0. 목차
- 석유, 천연가스
- 메탄 하이드레이트
- 해저의 금속 자원
- 해저 열수 광상
- 바닷물 속의 자원
1. 석유, 천연가스
1-1. 석유, 천연가스의 개발은 점차 육지에서 바다로 진출해 왔다.
석유나 천연가스는 비교적 싼 가격에 안정적으로 공급되는 에너지원이 되기도 하고, 공업 제품의 원재료가 되기도 한다. 석유나 천연가스의 개발은 개발 비용이 낮은 육지에서부터 시작에 차례로 얕은 바다, 그리고 수심 300m를 넘는 '대수심' 해역으로 진출해왔다. 현재는 수심 3000m의 해저에서 다시 수천 m를 파내려가 석유나 천연가스를 생산하는 일도 가능해졌다.
사실 현재에도 이미 석유 생산량의 3분의 1 정도는 해저 밑에서 퍼올린 것이다. 다만, 대부분은 얕은 바다의 것이다. 앞으로는 육지나 얕은 바다의 유전은 점차 고갈될 것으로 생각된다. 그러면, 수심 300m를 넘는 깊은 바다나 이제까지 개발을 기피해 온 북극권 해저 밑에 존재하는 석유의 양은 어느 정도일까? 현실적인 비용으로 채굴할 수 있는 것으로는, 지금까지 인류가 채굴한 석유 총량의 3분의 1 정도로 추측된다고 한다.
1-2. 석유, 천연가스는 어떻게 만들어 졌는가?
석유나 천연가스의 형성 원인에 대해서는 다양한 설이 있지만, '유기물 기원설'이 가장 유력하다. 식물이나 동물 플랑크톤 등 바다의 생물의 사체가 해저에 쌓인 후, 사체 위로 모래와 진흙 등이 쌓여 해저 밑에 파묻히면, 고온·고압 환경에 노출되어 사체가 변질되어 석유나 천연가스가 된다. 이 석유나 천연가스를 만들어내는 층을 '근원암(Source rock)'이라고 한다.
생성된 석유나 천연가스의 일부는 근원암에서 새어 나와 밀도가 작기 때문에 위쪽으로 이동한다. 이동한 석유나 천연가스의 대부분은 흩어져 없어지거나 분해되어 버리지만, 이따금 석유나 천연가스의 통과를 막는 지질 구조가 있는 경우, 그 밑에 석유나 천연가스가 고이게 된다. 이런 장소 가운데, 비용이나 매장량 등의 채굴 조건을 많이 충족하는 곳이 유전이나 가스전으로 개발되는 것이다.
하지만 바다라고 해서 아무 데서나 석유나 천연가스가 생성되는 것은 아니다. 생물의 사체가 풍부해야 하고, 사체가 미생물 등에 의해 분해되기 어려운 산소가 부족한 환경이라는 조건이 필요하다. 이것은 석유의 생성에는 '원양(The Open Sea Far from Land)'보단 '근해(short sea)'가 적합하다는 사실을 의미한다. 이러한 이유로, 석유나 천연가스가 상업적으로 생산이 가능한 지역은 매우 한정된다.
1-3. 셰일 석유, 셰일 가스
근년에는 미국을 중심으로 '셰일 석유(shale oil)'나 '셰일 가스(shale gas)'의 생산량이 늘고 있다. 이것 또한 근원암에 갇혀 있는 석유나 천연가스이다. 해저 밑이나 지하에서 생성된 석유나 천연가스 가운데 약 80% 정도는 근원암에 남아 있다. 펌프로 강하게 물을 쏘아 근원암에 균열을 만들어, 석유나 천연가스가 이동하기 쉬운 상황을 만듦으로써 이들의 일부를 채취할 수 있다.
셰일 석유나 셰일 가스는 바다의 유전이나 가스전 밑에도 존재할 가능성이 높다. 하지만 우선은 육지에 있는 것부터 개발될 것이다.
