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현재까지 리튬과 코발트 대안은 없다.
광산채굴 대신 도시채굴. 폐자동차에서 희귀원소 회수 필요
EU 도시광산 플랫폼 가동.

수요와 공급
원자재는 미래에도 여전히 충분할까?

이러한 모든 위험 요소가 앞으로 첨단 원자재 공급에 정확히 무엇을 의미할까?
독일 연방 지구과학 및 천연자원 연구소(BGR)의 과학자들은 풍력에서 전기 이동성, 모바일 전자 장치에 이르는 42개의 미래 기술에 대해 이를 조사했다.
이러한 미래 기술의 예측 개발을 기반으로 현재와 2035년에 금속 원자재에 대한 수요를 결정하고 이를 2013년의 글로벌 생산량과 관련시켰다. 

▲ 미래 기술에 중요한 일부 금속에 대한 생산 속도 및 미래 수요. © BGR : 미래 기술을위한 원자재 2016

6개의 첨단 금속이 부족할 수 있다.

그 결과 16개의 금속 원자재가 특히 미래 기술과 관련이 있으며, 이에 따라 2013년까지 수요가 증가할 수 있다. 이것은 배터리에 필요한 리튬에서 특히 분명하다.
이 중 약 3만 톤이 2013년에 채굴됐으며 2019년에는 이미 약 7만 5천 톤이었다.
미래 기술에 대한 필요성은 2035년까지 최소 11만 톤까지 증가 할 수 있다.

BGR 연구에 따르면 5 개의 다른 첨단 금속에 대한 공급보다 수요가 더 많을 수도 있다.
향후 레늄과 희토류 금속 디스프로슘 및 테르븀에 대한 수요는 현재 생산량을 두 배로 늘릴 것이다. 탄탈럼과 가벼운 희토류 금속 네오디뮴과 프라세오디뮴의 경우 거의 두 배다.

인듐, 팔라듐, 갈륨 및 스칸듐의 상황은 그다지 극적이지 않다. "이러한 금속의 생산량이 증가하고 LED 또는 연료 전지와 같은 기술은 오늘날 이전보다 더 적은 원자재를 필요로 하며 더 많은 대체물이 사용된다"고 과학자들은 설명한다.
결과적으로 2035년 이러한 금속에 대한 수요는 오늘날의 생산량보다 약간 높거나 낮을 수 있다.

대체물이 없을 때

배송이 가능하다는 것만으로 문제가 해결되는 것은 아니다.
장기적인 공급 보장을 위해 다양한 기술에서 특정 금속에 대한 대체물이 있는지 여부도 중요한 역할을 한다. 예를 들어 지금까지 리튬 이온 배터리의 리튬 및 코발트에 대한 동등한 대안은 없다.

예일 대학교(Yale University)의 토마스 그래델(Thomas Graedel)과 그의 동료들은 금속 원료 연구에서 “특수 강철 합금 생산에 필요한 일부 금속에도 동일하게 적용된다. 적절한 대체물이 부족한 정도가 우려의 원인"이라고 말한다. 마그네슘, 크롬, 망간, 로듐, 이트륨 및 일부 희토류 금속이 여기에 해당 된다.

Graedel과 그의 팀은 "우리 시대의 현대 기술이 현재와 미래의 모든 금속의 지속적인 가용성에 전적으로 의존하고 있다는 것은 의심의 여지가 없다"고 말한다. "그러므로 미래 기술을 위해 아무것도 남지 않을 정도로 하나 혹은 몇가지 금속을 모두 탕진해버리면 매우 근시안적일 것이다."

대안은 무엇인가?

과도한 수요나 고갈된 자원으로 인해 미래에 첨단 금속의 공급이 부족해지면 어떻게 할 수 있을까? 원칙적으로 이를 위한 두 가지 가능한 전제가 있다.

하나는 많은 제품에 대해 가능한 더 좋은 대체 가능품을 사용하려고 한다.
도 하나는 이미 유통 중인 금속을 가능한 한 효율적으로 회수해야 할 것이다.
둘 다 실제로는 여전히 문제를 일으킨다.

