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자원의 보고 바다

최근 첨단과학기술이 급속도로 발전하면서 해양자원의 이용이 경제적이고도 지속 가능한 방향으로 확대되고 있다. 우선 해양구조물, 선박, 심해잠수정 등의 분야에서 기술발전이 가속화 되고 있으며, 무인선박(Unmanned Surface Vessel), 선박표면 오염방지 재표기술, 쇄빙선 등과 관련된 기술이 진일보 하고 있다. 다음으로 해양자원의 이용에 있어서도 메탄수화물, 망간단괴 채굴, 해양심층수 이용, 조류, 조력, 파력, 온도차, 해상풍력 등을 활용한 발전, 해양생물을 이용한 펄프 등 다양한 소재개발 등이 이루어지고 있다. 그리고 해양의 다양한 바이오매스를 활용한 생명공학 기술도 급속도로 발전하고 있다. 또한 바닷물에 분해되는 플라스틱, 해양생태모니터링장비, 탄소흡수 및 저장기술 등의 개발과 해양오염방제기술이 개발되고 있는 등 기술발전이 가속화되고 있다.

바다는 미래 자원의 보고 우리나라는 선진국에 비해 100여 년 정도 늦게 해양과학기술 연구를 시작했지만, 이 분야에 있어 세계 15위를 차지할 정도로 급속한 성장을 이루어냈다. 우리나라의 해양과학 기술력으로 해양 광물 자원을 개발하고, 해양 생물을 연구하여 신약품을 개발하고 있으며, 6000m 깊이까지 들어갈 수 있는 심해 잠수정, 쇄빙선 등을 만들어 심해와 극지방 연구를 할 수 있게 되었다.

해양과학기술연구를 하는 건물 전경

자원이 부족한 우리나라에서는 해양과학 기술이 그야말로 절실하다. 우리의 바다가 오염과 수산자원 고갈로 위기를 겪고 있는 요즘, 해양과학 기술을 통해 풍족한 수산자원 획득 방법을 개발하고, 깨끗한 해양 환경을 만들고, 해양생태계를 건강하게 지킬 수 있기 때문이다. 조력발전을 이용한 전기의 생산, 해양 재난을 예방, 방재하는 기술 개발 등 다양한 영역에서 해양과학기술의 필요성이 증대되고 있다.

메탄 하이드레이트 돌

특히 해양자원의 꽃이라 할 수 있는 메탄 하이드레이트는 얼음 속에 메탄이 들어 있어 ‘타는 얼음’이라고 불리는 고체 연료이다. 메탄 하이드레이트는 바닷속 미생물이 썩으면서 생긴 메탄이 높은 압력에 의해 물과 함께 얼어붙어 만들어진 것으로 겉모습은 드라이아이스와 비슷한데, 드라이아이스는 불에 타지 않지만 메탄 하이드레이트는 불을 붙이면 활활 타오른다. 이것은 물 분자 사이에 얼어서 갇혀 있는 메탄 가스가 연소하기 때문에 얼음이 불에 타는 마술과 같은 일이 일어나는 것이다.

메탄 하이드레이트는 알래스카, 시베리아, 극지방의 수심 500m 이상인 바다 속 깊은 곳에 매장 된 것으로 알려져 있다. 우리나라의 울릉도와 독도 부근 해저에도 6억톤에 이르는 메탄 하이드레이트가 매장되어 있다는 조사결과가 나왔는데 이는 우리나라에서 30년 동안 사용할 수 있을 정도의 양이다.

또한 바다에는 약 1만 7천여종의 식물과 약 15만 2천여종의 동물이 살고 있다. 지구 생물 종류의 80%가 사는 바다는 에너지 저장고이자, 해양오염을 해결할 유일한 곳으로 세계 선진국들이 서로 개발하려 각축전을 벌이고 있다.

"네이처"지는 육상 생태계의 연간 총 가치를 10조 6천억 달러로 평가한 반면, 해양 생태계의 연간 총 가치는 그 2배 이상 되는 22조 6천억 달러로 평가했다. 또한 광물 매장량의 이용가능 기간을 육상의 경우 40~110년에 불과하지만, 해양은 200년에서 1만년까지로 추정했다. 이를 통해 우리는 해양자원의 높은 가치와 바다의 무궁무진한 개발 잠재력을 엿볼 수 있다.