2. 메탄 하이드레이트
해저 밑에는 '메탄(Methane)'을 함유한 얼음과 같은 물질인 '메탄 하이드레이트(Methane Hydrate)'가 매장된 곳이 있으며, 일부가 해저에 노출된 곳도 있다. '메탄'은 천연가스의 주성분으로, 만일 채산성이 맞는 비용으로 어느 정도의 양을 채취하면, 에너지 자원으로 기대할 수 있다.
2-1. 메탄 하이드레이트의 구조
'메탄 하이드레이트'는 물 분자가 연결되어 생긴 바구니 안에 '메탄 분자'가 갇혀 있는 상태로 되어 있다. 물과 메탄이 저온·고압의 상태에 놓인 경우에 이런 형태를 취한다.
물 분자의 바구니는 '정십이면체 형태의 것(12개의 정오각형으로 둘러싸인 것, 아래 그림에서 A)'과 '십사면체 형태의 것(12개의 정오각형과 2개의 정육각형으로 둘러싸인 것, 아래 그림에서 B)' 두 종류가 있다. 그리고 이들 두 가지 형태의 다면체가 규칙적으로 늘어섬으로써, 아래 그림의 C와 같은 모습으로 얼음과 같은 고체 결정을 이루고 있다.
2-2. 메탄 하이드레이트가 존재하는 곳
한국의 근해에서는 수심이 500m 정도 내려가면 해수온이 5℃ 정도가 되고 압력은 50기압 정도가 된다. 이 조건은 '메탄 하이드레이트(Methan Hydrate)'가 존재할 수 있는 저온·고압의 조건을 충족한다. 한국 근해에서 500m보다 수심이 더 깊어지면, 더 저온·고압이 되기 때문에 역시 '메탈 하이드레이트'가 존재할 조건을 충족한다. 단, '메탄 하이드레이트'는 밀도가 물보다 작아, 바닷물 속에서 떠 있게 된다. 그래서 메탄 하이드레이트가 안정적으로 존재하려면, 해저 밑에 갇혀 있어야 한다. 한편, 해저에서 땅으로 파내려 갈수록 지열에 의해 온도가 상승한다. 그래서 해저 밑의 깊은 장소에서는 메탄 하이드레이트가 안정적으로 존재할 수 없다. 한국 근해에서는 해저 밑 300m보다 깊으면 메탄 하이드레이트로서 존재하기 어려울 것으로 생각된다.
'메탄 하이드레이트'의 '메탄'에는 다음과 같은 두 가지 유형이 있다고 생각된다. 해저 밑의 비교적 얕은 장소에서 미생물의 활동에 의해 유기물이 분해되어 생긴 유형과, 해저 밑의 더 깊은 장소에서 천연가스로서 생성되었다가 그것이 해저 부근까지 상승한 유형이다.
메탄 하이드레이트는 한국의 동해 외에 일본, 미국, 인도, 중국, 타이완, 뉴질랜드, 브라질 등 각국의 근해에서 존재가 확인되었다. 캐나다의 경우, 육지의 지하에서도 존재가 확인되었다. 다만, 메탄 하이드레이트가 주목받은 지 오래되지 않아, 전 세계에 어느 정도가 존재하는지에 대해서는 잘 알려져 있지 않다.
3. 해저의 금속 자원
3-1. 망가니즈각, 망가니즈 단괴, 희토류 진흙
태평양 등 대양의 해저에는 '망가니즈각(Manganese Crust)', '망가니즈 단괴', '희토류 진흙'이 주로 존재하는 것으로 밝혀졌다.
