대왕조개: 자연에서 가장 효율적인 태양 에너지 시스템

대왕조개는 정밀한 기하학적 구조(광합성 수용체의 역동적인 수직 기둥이 얇은 빛 산란층으로 덮여 있음)를 자랑하며, 이는 지구상에서 가장 효율적인 태양 에너지 시스템이 될 수 있다.

"조개는 강렬한 햇빛 아래에서 활동하기 때문에 많은 사람들에게 직관에 어긋나지만, 실제로는 내부가 정말 어둡습니다"라고 예일 대학교의 물리학 및 생태학 및 진화 생물학 부교수인 앨리슨 스위니(Alison Sweeney)는 말한다. "진실은 조개가 기존의 어떤 태양 전지판 기술보다 태양 에너지 변환에 더 효율적이라는 것입니다."

PRX: Energy에 발표된 새로운 연구에서 Sweeney가 이끄는 연구팀은 대왕조개의 기하학, 움직임 및 광 산란 특성을 기반으로 광합성 시스템의 최대 효율을 결정하기 위한 분석 모델을 제시한다. 이 연구는 자연계의 생물학적 메커니즘을 강조하는 Sweeney 실험실의 일련의 연구 중 최신 연구로, 잠재적으로 새로운 지속 가능한 재료와 디자인에 영감을 줄 수 있다.

연구진은 서태평양 팔라우의 얕은 바다에 서식하는 무지갯빛 대왕조개의 인상적인 태양 에너지 잠재력에 초점을 맞췄다. 이 조개는 광공생하며 표면에 단세포 조류의 수직 실린더를 호스팅한다. 조류는 빛이 홍채세포(iridocytes)라고 불리는 세포층에 의해 산란된 후 햇빛을 흡수한다. 들어오는 빛과 평행한 수직 기둥에 조류를 배열하면 산란된 빛이 각 수직 조류 실린더 주위를 균일하게 감싸기 때문에 효율적인 햇빛 흡수가 가능하다.

대왕조개의 기하학을 기반으로 Sweeney와 그녀의 동료들은 양자 효율(광자를 전자로 변환하는 능력)을 계산하는 모델을 개발했다. 그들은 일출, 한낮의 태양 강도 및 일몰이 있는 열대 지방의 일반적인 날을 기준으로 햇빛의 변동을 고려했다. 초기 양자 효율은 42%였다.

그러나 연구진은 대왕조개가 햇빛의 변화에 반응하여 몸을 쭉 뻗는다는 것을 발견했다. "조개는 하루 종일 움직이고 홈을 파는 것을 좋아합니다"라고 Sweeney는 말한다. "이 스트레칭은 수직 기둥을 더 멀리 이동시켜 효과적으로 더 짧고 넓게 만든다." 이 조정으로 클램 모델의 양자 효율은 67%로 급증했다. 이에 비해 열대 환경에서 녹색 잎 시스템의 양자 효율은 약 14%에 불과하다.

흥미로운 비교는 북부 가문비나무 숲이다. 연구자들은 변동하는 안개와 구름 층으로 둘러싸인 아한대 가문비나무 숲이 더 큰 규모의 대왕조개와 유사한 기하학적 구조와 빛 산란 메커니즘을 공유하며 거의 동일한 양자 효율을 갖는다는 점에 주목한다.

스위니는 "여기서 얻을 수 있는 교훈 중 하나는 생물 다양성을 크게 고려하는 것이 얼마나 중요한지"라고 말했다. "저와 제 동료들은 지구상에서 이 정도의 태양광 효율이 발생할 수 있는 곳이 또 어디 있을지 계속 브레인스토밍을 하고 있다. 생물 다양성이 유지되는 곳에서만 생물 다양성을 연구할 수 있다는 것을 인식하는 것도 중요합니다."

스위니는 "우리는 조개와 산호초에 중요한 문화적 가치를 부여하고 깨끗한 건강을 유지하기 위해 노력하는 팔라우인들에게 큰 빚을 지고 있다"고 덧붙였다. 이러한 사례는 보다 효율적이고 지속 가능한 에너지 기술에 대한 영감과 통찰력을 제공할 수 있다.

"조류를 재배하는 차세대 태양 전지판이나 신축성 있는 재료로 만들어진 저렴한 플라스틱 태양 전지판을 상상할 수 있습니다"라고 Sweeney는 말한다.

이 연구의 추가 공동 저자는 예일대와 국립해양대기청(National Oceanography and Atmospheric Administration) 출신이다. 이 연구는 패커드 재단(Packard Foundation) 펠로우십과 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받았다.  (Impact Lab)