탄소시대에 살고 있는 우리들이 가져야 할 지혜

기후위기의 주범은 이산화탄소이다. 이산화탄소를 감축시키고자 세계 각국들은 감축목표를 설정하고 이를 달성시켜 나가기 위해서 안간힘을 쓰고 있다. 그래서 탄소가 없어져야 기후위기는 극복되고 세계 인류는 편안하게 살 수 있는 것일까?

그렇지만 탄소는 이 세상에서 없어질 수 없는 모든 생물체의 구성요소인 것이다. 따라서 모든 생물체의 먹이사슬을 연결시켜 주고 이를 통하여 지구촌은 유지 발전되고 있는 것이다.

사실 46억년전 지구가 태양으로부터 분리되었을 때 불덩어리인 지구는 95%가 넘는 탄소덩어리이었다.

이런 지구를 오랜 동안 식물들이 번성하면서 탄소를 흡수하고 이를 기반으로 태양에너지와 물로 탄수화물(포도당)이라는 먹이감을 만들어 내면서 모든 생물체들은 탄소순환과정을 유지하면서 살아가고 있는 것이다.

식물들이 만들어 놓은 탄수화물을 동물들은 먹이로 삼고 살아간다. 그리고 식물이 탄소를 흡수하고 산소를 내밷는 것과 반대로 동물들은 산소를 흡수하고 탄소를 내밷으면서 모든 생물체의 몸속에는 산소와 탄소로 만들어지게 되면서 지구생태계가 진화발전해서 오늘날과 같은 살기에 편한 세상이 만들어졌다.

지구환경은 평균 기온이 15°C, 대기권의 원소 및 해양의 염분 농도는 매우 안정적으로 유지되는 항상성을 유지 지켜 왔다. 즉 지구의 대기권은 질소 78%, 산소 21%, 아르곤 0.93%, 나머지 기체(이산화탄소, 네온, 헬륨, 수소 등)들은 극소량으로 구성되고 있다. 그런데 지구상에 0.03%에 불과했던 이산화탄소 비중이 화석연료 사용 급증, 산불, 전쟁, 화산활동 등으로 갑자기 크게 늘어 나면서 탄소농도가 크게 높아져 지구온난화의 원인이 되고 있다.

이런 지구온난화로 북극과 남극지역의 빙하가 해빙되면서 해수면이 상승하고 해수 염도까지 낮아져 기후변화의 핵심역할을 담당하게 되었다.

무엇보다도 대서양 해양교류를 중단시키는 것이 지구환경에서 극한 기상이변을 일으키는 원인으로 작용하고 있다. 즉 적도 지역의 더운 해수가 북쪽으로 이동하면서 북쪽은 따뜻해지고 남쪽에 차거운 물이 내려감으로써 지구촌의 온도가 조절되어 정상을 유지해 왔다.

그런데 대서양 해류교류가 중단되면서 기상시스템이 무너지고 극한 기상이변을 불러일으키는 원인이 되고 있다.
한편에서는 폭염, 가뭄, 산불, 열돔현상이 일어나고 다른 한편에서는 폭우, 태풍, 지진 등이 일어나는 극한 기상이변이 지속되는 기후위기속에서 세계 인류는 생명을 위협받고 있는 것이다,

이에 제임스 러브록의 ‘가이아의 ‘복수’라는 저서에서는 “이런 기상이변은 지구환경이 항상성을 유지시켜 나가기 위한 자기회복을 여건을 조성하기 위한 몸부림이다”라고 설명하고 있다.

이런 지구환경의 역습은 기후위기뿐만 아니라 인수 전염병의 창궐, 지구생태계의 멸종 등 지구환경을 파괴하고 있어 더 이상 지구에서 살 수 없게 변해가고 있다. 그래서 화석연료 사용을 중단시키는 2050 탄소중립을 전 세계 각국들이 감축 목표를 설정, 의무적으로 감축시켜 나가기로 결의하게 된 것이다.

그래서 탄소중립은 탄소를 없애는 것이 아니라 탄소 비중이 갑자기 커짐에 따라서 지구환경의 항상성을 유지시켜 나갈 수 없기 때문에 생겨나는 기상이변이라고 여겨야 할 것이다. 따라서 탄소중립은 지구환경이 정상적인 항상성을 유지시켜 나갈 수 있도록 지구환경에 배출되는 탄소비중을 감축시켜 나가는 방안이라고 할 수 있다.

국제에너지기구(IEA)는 이산화탄소 감축량 중 57%를 에너지 효율 향상을 통해 해결해야 할 수 있는 과제라고 추정하고 있다. 그 해결방안으로 탄소 소재가 급부상하고 있다.

탄소 소재로 항공기 등 수송수단을 경량화해 에너지 소비량을 절감하고, IT제품에 탄소 소재 채용을 늘려 에너지 효율을 높여나갈 수 있다고 한다.

일본 도레이(Toray)는 에어버스에 항공기용 탄소섬유 복합소재를 장기 공급하고 있는데 이는 날개와 동체의 대부분에 탄소섬유 복합소재를 적용되면 기체 중량의 50%(대당 35톤)에 달하는 규모라고 한다.

