새로운 전기 발전기(electrical generator)는 이용되지 않은 동력인 증발하는 수분(evaporating water)을 사용하기 위하여 박테리아 포자(bacterial spore)를 활용한다고 미국 하버드 대학(Harvard University) 산하 Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering 소속 연구진은 밝혔다. 연구진은 일광으로 따뜻해진 연못과 항구로부터 습도(humidity)의 변화로 추진되는 전기 발전기를 예견했다.

시제품 발전기는 포자로 한쪽 위를 코팅한 고무판의 움직임을 이용하여 작동한다. 솔방울이 건조될 때 열리는 것처럼, 시트는 건조될 때 구부러지고 습도가 증가할 때 똑바로 펴진다.

 

이렇게 앞뒤로 구부러짐으로써 포자가 코팅된 시트 또는 작은 널빤지가 움직임을 추진하는 작동 장치처럼 작용할 수 있으며, 이 움직임은 전기를 생산하는 데 이용될 수 있다.

만약 이 기술이 성공적으로 개발된다면, 이것은 매우 유망한 최종 단계가 될 것이라고 이 연구를 주도한 Ozgur Sahin 박사는 밝혔다.

 

Sahin은 Wyss Institute Core Faculty 소속의 L. Mahadevan, 로욜라 대학 시카고 캠퍼스(Loyola University Chicago) 산하 스트리치 의과대학(Stritch School of Medicine) 소속의 Adam Driks 박사 등과 공동으로 연구를 수행했다.

수분 증발(water evaporation)은 자연에 존재하는 가장 큰 동력 공급원이라고 Sahin은 밝혔다. 일광은 해양과 부딪혀 해양을 가열시키고, 증발을 통하여 에너지가 해양을 떠나게 되어야만 한다고 그는 설명했다.

 

만약 당신이 에베레스트 산 정상에 모든 얼음을 생각한다면, 이러한 거대한 양의 재료가 상승한다고 생각해볼 수 있다. 증발에는 에너지가 있지만, 이러한 미묘한 변화는 볼 수 없다. 지금까지 전기를 생산하기 위하여 이 에너지를 이용한 사람은 없었다.

Sahin은 새로운 습도로 추진되는 발전기(humidity-driven generator)의 아이디어를 추적할 때, 그는 Mahadevan이 물리적 견해로부터 유사한 문제를 조사해왔다는 것을 알았다.

 

특히 그는 물이 있는 접시에 놓인 티슈 같은 인간이 만든 재료뿐 아니라 솔방울, 잎 및 꽃 등과 같은 생물학적 재료를 포함한 재료들을 수분이 어떻게 변형시키는지 특성화했다.

Sahin은 이러한 연구들 중 하나에 대하여 Mahadevan과 Driks와 협력했다. 고초균(Bacillus subtilis)이라고 불리는 토양 박테리아는 단단하고 휴면기 포자를 형성하기 위하여 포도가 건포도가 되는 것처럼 건조할 때 주름이 생긴다. 결과는 그 이유를 설명한다.

 

포도가 다시 변형될 수 없는 건포도로 변형되는 것과는 달리, 포자는 물을 흡수할 수 있고 거의 원래의 형태로 즉시 복원될 수 있다. Sahin은 포자가 가역적으로 수축되기 때문에, 포자가 에너지를 저장해야만 한다는 것을 깨달았다.

 

사실, 포자는 단단하지만 아직까지 상당히 팽창 및 수축할 수 있기 때문에, 특히 에너지를 저장하는데 우수하다고 연구진은 예측했다.

수분 수준의 변화가 이러한 포자를 변형시키기 때문에, 이러한 재료를 함유하는 장치는 변화하는 수분 수준에 대하여 움직일 수 있어야 한다고 Mahadevan은 밝혔다. 최근 Ozgur는 이것이 실제적으로 어떻게 사용될 수 있는지 매우 정확하게 보여주었다.

