알토 대학에서 현재 마리트 메켈레(Maarit Mäkelä) 교수와 주시 레비넨(Jussi Levinen) 교수가 이끄는 연구진급진 세라믹 연구 그룹(Radical Ceramic Research Group)은 세계에서 두 번째로 큰 탄소 배출원인 전통적인 콘크리트의 변형 가능한 대안을 개척하고 있다. 물 다음으로, 콘크리트는 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 산업 재료이다.

2023년 초, 박사과정 연구원인 빌레 레포Ville Repo는 자신의 실험실에서 핀란드 동부 카이누 지역에서 점토를 테스트하고 있었다. 그의 목표는 750°C로 가열되고 적절하게 처리된 점토가 콘크리트의 시멘트를 대체할 수 있는지 확인하는 것이었다.

샘플의 절반은 수백만 년에 걸쳐 특정 광물의 화학적 풍화작용에 의해 만들어진 부드러운 광물(흔히 흰색)인 고령토, 카올리나이트였다. 이는 전 세계에서 시멘트를 대체하기 위해 활발히 활용되고있다. 이를 가열한 후, 점토를 냉각시키고 분쇄한 후 알칼리 용액과 혼합하여 알루미나산염을 녹였다. 강도 실험의 결과는 그에게 충격을 주었다. 핀란드 점토로 만들어진 콘크리트는 최대 7,400만 파스칼의 강도에 달했다. 일반적인 콘크리트는 약 30에서 50 정도로 측정된다. 고령토 혼합물이 콘크리트의 강도를 능가할 수 있다는 가능성은 흥미로운 발견이었다.

콘크리트의 생산은 전 세계적으로 연간 탄소 배출량의 8%를 차지한다. 우리가 매년 발생하는 CO2의 양을 줄이려면, 우리는 콘크리트를 대체할 수 있는 물질을 찾아야만 한다. 대부분의 온실 가스는 석회암이 가공되고 1,450°C로 가열될 때 배출 되며, 생산을 위해 석회암과 다른 재료들을 장거리로 운반하는 데서 나오는 배출도 포함한다. 한편, 콘크리트 혹은 그와 유사한 재료에 대한 세계의 수요는 계속 증가하고 있다. 2020년 통계에 의하면, 전세계적으로 약 40억 톤의 시멘트가 사용되었다. 이는 불과 20년 전 사용량의 두 배 이상을 차지하는 수치다.

알토 대학교에서 지오폴리머 연구 결과를 전시하고 있다. 사진:알토 대학교

결과적으로, 리서치 그룹의 연구원들은 더 적은 에너지와 지역 재료를 사용하여 생산될 수 있는 이상적인 시멘트 대안을 찾으려고 노력하고 있다. 고령토가 풍부한 암석은 전세계의 대부분 지역에서 흔하며, 이는 시멘트를 대체할 수 있는 이상적인 대안으로 꼽힌다. 그래서 대부분의 연구자들에게 이 실험 결과는 굉장히 희망적인 것 이었으나, 고령토가 핀란드에 전 지역에 대량 매장되어 있지 않기 때문에 연구원은 더욱 지역에서 찾을 수 있는 재료를 찾고있다.

2022년에 설립된 급진 세라믹 연구 그룹은 예술에서 재료 과학, 디자인에서 토목에 이르기까지 매우 다양한 학문 분야의 연구자들이 모여 아이디어, 기술, 토양과 점토 샘플을 공유한다. 이들의 목표는 점토와 같은 천연 물질이 지오폴리머와 알칼리 활성 물질로 어떻게 사용될 수 있는지를 조사하는 것이다. 석회암 기반 시멘트 대신 사용될 수 있는 광물로 만들어진 지오폴리머는 건설 산업에 쓰이는 콘크리트부터 스튜디오 세라믹까지 더 친환경적인 대안이 될 수 있다. 이는 생산하는 데 더 적은 열을 필요로 하기 때문이기도 하고, 지역 재료로 생산할 수 있어서 운송에 있어서 탄소배출을 줄일 수 있다.

도자기 샘플을 보고 있는 담당 교수 마리트 메켈레와 쥬시 레비넨. 사진: 미코 라스키넨 / 알토 대학교

6월에, 연구팀은 지질 고분자가 종종 1,300도의 고온에서 소성하는 세라믹의 저에너지 대안이 될 수 있다는 그들의 최초의 발견을 강조한 첫 공식 페이퍼를 발표했다. 핀란드의 정제되지 않은 점토, 화산암 그리고 심지어 도자기 폐기물과 혼합물을 포함하여 그녀의 팀이 사용했던 지오폴리머 혼합물은 고온에 굽지 않고, 80도에서 경화 시키는 과정을 거쳤다. 지오폴리머는 그저 만드는 데 드는 에너지가 적은 것 분 만 아니라, 이는 쓰레기 매립지로 가게 될 폐기물을 재사용 해서 만들 수 있다는 것이 고무적이다.

핀란드 점토는 너무 부드러워 직접 쌓을 수 없는 경향이 있다고 연구진은 말한다. 따라서 건축을 할 때, 기존 점토를 더욱 보강해야 할 필요가 있다. 건축 물을 짓기 전 건설 현장에서 파내어 매립지에 버려지는 방대한 양의 폐토를 활용할 수 있다. 이런 토양은 대부분 먼 거리로 운반되기 때문에 상당한 양의 에너지를 소비한다. 예를 들어, 헬싱키에서만 약 80만 입방 미터의 오염되지 않은 폐토가 매년 평균 50km 이상 매립지로 운반된다. 이와 같은 문제를 해결하고자 연구 그룹은 건축 현장에서 파낸 점토를 현지 공장의 주조된 도자기 파편과 섞어 현장에서 처리하고 바로 그곳에서 건축에 활용하는 색다른 미래를 구상하고 있다.

