인류는 성장한다. 신속하게
새로운 재료의 연령은오고있다
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탄소시대의 매니패스토

2010년 : 왜 인류는 20년 안에 모든 재료를 변화시키게 되고, 인류가 존재하는 물질적 기반을 바꾸게 될 것 인가?

기술. 배경.

인간은 지금으로부터 13 000년 전, 수렵과 채집의 생활방식에서 벗어나 한 곳에 정착하며 농사를 짓는 생활방식으로 전환한다.

신석기 시대의 도래로 인간은 척박한 야생의 환경 속에서도 종을 보존하고 경쟁하고 생존할 수 있게 되었다. 수 천 년이 흐르고 세기가 바뀌는 동안 인류는 최소한의 생존을 위해서만 생산을 했고 모든 것은 수동으로 생산했다.

250년 전 산업혁명이 시작되었다.

기계생산으로의 전환은 생산량의 배가를 가능케 했고, 이는 인간의 물리적인 한계를 뛰어넘는 것이었다.

그리하여 인류의 생산력은 기하급수적으로 증대되기 시작했다.

문명의 대도약

불과 얼마 전, 20세기 후반에 과학기술혁명이 일어났다. 역사적 관점에서 볼 때 극히 짧은 이 기간 동안 과학 기술 분야에서의 발명과 개발 건수는 수백만의 단위를 경신했다.

불과 몇 십 년 만에 인류문명의 외양은 크게 바뀌었고, 인간의 삶은 믿기 힘들 정도로 변화되었다.

인류가 수천 년에 걸쳐 극복하지 못했던 근원적인 문제들이 해결되었다.

아동사망률 및 전염병과의 전쟁에서 승리를 거둔 문명사회는 인간의 수명을 두 배 연장시켰다(영국의 경우 1900년 평균수명 38년, 2011년 81세).
현대 교통의 발달로 화물운송이 훨씬 용이해졌고, 여행이 대중적인 여가활동으로 자리매김했다. 전 세계가 물리적으로 통합되었다.
기아와 식량부족(1845년-1849년만 하더라도 아일랜드에서는 감자 흉작으로 인해 35만 명이 아사했다) 문제는 비료와 살충제의 도입, 수확률이 높은 식물의 발굴, 생산성을 증대시킨 품종의 개발('녹색 혁명') 덕분에 해결되었다.
그리고 마침내, 최근 수십 년 동안 일어났던 컴퓨터 혁명은 소통의 문제를 종식시켰다. 이제 전 세계적으로 순식간에 정보를 교류할 수 있게 되었다. 드디어 세계는 지구촌, 하나의 세계로 거듭났다.
이 모든 것이 불과 얼마 전에 발생한 일들이다.
역사적 잣대로 견주어 본다면, 방금 전에 일어난 일들이다.

인구 증가

포스트 산업혁명 시대의 성과로 생활 여건이 획기적으로 개선된 까닭에 전 세계적으로 인구수가 폭발적으로 증가했다.

최초 정착시대부터 장장 13000년 동안 더딘 속도로 늘어났던 인구수는 1804년에 이르러서야 10억 명을 기록했다. 하지만 이와 동일한 수적 증가율이 2011년부터 2025년까지의 기간 동안 나타날 것으로 전망된다. 즉, 이 기간 동안 인구수가 70억 명에서 80억 명으로 10억 명 증가하게 된다는 것이다.

인구수,
100만 명
  1. 1500
    446
  2. 1600
    486
  3. 1750
    791
  4. 1850
    1262
  5. 1950
    1490
  6. 1960
    2480
  7. 1970
    3000
  8. 1980
    3750
  9. 1990
    4480
  10. 2000
    5280
  11. 2010
    6090
  12. 2030
    8360
  13. 2050
    9010
70억 명에서 80억 명까지 10억 명이 증가되는 기간은2011년부터 2025년까지이다. 10억 명이 늘어나기까지 불과 14년 밖에 걸리지 않게 된다! 오늘 갓 태어난 아이가 초∙중∙고등학교를 졸업하는 시간보다도 훨씬 짧은 기간이다.

생산 및 에너지 증대

최근 15년 간 재료 생산량은 두 배 증가되었다.

폭발적인 인구수 증가와 개발도상국들의 더 나은 삶을 향한 열망은 결국 기초재료 생산량의 극적인 증대로 귀결되었다.

최근 15년 간 재료 생산량은 두 배 증가했고, 가장 보수적인 전망치를 인용하더라도 이 수치는 향후 25년 안에 두 배 더 증가될 것으로 예상된다. 2040년경에는 전 세계적으로 연간 300억 톤의 재료가 생산될 것이다.

1980
3 000 000 000
2000
7 500 000 000
2020
15 000 000 000
2040
30 000 000 000
인류가 살아가기 위해서는 재료뿐 아니라 에너지가 필요하다.
인간은 생태계로부터 많은 것을 취해 왔다.
  • 20
    산소
  • 8
    석탄
  • 1
    석유
  • 1
    장작
  • 1
    가스
또한 인간은 대기로 많은 것을 배출하고 있다.
  • 28 억 톤
    CO2
  • 3 억 톤
4
CO2
400kg
1인당 연간 배출량

근본적인 모순

재료에 대한 필요성
에너지에 대한 필요성
생태계 파괴
에너지 부족

오늘날 역사상 최초로 인류 문명이 내적 모순과 시름하게 되었다. 바로 재료와 에너지에 대한 가장 중요한 필요에 의해 가장 위험한 위협, 즉 되돌이킬 수 없는 생태계 파괴와 기후변화라는 문제가 야기된 것이다.

지구상의 모든 사람들이 현대 문명의 이기를 누리기에는 자원이 턱없이 부족하다.

