다음은 우연히 읽고 흥미로운 내용이 많아서 퍼온 글입니다.
그런데 미처 몰랐던 여러 가지 금속에 대해서 알아가면서
우리가 비교적 잘 알고 있는 금속 가운데 금과 은을 귀중하게
생각하면서 잘 알려져 있지 않은 희토류 같은 희귀한 금속은
하찮게 취급한다면 세상의 웃음거리가 될 것이라는 생각이
들었습니다.
그리고 진돗개의 모색단일화가 연상되었는데 진돗개를 생각하는
마음이 지나쳐서 천석고황 같이 되었다는 생각을 해 봅니다.
상당히 긴 내용이지만 시간이 있을 때에 심심풀이로 일독을 권합니다.
금속 전쟁저자키스 베로니즈출판반니발매2015.10.25.
▶우리곁의 금속들
금속은 몇 가지 기본적인 공통된 성질을 가지고 있다.
금속은 대개 원하는 대로 모양을 만들기 쉽고, 전자를 잘 흐르게 하는 훌륭한 유도체이다. 금속을 의미하는 영어 "metal"은
그리스어 "metallion"에서 비롯되었는데, 오늘날 채석장 또는 광산으로 번역되는데, 고대 그리스 시대에 번창했던 금광이나 은광을 가리키는 말이다.
대부분의 금속은 쉽게 구부러 지거나 늘일수 있고, 복잡한 모양으로 성형이 가능하다. 또 야외 환경에서 일어나는 극단적 화학반응에 강하다는 사실도 있어, 안정성이 높아서 더욱 유용하게 쓰일수 있다.
그러나 이런 높은 안정성에 예외도 있는데, 바로 철이 산소와 물에 오래 노출될때 녹이 스는 현상이다.
▶땅속으로, 땅속으로
왜 어떤 금속들은 지각에 골고루 퍼져있지 않고, 특정지역에 몰려있을까 ? 이는 금속들 사이에 서로 끌어당기는 화학적 성질에 기초한다.
매우 많은 금속들은 친철성(親鐵性, siderophile)을 띠는데, 이는 "철을 좋아하는 "이란 뜻이다.
오스뮴, 금, 팔라듐, 백금은 과학자들이 친철성으로 분류한 12가지 금속중 네가지이다. 이런 금속들은 철에 이끌리고 철과 첩촉하여 결합하는 성질을 갖고있다.
이처럼 철에 이끌리는 특이한 성질은 왜 많은 종류의 귀한 금속들이 그토록 구하기 힘든지 설명해준다. 녹아서 액체 상태인 지구의 중심핵은 그 성분의 대략 90%가 철로 이뤄져 있다, 그 결과 친철성 원소들은 지각에서 점점 안쪽으로 깊숙이 가라앉는 경향이 있다.
이처럼 지구내부로 가라 앉고자 하는 움직임 때문에 지각에선 이금속들을 점점 구하기 힘든 것이다.
▶지옥으로 통하는 우물
콜라 슈퍼딥(kola super deep) 지각 12km깊이 채굴-소련
지구를 이루는 대부분의 원소는 수소와 산소이다. 금속 가운데 지각에 다량으로 포함된 것은 알루미늄과 철뿐이다. 철은 지구핵의 대부분을 차지하는 원소이다. 이렇게 네가지의 원소가 지각의 90%를 차지한다.,
그다음 규소, 니켈, 마그네슘, 황,칼슘 이 또 9%를 차지하고, 나머지 1%를 주기율표의 100가지가 넘는 원소들이 채운다. 상당히 유용하나 희귀한 금속들이 여기에 포함된다.
현재 지구에서 인간이 채굴할수 있는 부분은 지각뿐이다. 기술이 발전함에 따라 해저의 휘귀금속이나 기타 원소의 채굴은 점점 보편화 될것이다.
그러나 현재는 비용과 안정성 문제로 주로 지구 표면의 1/3에 해당하는, 발을 디딜수 있는 땅에서 채굴을 하고있다.
지각의 두께는 대륙에 따라 25-50km로 다양하다 . 인류는 지금까지 지각을 온전히 뚫고 파 내려가지 못했다. 지각은 대륙 한복판에서 가장 두껍고, 바다에 가까울수록 얇아 진다.
지각을 파고 들어갈려면 방대한 예산과 시간, 그리고 초강대국의 지지가 필요하다.
냉전기간에 소련이 20년에 걸쳐 러시아 콜라반도의 북서쪽의 지각을 12km나 파고 들어갔다. 그저 냉전시대의 과학분야 힘겨루기 였다.
이 프로젝트는 1970년에 시작되어 30년에 걸쳐 발트해 연안의 지각에 12km의 시추공을 남겼다, 이것은 추정 지각 두께의 1/3에 지나지 않는다.
문제는 땅속의 높은 온도가 가로 막았다. 우리가 보통 땅을 파면 시원하다고 생각하는데, 지구 표면에서 깊숙이 파고 들면 온도는 1.5km당 약 9도 올라간다. 콜라시추공 프로젝트를 계속 추진하면 어느 시점에 온도가 100도에 이를 것으로 예성되었다.
구멍을 파고 들수록 매우 뜨거운 온도와 높은 압력으로 작업이 까다롭고 비용이 많이 들어 소련은 결국 포기할수 밖에 없었다.
이 콜라 슈퍼딥 시추공은 1980년대 말과 1990년대 소련이 지옥으로 통하는 우물을 파고 있다는 괴담으로 둔갑해서 퍼져나갔다.
1992년 프로젝트를 중단 했을때 파지 못한 지각의 두께는 최소 20km였다.
콜라 슈퍼딥-12km 깊이 채굴-소련시절
▶순수함을 만드는 기술
금 광산
구리는 매장량이 풍부하고 인류가 수천년에 걸쳐 이용해 왔으나, 지각에서 순수형태의 구리를 얻기는 매우 힘들다. 용광로에 넣고 제련해야 순수 구리를 얻을수 있다.
18-19세기 알루미늄은 원광에서 분리하고 정제하기가 매우 어려워 은보다도 값이 비쌌다. 1886년 전기를 이용해 알루미늄을 원광에서 분리하는 단순한 방법을 찾앗다. 몇년후 알루미늄은 비싸지 않은 금속으로 자리매김한다.
금은 애초에 순도 높은 형태로 존재하기에 금을 향한 인간의 갈망을 더욱 부추겼다. 금은 천연상태로 순수하게 존재하기에 일단 땅속에서도 쉽게 식별할수 있다.
▶스마트폰으로 들어간 금속들
백금이 들어가는 자동차 촉매변환장치(배기장치)
① 희소금속은 환경을 보호하는데도 역할을 담당한다. 자동차의 촉매변환장치에 사용되는 5g의 백금, 팔라듐,로듐은 , 촉매역할을 해서
일산화탄소를 환경에 무해한 수증기로 바꾸어 배출하게 한다. 그 과정에서 촉매인 금속은 그대로 남아있다.
탄탈럼(tantalum)-스마트폰에 사용되는 중요 희소금속
② 스마트폰 안의 축전기 재료가 업계의 요구에 의해, 알루미늄에서 탄탈럼으로 대체되면서 거대 규모의 희소금속 시장이 생겼다.
별로 잘 알려지지 않은 금속이 갑자기 전세계에서 매년 10억개 이상 팔리는 스마트폰의 부품이 된것이다. 스마트폰에 사용되기전 턴탈럼의 주용도는 20세기초 전구가 발명되었을때 , 전기를 흘려주는 필라멘트 역할이 고작이었다. 그후 그나마 그자리도 얼만안가 텅스텐에 넘겨주었다.
▶ 갈등의 씨앗
가나에 있는 금 광상
갈등의 씨앗이 되는 금속은, 사람들이 열망하고 추구하고 그것을 얻기위해 투쟁해온 또 다른 자원, 석유의 전철을 그대로 밟는다.
희소 금속들 대부분을 포함한 중금속 원소들은 , 모두 수십억년전 존재했던 초신성에서 비롯되었다.
이 희소 금속이야기 안에는 인간의 투쟁와 정치적 갈등이 들어있다. 지난 10년동안 콩고는 탄탈럼, 텅스텐, 주석을 둘러싼 종족간 전쟁으로 황폐해 졌다. 희속 금속의 수요와 공급곡선이 만나는 교차지점에서 5백만명 이상의 사람이 죽었다.
