요약:
취리히에 있는 스위스 연방 기술 연구소의 연구원들은 살아있는 박테리아를 사용하여 느슨한 모래 알갱이를 결합하여 강력한 건물 구성 요소를 만드는 새로운 건축 자재 제조 기술을 개발했습니다. 많은 에너지를 소비하고 고온에서 연소되는 기존 시멘트 생산과 달리 바이오시멘테이션(biocementation)이라고 불리는 이 기술은 상온에서 광물 응고를 완료할 수 있어 건설 산업에 보다 친환경적인 자재 제조 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.
시멘트는 현대 건설 산업에서 가장 중요한 기본 재료 중 하나이지만, 전통적인 포틀랜드 시멘트를 생산하려면 원료를 고온으로 가열해야 하고, 많은 에너지를 소비하며 상당한 이산화탄소 배출이 발생합니다. 따라서 에너지 소비와 탄소 배출을 줄일 수 있는 대체 재료를 찾는 것은 건축자재 연구 분야에서 항상 중요한 방향이었습니다. 본 연구의 핵심 아이디어는 전통적인 시멘트 소성 공정을 재설계하는 것이 아니라 미생물 자체의 대사 활동을 이용하여 모래 알갱이 사이에 천연 미네랄을 형성하고 원래 떨어져 있던 입자를 일정한 강도로 전체로 결합시키는 것입니다.
연구팀이 사용한 박테리아는 Sporosarcina Pasturii라고 합니다. 적절한 조건에서 이 박테리아는 탄산칼슘의 형성을 촉진할 수 있습니다. 탄산칼슘은 석회석, 백악, 조개껍질 등 천연 물질에서 널리 발견됩니다. 모래 알갱이 사이에 작은 결정이 침전되어 형성되면 광물 바인더 역할을 하여 모래 알갱이를 서로 연결하여 일정한 강도를 지닌 고체 물질을 형성합니다.
이 과정은 미생물에 의한 탄산칼슘 침전(MICP)이라고 하며, 바이오시멘테이션 기술이라고도 알려져 있습니다. 이전에 연구자들은 토양 강화, 기초 안정화 및 콘크리트 균열 수리와 같은 분야에서 이를 사용하려고 시도했습니다. 이번 ETH 취리히 연구의 차별점은 기존 재료의 특성을 개선하기 위해 단순히 박테리아를 사용하는 것이 아니라 모래를 독립적인 건축 자재로 직접 가공하려고 시도한다는 점이다.
Karen Antorveza Paez가 이끄는 연구팀은 두 가지 제조 방법을 제안했습니다. 첫 번째 방법은 바이오시멘테이션 기술과 3D 프린팅을 결합한 것입니다. 연구진은 물, 모래, 살아있는 박테리아 및 관련 화학 성분을 포함하는 특수 바이오잉크를 개발했습니다. 혼합물은 젤 같은 농도를 가지며 3D 프린팅 장비를 사용하여 미리 결정된 모양으로 성형하여 구조적으로 복잡한 건물 구성 요소를 만들 수 있습니다.
프린팅 후 부품을 요소와 염화칼슘이 함유된 용액에 약 3일 동안 담가야 합니다. 이 과정에서 박테리아는 광물 결정의 형성을 촉진하여 점차적으로 모래 알갱이를 합칩니다. 그 후, 빌딩 블록을 실온에서 약 이틀 동안 건조하면 박테리아가 더 이상 활성 상태로 남아 있지 않으며 최종적으로 고체 구조가 형성됩니다. 프린팅부터 완전 경화까지 전체 과정은 최대 5일이 소요되며 기존의 고온 소성 장비를 사용할 필요가 없습니다.
연구원들은 이 과정을 케이크를 굽는 과정에 비유했습니다. 초기에 형성된 물질은 부드럽고 쉽게 변형되기 때문에 강한 구조를 얻으려면 후속 처리가 필요합니다. 차이점은 전통적인 베이킹은 경화를 완료하기 위해 열에 의존하는 반면, 이 기술은 박테리아를 사용하여 광물 생산을 촉진하고 실온에서 유사한 변형을 완료한다는 것입니다.