평탄한 해저에서 솟은 해산 등의 정상부터 경사면에 걸쳐서는 '망가니즈각(manganese crust)'이라는 자원으로 덮인 경우가 많다고 한다. '망가니즈각'은 '철(Fe)'과 '망간(Mn)'의 산화물이 주성분으로, 두께는 몇 cm에서 10cm 이상에 이른다. 한편, 평탄한 해저에는 '망가니즈 단괴'가 굴러다니는 곳이 있다. '망가니즈 단괴(manganese nodule)' 또한 '철'과 '망간'의 산화물이다. 지름 2~10cm 정도의 공 모양으로, 수심 4000~6000m의 매우 깊은 바다의 해저에 절반 정도가 진흙에 묻힌 상태로 존재한다. '망가니즈각'과 '망가니즈 단괴'에는 구리 외에도 '니켈(Ni, 원자번호 28번)', '코발트(Co, 원자번호 27번)', '티타늄(Ti, 원자번호 22번)', '백금(Pt, 원자번호 78번)' 등의 희소 금속이 포함되어 있는 것으로 알려졌다. 주성분인 철이나 망간보다도 오히려 이들 희소 금속이 자원으로서의 기대가 크다. '망가니즈각' 가운데 '코발트'의 함유량이 1% 넘는 것을 '코발트 리치 크러스트(cobalt rich crust)'라고 한다. 함유된 성분은 수심에 따라 변하는 경향이 있다는 사실도 밝혀졌다. 예컨대, 백금은 수심이 얕은 장소의 단괴에서 함유율이 높다고 한다. '희토류 진흙'은 첨단 기술 산업에서 빼놓을 수 없는 '희토류 원소'를 많이 포함한 진흙으로, 대양의 해저 몇 m에서 몇십 m 깊이에 퇴적된 경우가 있다는 사실이 밝혀졌다.
'망가니즈각', '망가니즈 단괴'는 성분이 비슷하고, '망가니즈 단괴'와 '희토류 진흙'은 분포하는 범위가 일치하는 경향이 있는 것 같다. 따라서 이 3종의 자원은 서로 어떠한 관계가 있을 것으로 추측된다. 다만, 이들 자원이 어떻게 생겨났는지는 아직 밝혀지지 않았다. 하지막 적어도 '망가니즈각'과 '망가니즈 단괴'는 매우 오랜 기간에 걸쳐 바닷물 속에서 성분을 빨아들이면서 성장했다고 한다.
3-2. 회수 비용이 문제
이들 자원이 세계 전체로 봤을 때 어느 정도 양이 존재하는지는 확실히 발표하지 않았다. 하지만 '일본 프로젝트 산업협의회'가 발표한 예측에 따르면, 일본 부근에는 '코발트 리치 크러스트' 광석이 24억 톤 존재한다고 한다. 문제는 이들 자원을 어떻게 회수하느냐다. 수천 m의 심해에서 상업 생산에 타당한 비용으로 이들 자원을 회수하는 방법은 아직 발견되지 않았다.
4. 해저 열수 광상
지구의 지각은 여러 개의 '판(plate)'으로 이루어져 있다. 이 판들은 조금씩 움직이며 충돌하면 하나의 판이 다른 판 아래로 들어간다. 이런 영역에서는 화산 활동이 활발해지는 특징이 있다. 그리고 이런 장소에는 유용한 금속을 많이 포함하고 있는 '해저 열수 광상(Deep-sea Hydrothermal Deposits)'이 발달한 곳이 있다.
4-1. '해저 열수 광상'은 어떻게 만들어지는가?
우선 해저의 갈라진 틈 등을 통해 바닷물이 해저 밑으로 들어간다. 이 바닷물의 온도는 몇℃ 정도로 낮으며, 또 유용한 금속도 특별히 많이 포함되어 있지 않은 평범한 바닷물이다. 화산 활동이 활발한 장소에서는 마그마가 해저 밑 비교적 얕은 장소에 있으며, 해저 밑의 암석이 매우 고온으로 달구어져 있다. 해저 밑으로 들어간 바닷물은 달구어진 암석을 통과하는 사이에 수백 ℃의 고온이 된다. 물론, 바닷물은 고압 때문에 100℃를 넘어도 액체로 존재한다. 물이 고온이 되면 다양한 물질을 녹이는데, 그 결과 주변의 암석에 포함되어 있던 다양한 금속이 '열수(Hydrothermal)'에 녹아든다. 고농도의 금속이 녹아든 열수는 마침내 해저로 나온다. 이러한 열수의 출구를 '열수 분출공(Hydrothermalvent)'이라고 한다. '열수 분출공'까지 다가온 열수는 온도가 내려가, 금속을 녹인 상태로 머금을 수 없게 되어 대량의 금속이 '석출(액체가 고체로 되는 현상)'된다. 이러한 석출물이 굴뚝 모양의 구조로 변한 것을 '침니(Chimney)'라고 한다.