아프가니스탄과 중국의 서쪽 국경 지대에도 첨단기술에 필요한 희소금속들이 풍부하게 매장되어있는데, 미국은 아프가니스탄에서 군사활동을 벌일때 지질학자들을 파견하여, 희소금속의 매장량을 측정하였다.
▶투자의 조건
금은 다른 모든 금속들을 제치고 부의 기준으로 자리잡았고, 그 위치는 수천년 동안 바뀌지 않았다. 은은 상당한 격차를 두고 그 뒤를 따랐다.
금과 은의 가치 격차는 시간이 흐르며 더 벌어졌다.
로마시대 금 1온스(28.35g)의 값어치는 은 12온스와 같았다. 1500년동안 이 격차가 벌어져 오늘날 금1온스는 은 60온스와 맞먹는다.
우리 사회는 금, 은, 백금 정도를 부의기준으로 삼는다.
희토류금속의 시장 가격은 금이나 은 처럼 쉽게 접하기 어렵다 . 일반소비자는 희토류금속을 금처럼 쉽게 보관하기도 힘들다. 희토류는보관하고 접히가 어렵지만 제조업자, 전자회사, 국가들에겐 그런 장벽이 문제가 되지않는다.
▶희토류 금속에 대한 몇 가지 오해
희토류 17원소
희토류 금속( rare erth medtal)은 주기율표에서 나란히 어깨를 맞대고 배열된 17가지 원소들을 말한다.
스칸듐(Sc)과 이트륨(Y)만 주기율표의 넓은 본체에 위치하고, 나머지 15개의 희토류 금속-란타넘(La), 세륨(Ce),프라세오디뮴(Pr),네오디뮴(Nd),
프로메튬(Pm),사마륨(Sm0,유로퓸(Eu),가돌리늄(Gd), 터븀(테르붐,Tb), 홀뮴(Ho), 어븀(Er),톨륨(Tm),이터븀(Yb),루테튬(Lu)-은 마치 부록처럼 주기율표의 본체에서 떨어져 아래쪽에 긴 띠로 마련된 두 줄 중 윗줄에 자리하고 있다.
15개의 희토류 원소들은 속세를 버린 성스러운 존재라기 보단, 지하감옥에 억류된 죄수나 포로와 비슷한 신세다.
희토류 원소를 란타넘족이라 부르는데, 원소들 맨앞에 있는 란타넘의 이름을 딴 것이다. 이 15개 원소들은 모두 란타넘과 비슷한 성질을 갖는다.
희토류는 의도치 않게 오해를 불러 일으켰다. 드물다는 뜻의 "희(稀,rare)"가 붙어서 이들 원소를 어디서도 찾아보기 힘들 것이란 선입견을 심어준다. 그러나 실제로 17가지 희토류중 일부는 흔한 금속들 같이 지각에 존재한다. 17가지 희토류 원소중 대다수는 전혀 희귀하지 않다.
다만 이 원소들은 수요는 높은데 정제하고, 가공하는 과정이 매우 어렵기에 귀한몸으로 대접받는 것 뿐이다.
반면, 탄소,질소, 산소는 주기율표에서 나란히 어깨를 맞대고 줄지어 있는데, 인접한 원소들 사이의 양성자 수 하나의 차이가 크게 다른 성질 차이를 만든다. 이 세원소는 모두 생명의 기본 단위이다. 그러나 그 역할은 크게 다르다.
탄소는 유기물의 구조적 뼈대를 이룬다. 산소는 공기와 물의 필수적인 성분이다. 질소는 모든 단백질 분자와 DNA를 구성하는 성분이다.
이처럼 양성자 수 하나의 차이로 각 원소들은 서로 다른 방식으로 행동하고 다른 분자를 이룬다.
▶희소한 것인가? 얻기 힘든 것인가?
희토류 17금속
17가지 금속은 지구 표면에 적당량이 골고루 분포하고 있지만, 채취하기에 적당할 만큼 집중되어 있는 곳을 찾기는 매우 힘들다.
이처럼 매우 적은 양씩 지표면에 골고루 흩어져 있는, 이 금속을 추출하고 정제해서 산업 용도로 사용하기 까지 매우 어렵기에 "희토류"라는 이름이 붙은 것이다. 한편으론 정제과정의 화학반응에서 희토류 금속이 소실되는 부 반응(side reaction)을 일으킨다. 그래서 희토류를 더욱 귀하게 만든다.
희토류 금속이 중요한 것은 오늘날 전자제품을 만드는데 필요하기 때문이다. 희토류 금속은 일종의 비타민과 같다. 많이 섭취할 필요는 없느나 , 일정량을 꾸준히 섭취할 필요가 있는 것이다.
▶ 희토류 표면의 전기적 성질
희토류는 대개 은빛이나 회색
희토류 금속의 겉모습은 평범하기 짝이 없다. 대개 은빛 또는 회색을 띠고 있다. 은회색을 띤 대부분의 금속 원소는 전자를 질서 정연하게 배치된 자리에 집어넣는다.
희토류 원소의 줄에서 오른쪽으로 한 칸씩 가면서 전자가 추가될때 기묘한 방식을 따르는데, 그것이 희토류 금속의 흥미로운 특징을 나타낸다.
새로 추가되는 전자가 들어갈 자리에 배치되면 기존의 전자 한 세트가 양전하를 띤 핵의 끌어당기는 힘에 더 크게 노출된다.
그러니까 주기율표의 가로줄에서 오른쪽으로 갈수록 점점 더 작아진다. 다른 원소들과는 반대이다. 일반적으로 원소의 이온들은 오른쪽으로 갈수록 커지는 것이 정상이다. 일반적 규칙을 다르지 않고, 원자번호가 커질수록 이온의 크기가 작아지는 희토류 전자들이 고유의 특이한 경로로 움직이면서 흥미로운 자기적 성질을 나타낸다.
그러기에 희토류 금속은 전자산업과 방위산업에서 독특한 쓰임새를 갖고있어 강력한 수요가 존재한다.
▶광물 분리하기
금과 은은 우리를 노골적으로 유혹한다. 이 귀금속은 별다른 가공없이 천연형태 그대로 사용할수 있는 금속의 두가지 예이다. 이런 금속들은 발견하기도 쉽다. 금은 땅속에 매장되어 있는 형태가 딱 봐도 금처럼 생겼다.
반면 탄탈럼이나 텅스텐과 같은 금속들은 최근에야 인류 무대에 등장했다. 기술발달로 광석에서 이 금속을 분리하고 다양한 산업용도가 개발된 후에야 그 수요가 생겨났다.
금속은 많은 경우에 유기물이나 다른 금속들과 섞인 채로 발견된다. 알루미늄은 보크사이트 광상에서 주로 발견된다.
탄탈럼과 니오븀은 뜨거운 관심의 대상인 콜탄(coltan)에서 얻는다.
희토류 금속 사냥꾼들의 관심을 끄는 광물은 대략 5 종류다. 컬럼바이트(columbite), 탄탈라이트(tantalite), 모자나이트, 제노타임(xenotime),
바스트네사이트(bastnasite)
콜탄원광은 희소금속 가운데 특히 인기가 높은 탄탈럼과 니오븀을 다량 함유하고 있어, 콜탄이 많이 매장되어있는 중앙아프리카의 수많은 국가와 파벌들의 갈등이 끊이지 않는다.
모자나이트에서 희토류 금속을 채취하는 일에는 중대한 문제점이 따르는데, 대부분의 시료가 방사능을 띠기 때문이다. 자연적으로 방사능을 가진 토륨이란 금속이 모자나이트의 중요 구성성분이다.
광석에는 보통 여러종류의 희토류 금속들이 조금씩 들어있다. 다른 금속을 얻기위해 채굴하고 가공하는 과정에서 부산물로 희토류 금속을 얻을수 있다면 매우 바람직한데, 그런 예가 "카보나타이트"이다. 카보나타이트"는 구리를 얻기 위해 채굴하는 데 덤으로 소량의 희토류 금속도 포함돼있다.
▶희토류 금속안의 파벌
오른쪽으로 갈수록 무거운 희토류
희토류 원소들은 가벼운 희토류와 무거운 희토류란 두 집단으로 나누어지는데, 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴 등이 가벼운 원소이고,
유로퓸,가돌리늄,터붐등이 무거운 원소이다. 무거운 희토류가 매장된 곳을 찾기 어렵고 그에 따라 값도 더 비싸다.
우주는 대개 네가지 원소로 이뤄져 있다. 우주의 대부분은 수소와 헬륨이 차지하고 있고 산소와 탄소가 약간 섞여있다고 보면 된다.
무거운 원소들중, 희토류 금속등은 빅뱅이후 초기 우주에는 아예 존재하지 않았다. 우주역사 최초의 몇초 동안 수소, 헬륨,리튬,베릴륨 네 원소만이 무대에 등장했다. 수소,헬륨, 산소,탄소외에 나머지 원소들은 극소량 존재한다.
최근 지구의 지각에는 원소의 분포 비율이 완전히 달라진다. 산소와 수소는 여전히 가장 풍부한 원소이고, 규소와 알루미늄이 헬륨과 탄소를 제치고 4위권의 자리를 차지한다. 규소는 산소와 잘 결합해서 암석과 광물의 구조적 기반을 형성하고, 그 안에 수많은 희소금속들이 숨어있다.
전반적으로 원자 질량이 가벼운 원소들이 더 풍부하게 존재한다. 수소원자와 헬륨 원자가 우주에서 가장 풍부한 두 원소이다.
반면 주기율표에서 반대쪽으로 가면서 나타나는 원자량이 큰 원소들, 금(Au)"은 훨씬 적은양이 존재한다.
주기율표에서 일정한 경향으로 자리 잡은 이런 현상은 , 왜 지구 표면과 지구 속에 무거운 희토류 금속이 가벼운 희토류 금속보다 더 적게 존재하는지 설명해준다. 오늘날 세계 산업용 희소금속 공급량의 90%는 두 국가에서 생산하고 있다.
▶희토류 산업의 새로운 강자, 중국
중국 세계 희토류 생산량 62% 차지
[출처] 금속전쟁( 키스 베로니즈)희토류|작성자 모스크블루
중국에서 희토류 광산업이 성장하기 전에는 미국이 세계시장을 지배했다. 2차 대전 전후로 미국이 희토류 시장을 주도했다.
미국은 핵무기를 만드는 데 사용할 우라늄을 찾아다니기 시작하며 , 광산업에 관심을 가지고 , 그 과정에서 수많은 희토류 광상을 발견하였다.
1990년대 중반 인터넷 시대의 하부구조를 건설하기 위해 미국의 희토류 산업은 다시 활기를 띠었다.
그러나 생산비용이 증가하여 미국은 자국내 광산을 문을 닫고 인도나 브라질에서 희토류를 수입하고, 지금은 대부분의 희토류를 중국에서 수입한다.
중국이 희토류 광물을 채굴하는 것은 단순히 수출하기 위한 것이 아니라, 자체 수요를 충당하기 위한 것이다.
중국은 세계 희토류 매장량의 1/3을 보유하고 있지만, 희토류 광산과 정제 시설 대부분이 중국에 있어 희토류 시장에서 거래되는 상품의 97%를
공급하는 실정이다. 다른 나라들도 희토류는 있으나 그것을 캐내서 이용할수 있는 시설과 수단이 부족한 형편이다.
중국은 1970년대 장기전을 펼치기로 결정한다. 중국은 많은 양의 희토류를 매우 낮은 가격에 판매했다. 모든 국가들이 중국에 몰려들었고, 중국은 몇년에 걸쳐 외국기업에 희토류를 시장 가격이하로 판매하였다. 그러자 세계 다른 곳의 희토류 산업은 황폐해졌다 .
이후 중국이 세계의 희토류 시장을 독점하고 전세계는 중국에 의지하게 되었다.
하이브리드 자동차 1대에 13kg의 희토류 금속이 들어있다. 이들은 대부분 모터와 재충전용 배터리에 들어가는 필수부품에 나누어져 있다. 13kg의 희토류 금속중 5-7kg은 란터넘으로 니켈 수소전지의 금속부분에 쓰인다.
풍력발전용 터빈에 들어가는 희토류 금속은 그 모터와 다른 부품에 230kg의 희토류 금속이 필요하다. 희토류 금속이 공급되지 않으면 세계적인 녹색혁명이 끝나버릴지도 모른다.
우리의 미래기술과 생활양식이 바로 이 희토류 금속에 달려있다.
▶바윗 덩어리 안의 새로운 발견
17가지 희토류 금속은 서로 비슷한 화학적, 물리적 성질을 보인다. 이 유사성은 원광에서 각각의 금속을 분리하고 구별하는데 커다란 어려움을 주었다. 17가지 희토류 금속 중 가장 먼저 발견된 것이 이트륨이다.
▶ 시험관 전투
1950-60년대 미국과 소련은 새로운 원소를 발견하는데 많은 자원을 쏟아 부었다. 이들은 대량 살상 무기를 만드는데 이용될수 있는 우라늄 비슷한 물질을 찾으려는 희망을 품고 , 막대한 연구비를 지원받아 새로운 원소 사냥에 나섰다.
소련과 미국 사이의 냉전은 많은 새로운 원소 발견을 이끌었다. 역사적인 사람이나 장소를 연상시키는 아메리슘, 버클륨, 퀴륨 등이 발견되었는데 대량 살상무기 제작으로 이어지진 않았다.
▶슈퍼맨이 누설한 국가 기밀
현재 주기율표에 포함된 118개중에 19개는 지구상에 어떤 형태로든 존재하지 않는다. 주기율표의 16%가 지구상에 존재하지 않는 원소인것이다. 이 원소들은 과학자가 원자와 입자를 초당 수천 미터 속도로 충돌시켜 만든 것이다.
사이클로트론으로 알려진 당시의 첨단 과학장치에 대한 정보가 외부에 알려진것은 , 슈퍼맨에 의해서인데.
핵분열용도로 1932년 사이클로트론을 미국이 만들었는데, 이는 독일보다 10년이나 앞서는 것이었다.
20세기의 가장 중요한 원소발견이 사이클로트론에 의해 이루어졌는, 1940년 중성자 수가 많은 수소가 상대론적 속도에 근접하는 속도로 우라늄에 부딪힐때 플루토늄과 넵투늄이 만들어졌다.
미국은 플루토늄의 발견을 모호한 비밀로 감추었고 그후 5년후 플루토늄의 생산을 늘려 원자폭탄을 만드는 맨해튼 프로젝트를 가동했다.
그렇게 해서 원자폭탄은 1945년 여름 히로시마와 나가사키에 투하했다.
조간신문의 만화란에 슈퍼맨 시리즈 에서 과학자가 사이클로트론의 사용에 대해 언급하자 미국방부는 눈이 휘둥그레졌다.
신문에는 악당인 교수가 크립톤 행성의 왕자로 태어나 지구에 온 슈퍼맨의 능력을 시험하기 위해 3백만 볼트의 전기로 충격을 가하는 과정에서 사이클로트론을 등장시켰다.
정부에선 만화가 배달되지 않도록 노력했으 결국 실패한다.
▶전쟁의 원소
희귀하고 얻기 어려운 합성 금속가운데 20세기에 가장 중요한 원소는 단연코 플로토늄이다. 지금은 이 원소가 지구상에 매우 적은 양으로 티끌처럼 흩어져 있다는걸 알지만, 인간과 플루토늄의 첫 만남은 합성형태로 이뤄졌다.
1940년 캘리포니아 대학연구실에서 우라늄 -238 시료에 중성자가 하나 더 붙은 중수소를 마구 쏘아서 이 놀라운 결과를 만들었다. 미국 정부는 이 대학 연구팀을 바로 맨해튼 프로젝트의 핵심 연구원으로 선발했다.
핵무기를 만드는 플루토늄은 인공적으로 만들지만, 원래 플루토늄 자체는 천혜의환경에서 극소량 존재한다. 미량의 플루토늄은 수십억년 전부터 존재한 것으로 보이며 빅뱅과 그 이후 지구 생성으로 이어진 천체의 활동에서 생성되어, 천연 플루토늄에 대한 최근 추정치는 약 1/20g에 지나지 않는다.
피괴적인 용도로 미루어 예상할수 있듯 플루토늄은 매우 에너지 넘치는 원소이다.
플루토늄이 강력하기는 하나 모든 플루토늄 원자의 파괴력이 동일하진 않고, 플루토늄-239만이 뜨거운 관심의 대상이고, 플루토늄-240이나 플루토늄-241은 많은 용도에서 불순물로 여겨진다.
