다고 말씀드렸죠. 조류들이 지나치게 많이 번식하자 우리 연구원들이 조류들의 개체 수를 줄일 수 있는 방법을 강구할 필요를 느끼는 중에, 바닷속의 생물들과 바다새들이 함께 살아가는 상호작용을 떠올렸는데요. 실은 어떤 수달은 우리가 만든 구조물이 신기했는지 이따금씩 찾아와 떠있는 워터배드에서 놀더군요. 우리는 이 수달친구를 우리 직원으로 데려와 청소를 하도록 시키려고 생각중인데 아직까진 어려울 것 같네요.

어쨌든, 우리는 크게 4개의 영역에서 작업 중이고요. 일단 조사 작업을 통해 시스템의 생물학적 원리, 즉, 미세조류들이 성장하는 과정 미세조류의 천적 등을 조사하고 있습니다. 그리고 이러한 시스템 건축에 무엇이 필요한지 이해하기 위해 엔지니어링을 동원하고 있습니다. 궁극적으로 이 시스템을 필요한 정도로, 대규모로 확장시키기 위해 어떻게 해야 하는가에 대해 연구하는 것이죠. 또 앞에서 새들과 해양포유류의 상호작용을 언급했던 것처럼 우리가 설계한 시스템이 환경에 어떤 영향을 미치는가에 주목했습니다. 마지막으로 경제적인 측면을 고려해 보았는데요. 여기서 경제적인 측면이란, 이 시스템을 가동시키는 데 어떤 에너지가 필요한지에 대한 연구입니다. 과연 이 시스템을 작동시켜서 투입되는 에너지보다 충분히 많은 에너지를 얻을 수 있을까요? 가동 비용은 어떻게 해결해야 할까요? 자본애 드는 비용은 또 어쩌고요? 총괄적인 경제적 문제는 어떻게 해결하나요?

결코 쉽게 해결될 문제가 아닙니다. 근본적으로 시스템의 작동 여부를 결정하는 데에 있어서도 아직도 직면해야 할 문제가 많이 남아있어요. 하지만 우리에게 주어진 시간은 길지 않아요. 자 그럼 예술가의 관점에서 이 시스템을 바라본다면 어떨까요? 여러분이 보호수역으로 지정된 만(灣)에 있다고 가정해보세요. 그런데 사진에서처럼, 이 만(灣)에는 하수처리 시설을 통해 폐수가 쏟아져 나오고 있고, 굴뚝을 통해 이산화탄소가 마구 뿜어나오고 있다고 해보죠. 이 만(灣)을 지키기 위해 오메가 시스템을 설치하고 싶지만 경제성을 따졌을 때 돈이 턱없이 부족합니다. 하지만 여기서, 시선을 조금만 바꿔보세요. 이 시스템으로 폐수를 정화할 수 있다는 점, 탄소를 억제할 수 있다는 점, 훗날에는 광전지 패널을 설치할 수 있다는 점. 파력과 풍력을 얻을 수 있다는 점을 생각해보세요. 나아가 이 모든 항목들을 아우르는 양식 시설을 만들 수도 있을 것입니다. 다시 말해 이 구조물 아래에 조개 양식장을 설치해 홍합이나 가리비나 굴처럼 고품질의 해산물을 키우자는 겁니다. 이 시스템을 점점 크게 확장시켜나가 결국 연료 공급원으로 사용할 수 있을 만큼 커지면 이를 바탕으로 시장이 돌아가기 시작하겠죠.

결국 과제는 항상 있기 마련입니다. 최근 바다에 버려진 플라스틱에 문제가 대두되고 있는 상황에서 우리 팀은 '요람에서 요람으로'라는 생각으로 이 문제와 대면했어요. 오메가 시스템에 사용되는 플라스틱을 나중에 다 어떻게 처리하냐의 문제와 말입니다. 여러분도 알고 계실 수 있지만 캘리포니아에서는 어마어마한 양의 플라스틱이 플라스틱 피복(Plastic Mulch)으로 사용되고 있습니다. 토지 표면을 덮고 있는 이 플라스틱은 온실 효과를 일으켜 토양의 온도를 높여줌으로써 농작물 재배기간을 늘려주고, 잡초량을 통제할 수 있게 해줍니다. 또, 농작물에 물주는 일의 효율성을 크게 높여주죠. 마찬가지로 오메가 시스템에 쓰이는 플라스틱도 바다에서 다 쓰고 나면 토지에서 피복재로 사용할 수 있을 것입니다.