이처럼 금속으로만 가능해 보였던 항공기의 기체를 탄소섬유가 대신할 수 있고 다른 소재들이 따라올 수 없을 만큼 에너지를 절감시키는 장점을 갖게 되는 것이다. 즉 알루미늄에 비해 중량은 4분의 1에 불과하면서도 철에 비해 강도는 10배나 높다.

IT부품의 경우도 그동안 금속산화물 계열 소재를 사용해 터치스크린 필름 등을 만들어 왔으나 최근에는 이보다 전기전도도가 좋은(저항이 낮은) 탄소 소재를 적용하려는 움직임을 보이고 있어 앞으로 기술개발에 관심을 갖게 된다.

일반적으로 소재는 성분이나 응용 분야에 따라 분류한다. 일반적으로 소재 성분으로 분류했을 때 금속, 화학, 세라믹으로 구분한다. 탄소소재가 주목을 받는 이유는 이 세 가지 소재들의 장점들을 두루 지니고 있기 때문이다.

철과 같은 금속에 비해 강도는 몇 배 높으면서 또한 가볍다. 화학적 내성이 크면서도 전기는 매우 잘 통한다. 이런 것들이 가능한 이유는 탄소 원자가 배치된 구조에 따라 물질 구성이 다양해질 수 있기 때문이다.

예를 들어 같은 탄소 소재인 흑연과 다이아몬드를 비교하면 흑연은 전기가 잘 통하지만, 다이아몬드는 전기가 전혀 통하지 않는다.
그동안 가장 널리 알려진 탄소 소재는 흑연이었다. 연간 60만 톤 정도가 생산돼 2차 전지 음극재, 원자력 발전 감속재, 제철용 전극봉, 반도체 실리콘 등의 제작에 사용돼 왔다. 그런데 가장 성장성이 높은 분야인 2차 전지 음극재로 널리 활용되면서 큰 폭으로 수요시장이 확대되고 있다.

활성탄(Activated Carbon)은 대나무, 야자 잎, 톱밥 등을 태워서 만든 탄소 소재를 말한다. 주거 공간에 냄새를 없애는 탈취제나 장을 담글 때 쓰는 숯 등이 이에 해당한다. 정수기 안에 들어가는 여러 종류의 필터 중 하나에도 활성탄이 담긴 필터가 들어있어서 1차적으로 정수 역할을 담당한다.

최근 들어서는 상수도 처리장에서 오염물질과 악취 제거 등을 위해 활성탄을 사용하고 있다.

현재 활성탄이 가장 많이 쓰이는 곳은 석탄 화력발전소로 배기가스에서 중금속 수은을 잡아내는 역할을 한다. 석탄 화력발전소 비중이 50%가 넘는 미국을 비롯한 여러 나라에서 배기가스 기준이 강화됨에 따라 활성탄을 채용하는 사례가 증가하고 있다.

또한 카본블랙(Carbon Black)은 석유정제 과정에서 나오는 물질(납저유) 또는 석탄 슬러리에서 생성되는 물질(크레오스트 오일)을 불완전 연소 또는 열분해해서 만든 것이다. 95%가 타이어, 호스 등 고무제품의 충격 보강재로 사용되며 그 외에도 프린터 토너 등 흑색 안료, 건전지 소재 등으로 사용되고 있다.

무엇보다 가장 큰 주목을 받고있는 분야는 탄소섬유다. 탄소섬유란 이름 그대로 탄소 성분으로 이뤄진 실 형태의 소재를 말한다. 보통 폴리아크릴로나이트릴(PAN)이라는 석유화학제품이나 석유찌꺼기 피치(Pitch)를 원료로 해서 실 형태로 만든 뒤 이것을 탄화시켜 만든다.

시장조사 기관 루신텔 (Lucintel)에 따르면, 순수한 탄소섬유 시장 규모는 매년 크게 성장하고 있으며 앞으로 에너지와 환경 분야로 항공우주 분야는 물론 프리미엄급 자동차 분야, 전기전자, 에너지 저장 및 발전 분야 등 그 수요가 지속적으로 커질 것이라고 한다..

새로운 나노소재를 만들기 위한 인프라, 즉 나노박막장비, 초고압투과 전자현미경 등 공정기술과 분석기술의 발전은 나노소재의 성장 기회 요인이 되고 있다.

나노기술의 영역 안에서 소재, 공정, 분석의 조화를 통해 새로운 나노소재의 등장이 일어나고 있다. 대표적인 사례로 그래핀(Graphene), 나노다공성 탄소, 탄소 나노폼(nanofoam) 등을 들 수 있다.

이와 같이 우린 탄소를 다양하게 활용하는 탄소시대에 살고 있다. 어찌보면 탄소중립이란 이런 탄소의 쓰임새를 찾아내서 재활용하고 재자원화하는 방법을 찾아나가는 것이라고 할 수 있다.

더욱이 CCUS(탄소포집저장 활용)기술이 부각되면서 여기에서 포집된 탄소를 활용할 수 있는 기술개발이 세계 각국에서 경쟁적으로 나서고 있다. 즉 CO2 활용 무기탄산염 생산, CO2 활용 일산화탄소 생산, CO2 활용 메탄올 생산, CO2 활용 연료 생산, CO2 활용 기초유분 생산 등에 대한 기술이 개발되고 치열한 경쟁속에서 추진되고 있다.