무기 등급의 플루토늄이 가장 순수하게 정제된 것으로 , 플루토늄-239가 약 95%를 차지한다.
핵분열이란 무거운 원소가 작은 조각으로 쪼개지는 것을 말한다.
▶원자로에서 태어난 원소들
우리에게 알려진 천연 방사능 물질은 38가지다. 이들 중 유명세를 타는 두 원소는 우라늄과 플루토늄이다.
주기율표에서 84번 부터 맨 마지막 118번까지 모든 원소들은 방사성을 갖고 잇다.
원자로 연료봉 폐기물은 퀴륨이나 캘리포늄 같은 원소의 핵심 원천이 되고 있다. 이들은 기초과학 연구활동외에 산업적 용도를 갖고 있는
천연 방사성 금속으로, 사용후 연료봉의 산화우라늄에서 분리해서 얻을수 있다.
▶한 원소, 각기 다른 조성
원자번호는 같지만 질량수가 다른 원소를 동위원소 라고 하는데 , 한 원소의 동위원소들은 양성자 수는 같지만 중성자의 수가 서로 다르다.
자연에는 여러 동위원소 중 어느하나가 압도적인 비율로 존재하는 것이 보통이다. 예를 들면, 탄소만 하더라도 15가지 동위원소가 존재하지만
흙,바닷물, 우리 몸 등에 존재하는 탄소 중 대부분은 탄소-12이다. 탄소-12는 탄소원자 1,000개당 989개꼴로 존재한다.
탄소-14는 탄소1조개당 하나를 약간 넘는 비율로 존재한다. 탄소-14는 시간이 흐르면 중성자 하나가 붕괴하여 안정적인 질소-14로 변한다.
탄소-14는 일정한 속도로 붕괴하는데, 과학자들은 이 자연적 현상을 이용해 생물의 유해가 얼마나 오래 되었는지를 정확하게 알아낸다.
생물의 유해속의 탄소-14원소의 개수는 일정 속도로 붕괴해 5,730년 마다 절반으로 줄어든다.
이 5,730년을 탄소-14의 반감기라 한다. 생물이 살아 있는 동안 주위 환경으로 부터 계속해서 탄소를 흡수하므로 체내 탄소-14의 비율은 주위대기나 환경속의 비율과 같다. 그러나 죽은 생물은 더 이상 주변 환경과 탄소를 교환하지 못한다.
탄소-14가 줄어드는 속도가 일정하다면 탄소-14의 양을 측정해 비율을 계산해 보면, 그 생물이 얼마나 오래전에 살았었는지 40,000년 전까지는 정확하게 확인할수 있다.
▶중금속 중독-카드뮴
아스날 프리미어 영국 축구팀- 하이베리 스타디움의 빨간의자
영국 프리미어 축구팀 아스날이 100년된 하이베리 스타디움에서 , 6만석 규모의 현 에미레이트 스타디움으로 이사하면서 ,
경기장에 있는 모든 인공물을 지지해준 팬들에게 팔기로 계획했다. 팬들에겐 소중한 추억거리가 될 수 있기 때문이다.
그 중 4만개의 아르데코 스타일의 빨간색 관중석 의자들을 정기 입장권 소지자들에게 판매할 계획이 진행되어 갔다. 약 3만원에.
그런데 그 좌석에서 카드뮴이 검출되었는데, 팀의 상징인 짙은 빨간색 페인트에 카드뮴이 들어있었던 것이다 . 아스날은 즉각 판매를 취소했다.
맥도날드 사은품컵-카드뮴 검출 리콜
2010년 맥도날드는 사은품으로 지급한 1천 3백만개의 컵을 회수하는 소동을 겪었다. 카드뮴에 오염되었을 가능성이 제기된 컵은 <슈렉 포에버>만화 영화를 홍보하기 위해 만들었다. 컵에 그림을 인쇄하는 데 쓰인 페인트에 카드뮴이 들어있었던 것이다.
카드뮴은 우리 몸안의 간과 신장에 천천히 축적되어 프리라디칼(자유기)과 과산화물(peroxide)의 생산을 촉진함으로써 산화 스트레스를 준다.
그러나 중금속 중독 가운데 카드뮴 중독은 앞서 살펴본 폴로늄이나 탈륨의 경우 처럼 급속히 삶의 질을 파괴하는 중독과 비교하면 훨씬 가벼운 편이다. 독감과 비슷한 증상에, 장에 문제를 일으키고, 만성중독의 경우는 칼슘흡수 문제로 신장과 뼈에 손상될수 있다.
▶모든 금속이 다 악당은 아니다.
항암제 시스플라틴-백금이용
① 상당수의 희소금속은 의료 분야의 획기적인 신기술에서 중요 역할을 담당한다. 전통적으로 저평가된 귀금속인 백금이 대표적이다.
연구자들은 백금 원자를 작은 분자에 끼워 넣어서 다양한 종류의 암을 치료하는 효과적인 도구를 만들었다.
대표적으로, 상표명 "시스플라틴"으로 알려진 시스디아민디클로로플라티넘 Ⅱ는 암치료 최전선에서 활약을 펼치는 단순한 분자로 중앙에 백금 원자 하나가 자리 잡고 있다. 시스플라틴은 세포의 DNA와 반응하고 나서 얼마후 세포 소멸을 유도한다.
시스플라틴과 백금의 화학적 성질을 이용해 비슷한 결과를 나타내는 또 다른 두 가지 항암제 -카보플라틴과 옥살리플라틴-로 치료받는 환자들은 방서선 치료보다 적은 부작용을 보인것으로 나타나, 이약은 1978년 FDA의 허가를 받은 이래로 항암치료의 훌륭한 방안으로 여겨지고 있다.
백금이 암치료에 인기를 얻자 , 의학연구자들은 같은 촉매변환장치에 사용되는 로듐과 루테늄에도 항암치료 효과가 있지 않을까 연구를 시작했다.
② 백금은 심지어 유방성형에서도 한 몫을 담당한다. 미량의 순수한 금속 형태의 백금이 실리콘을 단단하게 만들어주기에 , 실리콘 오일에 가슴 성형에 적합한 젤리와 같은 촉감을 부여한다.
③ 17가지 희토류 금속중 하나인 툴륨은 근접요법에 사용될수 있는 재료의 후보중 하나이다. 근접요법이란 일종의 방사선 치료인데, 몸속에 주입한 방사성 금속을 종양 가까이에 위치하도록 해서 종양을 공격 하도록 한다.
톨륨-170 동위원소는 X선을 방출하는 성질을 갖고 있고, 비교적 반감기가 짧아서 이 금속을 근접요법에 이용하면 마치 꾸준히 방사능 총알을 발사하는 원자 총을 암세포 근처에 장착하는 것과 같은 효과를 준다. 특히 전립선 암에 효과가 있는 것으로 알려졌다.
치과용- 금 팔라듐 합금 으로 이용
④ 팔라듐은 치과의 치아 복원 치료에서 인기있는 재료로 사용된다. 팔라듐이 치과 충전재로 각광받는 이유는 전통적으로 치관을 만드는데 쓰이는
금과 성질은 비슷하면서 , 가격은 더 저렴하기 때문이다. 비중은 금의 절반이기에 팔라듐으로 만든 충전재는 무게가 훨씬 덜 나간다.
다시말해 치아에 있는 같은 구멍을 메꾸는 데 적은 양의 금속을 쓴다는 의미다.
⑤ 희토류 금속 중 하나인 어븀 역시 치과 치료에 사용되는데, 어븀이 섞인 결정으로 만든 레이저에서 물이 잘 흡수하는 파장을 갖고 있는 빛을
내뿜는데, 이 빛이 치아의 작은 구멍을 제거할수 있다. 그렇기에 기존에 드릴로 파내야 하던 충치 치료의 일부를 레이저로 대체할수 있다.
레이저가 썩은 구멍을 제거하는 동안 , 방출된 빛이 일시적으로 주변의 신경을 마비시키는 효과도 있기에 마취주사가 필요없다.
따라서 어븀 레이저는 향후 소아 치과치료에 완벽한 장비로 각광받을 것이다.
▶욕망의 저주가 불러온 전쟁-탄탈럼
탄탈럼은 부식이 되지 않는 금속으로 축전지의 효율을 높이는데 사용된다. 이것은 매우 유용한 성질로 지난 10년동안 핸드폰을 비롯한 이동통신
기기들이 작아지면서 처리 능력은 엄청나게 커지는데 일조했다. 탄탈럼은 대개 주석이나 텅스텐과 같은 금속과 함께 발견된다. 텅스텐은 고급 골프채를 만드는데 사용된다.