그럼 이걸 어디다 설치해야 할까요? 또 바다에 설치되면 어떤 모습일까요? 이건 샌프란시스코에 오메가 시스템을 가상으로 설치한 구상도인데요. 샌프란시스코는 하루에 6,500만 갤런의 폐수를 버린다고 합니다. 폐수를 처리하는데 5일이 걸린다면 3억2천5백만 갤런의 폐수를 수용할 공간과 비용이 필요합니다. 샌프란시스코 만에 약 1,280 에이커의 오메가 모듈을 설치했을 때와 맞먹는 폐수 수용량이죠. 그리고 그건 샌프란시스코 만의 면적의 1퍼센트도 차지하지 않습니다. 에이커당 연간 2,000 갤런, 즉, 200만 갤런 이상의 연료가 생산될 것입니다. 이로써 샌프란시스코에서 필요로 하는 총 디젤 연료의 약 20퍼센트를 바이오디젤로 대체할 수 있는 양입니다. 효율성 문제를 전혀 따지지 않더라도 말이죠.

훗날 이 시스템을 또 어디에 설치하면 좋을까요? 가능성은 열려 있습니다. 물론 언급했듯이, 샌프란시스코 만도 있을 수 있겠네요. 샌디에이고 만, 모빌 만이나, 체사픽 만도 마찬가지고요. 하지만 사실, 해수면이 상승하면, 우리에겐 이밖에도 많은 후보지가 생길 겁니다. (웃음)

결국 제가 말하고 싶은 것은 통합적 시스템입니다 바이오연료 생산을 대체에너지로 통합하고 대체에너지는 해양양식업으로 통합하는 거죠.

저는 환경친화적 바이오연료를 개발하기 위한 혁신적인 방법을 찾자는 목표로 이 연구를 시작했지만, 그 과정에서 제가 발견한 것은 지속적이 되기 위해서 요구되는 것이 혁신을 넘어 선 통합이라는 점이었습니다.

장기적인 안목에서 제겐 희망이 보입니다. 모든 조건을 하나로 잇는 오메가 시스템의 독창성에 자신이 있기 때문입니다 열린 사고를 가지고 이 문제를 바라볼 수 있다면 가능성은 무한하다고 생각합니다. 사람들에게 인정을 받느냐는 중요하지 않습니다. 이젠 미래에 발생할 문제들에 대해 지속 가능하고 다양한 환경친화적 대안이 많이 제시될 것입니다. 모든 방면에서 문제를 바라보도록 하면 좋겠습니다. 알파부터 오메가까지 모든 방면에서 말입니다. 감사합니다. (박수) (박수) 크리스 앤더슨: 조나단, 잠깐 질문 하나 할게요. 이 프로젝트를 지금처럼 나사(NASA)의 자금만으로 운영할 계획인가요? 아니면, 이 일을 착수시키기 위해 야심찬 그린 에너지 기금이라도 모아야 하나요? 조나단 트렌트(강연자): 현재 나사에서는 이 프로젝트를 되도록이면 연안에서 실행하려고 하는 추세입니다. 그런데 미국내에서 실행하려면 제한된 허가증 문제나 허가증을 받기까지 걸리는 시간 등과 같이 아직 고려해야 할 사항들이 많습니다. 지금 이 시점에서 필요한 것은 외부에 있는 사람들입니다. 그런 이유에서 우리의 프로젝트는 관심있는 누구라도 같이 참여해서 실용화 단계로 발전시키는 데에 기여할 수 있도록 철저히 개방되어 있습니다. 크리스: 흥미롭네요. 당신은 이걸로 특허를 내는게 아니라 대중들과 공유하고 싶다는 것이군요. 조나단: 물론이죠. 크리스: 그렇군요. 감사합니다. 조나단: 감사합니다. (박수)