지구 핵에 숨겨진 보물: 헬륨 자원의 새로운 발견과 미래 전망

지구상에서 점점 희소해지는 헬륨이 사실 우리 발 아래 깊은 곳에 풍부하게 저장되어 있을지도 모른다는 놀라운 연구 결과가 발표되었습니다. 헬륨은 반도체, 의료 장비, 우주 산업에 필수적인 자원이지만 점점 부족해지고 있어 과학계와 산업계의 큰 우려를 낳고 있었습니다. 그러나 최근 일본과 대만 연구진이 지구 핵에 예상보다 훨씬 많은 양의 헬륨이 존재할 가능성을 발견했습니다. 이 발견은 헬륨 자원의 지속 가능성에 새로운 희망을 제시하며, 미래 에너지와 첨단 기술 발전에 중요한 의미를 갖습니다.

 

There's Helium in Earth's Core, Researchers Say

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헬륨의 놀라운 특성과 산업적 중요성

헬륨은 원소기호 He, 원자번호 2번의 비활성 기체로, 우주에서 수소 다음으로 흔한 원소입니다. 그러나 지구에서는 극히 희귀한 자원으로, 대기 중에 불과 0.0005%만 존재합니다^12. 이 가벼운 기체는 독특한 물리적 특성으로 인해 현대 산업에서 필수적인 역할을 담당하고 있습니다.

헬륨의 특별한 물리적 특성

헬륨은 화학 원소 중에서도 특별한 위치를 차지합니다. 가장 낮은 끓는점(4.2K, 약 -269°C)을 가지며, 절대영도에서도 얼지 않고 액체 상태로 존재할 수 있는 유일한 원소입니다^12. 이러한 특성은 헬륨이 극저온 냉각제로서 탁월한 역할을 하게 만듭니다.

헬륨은 또한 완전히 비활성인 기체로, 다른 원소들과 화학적으로 반응하지 않는다고 알려져 왔습니다. 이러한 성질은 마치 "원자 세계의 나르시스트"처럼 홀로 존재하는 특성을 보여줍니다^12. 이런 안정성은 다양한 산업 분야에서 대체 불가능한 가치를 지니게 합니다.

‘헬륨-3’는 핵융합 발전에 사용될 수 있는 미래 에너지원입니다. 지구상에서는 발견하기 어렵습니다. 헬륨-3 1g은 석탄 40t에 달하는 에너지를 갖고 있는 것으로 추산됩니다. 헬륨-3 1t의 가치는 30억 달러, 한화 4조원 이상 입니다. 하늘에 떠있는 달에는 헬륨-3가 110만t 이상 매장 돼 있을 것으로 추산됩니다. 70억 지구인이 1만년 동안 쓸 수 있는 에너지 입니다.

산업에서의 헬륨 활용

헬륨은 단순히 파티 풍선을 띄우거나 목소리를 변조하는 재미있는 용도 외에도 첨단 산업 분야에서 핵심적인 역할을 합니다:

1. 반도체 산업: 반도체 생산 과정에서 헬륨은 화학적으로 불활성이고 열전도율이 높기 때문에 이상적인 환경 기체로 사용됩니다. 나노 단위의 반도체 제조 과정에서 헬륨은 다른 물질과의 원치 않는 반응을 방지하는 역할을 합니다^3.
2. 의료 분야: MRI 기계의 초전도 자석을 냉각하는 데 액체 헬륨이 필수적으로 사용됩니다. 헬륨의 부족은 의료 진단에 심각한 지장을 줄 수 있습니다^11.
3. 과학 연구: 입자 가속기, 초전도 연구, 양자 컴퓨터 등 첨단 연구 분야에서 극저온 환경을 만드는 데 헬륨이 사용됩니다^6.
4. 우주 항공: 로켓 추진체 시스템에서 가압 가스로 사용되며, 헬륨의 누출 감지 능력은 우주선의 안전성 테스트에 중요합니다^4.
5. 광섬유 제조: 광섬유 생산 과정에서 캐리어 가스, 탈수 및 소결 공정, 고속 섬유 연신 공정의 열 전달 가스로 사용됩니다^10.

미국 기준으로 헬륨의 사용량을 살펴보면, 엔지니어링과 응용과학에 약 6%, 광섬유와 반도체 분야에서 약 9%가 사용되며, 세계 기준으로는 전자 분야에서 14% 정도를 차지합니다^3. 의료용으로는 전체 사용량의 약 10%가 활용되고 있습니다^14.

과학자의 시선으로 본 <고요의 바다>와 <돈 룩 업>

헬륨 부족의 현실과 위기

심각해지는 공급 부족 현상

헬륨은 지구에서 생산되는 양이 제한적인 반면, 수요는 지속적으로 증가하고 있어 공급 부족 문제가 심화되고 있습니다. 지난 2006년부터 세계 헬륨 시장은 일련의 장기간 공급 부족을 겪었으며, 2006년부터 2022년까지 17년 동안 8년이 공급 부족 상태였습니다^9.