이 '침니(Chimney)' 자체가 유용한 금속을 대량으로 포함하고 있다. 그리고 침니 주변에는 침니가 무너진 것이나 분출 후의 열수에서 다시 석출된 물질이 퇴적되어 있다. 또 '열수 분출공'의 해저 밑에는 열수가 분출하기 이전에 금속이 설출됨으로써 생긴 광상이 펼쳐져 있는 경우도 있다. 이것은 바다의 '광산'이라고 할 수 있을 것이다. 실제로 육상의 광산 일부는 '해저 열수 광상'이 융기한 것으로 알려져 있다.
4-3. 어떤 금속이 포함되어 있는가?
해저 열수 광상에 포함된 금속의 종류와 비율은 장소에 따라 크게 다르다고 알려져 있다. 또 순수한 금속 덩어리로 존재하는 것이 아니라, 대부분의 금속은 황과 결합한 황화물로 존재하며, 암석도 대량으로 섞여 있다. 일반적으로는 '철(Fe)'이 몇 %~몇십 %, 그리고 '아연(Zn)', '구리(Cu)', '납(Pb)'이 몇 % 정도 포함된 경우가 많다. 이 밖에 '금(Au)'이나 '은(Ag)' 등의 희소 금속도 약간 포함되어 있다.
'열수 분출공'에서 나오는 분출하는 뜨거운 물은 보이는 색에 따라 '화이트 스모커(white smoker)'와 '블랙 스모커(black smoker)'로 나눌 수 있다. 일반적으로 화이트 스모커에는 함유물이 적게 들어있고, 블랙 스모커에는 함유율이 많이 들어있다.
4-2. 채굴 비용 문제
'해수 열수 광상'을 자원으로 이용하려면, 이것을 해수면으로 끌어올려야 한다. 먼저 침니를 무너뜨려 끌어올리는 방법이 있ek. 또 지하에 열수가 고인 장소를 굴착해 인공적으로 열수 분출공을 만들고, 분출공에 설치한 인공적 받침대 위에 침니가 형성되게 하여, 침니째 끌어올리는 방법 등이 검토되고 있다. 현재는 비용에 맞는 유용한 금속을 얻기 어렵지만, 더 낮은 비용의 채굴 방법이 개발되거나, 금속 자원의 가격이 상승하면 채산성이 맞을 가능성도 있다.
5. 바닷물 속의 자원
바닷물 속에는 자연계에 존재하는 거의 모든 종류의 원소가 들어 있다. 가장 많이 들어 있는 원소는 염소와 나트륨으로, 인류는 오래전부터 염소와 나트륨의 화합물인 소금을 바닷물에서 생산해 이용해왔다. 비교적 존재량이 적은 '마그네슘(Mg, 원자번호 12번)', '아이오딘(I, 원자번호 53번)', 등에 대해서도 바닷물에서 추출하는 기술이 확립되어 있다.
5-1. 우라늄 추출
그러면 더 존재량이 적은 원소를 바닷물에서 추출할 수는 없을까? 현재 실용에 가까운 단계까지 연구가 진행된 것은 '우라늄(U, 원자번호 92번)'이 있다. 우라늄은 원자력 발전의 연료가 되는 물질이다. 우라늄은 바닷물 1톤당 약 0.003g의 비율로 포함되어 있으며, 세계 전체의 바닷물 속의 우라늄을 합하면 약 44억 톤이 된다. 이것은 육지에서 현재 시장 가격으로 채굴할 수 있는 매장량의 1000배 이상이라는 엄청난 양이다. 더구나 세계의 해저 암석에는 농도가 매우 낮지만 전체로는 방대한 우라늄이 존재하는 것으로 추정된다. 바닷물에서 우라늄을 채취하면, 그에 따라 해저의 암석에서 바닷물로 우라늄이 새로 녹아든다고 알려져 있다. 결국, 바닷물 속의 우라늄 양은 엄청난 셈이다.