알토 대학의 토목 공학 박사 연구원인 루이스 후아만Luis Huaman에 따르면, 이 비전은 생각보다 그렇게 멀리 있지 않다. 연구 그룹의 다른 사람들처럼, 지질학자 라는 배경을 가지고 있어 지오폴리머의 세계에 입문하게 되었다. 그는 고향인 페루에서 현대 지질학자들의 세계적 선구자인 조셉 다비토비츠 교수와 함께 일했다.

특히 페루에서 이 기술이 적용할 수 있는 많은 가능성들 때문에 후아만은 지오폴리머를 연구 중이다. 페루에서는 채굴이 흔하며, 광석을 분리하는 것은 일반적으로 부산물(보통 독성이 있는)을 낳으며, 이는 테일링 댐이라고 불리는 흙으로 채워진 댐에 저장된다. 테일링 댐은 환경을 파괴할 뿐만 아니라 안전하지 않으며, 관리 부실로 환경과 사람에게 치명적인 결과를 낳기도 한다.

페루 코브리자 광산에 있는 광산 테일링 댐의 항공 사진. 사진:루이스 후아만, 구글지도 캡쳐

그는 이 산업 부산물들 중 일부가 지오폴리머를 위한 충전재로 사용될 수 있는 규산염이라는 것을 깨달았다. 적합한 재료들을 사용하면 지오폴리머를 만드는 과정이 실제로 '매우 간단하다'고 그는 말한다. 먼저, 나트륨, 규산칼륨 또는 수산화나트륨을 고령토나 플라이애쉬와 같은 재료들과 혼합한다. 그런 다음 모래나 테일링 댐에서 나온 남은 규산염과 같은 충전재들을 그 혼합물에 첨가한다. 이 혼합 재료는 실온에서 건조되도록 방치하거나 오븐에서 경화시킨다. 하루 후, 그 혼합물은 산업에 사용하기에 충분할 정도로 단단하다. 콘크리트보다 더 강할 뿐만 아니라, 일부 혼합물은 내화성과 같은 추가적인 이점들을 가지고 있다. 생산 과정이 아주 간단해서 심지어 일반 부엌에서 만들 수 있을 정도라고 연구원은 말한다.

고대에 쓰이던 지오폴리머의 현대화

이러한 혁신적인 물질은 최첨단으로 느껴질 수 있지만, 사실은 고대에 사용되었던 것이라고 담당 교수는 지적한다. 다비토비츠는 볼리비아의 티아후아나코에 있는 화산 응회암으로 만들어진 1,400년 된 거석 구조물들이 지오폴리머를 사용했다고 이론화했으며, 화산재와 생석회가 섞인 고대 로마의 콘크리트를 언급했다. 이러한 작업은 정말로 오래된 기술들을 현대에 재검토하고 있는 것과 같다. 이는 연구진이 이 주제에 대해 매우 흥미롭게 생각하는 요소 중 하나이다. 담당교수는 현재 지구의 상태 때문에 인류가 오래 전에 사용했던 훨씬 더 지속 가능한 전통과 재료들을 다시 연구해야 한다고 믿고있다.

상자에 담긴 도자기 볼 스튜디오 도자기 샘플. 사진: 미코 라스키넨 / 알토 대학교

전 세계적으로, 산업적인 규모에서, 지역 재료를 사용하는 것은 흔치 않은 일이다. 현재까지 지오폴리머를 사용한 가장 큰 프로젝트는 호주의 브리즈번 웨스트 웰캠프 공항으로, 약 4만 입방 미터의 지질 중합체 콘크리트로 2014년에 완공되었다. 건축 산업은 아주 보수적이지만, 그럼에도 불구하고, 연구진은 낙관적이다다. '나는 콘크리트와 시멘트 제조업체들의 사고방식에 변화를 감지했다. 이들이 엄청난 양의 이산화탄소를 배출하고 있다는 것을 알고 있고, 이를 낮추기 위해 노력하고 있다'라고 그는 말한다.

세계의 몇몇 회사들은 이미 지오폴리머를 생산한다. 핀란드에서, 재료 기술 회사인 베토라르Betolar는 이산화탄소 배출을 최대 80%까지 줄이는 시멘트 없는 콘크리트를 생산한다. 연구진은 새로운 점토 샘플을 계속 실험을 지속하고 있다. 만약 실험이 성공한다면 핀란드 뿐만 아니라 세계의 판도를 바꿀 수 있는 발견이 될 것이다. 건설 현장에서 쉽게 구할 수 있는 물질과 자재들을 바로 건설에 활용할 수 있는 미래가 멀지 않아보인다.

서정애(핀란드)

juneseo1016@gmail.com

Aalto University Masters of Arts and Design, Product and Spatial Design 졸업

(현)AAA Design collective 디자인그룹 아에오 공동설립자

· 본 콘텐츠의 저작권은 저자 또는 제공처에 있으며, 이를 영리를 목적으로 무단 이용하는 경우 저작권법 등에 따라 법적 책임을 질 수 있습니다.
· 본 콘텐츠를 블로그, 개인 홈페이지 등에 게재 시에는 반드시 출처를 밝혀주시기 바랍니다.
· 외부필자에 의해 제공된 콘텐츠의 내용은 designdb의 입장과 다를 수 있습니다.