Sahin은 포자의 에너지를 측정하기 위하여 처음으로 준비했을 때, 그는 깜짝 놀랐다. 그는 맞춤 제작된 원자 현미경에서 수분으로 유발된 힘을 측정할 것을 기대하며 작고, 유연한 실리콘 판자(silicon plank) 위에 포자를 함유한 농도가 짙은 용액을 배치했다.

 

그러나 Sahin이 실리콘 판자를 삽입할 수 있기 전, 그는 육안으로 실리콘 판자가 구부러지고 펼쳐지는 것을 확인했다. 그가 숨을 들이 마시고 내뱉는 과정은 습도를 미묘하게 변화시켰으며, 포자가 반응했다. Sahin은 이것이 매우 강력한 과정이라는 것을 인식했다고 밝혔다.

실제로 건조하고 햇빛이 비추는 날의 습도에서 습하고 안개가 끼는 단순하게 증가하는 습도는 유연하고 포자가 코팅된 판자를 인간의 근육보다 1000배 이상 더 강력한 힘 또는 공학자들이 작동 장치(actuator)를 구축하기 위하여 현재 사용하고 있는 다른 재료보다 최소 10배 이상 큰 힘을 생성하게 해준다는 사실을 Sahin은 발견했다.

 

사실 1파운드의 건조한 포자의 수분을 공급하는 것은 지상에서 자동차를 1미터 높이로 들어 올리는데 충분한 힘을 생성할 수 있다.

이러한 작동 장치를 구축하기 위하여 Sahin은 가장 유망한 재료로 고무 위에 정착시키기 위하여 실리콘, 고무, 플라스틱 및 에너지를 저장하는 접착용 테이프 등과 같은 재료가 얼마나 포자가 잘 코팅되는지를 시험했다.

 

이후 그는 소형 팬, 자석 및 포자로 코팅된 캔틸레버 등으로 이루어진 Legos™의 단순한 습도로 추진되는 발전기를 구축했다. 캔틸레버는 수분에 반응하여 앞뒤로 뒤집힐 때, 이 장치는 자석을 회전시켜 전기를 생산한다.

 

Sahin의 시제품은 증발로 배출되는 작은 퍼센트의 에너지만을 포착할 수 있지만, 포자를 더 강경하고 탄력 있게 유전 공학적으로 개선할 수 있을 것이다. 실제로 초기 실험에서, Driks가 제공한 돌연변이 가계의 포자는 정상 가계보다 2배 더 많은 에너지를 저장했다.

태양과 풍력 에너지는 일광이 비추지 않거나 바람이 불지 않을 때 비약적으로 변동한다. 그리고 우리는 오랫동안 그리드에 동력을 공급하기 충분한 저장 방안을 확보하지 못했다고 Wyss 연구소 자금 책임자인 Don Ingber 박사는 밝혔다.

 

만약 습도에서 변화가 이러한 새로운 발전기의 규모를 확대한 버전을 이용하여 야간과 주간에 전기를 생성하는 데 이용될 수 있다면, 새로운 유형의 재생 에너지 자원을 절대적으로 필요로 하는 세상에 공급될 수 있을 것이라고 Ingber는 밝혔다.

이 연구에 대해서는 미구 에너지부(DOE; U.S. Department of Energy), Rowland Junior Fellows Program 및 하버드 대학 Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering 등이 지원했다. Sahin, Driks 및 Mahadevan 등과 더불어 콜롬비아 대학 박사 후 연구원인 Xi Chen 등이 주저자로 참여했다.

 

 

 

 

 

A new type of electrical generator uses bacterial spores to harness the untapped power of evaporating water, according to research conducted at the Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering at Harvard University. Its developers foresee electrical generators driven by changes in humidity from sun-warmed ponds and harbors.

 

The prototype generators work by harnessing the movement of a sheet of rubber coated on one side with spores. The sheet bends when it dries out, much as a pine cone opens as it dries or a freshly fallen leaf curls, and then straightens when humidity rises.