콩고전쟁-탄탈럼 광산 쟁탈전
안타깝게도 탄탈럼 광산은 5백만명이 죽어 2차 대전이후 가장 피비린내 나는 전쟁으로 기록된 제2차 콩고전쟁(1998-2003)때 반군의 자금줄이 되었다.
탄탈럼을 둘러싼 오늘날의 비극은 , 이 금속이름을 따온 그리스 신화속 비극적 인물인 탄탈로스의 이야기와 닮았다.
지하세계에 살던 탄탈로스는 자신의 아들 펠로프스를 죽인 요리로 신들을 대접했다 . 그리고 신들이 그 사실을 모르고 인육을 먹게했다.
신들은 이 끔직한 일을 저지른 탄탈로스에게 영원한 갈증과 욕망이란 형벌을 내렸다. 탄탈로스는 과일이 풍요로운 숲에 있는데, 그가 먹으려고 손을 뻗을때마다 과일은 올라가 버리고, 목이 말라 물을 마실려고 하면 물이 손에서 빠져나가 버린다.
탄탈로스는 욕망이 손에 잡힐듯 있으나 결코 손에 넣을수 없는 운명의 저주를 받았다. 풍요의 배경속에서 영원히 굶주려야 하는 것이다.
탄탈로스의 고통은 콩고민주공화국의 국민들이 겪는 고통과 비슷하다. 풍부한 자원이 있는데, 서로 싸우고 죽이고 하는 고통에 살고 있다.
스마트폰에 들어가는 탄탈럼 희토류
콩고국민들은 탄탈럼이 들어있는 콜탄 원광을 캐내서 번돈을 바로 전쟁으로 탕진한다.
▶약탈의 서막
오늘날 콩고 사람들이 겪는 고난과 그것이 ,세계적으로 수요가 높은 몇 가지 금속의 공급에 미치는 영향을 이해하기 위해서,
우리는 콩고가 벨기에의 지배를 받았던 1890년대 중반으로 거슬로 올라가 봐야한다.
벨기에 국왕 레오폴드 2세는 콩고지역을 장난감처럼 다루었다. 콩고사람들을 착취하고, 그곳에서 나는 고무와 다른 생산품을 유럽에 수출했다.
처음엔 고무, 그다음엔 금, 그리고 각종 금속들, 이땅에 사는 사람들의 행복은 뒷전이었다. 벨기에가 아프리카에 들어온 이후 기독교의 영향이 이 땅의 사람들을 압도했다. 1961년에 공식적으로 콩고는 독립하지만, 제대로 교육받지 못한 콩고국민들은 가혹한 조건에서 ,냉전시대 소련과 미국의
갈등의 무대가 되기도 하였다 이런 쌍황에서 정부는 모두 부패하고 이웃국가들과 분쟁이 빈발했다.
▶전쟁의 계절
콩고내전의 그늘-고릴라 사냥
콩고가 겪은 전쟁의 사계절- 1차 콩고전쟁, 2차 콩고전쟁, 이투리 전쟁, 키부전쟁-은 각민족들 사이의 갈등이 중심이 되어 1990년대와 21세기에 들어선 지금도 콩고 지역을 처참하게 파괴하고 황폐하게 만들고 있다. 네차례의 전쟁동안 적대적인 세력들은 전쟁자금으로, 금과 희소 금속을 약탈했다 . 그들은 천혜의 자원을 이웃들을 파괴하는데 탕진한 것이다.
DR콩고(=콩고민주공화국)은 1차 전쟁이 끝나갈 무렵 뜻밖의 정치적 흐름에 의해 탄생했다. DR콩고가 되는 자이레(Zaire)의 국민들은 르완다 종족 대량학살의 그늘 속에서 살았다.
르완다 사태는 1994년 다수민족인 후투족이 거의 100만에 이르는 투치족을 살해한 비극적 사건이다. 르완다 전쟁중 수많은 난민들이 자이레 국경으로 들어와 살았는데 , 그곳에서 두 종족 사이에 적대감이 고조되었다. 자이레의 무력한 정권에 맞선 반군이 콩고민주공화국이란 이름으로 재결성되었다
제2차 콩고전쟁은 새정부가 출범한 DR콩고 남북으로 국경을 맞댄 , 짐바브웨, 나미비아, 앙골라, 차드, 수단 등 거의 모든 국가들이 관여했다.
관여한 국가나 군사집단의 수만 고려해도 2차 콩고전쟁은 현대사의 가장 혼란스런 전쟁중 하나로 기록된다.
DR콩고 내전에 대한 주변국의 관심과 관여는 단순히 콩고 지역안의 자원을 폭력적으로 확보하고자 하는 방법이었다 .
2차 콩고전쟁은 , 무력으로 르완다 정부를 재구성하는 노력과도 결부되었다. 평화조약이 맺어지고 외국군이 철수할때까지 대략 540만 명이 전쟁속에서 목숨을 잃었다.
제2차 콩고전쟁은 깨끗이 끝나지 않고, 질질 끌던 분쟁은 이투리 분쟁과 키부분쟁이란 사태, 작은 종족간의 전투로 이어졌다.
이 네번에 걸친 격렬한 전쟁에서 대부분의 전투는 DR콩고 국경안에서 벌어졌다. 수십년동안 사람들은 공포에 살았다.
전쟁이 한창일 때 DR콩고는 많은 고릴라를 죽였는데, 고릴라 신체조직을 채취해 수출하기 위해 , 보호 대상인 이 동물을 잡은게 아니라,단지 고기를 먹기위함이었다.
지금은 잠잠해졌지만 언제 분쟁이 일어날지 알수없는 긴장이 계속되고 있다.
▶총성없는 정복
바오터우(包頭)시 - 중국 희토류 중심지( 내몽고)
중국이 채굴 가능한 희토류 자원의 가치는 사우디아라비아와 중동에 묻혀있는 석유의 가치와 맞먹을 정도이다.
지구상의 희토류 금속 공급량에서 중국이 차지하는 비중은 어마어마하다. 공급 가능한 희토류 금속의 96%가 중국 영토안엔 존재한다.
중국과의 변덕스러운 외교관계는 종종 상황을 어렵게 만든다.
중국의 희토류 금속 주요 생산지는 내몽고의 바이윈얼보광구(白云卾博鑛區)인데, 1927년부터 철의 중요산지로 알려졌었다.
내몽고 자치구는 중국의 5개 자치구중 세번째로 큰 자치구인데, 미국 텍사스 주 면적의 2배이다.
탄탈럼, 니오븀,그리고 다른 희소 금속을 포함한 광물은 원생대 중기 4억년 동안 축적되었다.
그토록 많은 양의 다양한 금속들이 내몽고의 한 지역에 몰리게 된 이유는 여러가지로 추정한다.
가장 가능성 높은 이론은, 지구의 지각판과 용암이 움직일때 , 마그마의 열수분출공을 자극해 지표면의 깊은 안쪽에 존재하던 금속을
표면으로 뿜어 냈는데, 그것이 우연히도 바이윈얼보 주변이었다는 것이다.
근처에 있는 바오터우(包頭)의 시 정부가 바이윈얼보쾅구의 일상적인 업무를 관장한다. 중국정부는 1992년 도시안에 바오터우 "국립 희토류 첨단 산업개발 구역"으로 지정해서 희토류 금속수요가 세계적으로 고조되는 상황에 대응했다. 바오터우시는 지난 30년동안 중국의 주요과학기술 도시중 하나로 우뚝섰다.
중국 정부는 개발구역 안에 자리 잡은 기업에 세금혜택을 주고 , 재능 있는 엔지니어를 끌어모으기 위해 각종 우대책을 제시했다.
구직자들을 끌어들이는 특이한 매력으로, 동물원과 놀이공원을 합쳐놓은 사이한탈라 국립공원을 만들었다.
세계 희토류 매장량
▶부자가 되는 것은 영예로운 일이다.
중국이 지난 30년간 희토류 금속 시장을거의 독점하여 경제의 근대화를 일구도록 만든 장본인은 덩사오핑이다. 그는 1992년 남방시찰에서
"중동은 석유를 가지고 있고, 중국은 희토류 를 가지도 있다" 이런 발언을 통해 번성하는 희토류 금속 산업이 중국 경제에서 차지하는 중요성과
전 세계를 중국 문 앞으로 끌어모아 그 자원을 보호할 필요성을 다시 한번 대내외에 천명했다.
덩샤오핑은 중국을 가난에서 건져내고 중국을 산업화하는데 일등 공신이었다.
▶더러운 재활용
스마트폰 내부 귀금속 구성
스마트폰이나 전자제품에 있는 금이나 값비싼 금속들을 떼어내어 재활용하거나 판매하는 사람들이 늘고있다.
금과 같은 귀금속을 전자제품에 사용하는 이유는, 그런 금속을 사용함으로써 전자제품은 더 빠르고, 더 안정적이고 , 더 오래 사용하도록 만들수 있기 때문이다. 금은 탁월한 전도체이고 잘 부식되지 않아 전자부품에 도금을 하면 시간이 흘러도 효율성이 떨어지지 않는다.
금은 HDMI 케이블과 매우 다양한 컴퓨터 부품에 아주 얇은 막으로 코팅되어 신호 전달 효율을 강화시킨다.
전자제품에서 희토류 재활용하기
자동차의 연료효율을 높이고 환경을 보호하는 촉매변환장치 역시, 백금, 로듐, 팔라듐 같은 귀금속을 사용해서, 일산화탄소를 이산화탄소와 물로 변환시킨다. 반응이 끝난후 백금 원자 자체는 변하지 않기에 금속 표면만 깨끗이 유지하면 언제까지나 무한치 촉매로 활용할수 있다.
▶아편에서 자원까지, 아프가니스탄의 땅
아프가니스탄 아편재배
아프가니스탄은 30년 넘게 정지적, 군사적으로 조강대국의 "졸"과 같은 역할을 해왔다. 중동,중국, 인도, 러시아 사이에 끼어있는 지정학적 위치는
아프가니스탄을 20세기와21세기에 벌어진 거의 모든 군사적 충돌의 최전선으로 몰아 넣었다.
① 아프가니스탄 정부는 2010년 질산암모늄의 사용과 판매를 금지했다. 질산암모늄은 비료의 재료로 쓰이는 분자인데, 한편으로 폭발물 제조에도 사용될수 있다. 탈레반이나 다른 무장세력이 이지역에 주둔한 NATO 병력을 살상하는데 사용할 폭발물을 가정이나 소규모로 만들기 어렵게 하기 위해 질산암모늄의 유통을 금지시킨 것이다.
② 비료를 사용못하자, 농부들은 수확량이 5-10% 떨어지고 인구의 36%가 빈곤 수준에 머물자 , 어쩔수 없이 불법 아편 재배로 눈을 돌릴수 밖에 없었다. 아편 재배의 유혹은 아편만큼이나 중독성이 있다. 생아편은 파운드당 수백달러에 팔수 있어 , 가장 경건한 농부에게도 뿌리치기어려운 유혹이었다.
③ 이렇게 농부들이 고생하는 동안 탈레반은 단순히 다른 폭발물 재료인 , 염소산칼륨으로 눈을 돌렸다., 염소산 칼륨은 아프가니스탄 전역의 방직공장에서 구하기 쉬운 화학약품이다.
▶꽃보다 꼬투리
양귀비 꼬투리
양귀비의 씨앗 꼬투리안의 끈적한 물질이 사람들의 삶을 바꾸어 놓는 성질을 갖고 있다. 며칠에 걸쳐서 흘러내리는 흰 고무와 같은 진액을
받아서 그대로 놓아두면 갈색 수지로 변하는데, 이 안에는 알칼로이드에 속하는 작은 분자가 풍부하게 들어있다.
이 분자가 가장 심한 통증도 잠재울수 있는 힘을 가진 강력한 진통제이다.
①양귀비 씨앗 꼬투리에서 얻은 이 고무 같은 갈색 물질을 탄산칼슘-보통 생석회로 알려진 물질-과 섞은후 끓이면 갈색의 풀과 같은 반죽이 생기는데 , 이것이 바로 모르핀이다.
모르핀
② 여기서 몇단계 더 화학반응을 일으켜 모르핀 분자를 살짝 바꾸면, 흰색 가루가 얻어지는데 이것이 바로 불법 마약인 헤로인이다.
아프가니스탄에서 생산되 이 아편은 실크로드를 타고 전 세계로 뻗어나가 미국과 유럽의 불법 판매상에게 공급된다.
③ 기원전 4000년 무렵에 이 식물은 귀한 대접을 받았다. 아시리아인과 수메르인은 각각 두 제국의 전성기때 양귀비를 수확했다는 기록이 있다.
흰 진액이 병자를 낫게 하는 효험이 있다고 믿었던 것이다. 로마인 역시 환자들의 필요에 따라 양귀비 진액을 사용했다.
④ 현재 제약 등급의 코데인이나 모르핀은 더는 양귀비 꼬투리의 진액으로 만들지 않고, 질소를 함유한 분자를 가지고 대량 생산용 거대한 통안에서 합성한다. 이렇게 하는 이유는 일정한 순도의 제품을 얻고 또한 재료의 시장 가격이 큰 폭으로 변동하는 것을 피하기 위해서다.
⑤아프가니스탄에선 아편 재배를 2000-2001년 금지했다가 , 미국이 아프가니스탄에 군사 작전을 개시한 직후 다시 재배를 하고있다.
탈레반은 아편 판매수입의 20%를 종교세로 떼어갔다. 이 소득은 탈레반 조직을 운영하는데 어마어마한 자금줄이 되었다.
아편재배의 부작용으로 아프가니스탄 국민 5%가 불법 약물에 중독되었다.
⑥ 아프가니스탄 농부들은 마리화나같은 작물 재배에도 뛰어난 기량을 보여주었다. 2010년부터 아프가니스탄이 마리화나의 원료인 대마초의 최대 생산국으로 등극했다. 아프가니스탄은 그 다음 생산국인 모로코의 생산량을 3배 차이로 앞서고 있다.
▶ 리튬의 사우디 아라비아- 아프가니스탄
아프가니스탄- 사파이어
2010년 미국 지질 조사국이 조사한 결과에 따르면, 아프가니스탄엔 금, 철, 희토류 등 광물자원이 풍부하게 매장되어있다 . 채굴 가능한 자원의 가치가 1조 달러에 이른다고 한다. 중국과 인도의 관계자들이 개별 조사한 결과로는 광물자원의 가치가 3조 달러를 넘는 다고 한다.
아프가니스탄은 희소금속뿐 아니라, 사파이어, 에메랄드, 루비, 청금석 , 그밖의 다양한 보석과 준보석 원광의 보고이다.
광물자원에 기반을 둔 번영하는 경제는 아편에 의존하는 아프가니스탄의 많은 지역에 새로운 변화의 바람을 불어넣을수 있을 것이다.
▶작은 은 (=백금)
백금
인류는 수천년 동안 금과 은을 귀하게 여겨왔는데, 백금은 금과 은에 비해 그리 긴 전통을 갖고있지 못하다. 이 귀금속은 비싼 장신구나
신용카드 마케팅 활동의 일환으로 이미지를 빌려주는 것 (**프래티넘 카드)외에도 훨씬 다양한 용도가 있어 , 오늘날 금보다 더 유용한 귀금속이라 주장해도 무리는 아니다.
백금은 250년전에야 비로소 사람들이 존재를 인식하기 시작했다.
① 18세기 콜롬비아와 에콰도르의 금 광산에서 광부들을 화나게 한 것이 , 은색과 검정색을 띤 작은 알맹이인데, 가마의 열기에도 녹지않고 ,
녹은 금에 섞여 들어갈 경우 , 정제되어 완성된 금덩어리를 변색시켜 값어치를 떨어뜨렸기 때문이다. 광부들은 이 금속 알갱이를 골라내 다시 강에 버렸다. 이런 관행은 이 은빛과 검은빛도는 모래에 오늘날까지 그 이름을 붙여주었다.
platina del Pinto 즉 "핀토 강의 작은 은 " 이라는 별명에서 "플래티넘(plastinum)이란 이름이 유래되었다
▶우연한 효과
색이 변하는 술잔-고대 로마의 기술 ( 리쿠르고스 컵(Lycurgus cup)
우연히 금속의 성징을 완벽히 이용한 사례가 바로 리쿠르고스 컵(Lycurgus cup)이다. 이컵은 4세기 로마제국에서 만들었다.
