독도 주변 하이드레이트

바다속 노다지를 캔다 - 하이드레이트(Hydrate)

성서에 이런 장면이 나온다. 광야 생활을 하던 모세가 어느 날 이상한 광경을 보았다. 떨기나무에 불이 붙었는데 나무가 타지 않는 것이다. “불이 붙었는데 타지 않는다!” 이쯤 되면 기적이라고 말할 수 있을 것이다. 그런데 마술사들도 이와 비슷한 것을 보여줄 수 있다. 얼음 덩어리를 손바닥 위에 올려놓고 불을 붙였는데, 불꽃은 타오르지만 손은 데이지 않고 얼음 녹은 물만 흘러내린다. 이 얼음불꽃(빙화-氷火)은 마술의 세계에서나 존재할 법 하지만 실제로 지구상에 존재하는 물질이다. 가스는 기체 상태로 존재하지만 만약 온도를 영하로 내리고 압력을 수십 기압까지 높이면 물은 얼게 되고 기체는 물 입자가 만든 격자형의 우리 속에 갇히게 된다.이것을 가스 하이드레이트(Gas Hydrate: 기체수화물)라고 하는데, 그 속에 갇힌 가스가 메탄(Methane, CH4)일 경우 메탄 하이드레이트라고 부른다. 보통 천연가스는 지하의 높은 온도 때문에 기체 상태로 존재하지만, 알래스카나 시베리아와 같은 동토지역의 깊은 땅속이나 수심 300～1,000미터의 바다 밑에서와 같이 30기압 이상의 높은 압력과 함께 온도가 0도 가까이 내려가면 천연가스가 물과 같이 결합하여 고체 상태로 변하게 된다. 겉 모습은 드라이아이스(Dry ice, CO2)와 비슷하다. 그렇다면 1리터의 얼음 속에는 얼마나 많은 가스를 담을 수 있을까? 기체 입자는 분자 운동에너지가 크므로 매우 커다란 부피를 차지 할 수 있다. 이것이 고체로 변하게 될 때는 165～215배 정도로 압축된다. 즉, 1리터의 가스 하이드레이트 속에 약 200리터의 가스가 담겨져 있다는 말이다. 

메탄 하이드레이트는 오늘날 과학자들이 21세기의 신에너지 자원으로 주목하고 있는 물질이다. 그 첫 번째 이유는 막대한 매장량이다. 현재까지 알려진 바로는 천연가스 매장량의 약 100배인 10조 톤이 넘을 것으로 예측하고 있는데 이는 현재 세계에서 사용되고 있는 에너지량의 200~500년분에 해당하는 엄청난 양이다. 두 번째 이유는 메탄 하이드레이트의 ‘깨끗함’이다. 메탄을 주성분으로 하는 천연가스는 태워도 온실효과를 일으키는 이산화탄소의 발생량이 석탄, 석유에 절반에도 못미치기 때문에 청정에너지라 불리울 수 있다. 

이와 같이 메탄 하이드레이트는 새로운 대체 에너지로 각광 받고 있지만 당장 사용하기에는 몇가지 문제점이 있다. 메탄이 연소되면 물과 이산화탄소 밖에 생기지 않고 또 이산화탄소의 발생비율도 다른 화석연료에 비해 매우 낮지만, 시추과정에서 메탄이 연소되지 않고 공중에 그대로 방출되면 이산화탄소보다 10배나 더 심각한 온실효과를 일으킬 수 있다. 메탄 하이드레이트에 포함된 메탄가스의 양은 대기권에 존재하는 양의 300배로 예상되고 있는데, 이렇게 많은 양의 메탄 가스가 공기 중으로 방출된다면 지구의 기후는 엄청난 혼란에 빠지고 말 것이다. 따라서 메탄 하이드레이트를 이용하기 위해서는 시추과정에서 어떻게 메탄의 방출을 막을 것인가라는 기술적 문제를 해결하여야만 한다. 

이와 관련해서 우리나라 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 이흔교수는 메탄 하이드레이트에서 메탄을 빼낸 후에 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 다시 삽입할 수 있는 메커니즘을 발표해 전세계의 주목을 받았다. 이 방법이 실용화 된다면 위에서 언급한 문제의 해결과 동시에 환경 보호라는 두가지 난제를 풀 수 있어 본격적인 메탄 하이드레이트의 활용이 가능할 것으로 보고 있다. 

현재 전세계적으로 21세기 에너지원으로 가장 확실시 되는 하이드레이트에 대한 연구는 활발하게 이루어지고 있다. 우리나라에서도 러시아와 함께 오호츠크해에서 메탄 하이드레이트의 발굴을 위한 공동연구가 진행 중이다. 또한 우리나라 울릉도와 독도 주변에도 엄청난 양의 하이드레이트가 매장되어 있는 것으로 알려져 미래 하이드레이트 개발에 밝은 빛을 주고 있다. 

미래 새로운 에너지원으로 떠오르고 있는 하이드레이트! 

21세기 새로운 신흥 산유국인 대한민국을 기대해 보자. (글 : 이정모-과학칼럼니스트) 

(출처 : KISTI의 과학향기)