심해를 탐사한다는 것은 거대한 기술적 도전을 의미하는데, 만약 깊은 바다에서 기계에게 전원을 공급할 수 있는 저렴하고 효율적인 방법이 있다고 한다면 많은 것이 극복되어야 할 것이다.

이 문제를 해결하기 위해, 일본 이화학연구소(RIKEN) 지속 가능한 자원과학센터(Center for Sustainable Resource Science)의 류헤이 나카무라(Ryuhei Nakamura)씨를 포함한 협력 연구팀이 전기를 생산하기 위해 해저의 자연 열수분출공(hydrothermal vents)을 사용하는 놀라운 시스템을 실증화해 보였다.

나카무라(Nakamura)씨와 일본 해양연구개발기구(JAMSTEC, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology) 및 동경대학교 동료들은 집안 내의 축전지처럼 실질적으로 작동되는 강력한 로봇시스템을 개발했다.

심해의 구멍에서 분출되는 열수분출액은 전자가 풍부한 이온이 많지만, 해수는 산화되거나 전자가 감소된 이온을 함유하고 있다. 열수분출액에 하나의 전극 그리고 근처의 해수에 다른 전극을 위치시킴으로써, 이 시스템은 전류를 생산하는 화학적 경사를 이루어낸다.

"우리의 최대의 도전은 깊은 해저에서 연료전지로 작동을 위해 원격으로 동작하는 전자화학적 시스템을 원격으로 건설하는 것이었다. 우리는 심해 탐사의 세계적인 전문가인 일본 해양연구개발기구(JAMSTEC)의 마사히로 야마모토(Masahiro Yamamoto) 그룹의 도움에 감사드린다"고 나카무라(Nakamura)씨는 말했다.

연구진들은 세계의 해저를 연구하는 국제적인 협력 프로그램인 통합 해양 드릴링 프로그램(Integrated Ocean Drilling Program) 동안 시추된 인공 구멍 그리고 자연적인 열수분출공에서 그들의 시스템을 시험했다. 두 개 현장 모두에서, 시스템은 3개의 LED 램프의 조명에 충분한 전력을 생산해 내었다.

"이것은 열수분출구에서의 전자화학적 연료전지에 대한 최초의 실증화시험이다. 이전의 시도는 열수분출액과 해수의 온도 차이에 기반을 둔 즉, 연전 변환에 기반을 둔 것이었다. 우리의 방식은 부식에 저항하는 이리듐으로 코팅된 티타늄으로 제작된 특수한 전극 때문에 더욱 효율적"이라고 나카무라(Nakamura)씨는 말했다.

나카무라(Nakamura)씨는 이번에 개발된 신기술이 심해과학의 발전에 실용적으로 도움을 줄 뿐 아니라 이러한 극한 환경에서 어떻게 생물학적 생태계가 에너지원을 탐사하는지에 대한 이해를 높이게 되기를 바란다.

"나는 심해와 같은 태양복사와는 절연된 환경에서의 탄소고정(carbon fixation)에 매우 관심이 많다. 태양 복사로부터 어떠한 입력 에너지가 없기 때문에, 지구 내부에서 방출된 환원 에너지가 모든 생물학적 활동을 유지한다"고 나카무라씨는 말했다.

나카무라(Nakamura)씨와 그의 동료들은 박테리아, 미생물 그리고 동물조차도 에너지 소스로서뿐 아니라 통신 표시로서 전기를 이용한다는 사실을 확인했다. "만약에 우리가 인류가 태어나기 이전에 몇 백만년 동안 자연이 전기에너지를 발굴하고 있었다는 사실을 증명할 수 있다면 그것은 환상적인 일"이라고 그는 말했다.

 

 

 

Exploring the deep oceans presents huge technical challenges, many of which could be overcome if there were some cheap and efficient way to deliver power to machines while at depth.

To tackle this problem, a collaborative research team including Ryuhei Nakamura from the RIKEN Center for Sustainable Resource Science has now demonstrated a remarkable system that uses natural hydrothermal vents on the sea floor to generate electricity.

 

Nakamura and colleagues at the Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) and the University of Tokyo developed a robust robotic system that essentially works like a household battery.

Hydrothermal fluid from deep-sea vents is enriched with reduced or electron-rich ions, while seawater contains oxidized or electron-depleted ions. By placing one electrode in the hydrothermal fluid and another in the seawater nearby, the system creates a chemical gradient that produces an electric current.

 

"Our biggest challenge was to construct remotely operated electrochemical systems for fuel cell operation on the deep sea floor," says Nakamura. "We are grateful for the help of Masahiro Yamamoto's group at JAMSTEC, who are world experts in deep-sea exploration."

 

The researchers tested their system at a natural hydrothermal vent and at an artificial vent drilled during the Integrated Ocean Drilling Program—an international effort to study the world's seabeds. At both sites, the system generated sufficient power to illuminate three light-emitting diode (LED) lamps.

 

"This is the first demonstration of an electrochemical fuel cell at a hydrothermal vent," says Nakamura. "Previous attempts have been made based on the difference in temperature between the hydrothermal fluid and seawater, by thermoelectric conversion. Our method is more efficient thanks to special electrodes we made from an iridium-coated titanium mesh that resists corrosion."

 

Nakamura is hopeful that the new technology will, in addition to benefiting deep-ocean science on a practical level, improve our understanding of how biological ecosystems exploit energy sources in such extreme environments.

 

"I am very curious about carbon fixation in environments that are isolated from solar radiation, such as the deep ocean," he says. "Because there is no input energy from solar radiation, the reductive energy discharged from the Earth's interior sustains all the biological activity there."

 

Nakamura and his colleagues have speculated that bacteria, microorganisms and even animals utilize electricity not only as an energy source but also as a signal for communication. "It would be fantastic if we could prove that nature was exploiting electrical energy millions of years before humans," he says.