[녹색경제신문 = 박진아 유럽 주재기자] 싱가포르 국립대의 과학진이 비 오는 날 떨어지는 빗방울에서 영감받아 전기를 발전시키는 공법을 개발해 미래 에너지 업계에 대체 청정 신재생에너지 해법을 제시할 것으로 보여 주목된다.

빗방울이 하늘에서 떨어지며 자연 생태계나 각종 인공 사물에 부딪히며 발생되는 낙력(落力)은 연료나 비용을 전혀 들이지 않고 천연 자연 현상을 활용해 전기를 발전할 수 있는 천연 에너지 자원이 될 수 있다.

이 연구진이 개발한 빗방울 낙력 원리를 이용한 전기발전 기술은 긴 대롱 모양의 튜브에 수직으로 빗물을 흐르게 하여 물이 관을 통과하면서 발생시키는 원리를 응용한 것으로, 이렇게 발생된 전기에너지로 12개의 발광다이오드(LED) 전구를 밝히는데 성공했다고 서술한 연구 발표문이 미국 비영리 과학단체 아메리칸 케미컬 소사이어티(The American Chemical Society‚ 이하 ACS) 刊 ‚ACS 센트럴 사이언스(ACS Cetnral Science)‘ 지 2025년 호에 게재됐다.

이 기술은 기본적으로 두 가지 서로 다른 소재의 표면이 서로 맞닿으며 마찰을 일으킬 때 전기가 발생하는 ‚정전기(靜電氣, static electricity)‘ 원리를 응용한 것이다. 가령, 합성 플라스틱 소재로 된 빗으로 머리카락을 빗어 내리거나 피부에 고무풍선을 문지르면 전기가 일어나는 것과 같은 이치다.

그와 마찬가지로 물 역시도 어떤 물질의 표면 위로 흐를 때 전하(電荷, charge)를 얻거나 소실하는 반응을 일으킨다.

연구진은 물이 수직 방향의 관을 통해 흐를 때 상당한 양의 전력이 발생한다는 점에 착안해 전력을 가장 효과적으로 생산할 수 있는 특유의 수류(水流, water flow) 패턴을 고안했다고 한다. 

이른바 ‚플러그 수류(plug flow)‘로 이름 된 이 물 흐름 패턴은 폴리머 코팅된 길고 좁은 관에 짧은 '파열(burst) 패턴'을 넣어 설계됐다. 플로그 수류 패턴은 빗물이 관을 통과할 때 표면 부딪힘에 따른 충돌 현상을 극대화시켜 가급적 많은 양의 전기를 발전시키는 역할을 한다.

신재생에너지 업계에서 흐르는 물의 원리는 전기 발전에 널리 응용되는 기술이다. 예컨대, 수력 발전소에서 활용되는 소용돌이 터바인은 강이나 저수지처럼 대량의 물이 있는 곳에서만 활용 가능해서 보다 광범위한 응용이 어려웠다.

연구진은 소량의 물로도 전하를 일으킬 수 있는 방안을 고심한 끝에 물을 좁은 통로 속에서 움직이도록 해 물과 관 내부 표면 사이에서 전하를 발생시키는 해법을 발견했다고 한다.

문제는 좁은 관으로 관통하는 흐르는 물은 전하 분리에 매우 비효율적이고 전기 포집량이 미미하다는 것이다. 연구진은 전기 발전 증량을 유도하기 위해 튜브 속에 금속 소재 바늘을 설치하고 빗방울 크기의 물 방울을 뿜어 넣는 물방울 분출 장치를 설치했다.

물방울이 튜브 입구에서 산발적으로 격하게 분출되며 플로그 수류 현상을 일으키면 튜브 속은 물 기둥과 공기 주머니(에어포켓)가 교대로 들어차게 된다. 이렇게 물이 계속 관 속으로 주입되면서 전하가 분리되고 관 아랫 끝부분에 물이 빠져나와 컵 속에 배출되는데, 이 공정을 통해서 튜브 상단과 컵 속에 배치된 전선에 전기가 포획된다.

연구 실험에 따르면, 이 플러그 수류 전기발전 시스템으로 튜브를 관통해 하단으로 배출된 낙수 에너지 중 10% 이상이 전기로 변환시킬 수 있었다. 또, 실험한 물방울 튜브 관통 실험은 실제 천연 비의 빗방울 낙력 보다 느리기 때문에 천연 빗방울에서 더 많은 전기를 발전할 수 있을 것으로 추측된다.

비의 낙력 원리를 이용한 플러그 수류 시스템은 수력 발전소 보다 설치과 관리가 쉽고 저렴하다는 것이 장점이다. 가령, 주택이나 건물 옥상 등 도시 공간에도 설치 운영될 수 있어 날씨 변화를 이용한 편리하고 가격효율적인 도시형 청정에너지 솔루션이 될 수 있다고 연구진은 주장한다.