그러면 어떻게 우라늄은 추출할 수 있을까? '일본 과학기술 연구개발 기구'의 '다카자키 양자 응용연구소'의 '세코 노리리아키 프로젝트 리더 그룹'에서는 우라늄이 흡착하기 쉬운 특수한 섬유를 만들었다. 그리고 그것을 바닷물 속에 일정 기간 담가둠으로써, 실제로 바닷물에서 우라늄을 추출하는 데 성공하였다. 이 섬유의 기반 부분은 보통의 '폴리에틸렌(Polyethylene)'이다. 다만 섬유의 표면에는 우라늄과 결합하기 쉬운 성질을 가지고 있는 '아미독심기'가 '방사선 그래프트 중합(Radiation Graft Polymerization)'이라는 특수한 기술에 의해 많이 달라붙어 있다.
이 섬유를 되도록 바닷물과 접촉하기 쉬운 모양으로 만들고, 추에 매달아 바닷물 속에 담갔다가 30일 후에 회수했더니, 섬유가 갈색으로 변했다. 이 단계에서는 우라늄 외에도 '바나듐(V, 원자번호 23번)', '코발트(Co, 원자번호 27번)', '니켈(Ni, 원자번호 28번)' 등의 물질도 섞여 있어, 이것을 정제해 '옐로 케이크(yellow cake: 우라늄 제련에서 생성되는 중간생산물)'를 얻을 수 있었다. 또 수온이 높은 해역에서 더 효율적으로 우라늄을 모을 수 있었다고 한다.
5-2. 리튬 추출
위에서 '우라늄(U)', '바나듐(V)', '코발트(Co)', '니켈(Ni)' 등을 추출하는 것은 이미 가능하다고 설명했다. 그러면 다른 원소를 추출할 수는 없을까? '방사선 그래프트 중합(Radiation Graft Polymerization)'에 의해 섬유에 달라붙는 물질의 종류와 양을 연구하면, 원하는 물질을 더 효율적으로 모으게 될 가능성이 있다. 다만 채산이 맞으려면, 비교적 고가이면서도 바닷물 속의 농도도 나름 높은 물질이어야 한다. 예컨대 금은 매우 비싸지만, 농도는 바닷물 1톤당 0.00000002g으로 너무 낮기 때문에, 바닷물에서 추출하는 것은 현실적이 못하다고 한다.
하지만 '리튬(Li, 원자번호 3번)'에 대해서는 기대가 크다. 리튬은 휴대폰이나 전기 자동차 등에 이용되는 '2차 전지(충전할 수 있는 전지)'의 재료로 수요가 급증하고 있다. 일본 '양자 과학기술 연구기구'의 '융합 에너지 연구개발 부문'의 연구 그룹이 개발한 기술에 의하면, 전지의 메커니즘을 응용해 바닷물에서 리튬을 분리하면서, 동시에 전기도 발생시킬 수 있다고 한다.
현재 리튬의 대부분은 리튬이 농축된 상태인 소금 호수의 물을 방대한 터에서 1년 이상에 걸쳐 자연 증발시켜 생산된다. 리튬 자원의 양 자체에는 빠른 기간 내에 고갈될 걱정은 없지만, 연간 생산량에 한계가 있다. 그래서 늘어나는 수요에 공급이 대처하는 못한다는 문제가 있다. 만약 바닷물의 리튬을 더 효율적으로 추출할 수 있다면, 매우 유망한 산업이 될 것이다.