해양탐사장비연구사업단
책임연구원 홍 섭

심해저채광기술 연구팀은 1994년부터 태평양 클라리온-클리퍼톤 해역(CCFZ)의 우리나라 심해저 광구에 부존되어 있는 심해저 망간단괴의 상용화를 위한 핵심원천기술인 심해저 집광시스템 및 통합 채광운용기술의 개발을 수행하고 있다.

Fig.1 심해저 망간단괴 채광시스템 개념도

심해저 채광시스템의 핵심장비인 집광시스템은 수심 5,000m 해저의 매우 연약한 퇴적지반 위를 주행하면서 망간단괴를 마치 청소하듯이 퇴적물로부터 채집, 처리, 송출의 단계를 거쳐서 길이 5,000m에 달하는 수직 양광관 하단에 위치한 중간저장소인 버퍼까지 광물(망간단괴)을 모으는 집광(集鑛) 공정을 담당한다. 일단 중간저장소인 버퍼(buffer)에 모인 망간단괴는 시간당 일정한 양으로 수직 양광관(lifting pipe)으로 공급되어 연속적 양광(揚鑛) 공정을 거쳐서 해상의 채광선(mining vessel)까지 이송된다(Fig. 1 참조).

심해저 망간단괴로부터 망간, 니켈, 코발트, 구리 등 4대 전략금속을 상업적으로 추출해내기 위해서는 연간 150만 건톤(dry ton) 이상의 망간단괴를 생산하는 채광시스템이 필요하다. 망간단괴 평균부존율 5～6kg/m2인 광구에서 연간 270일 조업을 가정한다면 채집폭 10m인 집광기가 주행속도 평균 1m/sec와 채집효율 80% 이상의 성능을 보여야 한다. 아울러, 광구구획(sector)별로 사전에 계획된 채광경로를 따라서 정밀한 집광기 주행 조종이 가능해야 한다. 이때, 집광기가 주행하는 심해저 퇴적지반의 전단강도 3.5kPa(평균값)은 실내에 놓인 버터와 유사한 정도로 미약하다. 

심해저 채광기술 연구팀은 이와 같이 열약한 환경조건에서 작업이 가능한 자항식 집광시스템과 해상으로부터의 채광운용기술의 개발을 위하여 다양한 기술개발을 수행하고 있다. 퇴적물로부터 망간단괴를 효율적으로 분리？채집하기 위한 혼합식(유체식+기계식) 채집장치를 개발하였으며, 이는 비용과 환경 측면에서 모두 우수한 성능을 기대하게 한다. 또한, 점착성 연약지반에서의 우수한 주행성능을 확보하기 위해서 벤토나이트+물 혼합물을 이용한 인공퇴적지반 조성, 집광기 주행차량의 최적 접지압 설계,

Fig. 2 심해저 집광실험동

그라우저 최적형상 설계 등을 위한 다년간의 실험연구를 수행하였다. 고-액 2상 슬러리 이송성능 실험 연구를 통하여 망간단괴 송출 시스템 설계 연구가 병행되었다. 
아울러, 자항식 집광시스템 설계핵심기술로서 집광기 주행차량, 유연관, 버퍼, 양광관, 채광선 등 채광시스템 구성 단위요소의 동력학 해석 모델과 3차원 수치해석 기법에 관한 연구개발을 통하여 채광시스템의 3차원 비선형 통합거동에 관한 전산시뮬레이션 기법을 개발하였다. 또한, 위탁연구(한양대)를 통하여 집광공정(주행-채집-송출)을 수행하는 집광시 스템의 다분야통합 최적설계기법(MDO)을 개발하였다.

이와 같은 일련의 심해저 채광기술 연구개발에는 연구책임자인 홍섭 박사를 비롯하여, 김형우 박사(시뮬레이션 담당), 최종수 박사(시스템 최적설계 담당), 여태경 박사(집광기 계측제어 담당), 박성재 연구원(집광기 모니터링 시스템 담당), 조재철(실험 담당), 김성순(CAD 담당) 등 총 7명의 전담 연구원이 참여하고 있다.
2005년에는 심해저집광실험동(44m×9m×11.5m)을 건축하고 내부에 30m(L)×6m(B)× 4m(D)의 토양수조를 건설함으로써 1m 깊이의 인공지반을 조성하고 10톤 규모의 시험집광기 성능평가 연구기반을 마련하였다(Fig. 2). 토양수조 레일 상의 15톤 중량 예인전차는 최대속도 1.5m/sec까지 정밀 제어되며, 250kw 용량의 전력공급시스템(3상 3,300볼트)을 탑재하고 있다. 인공지반 조성을 위한 자동교반기, 연약지반 전단 

Fig. 3 시험집광기 제작 사진

강도 계측장비, 광학식 3D 위치 계측장비(Falcon system), 유압장비 성능시험용 파워팩(40kW) 등 각종 시험장비를 갖추고 있다. 또한, 다물체 동력학 상용해석 S/W인 RecurdynTM을 비롯하여, 다양한 설계용 소프트웨어(AutoCAD 2008, Autodesk Inventor 2008, 3Ds MAX 5)를 구비하고 있다.

현재, 근해역 채광장비 성능실증 시험(2009년)을 위한 시험집광기 개발을 진행 중이다. 시험집광기는 상용 채광용량의 1/20 규모로 설계되었다. 압력보상식 수중유압시스템을 통하여 원격제어되는 시험집광기는 길이 5m, 폭 4m, 높이 3m로 중량은 8.5톤(수중 접지압 6kPa)으로 제작되었다(Fig. 3).

한편, 심해저 집광기술 개발 연구를 통하여 축적된 설계기술을 기반으로 갯벌환경연구 목적의 친환경 갯벌차량 개발 사업(2007～2009)을 도출함으로써 심해저 채광기술 연구팀의 연구성과의 조기 확산에도 최선의 노력을 기울이고 있다(Fig. 4 참조).

Fig. 4 친환경 갯벌차량 모델

2008-02-01