산업기술/제조/경영

Nikkei Business_2019. 5.20 특집 요약 (p68~70)

Techno Trend
심해에서의 콘크리트 기술
해저 자원 발굴을 위한 포석

해저 3,515m의 심해에서 콘크리트의 내구성 시험이 시작되었다. 그 목적은 해저 자원 발굴을 위한 기지 건설이다. 치열해지고 있는 해양 자원 획득 경쟁에는 해양 관련 토목공사들의 기술이 열쇠를 쥐고 있다.

스루가(駿河)만 근해 70km에 위치한 난카이(南海) 트로프(해저협곡) 북쪽 가장자리의 심해에서는 해저에서의 구조물 건설을 위한 첫 걸음이 조용히 시작되었다.

2018년 7월, JAMSTEC(해양연구개발기구)이 보유하는 잠수조사선 ‘신카이(しんかい)6500’이 수심 3,515m의 해저에 고정된 철제 가대(架臺) 위에 36개의 콘크리트 공시체(강도 등을 조사하기 위해 만든 것)를 설치. 앞으로 수 년 간에 걸쳐 심해라는 특수한 환경에서 콘크리트의 물성과 설치 이후의 시간 경과로 인한 변화를 조사하고 향후 해저 구조물 건설 등을 지원해나갈 계획이다.

-- 강재(鋼材)는 약 10년 만에 소멸 --
이번 연구에는 JAMSTEC 외에도 후도테트라(不動テトラ)와 하치노헤(八戶)공업대학이 참가한다. 지금까지 이와 같은 연구는 추진된 적이 없어 세계 최초라고 할 수 있다.

콘크리트를 심해에서 이용하려는 배경에는 일본 근해에 잠자고 있는 해저 자원의 존재가 있다. 최근의 조사에 따르면 에너지로써 이용할 수 있는 메탄하이드레이트(Methane Hydrate)와 광물 자원인 희토류가 일본 근해 해저에 있다고 판명. 발굴을 위한 검토가 추진되고 있다.

희토류란 네오디뮴자석(Neodymium Magnet)과 스칸듐(Scandium) 등 17개 원소의 총칭으로, 각각 특수한 자성 및 발광 성질을 가지고 있다. ‘산업의 비타민’이라고도 일컬어지고 있으며 LED와 전기자동차, 연료배터리 등의 제조에 빠져선 안 되는 자원이다.

지상에서 희토류를 채취할 수 있는 곳은 중국 등 일부 지역에 불과하다. 이 때문에 일본은 매년 수백억 엔을 들여 2만톤 이상을 수입하고 있는 실정이다. 국내에서 희토류를 채취할 수 있게 된다면 자원 획득 경쟁에서 우위에 설 수 있다.

2018년에는 도쿄대학의 가토(加藤) 교수가 이끄는 연구팀이 도쿄에서 약 1,850km 떨어진 미나미토리(南鳥) 섬의 근해에서 1,600만톤 이상의 규모로 예상되는 희토류를 확인했다. 수심 5,000m가 넘는 해저 진흙 층 내부의 수 미터 정도의 비교적 얕은 위치에 약 2,500km2에 걸쳐 쌓여있다. 연구팀은 이곳에서 전세계 희토류 사용량의 수십 년 분에서 수백 년 분을 확보할 수 있을 것으로 보고 있다.

넓은 범위에 분포하는 해저 자원을 효율적으로 채취하기 위해서는 해저에 관측소를 설치하거나 채굴 플랜트의 기초 가대를 구축할 필요가 있다.

하지만 심해의 환경은 매우 험하기 때문에 심해에서 사용되는 재료에는 장기간의 물리적∙화학적인 안정도가 요구된다. 지금까지 널리 사용되어온 플라스틱의 경우 바다의 오염 방지라는 관점에서 사용을 확대하기 어렵다. 이를 위해 저렴하고 내구성이 높은 콘크리트가 주목 받고 있는 것이다.

또 하나의 유력한 소재인 철강은 10년 정도 지나면 흔적도 없이 사라지는 경우도 있다고 한다. 그 원인은 확실하게 밝혀지지 않았지만 심해에서 사는 특유의 미생물과 해수의 화학 조성 등의 영향일 것이라고 알려져 있다. 이번 연구를 주도하는 JAMSTEC의 수리과학∙첨단기술연구 분야의 노무라(野村) 기술연구원은 수 천 미터의 심해 환경에 대해 “아직 우리가 알지 못하는 것들이 많다”라고 말한다.

해면 아래에서는 수심이 100m 깊어질수록 수압이 1메가파스칼(Mpa) 씩 증가하고 수온은 급격하게 저하된다. 수심 2,000m 이상의 경우에는 일반 콘크리트의 압축 강도를 넘는 수압이 작용하게 된다. 전방위로부터 압력을 받게 되는 상태가 되기 때문에 콘크리트가 바로 파괴되는 것은 아니지만 장기적으로는 강도가 저하될 우려가 있다.