※ 본 원고는 한국해양재단이 추진한 "해양교육교재 및 "해양교육 교과관련 콘텐츠 개발" 사업의 성과물을 기초로 작성되었습니다.

해양자원 개발

해양자원의 개발해양광물자원은 해수 중에 녹아 있는 것과 해저에 매장되어 있는 것으로 구분할 수 있다. 해안에 가까운, 수심이 수십 m 이하의 얕은 바다 밑인 천해저에는 대부분의 여러 가지 유용한 광물들이 부존되어 있다. 바닷가 또는 천해저에 쌓여 있는 퇴적층에서 공급되는 모래와 자갈은 아파트, 주택 및 도로 건설의 기초 재료가 되며, 티타늄 등은 초강도 합금의 재료로 유용하게 이용된다. 해저에 매장되어 있는 광물로는 석탄, 철, 망간, 다이아몬드 등이 있으며, 석유의 경우 연간 생산량의 20% 정도가 해저에서 생산되고 있다. 해양 생물자원은 생활환경이나 운동 습성에 따라 부유 생물, 유영 생물, 저서 생물로 나눌 수 있다.

여러 해류가 있는 바다속 모습
여러 바다생물들이 있는 바다속 모습

부유 생물은 바다, 호수, 강 등에 사는 생물로서, 파도나 해류에 수동적으로 밀려다니는 작은 동식물을 말하고, 유영 생물은 해류에 관계없이 스스로 헤엄칠 수 있는 동물로서, 대구, 명태, 오징어, 고래 등이 있고 저서생물은 바다나 호수의 밑바닥에 붙어 기어다니는 동식물로 소라, 해삼, 게, 미역, 김, 우뭇가사리 등이 있다. 해양 공간자원은 해양에 거주 시설 및 도시를 만들거나 공항, 항만을 건설하여 해양공간을 최대로 이용하자는 도시이다. 해양구조물은 해저 또는 해상에 설치되는 구조물을 말한다. 해상시설로는 발전소, 공장, 호텔, 도시 및 여러 가지 관광시설 등이 가능하고, 해중 시설로는 해중 공원, 유람선, 전망대, 터널, 파이프라인, 수족관, 바다목장 등으로 이용할 수 있으며, 해저시설로는 해저터널, 저장소 등을 생각할 수 있다.

수자원으로는 바닷물을 염분을 제거하는 담수화 작업과 해양심층수 개발을 통해 인류의 부족한 식수원을 보충할 수 있다. 다음으로 에너지 자원은 파도 조류, 온도차 발전 등을 통하여 전기를 생산하고 있다. 해양에너지 자원은 바닷물이 지닌 에너지로 그 양이 무한한 재생 에너지이며 성장에너지이다. 조력발전, 파력발전, 조류발전, 해양 온도차 발전 등 주로 발전에 이용되고 있다. 우선 조력 발전은 바닷물의 해수면이 낮아지는 간조와 그 반대 현상이 만조 때의 해수면 높이 차를 이용하여 수차를 회전시켜 전기를 생산하는 생산 방식이다. 우리나라는 삼면이 바다이지만 동해안보다는 서해안이 조수간만의 차가 크므로 조력 발전을 사용하기에 유리하다. 세계적인 조력발전소는 프랑스 랑스(400KW), 러시아 키슬라야(800KW), 캐나다 아나폴리스(2만KW), 중국 지앙시아(3000KW) 발전소가 있다.

다음으로 파력 발전은 파도의 상하 운동을 이용하여 전기를 생산하는 방식으로 파도가 밀려오고 밀려감에 따라 공기가 수축과 팽창을 반복하면서 캠이나 공기 터빈을 작동시킬 수 있는 동력을 얻게 된다. 그리고 해양 온도차 발전은 바닷물의 온도차이를 이용한 발전방식이다. 터빈을 돌리고 난 증기는 심해의 찬 바닷물로 냉각해서 다시 유체로 만들어 계속 사용한다. 다음으로 조류 발전은 바닷물이 자연적으로 흐르는 빠른 조류를 이용하여 발전기의 터빈을 돌려서 전기를 생산하는 발전 방식이다. 조류 발전은 댐건설 없이 전기를 생산할 수 있기 때문에 해안 생태계에 영향을 끼치지 않는 친환경 에너지 설비이며 날씨와 상관없이 지속적인 발전이 가능하여 이용률이 높다. 우리나라는 남해안의 울돌목 등이 해류발전에 적합한 지역으로 꼽히고 있다.