그렇다면 인류는 향후 30년 안에 세계 90억 인구가 주택, 교통, 통신 및 기타 현대 문명의 이기를 누리면서 동시에 재료 및 에너지 생산량을 2배 감소시킬 수 있는 신 '테크노스피어2.0'을 창조해 낼 수 있을까?
YES
다만, 주요 재료의 물성을 4배 가까이 강화시킬 수 있다면 말이다(다시 말해, 질량 대비 물성의 비율을 높임).
20%
자동차의 페이로드
10%
비행기의 페이로드
2%
교량의 페이로드
0.3%
건물의 페이로드

기술적 돌파구– 슈퍼 복합재

상대적으로 단시간에 수십억 톤의 생산력을 갖춘 신규 생산인프라를 구축한다는 것은 사실상 불가능하다. 그러기엔 자본, 지식, 정치적 의지를 포함하여 사용 가능한 자본도 시간도 부족하다. 그렇기 때문에 2.0 버전의 재료를 생산하게 될 인프라는 그 동안 인류가 쌓아온 생산시설 및 기반을 토대로 해야 한다.

그렇다면, 실제로 이런 기술을 개발한다는 것이 가능한 일인가?
가능하다. 슈퍼 복합재를 개발한다면 가능하다.
복합재란 서로 다르지만 상호 보완하는 특성을 가진 소재를 최소 두 개 이상 합성하여 만든 소재이다.
철근콘크리트
콘크리트+철근
고무
고무원료+카본블랙
유리섬유
유리섬유+에폭시
CFRP
탄소섬유+에폭시

서로 다른 소재들이 이상적으로 결합된 경우 최종 산물인 복합재의 물성은 각 소재의 성질을 반씩 갖게 되며, 이때 물성은 각 소재의 질량에 비례한다.

1%의 재료로 다른 99% 재료의 강도를 4배까지 증가시킬 수 있다!

만약 어떤 소재를 강도가4 배 정도 높은 복합재로 교체하고 싶다면, 복합재의 구성 요소 중 강도가 8배 이상 되는 강화제가 그 질량만큼 포함되어야 한다.

그런데 만약 원천소재의 강도를 4배 증가시키기 위해 강화제를 1%만 사용하고 싶다면, 해당 첨가제의 강도는 원천소재의 강도보다 400배는 높아야 한다.

개념적으로는 이 공식이 모든 물성, 즉 강도, 열 전도성, 전기 전도성 등에 동일하게 적용된다.

그렇다면 상기 방법으로 모든 기초재료(금속, 시멘트, 세라믹, 고분자, 배터리나 태양전지의 전극물질, 코팅제, 유리 등)의 핵심 물성을 지극히 미미한 양의 첨가제를 사용하여 극적으로 강화시키는 것이 가능할까? 그렇게 하여 슈퍼 복합재를 생산하는 것이 가능한 일인가? 도대체 이 슈퍼 첨가제는 어떤 특성을 보유해야만 하는가? 이 슈퍼 첨가제가 광범위하게 사용되는 범용 첨가제의 역할을 할 수 있는가?

범용 첨가제. 특성.

인류가 알고 있는 모든 물질 중에서 앞서 설명한 다목적 첨가제의 기능에 적합한 물질은 탄소나노튜브와 얼마 전 발견된 그래핀, 이 두 개의 물질뿐이다.

슈퍼소재
궁극의 강도
낮은 비중
획기적인 열 및 전기 전도성
광대한 표면 면적
화학적 안정성
열 안정성
무수한 물질들과 결합하여 화합물을 조합할 수 있는 능력
대량생산의 가능성
소재의 무독성
기술의 양산 가능성
폐기물의 무독성
에너지 고효율
원료의 경제성 및 물리적 접근 용이성
기술 공정의 안전성

단일벽탄소나노튜브(SWCNT)

노벨상 수상이 기대되는 그래핀이 발견된 지금, 탄소시대는 이제 막 열리고 있다. 하지만 단일벽탄소나노튜브의 효율성 및 응용방식은 이미 20년 전에 명확하게 개발되었다. 수 십만 번의 실험을 거친 결과였다. 지난 10년 간 약 1 만 건 이상의 관련 특허가 등록되었다. 수십만 번의 과학적 연구 및 학술논문들이 탄소나노튜브에 대해 증명해 낸 바는 다음과 같다.

강철보다 강도가 100배 높다.
현존하는 최고의 도체 중 하나이다(구리보다 5배 가볍다)
열 안정성(1000°С)
직경/길이 비(종횡비)가 기록적인 수준이다(1 000 000 배)
광대한 표면 면적(1g의 탄소나노튜브의 표면 면적은 두 개의 농구코트 면적과 동일하다)

무수히 많은 R&D 결과물이 인류 문명에게 있어 가장 중요한 사실, 즉 SWCNT야 말로 진정한 범용 첨가제라는 사실을 거듭 확증하고 있다.

그렇다면 도대체 왜 지금까지 이토록 이상적인 물질이 인류에 의해 널리 활용되지 않았던 것일까?
고비용
SWCNT 1kg 당 $100 000로, 경제성 측면에서 한계치 밖에 있다(알루미늄 – 2$/kg). 현실적으로 지나치게 고가인 것이다.
양산 기술의 부재
SWCNT 의 세계 생산량은 1 톤으로, 매우 적은 양이다.
하지만 곧 상황은 달라질 것이다.

탄소나노튜브는 현실적으로 사용 가능한 물질이 될 것이다. 양산 기술이 개발될 것이고 그렇게 되면 이 세계에 존재하는 대부분의 재료를 변화시킬 수 있을 것이다.

인류문명은 주어진 도전을 극복할 수 있다.
재료의 세계는 몰라보게 달라질 것이다.
Welcome to the century of carbon!