그 뿐만 아니다. 수온과 수압의 영향으로 수심이 깊어질수록 해수에 녹는 칼슘이온 농도가 옅어져 콘크리트가 조기에 노후화될 것으로 판단된다. 이처럼 우려되는 점은 많지만 연구는 이제 막 시작된 단계이다. “어떠한 변화가 나타나는지 아무도 조사한 적이 없기 때문에 조사하는 것 자체에 의미가 있다”(노무라 기술연구원).

-- 자원 채굴을 위한 발판으로 --
바다 속에 잠긴 콘크리트의 공시체는 올해 안에 우선 6개를 인양. 후도테트라와 하치노헤공업대학이 중심이 되어 강도 시험 및 성분 분석을 실시할 예정이다.

후도테트라는 본래 수심 200m 정도의 수심에 대한 지반의 특성과 구조물의 노후화 상태에 대한 지식을 가지고 있다. 수심 3,515m의 해저에 공시체를 설치했을 때에는 지금까지의 실적을 활용해 지내력(地耐力) 측정 및 철제 가대 구조 검토에도 참가했다.

해저의 지반은 연약하기 때문에 가대 자체가 잠겨버릴 위험이 있다. 후도테트라는 이를 해결하기 위해 가대의 형태와 크기를 연구해 만들었다. 향후 해저 자원 시장에 참가할 계획을 가지고 있어 이번 연구에 동참했다. 후도테트라의 지반사업본부의 후카타(深田) 개발부장은 “앞으로 10~20년에 걸친 장기적인 연구를 추진하는데 필요한 발판을 만들고 싶다”라고 말한다. 보유한 기술의 폭을 넓히면서 활약의 기회로 삼겠다는 전략이다.

-- 채굴에 주력하는 건설회사 --
심해 콘크리트 기술이 확립된다면 해저 기지뿐만 아니라 해양풍력발전의 기초 구조물과 해저 지진계 설치에도 도움이 될 수 있을 것이다. JAMSTEC의 노무라 기술연구원은 “에너지 확보와 방재 대책에서도 심해는 중요한 역할을 맡게 될 것이다. 앞으로는 ‘심해 토목기술자’가 필요할 것으로 생각된다”라고 전망한다.

해저 기지의 실현을 기다리지 않고 희토류 채굴에 주력하는 건설회사도 나오고 있다.

도쿄대학의 가토 교수가 이끄는 산∙관∙학 공동의 ‘희토류 진흙 개발추진 컨소시엄’에서 존재감을 나타내고 있는 곳이 해양 토목공사인 도아(東亞)건설공업이다. 컨소시엄에는 2014년의 설립 당시부터 참가해 중심적인 역할을 맡고 있다.

희토류 개발추진 컨소시엄은 희토류 채굴을 조사에서 제품화까지 5단계로 나눠 각각 연구회를 설립. 도아건설공업은 희토류를 함유한 진흙 채취와 채취 후의 남은 진흙 처리를 주로 담당하고 있다. 도아건설공업 토목사업본부의 엔지니어링사업부에서 해양자원개발을 담당하는 모리사와(森澤) 담당과장은 “수중 굴삭과 수중 굴삭 후 남은 흙의 개량∙활용 등 지금까지 키워온 기술을 컨소시엄에서 활용해나갈 수 있다”라고 말한다.

도아건설공업은 채집한 진흙에서 희토류만을 효율적으로 추출해내기 위해 ‘분급(分級)장치’ 사용을 제안하고 있다. 분급이란 원심력으로 입자 크기 별로 시료를 분리하는 기술을 수중 굴삭 공사 등에 이용하는 것이다. 도아건설공업은 미나미토리 섬 근해의 희토류는 물고기의 이빨과 뼈에 부착해있는 상태에서 퇴적되어 있는 경우가 많아 그것보다도 더 작은 모래를 빼내면 될 것으로 판단하고 있다.

도아건설공업은 지금까지 와세다대학 등과 공동으로 실제로 해저에서 채취한 희토류 진흙에서 분급을 통해 희토류를 70% 이상을 분류하는데 성공했다. 앞으로 해저에서도 분급이 가능하게 된다면 밖으로 빼내는 진흙의 양을 큰 폭으로 줄여 성력화(省力化)할 수 있을 뿐만 아니라 채굴 비용 절감에도 기여할 것이다.

희토류 진흙을 해저에서 해상까지 수송하는 방법 등 남겨진 과제는 많지만 개별적인 기술 개발은 순조롭게 추진되고 있다고 한다. 모리사와 담당과장은 “희토류 채굴은 꿈이 아닌 목표가 되어가고 있다”라고 말한다.

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