 

Such bending back and forth means that spore-coated sheets or tiny planks can act as actuators that drive movement, and that movement can be harvested to generate electricity.

 

"If this technology is developed fully, it has a very promising endgame," said Ozgur Sahin, Ph.D., who led the study, first at Harvard's Rowland Institute, later at the Wyss Institute, and most recently at Columbia University, where he's now an associate professor of biological sciences and physics.

 

Sahin collaborated with Wyss Institute Core Faculty member L. Mahadevan, Ph.D., who is also the Lola England de Valpine professor of applied mathematics, organismic and evolutionary biology, and physics at the School of Engineering and Applied Sciences at Harvard University, and Adam Driks,Ph.D., a professor of microbiology and immunology at Loyola University Chicago Stritch School of Medicine.

 

Water evaporation is the largest power source in nature, Sahin said. "Sunlight hits the ocean, heats it up, and energy has to leave the ocean through evaporation," he explained.

 

"If you think about all the ice on top of Mt. Everest — who took this huge amount of material up there? There's energy in evaporation, but it's so subtle we don't see it." But until now no one has tapped that energy to generate electricity.

 

As Sahin pursued the idea of a new humidity-driven generator, he realized that Mahadevan had been investigating similar problems from a physical perspective. Specifically, he had characterized how moisture deforms materials, including biological materials such as pinecones, leaves and flowers, as well as man-made materials such as a sheet of tissue paper lying in a dish of water.

 

Sahin collaborated with Mahadevan and Driks on one of those studies. A soil bacterium called Bacillus subtilis wrinkles as it dries out like a grape becoming a raisin, forming a tough, dormant spore. The results explained why.

 

Unlike raisins, which cannot re-form into grapes, spores can take on water and almost immediately restore themselves to their original shape.

 

Sahin realized that since they shrink reversibly, they had to be storing energy. In fact, spores would be particularly good at storing energy because they are rigid, yet still expand and contract a great deal, the researchers predicted.

 

"Since changing moisture levels deform these spores, it followed that devices containing these materials should be able to move in response to changing humidity levels," Mahadevan said. "Now Ozgur has shown very nicely how this could be used practically."

 

When Sahin first set out to measure the energy of spores, he was taken by surprise. He put a solution thick with spores on a tiny, flexible silicon plank, expecting to measure the humidity-driven force in a customized atomic force microscope.

 

But before he could insert the plank, he saw it curving and straightening with his naked eye. His inhaling and exhaling had changed the humidity subtly, and the spores had responded. "I realized then that this was extremely powerful," Sahin said.

 

In fact, simply increasing the humidity from that of a dry, sunny day to a humid, misty one enabled the flexible, spore-coated plank to generate 1000 times as much force as human muscle, and at least 10 times as much as other materials engineers currently use to build actuators, Sahin discovered.

 

In fact, moistening a pound of dry spores would generate enough force to lift a car one meter off the ground.

 

To build such an actuator, Sahin tested how well spore-coated materials such as silicon, rubber, plastic, and adhesive tape stored energy, settling on rubber as the most promising material. Then he built a simple humidity-driven generator out of Legos™, a miniature fan, a magnet and a spore-coated cantilever.

 

As the cantilever flips back and forth in response to moisture, it drives a rotating magnet that produces electricity.

 

Sahin's prototype captures just a small percentage of the energy released by evaporation, but it could be improved by genetically engineering the spores to be stiffer and more elastic. Indeed, in early experiments, spores of a mutant strain provided by Driks stored twice as much energy as normal strains.

 

"Solar and wind energy fluctuate dramatically when the sun doesn't shine or the wind doesn't blow, and we have no good way of storing enough of it to supply the grid for long," said Wyss Institute Founding Director Don Ingber, M.D., Ph.D. "

 

The work was funded by the U.S. Department of Energy, the Rowland Junior Fellows Program, and the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University. In addition to Sahin, Driks and Mahadevan, the authors included Xi Chen, a postdoctoral research associate at Columbia University.