2019년 카타르발 중동 외교 문제와 미국 토지관리국(BLM)의 경매물량 감소 및 공급가격 폭등으로 인해 국내 헬륨 반입물량이 크게 줄었습니다^11. 헬륨의 최대 수출국인 카타르(세계시장의 32% 차지)는 인근 중동국가와의 외교 문제로 헬륨 운송에 차질이 발생했으며, 카타르 1·2광구의 생산설비에도 문제가 생겨 가동률이 50% 이하로 떨어졌습니다^11.

또한 2022년에는 러시아 아무르 지역의 천연가스 처리 공장에서 화재와 폭발이 발생해 헬륨 생산에 큰 장애가 되었고, 미국 토지관리국(BLM) 정화기의 가동 중단이 연장되면서 전 세계 생산 능력의 10% 이상이 시장에서 제거되었습니다^9.

헬륨 가격 상승과 산업 영향

헬륨 공급 부족으로 인해 가격이 급등하고 있습니다. 종전 18만원이었던 47ℓ 용기 한 병당 가격이 40만~50만원으로 올라도 물량확보가 쉽지 않은 실정입니다^11. 최근에는 한 병에 30만원에도 구하기 어려운 상황이 되었습니다^14.

이러한 가격 상승과 공급 부족은 반도체, 의료기기 등 산업 분야에 심각한 영향을 미치고 있습니다. 특히 공급 우선순위에서 밀리는 중소제조업체의 생산활동에 큰 차질이 발생하고 있으며, 대규모 전자소재 대기업에도 비상이 걸린 상황입니다^11.

"진짜 '꿈의 에너지'는 바로 나"…핵융합 발전 어디까지 왔나?[과학을읽다] ❘ 출처 : 아시아경제 ❘ https://www.asiae.co.kr/article/2021120113272000473

희망의 빛: 지구 핵에 숨겨진 헬륨 저장소

새로운 발견: 헬륨과 철의 예상치 못한 결합

최근 일본과 대만의 연구팀이 지구의 핵에 상당한 양의 헬륨이 존재할 가능성을 제기했습니다. 연구진은 일반적으로 화학적으로 불활성인 헬륨이 극한의 고압 환경에서 철과 결합할 수 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈습니다^1.

도쿄대학교의 연구진은 레이저로 가열된 다이아몬드 모루 셀을 활용해 약 555 기가파스칼(GPa)의 압력과 1,000~3,000K(켈빈)의 온도에서 철과 헬륨을 함께 압축하는 실험을 진행했습니다. 이전 연구에서는 철 내 헬륨 함유량이 백만 분의 7 수준에 불과했지만, 이번 실험에서 연구진은 철 화합물이 약 3.3%의 헬륨을 포함하고 있음을 확인했습니다. 이는 기존 실험에서 관측된 양보다 약 5,000배 높은 수치입니다^1.

지구 형성과 헬륨의 관계

이번 발견은 지구 형성의 기원을 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 연구진은 "지구 핵에 헬륨이 존재한다는 것은, 지구가 초기 태양계를 감싸고 있던 태양 성운에서 직접 가스를 포집했을 가능성을 의미한다"고 설명했습니다^1.

또 다른 연구에 따르면, 원시 지구가 여전히 빛나는 마그마 바다로 덮여 있을 때, 행성의 조밀하고 헬륨이 풍부한 원시 대기의 헬륨이 용융 암석으로 혼합되었을 가능성이 있습니다. 계산에 따르면, 마그마 바다 기간 동안 약 6900억 톤의 헬륨-3이 지구 내부로 확산되었다고 합니다^17.

이와 일치하게 헬륨은 코어-맨틀 경계 근처에서 이국적인 광물 형태로 결합될 수 있다고 과학자들은 2019년에 결정했습니다. 안정한 헬륨 함유 광물 FeO2He는 하부 맨틀의 열과 압력 하에서 형성될 수 있습니다^17.

핵에서의 헬륨 누출과 의미

지구 핵에는 거대한 헬륨 저장소가 숨겨져 있을 가능성이 있으며, 연구원들이 계산한 대로 약 20억 톤의 원시 동위원소 헬륨-3가 핵의 금속에 결합돼 있을 수 있습니다. 이 헬륨은 지구가 형성될 때 핵에 갇혀 있었고 지구 위의 층으로 "누출"을 통해 천천히 상승하는 것으로 추정됩니다^17.

이러한 헬륨 누출 현상은 왜 헬륨이 주로 핫스팟 화산과 일부 중부 해령에서 가스를 방출하는지 설명할 수 있습니다. 그곳에서 상승류는 맨틀 하부의 암석을 위로 끌어올리고 헬륨과 함께 이동합니다^17.

화산 폭발 시 원시 헬륨(헬륨-3)의 흔적이 발견되는 경우가 있습니다. 헬륨-3는 방사성 붕괴로 생성되는 일반적인 헬륨(헬륨-4)과 달리 지구 내부에서 자연적으로 형성되지 않습니다. 하와이 화산암 등에서 높은 헬륨-3과 헬륨-4 비율이 관측되면서, 과학자들은 오랫동안 지구 맨틀 깊은 곳에 헬륨-3를 포함한 원시 물질이 존재할 것으로 추정해왔습니다^1.