한 덩어리의 유리를 가지고 안쪽에는 컵을, 그리고 약간의 틈을 두고 바깥쪽에는 디오니스소 신에게 벌을 받는 리쿠르고스의 모습을 돋을새김으로 묘사했다.
리쿠르고스는 호머의 <일리아드>에 나오는 인물로 , 에도니의 왕이었는데 자신의 나라에서 디오니스소 숭배를 금지하여 신의 노여움을 산것이다.
① 이 컵의 진짜 매력은 , 독특한 빛을 반사하는 방식에 있다. 컵의 안쪽에서 빛을 비출경우 탁한 녹색으로 보이고, 바깥쪽에서 빛을 비출경우 피처럼 붉은색을 띤다.
② 1958년 대영박물관은 이 컵의 연구를 시작하여, 유리안에 미량의 금과 은을 발견했는데 ,당시 장인들은 의도적으로 금과 은을 갈아서 규토를 녹일때 같이 섞어 넣었을 것으로 추정한다.
녹은유리에 첨가한 금속 조각이 충분히 작아서 나노미터 수준이라면 , 금속은 아주 흥미로운 성질을 보인다. 그 성질은 자연적인 상태의 금속 에서는 찾아볼수 없는 색을 보이기 때문이다.
금이 나노 입자의 크기가 되면 주홍색이나 보라색을 띠는데 , 나노입자의 급격한 성질 변화가 이런 엄청난 색의 변화를 만든 것이다.
▶발견의 입증
1m 백금 막대 ( 미터법 기준)-프랑스
1741년 과학계는 백금을 당시 알려진 금속목록의 8번째 자리에 올려주었다." 철,금, 은,주석,수은,납,구리"에 처음으로 새로운 금속이 추가된 것이다. 과학자들은 이 금속에 "화이트 골드"란 별명을 붙여주었다.
과학자들은 백금이 가진 고집스러운 성질-매우 혹독한 조건에서도 변화하지 않고 매우 안정적인 성질-을 이용해서 열이나 화학물질을 가해도 변하지 않는 실험용 장비를 만들었다.
프랑스는 매우 큰 노력을 들여 1m 길이의 백금 막대를 만들어 , 미터법의 전 세계적 기준으로 사용하였다,
▶가장 오래된 금 유적지
바르나 네크로폴리스(Varna Necropolis) 유적지-불가리아 BC4600
기원전 4600년전 불가리아의 바르나 네크로폴리스(Varna Necropolis) 유적지엔, 310구의 유해가 묻혀잇는데, 많은 무덤에는 금으로 만든 장신구가 같이 묻혀있었다. 이 유적지는 당시 사람들이 금을 가치있게 여겼음을 보여주는 가장 오래된 유적지이다.
금으로 만든 장신구들은 크기 ,용도, 위치에 있어서 다양하다.,
바르나 네크로폴리스(Varna Necropolis) 유적지-불가리아 BC 4600
▶미국 국방부가 탐내는 베릴륨
F-35 합동 타격 전투기 (베릴륨 합금 사용)
방위산업체가 베릴륨에 의존하고 있는 것은 쉽게 알수 있는데,F-35 합동타격 전투기등 미국 전투기중 다섯 종류에 베릴륨이 사용된다. 베릴륨을 사용하는 이유는 , 기체의 무게를 줄여 더욱 기민하게 움직일수 있게 해줌으로써 , 전투 능력을 향상시킬수 있기 때문이다.
그리고 구리-베릴륨 합금은 유인 항공기 및 드론의 전자 시스템, 폭탄, 유도미사일, 사제폭발물 등을 탐지하는 엑스레이, 레이더 장비의 필수적인 재료로 사용된다. 또 탱크에 장착하는 거울은 베릴륨으로 만드는데, 왜냐면 충격에 의한 왜곡이나 변형이 잘 일어나지 않기 때문이다.
베릴륨의 주요 수출국은 카자흐스탄과 독일이다.
베릴륨 거울 -충격에 강함(탱크에 사용)
▶란타넘과 전기 자동차
란터넘은 전기자동차가 대중화되면서 지위가 극적으로 상승하였다
란타넘은 니켈-수소 합금전지(nickel-metal hydride)의 핵심적 요소이다. 전기차에는 9kg의 란타넘이 들어간다. 란타넘은 그리 희소하게 존재하는 금속은 아니지만, 분리하고 추출하는 과정이 어려워 귀하게 여기는 금속이다.
자동차 업체들이 배터리의 한계를 끌어올리는데 주력함에 따라, 란타넘의 중요성은 더욱 부각된다. 배터리 성능을 향상시키려면 자종차 한대에 들어가는 란타넘의 양은 더욱 늘어날 수밖에 없다.
▶ 그라핀( graphene)
그라핀 이용사례
그라핀(graphene)은 금속이 아니다. 그라핀은 탄소원자가 벌집모양으로 배열한 구조가 반복되는 얇은 판이다.
이 물질은 금속의 장점으로 여겨지는 물리적 성질을 많이 갖고 있다. 한 층의 그라핀은 매우 얇다. 그 두께가 탄소원자의 지름이다.
분자안에서 특이한 방향으로 놓인 탄소들의 숫자 때문에 그라핀은 그 강도가 강철보다 높고 다이어몬드에 맞 먹는다.
그러핀은 또한 에너지를 매우 잘 전달한다.
그라핀의 용도는 , 항공기 동체, 해수 담수화 장치, 고성능 트랜지스터, 심지어 콘돔에도 사용될수 있다. 이 고성능 피임도구가 개발도상국의 문제를 해결해주리라 기대한다.
빌게이츠가 후원하는 그라핀 콘돔-얇고 튼튼(에이즈 예방)
▶남극의 쳔연자원
각국의 남극 기지들
남극에는 정부가 없기에 세계 곳곳의 선진국들의 보물상자가 될 가능성이 높다. 1961년 체결된 남극조약은 남극에서 군사 활동을 금지 하고 있다.
남극의 자원에 대한 지원조치는 1991년 그린피스주도로 맺어진 "마드리드 의정서"이다. 남극에 거주하는 소수의 사람들에 의한 폐기물 문제를 해결하고 금전적 이득을 위한 채굴 활동을 막기로 한것이다.
남극의 자원을 어떻게 배분할 지가 앞으로의 관심사이다. 현재 12개국이 남극 땅의 일부 소유권을 주장하고 있다. 그중 호주가 가장 넓은 42%의 소유권을 주장하는데 , 20세기초에 행한 남극탐사를 근거로 삼고있다. 남극대륙엔 한국을 비롯한 15개 이상의 국제 연구 기지가 운영되고 있다.
4,000명 이상의 과학자들이 거주하며 연구를 하고 있다. 그중 3000명이 미국 과학자들이다.
과학탐사 결과 남극에는 천연가스, 석유, 석탄, 다이아몬드까지 얼음층 아래에 존재하고 있음이 드러났다. 희토류 금속도 발견되었다.
▶희토류 금속의 보물 상자, 그린란드
희토류등 자원의 보고 그린란드
2013년 그린란드는 25년간 금지해온 방사성 물질의 채굴을 허용하는 법안을 통과시켰다. 그결과 아이슬란드 영토안에서 수많은 희토류 슴속을 채굴할 가능성이 열렸다.
북극 주변을 감싸고 있는 그린란드는 지구상에서 가장 큰 섬이며, 동시에 인구밀도가 가장 낮은 국가로, 인구가 6만명이 못된다.
그린란드의 결정이 흥미로운 것은 희토류금속의 발견 가능성 때문이다.
모든 상업적 광산 채굴이 중지된 이유는, 희토류 금속을 채굴때마다 우라늄이 함께 나왔기 때문이다. 일단 그린란드 의회가 우라늄 채굴을 허용한다면 그것은 희토류 금속의 보물 상자를 여는 것이 될것이다.
안전문제때문에 우라늄 부산물을 다루거나 판매하는 것은, 지금까지 계속 그린란드의 국방을 유지하도록 군사력을 제공하는 덴마크 왕국의 통제를 받게 될 가능성이 크다.
그린란드는 희토류 뿐만 아니라 천연가스와 석유가 매장되어 있다. 현재 그린란드는 덴마크 왕국의 원조로 버티고 있는데, 그린란드가 진정 자립을 원한다면 우라늄과 희토류 금속을 채굴하는 것이 현명한 선택이 될 것이다. 그린란드의 희토류 생산량은 향후 50년간 지구 전체 수요의 1/4을 공급하기에 충분한 정도라고 한다.
