비행 연료를 '이산화탄소'에서만 뽑는다.

글을 시작하면서

지난주 포르투갈 리스본에서 개최된 '웹 서밋 2024'의 핵심 의제 중 하나는 기후변화였다. 특히 탄소를 포집하여 에너지원으로 변환하는 스타트업 'Twelve'가 주목을 받았다.

MIT Technology Review가 선정한 유망 스타트업 Twelve의 공동창업자 겸 과학 총괄 책임자(CSO, Chief Science Officer) 에토샤 케이브의 기조연설이 콘퍼런스의 첫 세션으로 선정된 것 자체가 '기후변화'에 대한 메시지였다. 이는 웹 서밋 개최 직전, 행사장인 리스본에서 약 890킬로미터 떨어진 스페인 발렌시아가 사상 유례없는 폭우 피해를 입은 시점과 맞물린다.

"기후 시대를 위해 설계된 화석연료 없는 화학 회사"를 표방하는 Twelve는 공기 중 이산화탄소를 포집해 항공 연료와 다양한 소비재로 전환하는 기술을 보유하고 있다. 시장에서는 이산화탄소 포집이 실제로 실현될 경우, 경제 성장과 환경 보호가 양립할 수 있는 패러다임이 될 것으로 전망하고 있다.

약 20분간 진행된 이날 세션을 다음과 같이 세 가지 주제로 정리하였다.

1. 나무의 광합성을 산업화한 획기적 탄소 변환 기술의 상용화 성공
2. 탄소 포집 기술 산업화 본격화와 바이오연료 대비 500배 향상된 자원 효율성
3. 탄소를 포집한 항공유를 통한 항공 산업의 혁신

이하 본문에서는 이 세 가지 주제를 중심으로 상세히 다루고자 한다.

1. 획기적 탄소 변환 기술 상용화 성공

이산화탄소와 물, 그리고 전기만을 활용하여 새로운 탄화수소 분자를 생성하는 기술을 기반으로 Twelve는 세계적 주목을 받았다. 나무가 공기 중의 이산화탄소와 물을 흡수하고 햇빛을 이용해 당분을 만들어내는 것과 같이, Twelve의 기술은 금속 촉매와 전기를 사용해 이산화탄소와 물을 분해하고 재조합하여 새로운 탄화수소 분자를 생성한다.

이 혁신적 기술의 시작은 일본의 요시오 호리 교수의 연구였다. 호리 교수는 탄산수에 금속 띠를 넣고 전기를 가했을 때 탄화수소 분자가 생성되는 현상을 발견하고 이를 논문으로 발표하였다. 당시 스탠퍼드 대학원생이었던 Twelve의 CSO 에토샤 케이브는 이 논문을 접하고 그 잠재력을 확인했으며, 공동창업자인 켄드라 쿨 박사와 함께 연구를 발전시켜 16개의 새로운 분자 생성에 성공하였다.

그러나 이산화탄소의 안정적 전환은 쉽지 않은 과제였으며, 연구진은 수백 번의 실패를 거듭했다. 당시 연구팀은 크리스마스 휴가를 반납하고 연구에 매진한 팀과 더 큰 성과를 위해 휴가를 선택한 팀으로 나뉘었는데, 휴가를 반납한 팀의 마지막 실험에서 마침내 전환점을 맞이하게 되었다.

연구팀은 장기적으로 안정적인 이산화탄소 전환 공정 개발에 성공했으나, 에토샤 케이브는 실험실 수준의 성공을 상용화 단계로 확장하는 것 역시 큰 도전이었다고 말한다. 연구팀은 우표 크기의 작은 전극으로 시작하여, 4차례의 반복 실험과 최적화 과정을 거쳐 "검은 잎"이라 불리는 전극 시스템을 데스크톱 모니터 크기의 70배까지 확장하는 데 성공했다.

에토샤 케이브 CSO는 각 확장 단계마다 구성요소를 재최적화해야 했으며, 더 큰 규모로 전극을 제조할 때 결함 여부를 확인하는 일련의 테스트를 시행했다고 설명했다. 그녀는 이론을 실제로 적용하는 과정이 곧 파인 튜닝의 과정이었다고 강조했다.

현재 Twelve팀이 구현한 이 기술은 컨테이너 크기의 시스템으로 발전하였으며, 확장된 전극들을 쌓아 올리고 이를 둘러싼 밸브, 펌프, 배관 등이 통합된 형태로 구현되었다. 이러한 시스템은 '공기 정화 플랜트'라 불리는 시설에 배치되어 산업적 규모의 생산을 가능하게 했다.

2. 바이오연료 대비 자원 효율 500배↑

현재 Twelve가 미국 워싱턴 주 모세스 레이크에서 건설 중인 첫 상업용 플랜트는 연간 1만 회 이상의 대륙 횡단 비행을 지원할 수 있는 규모로, 항공 산업의 탈탄소화를 위한 새로운 이정표가 될 것으로 전망된다.

에토샤 케이브 CSO는 이날 세션에서 '산업'을 만든다는 점을 여러 차례 강조했다. 특히 Twelve가 최근 성공적으로 유치한 6.45억 달러의 투자는 '기후 스택'이라는 혁신적 금융 구조를 활용했다. 이는 시설 건설을 위한 프로젝트 파이낸싱과 운영 자금을 위한 프로젝트 파이낸싱 대출을 통합적으로 활용하는 방식이다.

Twelve는 이 자금을 주로 대규모 공기 정화 플랜트의 배치와 운영에 투입할 예정이며, 설계 완료, 용지 확보, 건설 착수 등 주요 이정표 달성에 따라 순차적으로 집행할 계획이다. 에토샤 케이브는 프로젝트 파이낸싱 대출이 포함된 것에 대해, 이는 태양광 등 재생에너지 산업이 규모를 확대했던 방식과 유사하며, 산업의 성숙도를 보여주는 중요한 지표라고 평가했다.

Twelve의 기술은 자원 효율성 측면에서 투자자들로부터 높은 평가를 받았다. 기존의 지속 가능한 항공연료인 바이오연료와 비교했을 때, 토지 사용량은 500배, 물 사용량은 100배까지 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 다만 생산을 위한 에너지 소비량은 데이터센터와 유사한 수준으로, Twelve는 이를 재생 가능한 에너지원을 통해 공급받을 예정이다.

제품 다각화도 활발히 진행되고 있다. 항공연료 외에도 이미 다수의 글로벌 기업들과 협력하여 다양한 제품을 개발했다. 가이아와는 선글라스 렌즈를, 프록터 앤 갬블과는 타이드 세제의 성분을, 메르세데스 벤츠를 위해서는 자동차 부품 생산에 성공했다.

회사는 이러한 성과를 바탕으로 'CO2 made' 브랜드를 구축하고 있으며, 이는 현재 석유에서 생산되는 물질들을 공기 중 이산화탄소로 대체하겠다는 비전을 담고 있다. 현재 건설 중인 첫 상업용 플랜트는 현재 논의 중이거나 이미 계약된 대규모 고객들의 수요를 지원하게 될 예정이다. Twelve는 이를 시작으로 10개 이상의 플랜트 건설을 계획하고 있으며, 이를 통해 지속 가능한 항공 산업 생태계를 구축한다는 목표를 수립했다.

3. 탄소 잡는 항공유, 하늘길 바꾼다

이 기술의 핵심적 장점은 즉시 적용 가능성에 있다. Twelve가 개발한 제트 연료는 기존 항공기의 개조 없이 즉시 사용할 수 있으며, 비행당 배출량을 최대 90%까지 감축할 수 있다. 이는 2021년 미 공군과의 계약을 통해 이미 실증된 바 있다. 첫 상용 플랜트에서는 연간 100회의 대륙 횡단 비행에 필요한 연료 생산이 가능하며, 에토샤 케이브 CSO에 따르면 완전한 규모의 상업용 플랜트는 이보다 훨씬 큰 연간 1만 회 이상의 비행을 지원할 수 있는 수준으로 설계되어 있다.

에토샤 케이브는 이 기술이 주목받는 세 가지 주요 이유를 제시했다. 첫째, 전기 비행으로의 전환 시 요구되는 모든 항공기의 개조와 재설계 작업을 피할 수 있다는 점이다. 둘째, 탈탄소화가 매우 어려운 항공 산업에서 즉각적인 탄소 저감이 가능하다. 셋째, 장거리 운항에 필수적인 액체 탄화수소 연료의 지속 가능한 공급이 가능하다는 점이다.

Twelve는 특히 장거리 항공 분야에서 이 기술의 활용 가치가 높다고 평가한다. 단거리 운항용 소형 항공기는 전기 추진이 대안이 될 수 있으나, 200명의 승객과 함께하는 대륙 횡단과 같은 장거리 운항에는 에너지 밀도가 가장 높은 액체 탄화수소 연료가 필수적이기 때문이다. 이 기술을 통해 생산되는 연료는 갤런당 최대 90%의 탄소 저감 효과를 제공할 것으로 전망된다.

더불어 우주 개발 분야에서의 활용 가능성도 주목받고 있다. 화성의 대기는 95% 이상이 이산화탄소로 구성되어 있으며, 지하에 물이 존재한다는 것이 확인되었다. 이는 화성 현지에서 필요한 소재와 로켓 연료의 직접 생산 가능성을 시사한다. 에토샤 케이브 CSO는 달에서도 이산화탄소와 물의 흔적이 발견되어 동일한 기술 적용이 가능할 것으로 전망했다.