등대와 풍력발전 고태경 作(제3회 대한민국해양사진대전 입선)

미래의 자원-

바다의 천연자원

바다에는 보물이라고 할 수 있는 수많은 천연자원이 있다. 바다 속 천연자원은 앞으로 육지에서 얻을 수 있는 자원이 계속 줄어들고 있기 때문에 그 중요성이 더욱 강조되고 있다. 그중 대표적인 것들을 살펴보면 다음과 같다.

망간단괴가 있는 바다속 모습
망간단괴(manganese nodules)
일명 심해의 노다지, 심해의 검은 황금, 심해의 흑진주라고 불리기도 한다. 망간 단괴에는 망간, 구리, 니켈, 코발트 같은 금속이 들어 있는데, 망간 단괴가 100만년에 2~6mm 자라고, 주로 수천m 깊이의 심해 분지에 존재 한다. 망간 단괴에 포함된 금속들로는 자동차, 전기 통신, 항공기, 엔진, 의료기 등을 만들 수 있다. 이렇게 중요한 망간 단괴는 바다 속에 약 5,000억톤이 매장 되어 있는 것으로 추정된다. 우리나라도 태평양 하와이 동남쪽에 있는 클라리온-클리퍼톤 지역에 7만7천㎢의 해양영토를 보유하고 있는데 이곳에는 망간 단괴 같은 해저 광물이 풍부하게 저장되어 있다고 한다.
메탄 하이드레이트
메탄 하이드레이트는 고체 형태로 존재하는 물질로 메탄가스가 극저온과 고압 상태에서 굳어진 것으로 1㎡의 메탄 하이드레이트로 172㎡의 메탄가스를 만들어 낼 수 있다. 현재 바다에 묻혀 있는 메탄 하이드레이트 양은 전 세계가 5,000년 동안 쓸 수 있는 양이다. 우리나라에는 메탄 하이드레이트가 울릉도와 독도 인근 해저에 6억톤 가량 있어 독도의 중요성이 한층 더 높아졌다.
메탄 하이브레이트가 켜져있는 모습
석유,천연가스
현재까지 세계에서 가장 많이 쓰이는 에너지원으로 바다에는 지구에 존재하는 전체 석유의 30%가 매장되어 있다.
석유가 매장된 공장 모습
해양심층수처럼 보이는 깨끗한 바다속 모습
해양심층수
태양 빛이 도달하지 않는 수심 200m 이상 깊은 곳에 있는 물로 각종 영양이 풍부하고 오랫동안 숙성된 깨끗한 물이다. 해양심층수는 유용한 해양자원이며 막대한 청정자원이다.
토륨을 확대한 모습
토륨
백열가스, 원자 연료에 사용되고, 높은 온도에서도 잘 견디며, 가볍고 강도가 높아 인공위성, 항공기 등 제작에 중요한 재료로 사용될 수 있다.
해양자원은 어디에서 찾을 수 있을까?
먼저, 대륙붕에 석유나 석탄, 천연가스 등이 많이 있다. 해변에서부터 시작해서 깊이가 200미터 이내인 바다를 대륙붕이라고 하는데 해양 전체 넓이의 7.5퍼센트를 차지한다. 이곳은 퇴적층이 발달해서 유전과 같은 천연 자원이 많이 묻혀 있다. 특히 우리나라의 대륙붕은 한반도 전체 넓이의 약 3,5배이고, 남해안과 황해안에 발달되어 있다. 그리고 해저의 열수(뜨거운 물)가 암반을 통해 뿜어져 나오면서 열수(뜨거운 물)에 녹아 있는 광물 성분이 굳어져 기둥 모양으로 만들어지는 광물자원이 있다. 이러한 해저 열수광상에는 금, 은, 구리, 아연 등 광물 자원이 들어 있는데 하지만 해저열수광상을 찾기가 어려워 많은 기술\ 개발이 필요하다.