▶진흙을 정제하기
희토류 금속의 새로운 원천 중 하나가 진흙, 바로 자메이카 곳곳에 흩어진 광산의 폐기물인 붉은 진흙이다. 자메이카는 산업용 보크사이트 광산이 여러곳있는데, 보크사이트는 알루미늄의 원광이다. 광산 폐기물인 이 붉은 진흙은 여전히 가질수 있는 자원이다. 그 안에 상당량의 희토류 금속이 녹아있기 때문이다.
붉은 진흙은 사실 진흙이 아니라 금속과 보크사이트 원광에서, 알루미늄을 추출하는 정제 과정 후에 남은 입자들의 슬러리(slurry)이다.
자메이카는 1950년대 이후 수많은 보크사이트 광산을 성공적으로 운영홰 왔다 . 그 결과 자메이카는 알루미늄 공급에서 세계를 선도하는 국가가 되었다. 알루미늄 화합물은 보크사이트 광물의 주요성분으로 일반적인 보크사이트 시료에서 그 함량이 50% 이상이다.
붉은 진흙에는 알루미늄뿐만 아니라 티타늄, 규소 그리고 미량의 스칸듐과 희토류 금속이 들어있다.또 붉은 진흙은 상당량의 철도 항유하고 있다. 붉은 진흙의 붉은 색은 바로 산화철에서 온 것이다.
2013년 이후 자메이카 정부와 일본경금속 회사가 손을 잡고 붉은 진흙 가공 공장을 건설하기 시작했다.
▶바다밑 보물 찾기 ( 일본과 중국의 희토류 전쟁)
센카쿠 열도 분쟁(중국-일본)
일본은 가까운 미래에 바다의 바닥을 샅샅이 훑어서 희토류 금속을 찾으려는 시도를 계획하고 있다.
일본의 이러한 의도에는 중국과의 수백년 묵은 갈등 상황을 먼저 이해할 필요가 있다.
오늘날 적대적인 중국과 일본의 관계는 19-20세기에 일어난 양국간의 무력 충돌에서 기인한다. 먼저 한국에 대한 지배권을 두고 싸운다.
①일본은 한국의 석탄과 철 같은 지하자원을 탐냈다. 1894년 청일전쟁에서 패한 청나라는 굴욕적인 조약을 체결한다.
청일전쟁 전에 중국은 1840년 아편전쟁, 그후 14년간의 태평천국의 난, 북베트남에 대해 프랑스와 전투 등 을 먼저 치러 힘이 빠진상태였다.
② 일본은 1904년 러일전쟁에서 승리하고 동아시아 패권을 차지한다. 1937년 중일전쟁으로 중국과 두번째 대규모 전쟁을 치른다.
이 전쟁중 일본은 중화민국의 수도인 난징에서 중국민간인 30만명을 잔인하게 학살한다.
③ 2차 대전 기간중 일본의 악명높은 731부대는 상처를 더욱 더 곪아지게 만들었다. 실험의 일부로 중국 여성을 강제 임신시키고, 의도적으로 매독을 전염시키고, 극단적인 온도가 인체에 미치는 영향을 관찰하고, 폭발목적이 아니라 선페스트를 일으키는 빈대로 오염된 음식이 들어있는 "도자기 폭탄"으로 중국인을 직접공격하기도 했다.
④ 일본과 중국은 두나라 사이에 놓인 작은 섬들을 놓고 냉전을 벌이고 있다. 분쟁 대상인 "센카쿠열도=댜오위다오"주변에서 양국간 빈번히 갈등상황이 발생한다.
센카쿠 열도는 일본이 청일전쟁으로 받은 전리품이다. 2차 대전후 섬에 대한 소유권이 미국으로 넘어갔다가, 1972년 미국이 일본에 돌려주었다.
분쟁의 계기는 1972년 미국이 섬에 대한 통치권을 일본에 돌려주자, 중국이 과거 자신의 영토임을 주장한 것이다.
영국이 점령한 홍콩을 돌려주었듯이, 센카쿠 열도도 중국에 돌려주는게 맞다..
센카쿠 열도 자체는 보잘것 없는 작은 섬들인데, 이 섬이 분쟁의 섬이 된 이유는, 그 섬들을 둘러싼 남중국해 해저에 묻혀있는 석유와 천연가스 때문이다. 추정되는 석유의 매장량은 2천억 배럴이상으로 중국의 석유 수요를 40년동안 충족시킬수 있는 양이다.
⑤ 일본은 희토류 금속 수입을 중국에 의존하고 있는 상황을 완화하기 위해서 , 센카쿠열도 주변의 해저 채굴을 시도할 가능성이 높아진다.
▶해저에서 금속단괴 ( Polymetallic module) 채굴
해저에서 금속단괴 ( Polymetallic module) 채굴
금속단괴는 광물과 금속으로 이루어진 야구공만한 크기의 덩어리로 , 해저에 널리분포하고 있다. 이 덩어리는 진주와 비슷한 방식으로 만들어지는데, 처음엔 죽은 바다 동물의 뼈나 이빨이 금속 단괴의 핵이 되고, 그 위에 오랜시간에 걸쳐 한 층, 한층 붙여져 큰 덩어리가 된다.
덧붙여지는 층은 주로 망간으로 이루어져 있고 , 구리와 코발트도 들어있고, 17가지 희토류 원소중 11가지가 적은 양으로 들어 있다.
① 금속단괴의 성장 속도는 1백만년에 지름의 1cm가 조금 자라는데 그친다. 지속 가능한 재생 가능한 자원과는 거리가 멀다. 우리가 마지막 망간 단괴를 바다에서 건져내 정제하는 순간, 해저 희토류 금속 채굴은 끝이 난다.
금속단괴는 해표면으로부터 3-5km 깊이에 가장 많이 존재한다. 이 정도 깊이에서 채굴 활동을 펼치는 데에는 용기와 창의적 기술이 필요하다.
② 언젠가 미래에 금속 단괴 채굴이 현실화되면, 현재 해저 다이아몬드 채굴 방식과 기반이 그 기초가 될 것이다.
드비어스사는 현재 5척의 전용선박으로 해저에서 다이아몬드를 채굴하고 있다. 이 선박들은 아프리카의 나미비아 주변 바다밑의 얕은 침전층을
준설하며 다이아몬드를 채굴하고 있다.
독일에 기반을 둔 드비어스사는 해저 채굴작업이 지상의 광산채굴보다 더 효율적이라고 주장한다. 50명의 승무원이 채굴하는 양이 3000명의 광부의 생산량과 맞먹는다고 한다.
해저 금속단괴 발굴 장비
③인도의 국립해양 연구소도 해저 금속 단괴에 관한 연구에 박차를 가하고 있다. 인도양 주변의 전략물자인 희토류 금속을 획득하기 위함이다.
▶ 해저 금속채굴과 환경문제 그리고 미래
① 해저 채굴과 비슷한 해저 저인망 어업, 이른바 저층 트롤어업이 환경에 미치는 약영향은 이미 잘 알려져 있다.
저층 트롤어업은 무게 추를 단 그물을 해저에 닿게 해서 바닥을 준설하면서 , 물고기, 갑각류 따위를 잡아 올리는 어업의 한 방법인데,
해저에서 금속 단괴를 빨아올리는 해저 금속 채굴법과 마찬 가지로 저층 트롤어업은 바다 밑의 침전물을 파헤치고 뒤흔들어 놓아 해저환경을 교란한다.
②바다 밑바닥을 훑거나 , 독성 찌꺼기에서 금속을 걸러내거나, 그린란드와 남극의 두꺼운 얼음층을 깨고 들어가 광물을 채굴하는 일은 모두 기존 방법과 전면적으로 다르고, 훨씬 큰 수고를 들여야 한다.
이 대안들이 모두 특이하고 어려워 보이지만., 희소 금속에 대한 우리의 수요가 현재의 방법으로 채굴 가능한 양을 넘어서거나 , 기존의 공급선에 문제가 생길 경우 현실이 될수 밖에없다.
인류의 필요와 기술 발달이 결합해서 미래에는 희소금속을 찾아 다른 행성이나 심지어 항성까지 진출할 수도 있다.
[출처] 금속전쟁( 키스 베로니즈)희토류|작성자 모스크블루