두 번째 방법은 로봇 살포 기술을 사용하는 것입니다. 로봇팔은 모래, 박테리아, 광물화에 필요한 물질을 대상 표면에 순차적으로 분사해 반복적인 중첩을 통해 다층 구조를 형성한다. 탄산칼슘이 형성되면서 모래층이 결합하여 단단한 표면이나 건물 구성 요소를 형성합니다. 연구팀은 시스템을 6개월 동안 지속적으로 실행하여 작업을 자동화하고 지속적인 인간 개입에 대한 의존도를 줄일 수 있는 잠재력을 입증했습니다.
두 방법 모두 적용 가능한 시나리오가 있습니다. 3D 프린팅은 복잡한 모양과 특정 기하학적 구조를 가진 건축 부품을 제조하는 데 더 적합한 반면, 로봇 스프레이는 건축 자재의 표면을 층층이 쌓는 데 더 적합합니다. 연구팀은 이 기술을 활용해 건물 외관 구성요소를 제작했으며, 향후 차광시설, 칸막이벽 등 건축 자재에 활용될 것으로 기대된다.
그러나 이 기술은 아직 대규모 상용화와는 거리가 멀다. 중요한 문제 중 하나는 제조 과정에서 발생하는 부산물입니다. 3D 프린팅 방식에 사용되는 광물성 용액은 적절하게 취급하지 않을 경우 환경에 해로울 수 있는 암모늄 기반 물질을 생성합니다. 연구자들은 생산 규모를 더욱 확대하기 위해 효과적인 재활용 또는 중화 방법을 찾아야 합니다. 그렇지 않으면 이 물질의 환경적 이점이 제한될 수 있습니다.
재료 강도도 해결해야 할 핵심 문제입니다. 현재 연구팀은 이런 종류의 바이오시멘트가 내력 콘크리트를 직접 대체할 수 있는 구조재라기보다는 모르타르에 더 가깝다고 믿고 있다. 모르타르는 주로 벽돌을 접착하고 조인트를 채우는 데 사용되는 반면, 콘크리트는 바닥, 기둥, 기초와 같은 하중 지지 구조물에 널리 사용됩니다. 더 넓은 범위의 건설 프로젝트에 바이오시멘트를 사용하려면 다양한 환경 조건에서 기계적 특성, 장기 내구성 및 안정성에 대한 추가 검증이 필요합니다.
또한 모래알의 크기와 모래알의 배열 방식도 최종 재료의 특성에 영향을 미칩니다. 연구자들은 원자재와 제조 매개변수를 조정하여 보다 안정적인 강도와 구조적 특성을 달성하는 방법을 계속 연구하고 있습니다. 이는 향후 연구가 박테리아에 의해 유도된 광물화 과정을 개선할 뿐만 아니라 다양한 건축 용도에 적합한 재료 설계 및 품질 관리 표준을 확립해야 함을 의미합니다.
이러한 한계에도 불구하고 이 연구는 건축 자재 제조의 새로운 방향을 제시합니다. 즉, 미생물을 사용하여 입자 사이의 미네랄 성장을 유도함으로써 천연 입상 재료를 특정 모양과 특성을 가진 건축 구성 요소로 전환하는 것입니다. 향후 부산물 처리, 재료 강도, 대규모 생산 등의 문제가 해결될 수 있다면 바이오시멘테이션 기술이 일부 전통적인 모르타르 및 건축 자재 생산에 적용되어 고에너지 소비 제조 공정에 대한 의존도가 줄어들 것으로 예상됩니다.
기존 콘크리트를 직접 대체하는 것과 비교할 때, 이 기술의 보다 현실적인 단기 목표는 비주력 지지 구성 요소 및 건축 표면 재료와 같은 응용 분야에 먼저 진출하는 것입니다. 연구팀의 결과는 박테리아가 토양 강화 및 건물 수리에 참여할 수 있을 뿐만 아니라 새로운 건축 자재를 제조하는 도구가 되어 건설 산업에서 에너지 소비와 탄소 배출을 줄일 수 있는 또 다른 기술적 경로를 제공할 수 있음을 보여줍니다.
댓글