리튬, 네오디뮴 등 대체

한 가지 예는 배터리 생산이다.
지금까지 리튬 이온 배터리는 적절한 대안이 없기 때문에 거의 필수 불가결했다.
과학자들은 이미 나트륨, 황철광 또는 실리콘과 같은 풍부한 원료로 만든 배터리를 연구하고 있다. 그러나 지금까지 이러한 시스템은 수명이 너무 짧아서 에너지 밀도가 리튬 배터리의 에너지 밀도에 가까워지지 않았다.

▲ 지금까지 강력한 영구 자석용 네오디뮴은 대체하기 어려웠다. © Images of Elements/ CC-by-sa 3.0

강력한 영구 자석의 대체 재료를 찾는 것도 쉽지 않다.
이상적으로는 네오디뮴, 디스프로슘 등과 같은 희토류 금속이 없어야 합니다. 미국 에너지 부 Ames 연구소의 Thomas Lograsso는 "수요가 많고 공급이 부족한 희토류 금속을 대체 할 수 있다는 것은 경제적 관점과 생태 학적 관점 모두에서 합리적일 것"이라고 말했다.

따라서 그와 그의 팀은 자화될 수 있고 추가 재료를 추가하여 실제 자석이 될 수 있는 합금을 찾았다. 상자성 세륨 코발트(CeCo3)는 마그네슘을 첨가하여 강자성체로 변환할 수 있다.
CeCo5로 만든 자석은 구리와 철을 첨가하면 강해진다. 철 게르마늄(Fe3Ge)도 코발트를 첨가하면 자성을 높일 수 있다. 그러나 이러한 재료는 네오디뮴 보다 쉽게 ​​구할 수 있지만 탐내는 하이테크 금속 중 하나다.

버리는 대신 회수

또 다른 해결책은 전자 제품, 배터리 및 기타 기술 제품에 이미 사용된 첨단 원자재를 지속적으로 재활용하는 것이다.
결국 모든 EU 시민은 전자 제품 형태로 이러한 원자재를 평균 250kg, 배터리 17kg, 자동차 600kg에 저장한다. 특히 후자는 귀중한 하이테크 금속에 관한 보물 상자다.
EU에서만 약 2억 6천만 대의 자동차로 우리 거리에서 400톤의 금, 500톤의 백금, 8,200톤의 니오브 및 12,500 톤의 네오디뮴이 거리에 굴러간다.

그러나 지금까지 이러한 자원은 거의 사용되지 않았다.
전자 폐기물과 자동차의 재활용은 거의 작동하지 않으며 원자재의 상당 부분이 손실된다.
최근 연구원들은 우리가 매년 버려지는 쓰레기로 약 1,800 만 톤의 귀중한 재료를 버린다는 사실을 발견했다. 독일에서도 구리, 알루미늄 또는 강철과 같은 일부 "고전적인" 금속의 회수 효율이 절반에 불과했다.

광산채굴 대신 도시 채굴

그 이유 중 하나는 지금까지 EU에는 어떤 자동차 부품이 어떻게 재활용되는지에 대한 지침이 없었다. 스웨덴 Chalmers 대학의 마리아 융그렌 죈더만(Maria Ljunggren Söderman)은 "자동차 제조업체와 재활용 산업은 여기서 무언가를 하기 위해 협력해야 한다"고 말한다. "이것은 지속 가능한 방식으로 사용되어야 하는 유한한 자원이다."

▲ 자동차에 포함된 첨단 원자재는 지금까지 거의 회수되지 않았다.

자동차 및 기타 하이테크 제품의 재활용을 장려하기 위해 유럽 Prosum 프로젝트의 Söderman과 그녀의 동료들은 원자재가 EU에서 유통되는 ‘도시 광산 플랫폼’을 작성했다.
재활용되거나 분실되었을 수 있다. 사용 가능한 원자재 수량에 대한 폭넓은 지식은 제조업체와 정치 의사 결정권자뿐만 아니라 재활용 및 광업 산업에도 중요하다고 Södermann의 동료인 Christer Forsgren은 말했다.

그러나 이것이 하이테크 원료의 재활용을 크게 촉진하기에 충분한지 여부는 아직 밝혀지지 않았다. 시장의 압력은 더 효과적일 수 있다. 원자재 가격이 상승하고 공급이 부족해질수록 첨단 금속의 효과적인 회수에 투자하려는 동기가 커질 것이다. 

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[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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