※ 본 원고는 한국해양재단이 추진한 "해양교육교재 및 "해양교육 교과관련 콘텐츠 개발" 사업의 성과물을 기초로 작성되었습니다.

바이오와 생명공학

함암물질, 화장품, 건강보조제로 활용되는
해양 천연물과 의약품 개발
인류에게 유용하게 사용되는 의약품들은 한계에 도달하여 해양생물자원으로 눈을 돌리기 시작하였다. 2000년대에 들어 새로 개발되는 항암제 후보물질의 절반정도가 해양생물로부터 유래된 신물질이거나 해양 천연물에서 변화하여 생긴 물질일 정도로 놀라운 결과를 보여주고 있다. 해양환경의 변화양상은 육상과 매우 달라서 생물의 배양과 양식이 매우 어렵고, 채집도 어렵지만 채집할 수 있는 적은 양의 해양생물로부터 천연물을 분리하고 생리활성을 확인하는 것은 매우 정밀한 분석 화학기술이 확립되고 나서야 좋은 결과를 얻을 수 있다. 대표적인 사례는 다음과 같다.

알약
고둥독소 - 진통제
콘 쉘(cone shell, 청자고둥)은 독침을 가지고 있는 맹독성 고둥이므로 조심스럽게 다루어야 한다. 청자고둥은 청자고둥과(靑磁ㅡ科 Conidae)와 청자고둥속(靑磁ㅡ屬 Conus) 을 이루는 해산연체동물이다. 인도 태평양 해역에서는 청자고둥에 쏘이는 경우가 종종 발생하는데 한 해 10여명이 사망한다고 한다. 독성이 매우 강력하여 절대 산 채로 바지 주머니에 넣지 말아야 하고 손으로 만질 때는 앞 뾰족한 부분에 독침이 나오기 때문에 반드시 뒤쪽 부분을 잡아야 한다.
카브리해 항암제 - 우렁쉥이
엑티나시딘은 카리브해에 서식하는 우렁쉥이에서 분리된 천연물질인 엑티나시딘-743(ecteinascidin- 743)은 우수한 항암활성(anticancer activity)을 나타낸다. 이 물질은 1986년 일리노이즈주립대학(University of Illinois, Urbana-Champaign) 화학과 케니스 엘 리너하트(Kenneth L. Rinehart) 교수에 의해 엑티나시디아 터비나타(Ecteinascidia turbinata )라는 우렁쉥이로부터 최초로 분리 정제되었으며, 1996년에 합성 방법이 최초로 학계에 보고되면서 이후 다양한 암에 대한 효능이 확인되어 2007년부터 일반 판매가 시작되었다.
연산호류화장품통
카브리해 항암제 세포
연산호류 - 화장품
카리브해에 서식하고 있는 연산호류에서 추출된 슈도테로신은 강력한 소염 작용을 갖는 물질로 이를 활용하여 주름개선 화장품으로 개발되었고, 현재 이 물질을 허용한 소염제 개발도 진행 중이다.
기타 물질
상어의 간에서 발견한 스쿠알렌, 참치의 눈알에서 추출한 EPA와 DHA 등 바다에서 발굴한 생물자원이 생명공학의 힘을 빌려 의약품, 건강보조식품, 화장품으로 각광을 받고 있다. 최근 들어서는 해면에서 추출된 만성 B형 활동성간염에 효과가 두드러진 ARA-A, 바다이끼벌레에서 추출된 항암제(알츠하이머에도 효과가 있다고 함) 브라이오스타틴 같은 성분이 각광을 받고 있다.
복어의 독은 먹은지 5분이 지나면 구역질을 하고 입 주위 감각이 이상해지고 10분이 지나면 말이 어눌해지며 얼굴 주위 감각이 마비된다. 15분이 지나면서 온몸에 마비가 와서 팔다리를 움직이지 못하고, 가로막의 근육마비로 숨도 쉬지 못하게 되어 사망에 이른다. 독은 크게 두 가지로 구별할 수 있다. 복어의 독은 신경독으로 동물의 체내에 들어오면 신경 전달 물질의 이동을 차단하여 신경 신호 전달을 방해한다. 그 결과 운동 기관이나 감각기관이 마비되고 결국 사망하게 된다. 과학자들은 이러한 독이 왜 사람의 신경을 마비시키는가에 대하여 연구를 진행하면서 독의 쓰임새에 관심을 갖게 되었다. 복어의 독은 신경 마비 작용이 강력한데, 통증이라는 감각 또한 신경을 통하여 전달되기 때문에 통증 치료제를 위한 복어의 독 연구가 진행 중이다. 독에 의해 신경이 마비되어 죽음에 이르는 것과 독이 신경신호 전달을 막아 통증을 줄이는 것은 그 작용 원리는 동일하지만 쓰임새는 완전히 반대라고 할 수 있다.
눈가의 주름살을 펴는 특효약으로 쓰이는 보톡스는 1g이면 백만명을 죽일 수 있는 맹독이다. 보톡스는 상한 통조림 등에서 자라는 보툴리눔이라는 세균이 만드는 독으로 치사량의 천분의 일 정도만 눈가에 주사하면 그 주위의 주름살이 펴진다. 또한 보톡스를 사시 환자에게 주사하여 사시를 교정하기도 한다.
상어와 복어가 헤엄치는 모습

※ 본 원고는 한국해양재단이 추진한 "해양교육교재 및 "해양교육 교과관련 콘텐츠 개발" 사업의 성과물을 기초로 작성되었습니다.

해양탐사와 개발

해양탐사

1869년 프랑스 작가 쥘 베른의 “해저 2만리”는 바다라는 미지의 세계에 대한 인간의 무한한 상상력과 탐구의지를 보여주는 대표적인 작품이다. 이러한 인간의 지적 호기심은 점차 현실화 되어 인류 최초의 해양조사선인 챌린저호가 1872년 영국에서 개발되었다. 챌린저호는 저인망을 이용해 4,700여 종의 새로운 해양 생물을 발견하였고, 해저의 모습, 해류, 수온까지 조사했다. 이를 통해 사람들은 바다에 한 발짝 더 가까이 다가가 바다에 관해 많은 것은 새로운 지식을 얻게 되어 ‘해양학’이라는 학문이 새롭게 탄생하게 되었다. 이후 해양탐사가 더욱 가속화되어 1934년 미국의 윌리엄 비브가 공 모양의 잠수정 배시스피어를 타고 약 900미터 깊이까지 잠수하였으며, 1960년에는 자크와 윌시 중위를 태운 미국의 트리에스테호가 챌린저 해연 잠수에 성공하기도 했다. 오늘날 세계 각국은 마지막 미개척지인 해양의 각종 자원을 확보하기 위해 도전을 계속하고 있으며, 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 이에 UN은 심해저의 광물 자원을 ‘인류 공동의 유산 자원’으로 선언하고, 이를 유엔 해양법으로 제정하여 특정 국가의 독점개발을 막고, 인류 복지 증진을 위해 공동 활용을 위해 노력하고 있다.

스쿠버다이빙 중인 모습
바다
우리의 태평양 해저자원 개발

2011년 우리나라는 남태평양 피지의 배타적경제수역(EEZ) 내 약 3000㎢ 규모(여의도 면적의 약 350배)의 해저열수광상 탐사광구를 독점 확보했다. 해저열수광상은 수심 1000~3000m에서 마그마로 인해 가열된 뜨거운 물이 솟아나는 과정에서 그 안에 포함된 금속이온 성분이 차가운 물과 접촉하면서 형성되는 광물자원이다. 이 물질은 금과 은, 구리, 아연 등 주요 금속을 포함하고 있어 향후 20년간 연 30만t을 개발할 경우 연간 3억2000만 달러의 수입대체 효과를 예상하고 있다.

이 외에 지난 2008년에도 남태평양 통가왕국에서 해저열수광상 탐사광구약 2만4000㎢를 확보한 바 있으며. 현재 해양수산부와 삼성중공업, SK네트웍스, 포스코 등 민간기업이 공동으로 개발사업을 벌이고 있다.

지도
클라리온-클리퍼톤 광구 개발

1983년 한국해양연구원(현 한국해양과학기술원)을 주축으로 태평양 일대 해저의 망간단괴 탐사를 시작한 이후 20년만인 2002년, 하와이 남동쪽 2500Km 떨어진 클라리온 클리퍼튼 일대에 해양영토 7만 5천㎢를 확보하여 이 지역에 대한 망간단괴 개발의 독점권을 보유하고 있다. 망간단괴는 1cm 성장하는데 백만년이나 되는 시간이 걸리는 특수 광물로. 그 성분은 보통 망간 27%, 철 8%, 니켈 1.4%, 구리 1.3%, 코발트 0.2%이고, 그밖에 몰리브텐, 희토류 금속 등이 함유되어 있다. 우리나라가 확보한 클라리온 클리퍼톤 공구의 망간단괴가 개발되어 연간 300만톤 규모를 생산한다면 연간 15억 달러의 수입을 대체 효과가 있는 것으로 분석되고 있다.

망간단괴의 모습

※ 본 원고는 한국해양재단이 추진한 "해양교육교재 개발" 및 "해양교육 교과관련 콘텐츠 개발" 사업의 성과물을 기초로 작성되었습니다.

해양종합과학기지

남극의 과학기지

극지방은 혹독한 자연환경 때문에 인간의 손길이 닿지 않아 오염이 적은 곳이어서 지금까지의 지구 기후 변화와 풍부한 해양 생태계, 해양 자원을 개발하고 연구하기 좋은 곳이다. 우리나라는 1988년 남극 킹조지섬에 남극세종과학기지를 건설하고 1989년 남극조약(1959년 12월 미국, 영국, 소련, 일본 등 12개국이 남극의 평화적 이용, 과학적 탐사의 자유 등에 대해 체결한 조약)에 33번째로 참가한 나라가 되었다. 또한 우리나라는 남극세종과학기지에 이어 2014년 동남극 로스시 테라노바베이에 건축물 연면적 4,232㎡ 규모의 제2과학기지인 남극장보고과학기지를 건설하였다. 남극장보고과학기지는 남극 대륙 기반의 극지연구를 본격적으로 수행하게 될 것이다. 장보고과학기지의 건설로 우리나라는 세계에서 10번째로 남극에 2개 이상의 상주기지를 보유한 극지연구 강국으로 발돋음하게 되었다.

남극세종과학기지의 연구활동

다색 광도계로 고층의 대기를 관측한다. 식물을 채집, 조사한다. 펭귄의 서식지 등 생태계를 조사한다. 바닷물과 바닷속 생물을 조사한다. 조류를 조사한다. 지하 자원(석탄, 구리, 철광석, 아연석 등)을 조사한다.

※사진 : 극지연구소 극지미디어 제공

남극장보고과학기지의 연구활동

남극장보고과학기지에서는 우주, 천문, 빙하, 운석 등 대륙기간 연구, 빙권 변화 기작 파악 및 예측을 통한 기후변화 연구 및 극지분야 융복합 연구테스트베드 역할을 수행합니다.

※사진 : 극지연구소 극지미디어 제공

북극다산과학기지

북극의 과학기지는 우리나라가 2002년 4월 29일에 북극 스발바드 군도 니알슨에 세계에서 12번째로 세운 과학 기지이다. 우리나라는 남극과 북극에 동시에 과학 기지를 운영하는 세계 8번째 나라가 되었다. 이 곳에서는 지구 전체 기후 변화와 북극권 빙하, 부존자원에 대한 연구를 하고 있다.

※사진 : 극지연구소 극지미디어 제공

이어도
종합해양과학기지

제주도 남쪽 마라도에서 서남방으로 149Km(80해리)에 위치한 이어도는 1952년 인접해양에 대한 주권을 선언한 평화선 선포수역 내에 있어
우리나라 해양관할권에 속해있다. 1995년부터 기지 설치를 위한 현장 조사가 본격적으로 이루어지기 시작했으며, 2003년 6월 11일 준공식을
갖고 현재 이어도 주변의 해양조사와 각종 연구를 수행하고 있다. 이어도 종합해양과학기지는 해양 및
기상, 환경 등 관측을 위한 각종 첨단 장비를 보유하고 국내외 연구자들과 각 분야의 해양정보
이용자들에게 각종 정보를 제공하고 있다.

이어도경비의 모습
이어도경비

정희준 作
(제7회 대한민국해양사진대전 은상)

※ 본 원고는 한국해양재단이 추진한 "해양교육교재 개발" 및 "해양교육 교과관련 콘텐츠 개발" 사업의 성과물을 기초로 작성되었습니다.