지속 가능한 헬륨 자원 관리와 미래 전망

헬륨 회수 및 재활용 시스템

헬륨 부족 문제를 해결하기 위한 한 가지 접근법은 헬륨 회수 시스템을 도입하는 것입니다. 헬륨 회수 시스템은 누출 테스트 과정에서 사용되는 헬륨 가스를 포착하고 재활용하도록 설계된 정교한 설정입니다^4.

이 시스템은 압축기, 필터, 정화기, 저장 장치를 포함한 일련의 구성 요소로 구성되며, 이를 통해 테스트 대상을 통과한 헬륨을 수집하고, 오염 물질을 정화하고, 재사용을 위해 압축합니다. 이 폐쇄 루프 프로세스는 헬륨 낭비를 최소화하여 누출 테스트 작업의 효율성을 크게 향상시킵니다^4.

헬륨 회수 시스템은 주로 다음과 같은 과정을 거칩니다:

1. 가스 수집 시스템
2. 염소 제거 시스템
3. 압축, 완충, 정화 시스템
4. 저온 정화 시스템
5. 제품 가스 공급 시스템^10

이러한 재활용 기술은 정화 효율이 95% 이상이며 총 회수율이 70% 이상으로, 회수된 헬륨이 국가 고순도 헬륨 지표를 충족합니다^10.

헬륨-3와 미래 에너지 가능성

헬륨-3는 핵융합 반응에 사용될 수 있는 원소로, 미래 에너지원으로서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 헬륨-3(양성자 2 + 중성자 1)와 중수소(양성자 1 + 중성자 1)의 핵융합은 정상적인 헬륨 원자(양성자 2 + 중성자 2)를 형성하며, 이때 남은 양성자 하나가 에너지로 전환되면서 막대한 전기에너지를 방출합니다^19.

놀랍게도 헬륨-3 1g으로 석탄 약 40t이 생산해 내는 정도의 전기에너지를 생산할 수 있다고 합니다^7. 또한 헬륨-3와 중수소의 핵융합은 방사성 폐기물이 거의 없는 깨끗한 에너지원으로 평가받고 있습니다^7.

현재 지구에서는 헬륨-3가 극히 희귀하지만, 달 표면에는 태양풍에 의해 날아온 헬륨-3가 수십억 년간 쌓여 약 100만~200만 톤 가량 침전되어 있는 것으로 추정됩니다^19. 이는 달 자원 탐사의 중요한 목표 중 하나가 되고 있습니다.

핵융합 발전과 헬륨 생산

핵융합 발전은 헬륨을 생산하는 또 다른 가능성을 제시합니다. 핵융합 반응에서는 중수소와 삼중수소가 융합하여 헬륨 원자핵과 중성자를 생성합니다^18.

토카막과 같은 핵융합 장치에서는 다음과 같은 과정으로 핵융합이 이루어집니다:

1. 고진공용기 안에 중수소와 삼중수소를 주입하고 플라즈마 상태로 가열합니다.
2. 토카막의 자기력선 그물망을 이용해 플라즈마를 가둡니다.
3. 플라즈마를 약 1억도 이상으로 가열해 핵융합반응을 일으킵니다.
4. 핵융합 반응 시 일어나는 질량결손에 의한 핵융합에너지가 중성자 운동에너지로 나타납니다^18.

이 과정에서 생성되는 헬륨은 미래 에너지 생산뿐만 아니라 헬륨 자원 확보에도 기여할 수 있습니다.

결론: 헬륨 위기의 해법을 향한 다각적 접근

헬륨은 현대 산업과 과학 기술에 필수적인 자원이지만, 희소성과 공급 부족으로 인해 큰 도전에 직면해 있습니다. 그러나 최근 지구 핵에 상당량의 헬륨이 존재할 가능성이 발견됨에 따라, 헬륨 자원의 지속 가능성에 새로운 희망이 생겼습니다.

이와 함께 헬륨 회수 시스템, 핵융합 발전을 통한 헬륨 생산, 달에서의 헬륨-3 채굴 가능성 등 다양한 접근법이 헬륨 부족 문제의 해결책으로 모색되고 있습니다. 이러한 다각적 접근은 미래 헬륨 자원의 안정적 공급을 위한 중요한 기반이 될 것입니다.

헬륨 부족 문제는 단순한 자원 문제를 넘어 과학 기술과 산업의 미래와 밀접하게 연결되어 있습니다. 따라서 국제적 협력과 지속적인 연구 개발을 통해 이 문제에 대응해 나가는 것이 중요합니다. 지구 핵에 숨겨진 헬륨의 발견은 단지 시작에 불과하며, 앞으로 더 많은 혁신적인 해결책이 발견될 것으로 기대됩니다.

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