3D 프린터로 도시를 건설: 심해에서 100mW 발전
일본 S건설은 2014년 11월 심해 미래 도시구상 “OCEAN SPIRAL"을 공개하였다. 수심 3,000~4,000m의 해저에서 해수면까지 세 개 부분으로 이루어진 ”도시“를 건설하는 것이다. 인구 5,000명을 유지할 뿐만 아니라, 외부에 전력 및 식량을 보내는 기능도 갖추고 있다. 2030년 시점의 예상기술 수준에서는 3조 엔과 5년의 공사기간이 소요된다.
개발이 필요한 기술 중 하나는 시공기술이다. 초고층 빌딩을 시공할 때와 같이 부재를 모아 해중에서 조립하는 것은 아니다. 시공의 기계화, 자동화가 필요하다. 프로젝트 팀은 해수면 위에 거대한 3D 프린터를 준비하고 그곳에서 밑으로 조금씩 구조물(입체 인쇄물)을 내리는 방법을 생각하고 있다.
2008년 그린플롯 구상, 2009년에 루나링 구상을 발표하였다. 후자는 달의 적도 주위에 “배에 두루는 보온대”와 같은 거대한 태양전지의 띠를 만들어 전력을 지구로 송전하는 것이다. 전자는 해면에 떠도는 직경 3,000m, 높이 1,000m급의 복합도시를 만들어낸다는 구상이다. 태풍의 영향은 없으며, 일사강도가 최대가 되는 적도 직하에서 태양에너지를 최대한 이용한다. 이번 OCEAN SPIRAL 구상에서 태양에너지는 별로 관계가 없다. 해양(심해)이 숨기고 있는 5개의 가능성에 착안한 구상이다. 사실상 무한한 가능성이 있다.
에너지와 관계된 것은 그 중 세 개이다. 첫째, 해양온도차 발전이다. 해면과 심해의 온도차를 이용하여 전력을 만들어낸다. 출력은 100MW를 구상하고 있다. 해양온도차 발전 자체는 이미 실용화되는 기술이다. ?1,000m의 위치에서 발전용 해수를 취수하고, -1,500m의 위치에서 양식냉수(해수온 2~3도)를 ?2,500m의 위치에서 해수담수화용 해수를 거두어들인다. 둘째, 이산화탄소를 저장할 뿐만 아니라 연료로 바꾼다. 해저 메탄 생성균을 이용하여 지상의 이산화탄소를 메탄으로 전환할 수 있다. 셋째, 해저의 미이용자원(희속금속, 희토류)의 지속적인 회수이다.
남은 2개에서 우선은 순수한 물(담수)의 생성인데, 심해의 압력을 직접 이용하여 해수에서 담수를 만들어 낸다. 역삼투막식 담수화처리를 이용한다. 다음으로 심해의 수온과 영양염을 이용한 “근해”의 양식어업이다. 회유어를 양식할 수 있다. 지구표면의 70%는 해면, 그 중 80%는 심해이기 때문에 심해를 살리는 기술개발이 환경파괴가 계속되고 있는 지구의 재생에 도움이 된다고 하였다.
OCEAN SPIRAL은 에너지와 자원을 소비하는 도시가 아닌 에너지와 식량을 생산하고, 외부로 공급하는 도시가 된다. OCEAN SPIRAL은 대기, 해면, 심해, 해저를 수직통합한 해양구조물이라고 할 수 있다. 대기와 해면을 담당하나, 최상부의 구체 “BLUE GARDEN”이 주로 사람이 활동하는 곳이 된다. 직경은 500m이며, 상부의 근소한 부분이 해상으로 튀어 나와 선박 등의 교통수단을 이용할 수 있다.
BLUE GARDEN의 중심축에는 75층(75층 건물)의 구조물 “중앙타워”를 배치한다. 중앙부가 “맷돌”과 같은 형태의 타워이다. 타워에는 400개 객실의 호텔과 1만m2의 상업, 컨벤션 시설 이외에 5만m2의 사무실, 1150호의 거주시설이 갖춰져 있다. 연구, 시험시설(14만m2)도 있다. 타워 전체가 입주자가 4,000명, 방문자가 1,000명이라는 규모의 도시로서 기능한다.
BLUE GARDEN은 공조성능도 뛰어나다고 한다. 해면 가까이의 예를 들면 30도의 수온, -500m의 26도의 수온, -1000m~-1500m의 2~3도의 해층수, 해양온도차 발전의 열을 이용한 배기를 조합시킴으로써 공조, 제습의 에너지가 적게 해결된다. 도너츠형의 부분은 심해 곤돌라 발착 플로어이다. 여기서부터 최심부(EARTH FACTORY)까지 텐션 레그(tension leg)로 불리는 케이블을 다수 연결한다. 표류를 방지하고, 위치를 유지하기 위한 계류기구이다. 심해 곤돌라는 최심부까지 향한다.
BLUE GARDEN의 직하에는 직경 200m의 구체 “슈퍼 밸러스트 볼(super ballast ball)을 수직방향으로 나열한다. 꼬챙이 경단과 같은 배치이다. 내부의 모래와 공기의 비율을 바꿈으로써 부력의 조정에 도움이 된다. 예를 들면 태풍 시에는 BLUE GARDEN 전체를 수면 하에 가라앉히는 운용을 예상하고 있다.
BLUE GARDEN의 외주부는 두 종류의 부재로 이루어진다. 1개는 길이 50m의 삼각형 형태인 수지 콘크리트제 트래스(trass)를 이용한 외주 프레임제이다. 수지콘크리트는 일반 콘크리트보다 강도가 높은 것이 특징이다. 철근이 아닌 수지배근을 이용한다. 다른 하나는 투명아크릴판과 섬유강화 플라스틱(FRP)으로 만든 리브로 이루어진 외벽이다. 창문과 같은 기능을 한다.
BLUE GARDEN을 해상 완전자동화 시공으로 만들어 낸다. 수지콘크리트의 타설과 수지배근을 세운 후 차츰 침매하는 시공법을 생각하였다. 침매라고 하여도 침매터널과 같은 구조물을 해저에 설치한 후 접합하는 것은 아니며, 현장의 해면에서 연속적으로 제조하면서 메워나가는 형태를 취한다. 이것이 서두에서 소개한 3D프린터를 사용한다는 의미이다.
OCEAN SPIRAL이라는 구상명대로 구조물의 중간부는 직경 600m의 원호를 그리는 라선상의 “INFRA SPIRAL”이 차지한다. 7~8 회전하여 상방의 BLUE GARDEN과 하부의 EARTH FACTORY를 연결한다. INFRA SPIRAL을 사람, 물건, 정보의 운송기구로 자리매김한다.
INFRA SPIRAL은 중공스페이스를 갖추고 있으며, 사람의 이동과 산소, 해저자원의 운송에 사용하는 것이나, 단순한 도로는 아니다. 전장 15km의 라선구조 내부에는 해양온도차 발전시설과 해수담수화설비 외에 양식장용 심층수 취득설비, 심해 모니터링 시설을 갖춘다. 심해탐사선의 연료보급기지로서도 역할을 한다.
■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr