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연구정보

Korea Institute of Ocean Science & Technology

해저도시 건설기술 개발

  • 조회 : 9462
  • 등록일 : 2015-01-27
해저도시 건설기술 개발관련 국제동향.pdf 바로보기
 
해저도시 건설기술 개발 관련 국제동향

한택희 박사, 연안공학연구본부 책임연구원
이메일: taekheehan@kiost.ac


1. 서론 (배경)

 

20만년 전 현생 인류가 아프리카에서 탄생한 이후, 인류는 6만 5천년 전 인도대륙을 거쳐, 4만년 전에는 유럽과 아시아, 그리고 아메리카 대륙으로 진출하였으며, 열대 우림에서 극지에 이르기까지 정착하여 문명을 건설하였다. 인류의 역사는 끊임없이 생활영역을 확장하고 그 영역에 문명을 건설하는 과정의 연속이라고 할 수 있으며, 과거 13세기 칭기즈칸의 몽골제국이나 15세기의 대항해 시대의 서유럽국가와 같이 문명의 영역을 확장한 국가는 큰 번영을 이루었으나, 이를 도외시한 국가는 정체되거나 쇠퇴의 길을 걷게 되었다. 인류의 생활영역과 문명의 확장에 대한 욕구는 현재 해양과 우주개발의 형태로 표출되고 있으며, 많은 공상과학 소설과 영화들이 해저도시와 우주도시를 배경으로 한다.

이러한 인류의 영역확장에 대한 욕구 이외에도, 증가하는 인구와 지구자원의 고갈, 환경오염의 문제 등, 인류 문명의 지속과 생존을 위해서도 해양과 우주의 개발은 반드시 수행되어야 하는 필수 사항이 되고 있다. 우주개발은 과거 냉전시대에 체제 우위 과시라는 정치적 목적과 함께 미국과 소련에서 국가적인 투자를 하여 달 탐사, 우주왕복선의 개발, 우주정거장 건설과 같은 성과 위주로 개발이 진행된 데 반하여, 해양개발은 자원 채취 및 관광, 레저와 같은 실용적인 방향으로 개발이 진행되어 왔다. 해양공간, 특히 해저공간 개발은 많은 진전이 없었으나, 최근 미래생활공간의 확보 및 심해자원개발 등의 필요성이 제기됨에 따라 이에 대한 관심이 증대되고 있다. 특히 선진국을 중심으로 해저도시 개발과 같은 미래 해저공간 이용에 대한 구상들이 발표되고 있다. 관광 및 레저 목적의 천해건설용 반잠수식 구조물은 구체적인 계획이 발표되어 추진되고 있으나, 심해 거주를 위한 구조물은 현재까지 개념 제시의 수준에서 머물고 있다.

세계 각국은 해저자원 이용을 위한 해저기지, 해저생활과 거주를 위한 해저도시의 건설이 향후 미래기술 선도와 안정적인 자원확보, 해양영토의 확장을 위해 반드시 필요한 핵심 사안이라고 판단하여 관련 기술 확보를 위한 연구를 진행하고 있다. 우리나라에서도 ‘2040국토해양미래기술예측조사(국토해양부, 2013)’와 ‘미래기술예측조사(KEIT, 2013)’를 통하여 해저도시의 건설 필요성을 인식하여 이를 국가적 차원의 장기 계획에 반영하고 있다.

그림 1. 미래 메가 트렌드 (국토해양부, 2013)

그림 1. 미래 메가 트렌드 (국토해양부, 2013) 

그림 2. 해저도시 (KIET, 2011)

그림 2. 해저도시 (KIET, 2011)

심해[1]에 건설되는 해저도시는 우주공간에서의 조건보다 더 극한의 환경에 건설되며, 이를 위해서는 구조공학, 자원공학, 기계공학, 조선공학, 해양공학, 지질학 등 관련 분야의 극한기술이 상호 융합되어야 한다. 또한, 해양자원 개발에는 해양물리, 화학, 생물학, 지질학 등 기초 해양과학 이외에도 기계, 전자, 조선, 기상, 잠수의학 등 응용과학 지식의 융·복합이 필요하며, 각 필요 기술들의 발전과 각 기술의 종합적인 융합이 이루어져야만 해저도시의 건설이 가능할 것이다. 또한, 관련 극한 기술의 발전은 각 분야의 최첨단 기술이 될 것이며, 우주공간 및 타 분야에도 적용이 가능하여, 최신 기술을 선점할 수 있는 기회가 될 것이다. 이에, 한국해양과학기술원에서는 2012년에 ‘해저과학기지 건설기술 기획연구’를 수행하여 해저도시 건설기술 확보에 필요한 요소들을 공학적 측면에서 분석하고, 개발 필요 기술과 미래 해저도시 건설 단계에 따른 단계별 기술 목표, 해저도시 건설 후, 운용을 위한 필요 기술을 조사한 바 있다.

 

2. KIOST 연구사업 소개

2.1 주요 내용

2.1.1 해저도시의 분류

해저도시의 유형을 공간과 에너지의 연결성에 따라 구분한다면 크게 4가지로 구분할 수 있다. 첫 번째 유형은 공간적으로는 육지 또는 수면과 연결되고, 육상으로부터 에너지를 공급받는 형태로서, 현재 두바이에 건설 계획 중인 해저호텔[2]과 같은 휴양 및 레저시설이 이에 속한다. 두 번째 유형은 공간적으로는 수면 및 육지와 완전 격리되어 있으나 에너지는 육상에서 공급받는 형태이다. 피지에 설계된 포세이돈 해저리조트가 이와 같은 형태이다. 세 번째 유형은 공간적으로는 수면과 연결되나 에너지는 자립하는 형태로서, 최근 일본의 시미즈건설에서 발표한 오션스파이럴(Ocean Spiral)이 이에 속한다. 네 번째 형태는 공간적으로 수면 및 육지와 격리되고 에너지를 자급하는 형태로서, 해저도시 건설의 최종단계라고 할 수 있다. 세계 유일의 해저기지인 미국의 아쿠아리우스(Aquarius) 산호기지[3]가 이에 속하며, 다수의 인원이 장기간 생활 가능한 원자력 잠수함이 이에 가장 근접한 형태라고 할 수 있다. 각국의 개발 동향을 살펴 보면, 관광 및 레저를 위한 시설은 유형 1과 2의 형태를 취하고 있으며, 거주를 위한 대단위 해저도시는 유형 3의 형태를, 연구를 위한 해저기지는 유형 4의 형태를 취하고 있음을 알 수 있다.



 

 

공간

연결

독립

에너지

연결

유형 1

유형 2

독립

유형 3

유형 4


표 1. 해저도시의 유형 분류
 
그림 3. 두바이의 수중 호텔 (DOT, 2011)/그림 4. Poseidon Undersea Resort (website)
                                            그림 3. 두바이의 수중 호텔 (DOT, 2011)                                                                                   그림 4. Poseidon Undersea Resort (website)
그림 5. 오션 스파이럴 (Shimizu, 2014)/그림 6. Aquarius Underwater Laboratory (NOAA)
                                          그림 5. 오션 스파이럴 (Shimizu, 2014)                                                                                       그림 6. Aquarius Underwater Laboratory (NOAA)

2.1.2 해저도시 건설 기술의 범위

해저도시 개발을 위한 기술은 크게 건설기술과 운영기술로 구분할 수 있다. 건설단계에서는 안전한 해저도시를 위한 대공간 구조 설계기술과 시공기술이 주요 기술이며, 운영단계에서는 거주자의 안전을 보장할 수 있는 에너지 공급 기술과 이동기술이 주요 기술이라 할 수 있다.

해저기지 건설 기술에 대한 고려 사항은 (1) 사용목적, (2) 안전성, (3) 환경 보존, (4) 건설 기술, (5) 경제성과 같이 5개의 범위로 설정할 수 있다. 사용목적에 대한 고려 사항은 자원 채굴, 과학연구, 거주공간으로 분류할 수 있으며, 안전성 분야는 재료 기술, 구조형상, 재난대응 기술로 분류할 수 있다. 환경보존 분야는 자원 채굴 시 오염문제와 거주 시 생활폐기물 처리 문제를 고려할 수 있으며, 건설기술 분야는 건설 공정, 안전 시공, 수중로봇 활용, 건설부지 선정으로 분류할 수 있다. 경제성에 대해서는 사용 목적에 맞는 가장 경제적인 선택인가에 대한 결정이 필요할 것이다. 이를 정리하면 그림 7과 같이 나타낼 수 있다.

그림 7. 해저도시 개발 기술 고려사항

그림 7. 해저도시 개발 기술 고려사항

2.1.3 해저기지 개발 기술 목표

해저도시 건설을 위한 기술의 확보를 위해서는 먼저 해저기지의 건설을 통하여 관련 기술을 확보할 필요가 있다고 판단된다. 이에 따라 해저기지의 건설을 위한 핵심 기술을 조사하여 설정하였으며, 해저기지 건설의 실현 시기, 규모, 목표 수심, 기술난이도 등을 고려하여 1단계 목표 기술과 2단계 목표 기술로 분류하였다. 1단계 목표 기술은 수심 50m에 건설 가능한 해저기지 구조체 기술 및 5인 이상 작업/연구 인력이 상주 가능한 소규모 해저기지 구조체 기술로 정의하였으며, 해저기지에 대하여 기본적인 에너지 공급 및 생명유지 기술을 확보하는 것을 포함하였다. 2단계 목표 기술은 수심 200m 이상에 건설 가능한 해저기지 구조체 기술 및 50인 이상 작업/연구 인력이 상주 가능한 대규모 해저기지 구조체 기술로 정의하였다. 따라서, 해저기지-지상간 인력 및 채굴 광물 운송 기술을 포함한다. 각 단계별 목표 기술을 달성하기 위해서는 표 2와 같이, 해저기지 구조체 설계 기술, 해저기지 시공 기술, 해저기지 운영 및 유지 관리 기술의 확보가 필요할 것이다.

필요 기술

세부 기술

해저기지 구조체

설계 기술

ㅇ 안전성 확보를 위한 수압 분산 기술구형실린더 형 등 수압 분산을 위한 최적 형상 설계 기술

ㅇ 구조체 강성 증대 기술: 리브파형 등 외력 저항성 증진을 위한 좌굴 강도 향상 기술

ㅇ 국부 파괴 및 안전성 저하를 발생 시키는 집중 응력 저감 기술

ㅇ 강도 증진을 위한 신형식 구조형식 개발: FRP-Concrete 합성 및 Metal-FRP 합성 재료 기술

ㅇ 지진 및 쓰나미해일 등의 해양 자연재해에 대한 안전성 확보 기술

해저기지

시공 기술

ㅇ 급속/정밀 시공을 위한 최적 구조체 모듈화 기술 개발

ㅇ 수밀성이 확보된 정밀 수중 시공 기술

ㅇ 해저기지 구조체 모듈 운송 기술

해저기지 운영 및

유지 관리 기술

ㅇ 해저기지 손상부 자가 복구 기술 (Smart Material )

ㅇ 해저기지 에너지 공급 및 생명유지 기술

ㅇ 해저기지-지상간 인력 및 채굴 광물 운송 기술 (잠수정해저터널수중 타워 등)

ㅇ 해저기지 구조물 손상 시 격벽 차폐 및 분리 기술

ㅇ 응급/위기 상황 시 신속 이탈 기술

ㅇ 대수심 체류자 및 거주자 건강 확보 기술 (수심 300m 이상 폐 파열)


 표 2. 해저기지 건설을 위한 필요 기술

기술 개발 설정 목표와 필요 기술에 대해 관련 분야 전문가를 대상으로 설문 조사를 수행하여 개발 필요 기술을 도출하였다. 설문 표본의 종사업종은 산업계 43%, 학계 25%, 연구계 31%, 정부 및 지자체 1%의 분포를 보였으며, 학력 분포는 박사 53%, 석사 28%, 학사 19%로 나타났다. 설문 대상자들의 전공별 분포는 구조공학 47%, 토목공학 19%, 해양공학 10%, 건축공학 2%, 지반공학 13%, 전기/기계공학 5%, 행정/경영/정책학이 4%의 분포를 보였다.

조사 결과, 1단계 기술목표 달성 가능 시기는 평균 10년 이후로, 2단계 목표 달성 가능 시기는 평균 22년 후로 조사되었다. 목표 수심에 대해서는 1단계에서는 50m이하에 대한 응답이 36%, 50m 이상에 대한 응답이 31%로, 평균 51m의 목표 수심을 갖는 것이 타당하다는 조사결과가 도출되었으며, 2단계 목표 수심은 평균 253m로 조사되었다. 해저기지 규모는 1단계에서는 평균 1,562m2로 조사되었고, 2단계에서는 평균 11,720m2로 조사되었다. 1단계의 경우, 목표 최대 체류 기간은 평균 28일로 조사되었으며, 2단계는 평균 77일로 조사되었다.

해저기지의 건설을 위해서는 건설부지 선정을 위한 해저 환경 탐사 기술, 내수압의 고성능 구조 및 재료 기술, 수중건설을 위한 시공 기술(모듈러/수중 건설 로봇 기술 등), 해저기지로의 에너지 공급 기술, 해저기지-지상간 이동 기술, 건설인력/체류인력의 생명 유지 기술 등이 필요하다. 또한 해저기지의 건설에는 고강도의 건설재료가 필요하며, 새로운 건설재료의 개발과 해저 조건에서 건설재료의 물성 변화에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다. 필요한 해저기지 건설기술로는 고성능 구조 및 재료기술 개발이 가장 중요하게 나타났으며, 복합신소재가 가장 선호되는 건설재료로 나타났다. 해저기지의 시공방법은 지상 조립 후 가라앉히는 방법, 지상 제작 모듈을 해상에서 조립한 후 가라앉히는 방법, 지상 제작 모듈을 수중에서 조립하는 방법, 비모듈식으로 수중 제작하여 건설하는 방법 등을 고려할 수 있다. 1단계에서는 지상 조립 후 가라앉히는 방법이, 2단계에서는 모듈 지상 제작 후, 해상 조립하여 가라앉히는 방법이 선호되었다.

해저기지의 운영 및 체류인원의 생활을 위해서는 해저기지에 에너지를 공급하는 방법도 매우 중요하며, 이 경우에는 에너지를 지상에서 공급하는 방법과 해저기지 자체에서 해결하는 방법의 두 가지로 크게 구분할 수 있다. 에너지를 지상에서 공급하는 경우에는 전력케이블 공사로 해결할 수 있으며, 해저기지 자체에서 에너지 공급을 하기 위한 발전 방법으로는 원자력 등 핵연료, 기존의 화석 연료, 수소 등을 이용한 화학연료, 조류/파력, 태양열(발전 패널 수면 노출), 풍력(풍력 터빈 수면 노출) 등을 이용하는 방법을 고려할 수 있다. 조사결과 1단계에서는 해저기지에 필요한 에너지를 외부에서 공급하는 방법이 타당하다고 조사되었으며, 자체 공급할 경우에는 조류력과 파력에 의한 발전 방법이 선호되었다. 2단계에서는 해저기지에 필요한 에너지를 자체 공급하는 방법이 타당하며, 발전 방법으로는 조류력과 파력(34%), 핵에너지(31%)의 순으로 선호되었다.

해저기지를 건설하여 운영하려면, 거주자 및 체류자의 안전이 가장 중요하다. 따라서 해저기지에서 사고가 발생하였을 경우에 체류인원의 대피 및 탈출 기술[4]이 매우 중요하며, 해저기지와 지상간의 인원/물자(채취자원)의 이동/이송 방법도 중요하다.

그림 8. 해저기지 긴급 탈출 개념도 (Garie Sim, 2002) / 그림 9. 해저기지 개념도 (KIOST, 2012)

                                그림 8. 해저기지 긴급 탈출 개념도 (Garie Sim, 2002)                                                                                                  그림 9. 해저기지 개념도 (KIOST, 2012)

해저기지-지상간 이동 방법에는 해저기지-지상간 수중터널 이동, 수면 노출 구조물을 통한 해상 이동, 해저기지-지상간 잠수정 이동 등을 고려할 수 있다. 조사 결과 비교적 수심이 얕은 1단계(수심 50m)의 경우에는 수면 노출 구조물을 통한 해상 이동이 선호되었으며, 수심이 깊은 2단계(수심 200m)의 경우에는 해저기지-지상간 잠수정 이동이 선호되었다. 해저기지에서 채취한 자원을 지상으로 운송하는 방법은 해저기지-지상간 수중터널/튜브 운송, 수면 노출 구조물(타워 등)을 이용한 해상 운송, 해저기지-지상간 잠수정 이용, 잠수정으로 해상 운송 후 선박 이용, 벌룬을 이용하여 자원 해상 부상 후 선박 이용 등을 고려할 수 있다. 조사 결과, 해저기지-지상간 수중터널을 건설하여 운송하는 방법이 가장 선호되었다.

해저기지의 건설 및 운영 시 해양 환경의 오염 등 해저기지의 건설이 해양 환경에 미치는 영향에 대한 의견을 조사한 결과, 영향이 있다는 의견이 46%, 영향이 없다는 의견이 38%로 나타났으며, 향후 환경 문제에 대한 연구가 필요하다고 판단된다. 설문조사 자료 정리를 통하여, 개발 필요 기술을 표 3에 나타내었으며, 이에 따른 해저기지 개념도를 나타내었다(그림 9).

분류

항목

조사 결과

1단계(50m)

2단계(200m)

I. 기술목표 

설정수준

ㅇ 목표달성 가능시기

평균 10 

평균 22 

ㅇ 목표수심

51m

253m

ㅇ 목표규모

1,562m3

11,720m3

ㅇ 최대 체류 기간

28

77

II. 해저기지의

필요성  활용성

ㅇ 건설 필요성

반드시 필요하다(평균 9.2)

ㅇ 건설 필요 이유

기술적/산업적 요인

ㅇ 해저기지 활용도

해저환경 이용 과학연구

해저환경 이용 과학연구

해저기지 건설

필요기술

ㅇ 해저기지 건설 필요기술

고성능 구조  재료 기술

고성능 구조  재료 기술

ㅇ 해저기지 건설재료

복합신소재(FRP)

복합신소재(FRP)

ㅇ 해저기지 시공방법

지상조립  가라앉힘

지상제작모듈

해상조립  가라앉힘

ㅇ 해저기지 에너지 공급방법

지상공급

자체공급

ㅇ 자체에너지 발전방법

조류/파력

조류/파력

해저기지 운영 

유지 기술

ㅇ 해저기지 필요 안전기술

긴급 생명유지 장치 기술

긴급탈출기술

ㅇ 해저기지 운영 필수기술

생명유지 장치 기술

에너지 공급 기술

ㅇ 해저기지-지상간 이동방법

수면 노출 구조물 건설 

해상 이동

해저기지-지상간

잠수정 이동

ㅇ 채취자원 지상 운송방법

해저기지-지상간

수중터널/튜브 건설  운송

해저기지-지상간

수중터널/튜브 건설  운송

ㅇ 해양환경에 미치는 영향

영향 있다

표 3. 해저기지 건설 필요기술 조사 결과

3. 국제 동향

해외 각국에서는 해저도시 건설에 대한 다양한 시도를 하고 있는데, 유형 1과 유형 2의 관광과 레저를 위한 해저도시 건설, 유형 3과 같은 대규모 해저도시 개념 확립, 그리고 유형 4와 같은 과학연구를 위한 해저기지에 대한 연구로 분류할 수 있다. 각각의 유형별 동향은 다음과 같다.

3.1 주요 쟁점별 논의 동향

3.1.1 관광 및 레저를 위한 해저도시

딥오션테크놀러지(Deep Ocean Technology)에 의해 두바이에 건설이 추진되고 있는 하이드로폴리스 해저리조트(Hydropolis Undersea Resort)와 피지 해저에 지어지고 있는 포세이돈 해저리조트(Poseidon Undersea Resort)가 대표적이다. 하이드로폴리스의 경우 설계가 완료된 상태로써, 수심 20m 깊이에 건설되는 해중 호텔이며, 육지에서 호텔을 이어주는 300m 길이의 해저터널과 잠수함 선착장을 함께 건설할 예정이다. 건축면적 약 11만m2에 220개의 객실, 국제회의장 및 해저빌라 등 각종 부대시설을 포함할 계획이다. 포세이돈 해저리조트는 수심 13m의 해저에 대략 51m2 크기의 객실 24개가 계획되어 있으며, 각 객실은 독립된 모듈 형태로 설계되어 문제 발생시에 구조물에서 자동으로 분리돼 투숙객들의 탈출을 돕는다. 이 외에도 남태평양 바누아투에는 수중을 찾은 다이버들을 위한 이벤트로 세계 최초의 수중우체국이 2003년에 개장하였고(Wikipedia, website), 두바이의 한 호텔에는 잠수함을 타고 입장하는 수중레스토랑이 개장하였다. 또한, 이스라엘 해안가 수심 5m 아래에는 레드씨 스타(Red Sea Star) 해중레스토랑이, 몰디브 해안가 수심 5m 아래에는 전체를 투명아크릴로 만든 이싸(Ithaa) 해중레스토랑이 개장하였다. 일본 및 미국의 해중전망탑은 바다 속 풍경의 감상을 위해 잠시 머무를 수 있는 공간으로 활용되고 있다(Environmental Graffiti, website).

그림 10. 해중 레스토랑

그림 10. 해중 레스토랑

3.1.2 거주를 위한 대규모 해저도시

일본 시미즈건설은 도쿄대학교 및 일본 해양과학기술센터와 제휴하여 2014년 11월에 강철보다 20배 강한 탄소 나노튜브 기술로 해저도시를 건설하는 오션스파이럴 프로젝트를 제시하였다. 바닷속 3,000~4,000m 깊이까지 나선 모양의 구조물로 구상되었으며, 5,000명의 거주와 자체 에너지, 식량의 생산으로 외부에도 전력 및 식량을 보낼 수 있도록 구상되고 있다. 오션스파이럴은 유형 3에 해당하며 에너지와 자원을 자급하고 여분을 외부로 공급하는 지속가능한 해저도시를 건설하는 개념이다. 에너지 생산은 해수온도차 발전을 이용할 계획이다. 상부의 거주구역은 평상시에는 수면 위에, 악천후 시에는 수면 아래로 잠수하며, 해저면에는 희토류 채취 및 메탄 생산 공장이 계획되어 있다. 5년의 공사기간과 약 28조 3000억원이 소요될 것으로 예상하고 있다.

3.2 KIOST 연구사업에 미치는 영향

3.2.1 연구를 위한 해저기지 및 관련 기술 개발

심해에서의 환경조건은 지상에서와 달리, 저온과 고압이 작용하는 환경이기 때문에 심해 해저기지의 건설을 위해서는 이에 대한 분석과 대책이 필요하다. 이러한 연구는 미 해군에서 처음 시도 되었으며, 해저에서의 건설재료 상태 변화에 대한 사전 연구를 수행하였다(Rush, 1962). 이후 심해 조건에서의 구조물 상태 변화를 파악하기 위하여, 콘크리트 구체를 수심 약 850m에 설치하여 장기간의 상태를 관찰하였다(Haynes, 1974). 과거 냉전시기에 구 소련이 군사적 목적으로 개발한 적이 있고, 미국이 3개의 해저 실험기지를 개발한 전례가 있으나 지금은 대부분 운영이 중단된 상태이다. 또한 당시의 해저기지는 대부분 천해[5]에 설치되었으며, 프랑스도 1960년대 심해정거장 건설을 추진했지만 현실화되지는 못했다. 현재 운영되는 해저기지로는 미국 국립해양대기청(NOAA)[6]의 아쿠아리우스 산호기지가 유일하다(Ocean Explorer, NOAA website). 1986년에 플로리다키 국립해양보호구역 콘크 산호초(Conch Reef) 지역에 건설되었으며, 해안으로부터 4.5km 떨어져 있고, 수심도 19m로 해저기지와는 차이가 있지만 유형 4의 유일한 해저구조물이다. NASA의 우주비행훈련 연구프로젝트인 'NEEMO 7' 등 다양한 연구에 활용되고 있다(National Geographic Channel, 2011).

그림 11. Aquarius Underwater Laboratory 단면도 (NOAA)

그림 11. Aquarius Underwater Laboratory 단면도 (NOAA)

중국은 심해 탐사 부문의 기술력에서 선진국을 앞서겠다는 계획을 갖고 있으며, 본격적인 심해 정거장 개발에 앞서 실험용 정거장을 먼저 개발한다는 계획이다. 이 실험용 정거장은 12명이 탑승해 18일간 물속에서 활동할 수 있도록 설계된다. 오는 2015년까지 개발을 완료한다는 것이 중국선박과학연구소의 방침이다(metro, website).

캐나다는 2009년 9월에 세계 최대의 수중관측소인 ‘NEPTUNE Canada’를 설립하였으며, 빅토리아대학교가 설립한 ONC[7]에 의해 추진되었다. NEPTUNE 캐나다는 지진과 해일 활동, 해양과 기후의 연관성 및 수산업에의 영향, 해양오염, 자원개발, 메탄하이드레이트 매장량, 해양생태에 대한 광범위한 연구는 물론 광섬유 통신, 전력시스템 설계, 데이터 관리, 센서 및 로봇 등 해저 신기술 개발에 도움을 줄 것으로 기대되고 있다(Neptune Canada, website).

하지만 유형 4와 같은 해저 대공간 구조에서 생활할 경우, 산소는 액화 산소와 기체 산소 순화여과장치로 정화하여 사용이 가능하지만 빛을 만들기 위해 사용되는 조명의 온도 조절장치가 미제로 남아 있다. 일반적으로 폐쇄된 공간 안에 일정량의 밝기를 가진 빛을 일정시간 비춘다면 내부 온도가 상승하게 되며, 이를 유지하기 위해서는 대량의 전력 소모가 필요하다. 인공 밤 조성을 위해 조명을 차단하는 경우에도 온도 하강으로 인한 추위에 대한 보온 처리 시설이 필요하며 이를 위해서는 고비용이 소요될 것으로 예측되고 있다. 100가구가 거주할 해저 주거지에는 하루에 최소 3MWh의 동력이 필요할 것으로 예측되고 있으며(National Geographic Channel, 2011), 50명 미만의 소규모 돔을 여러 개 지어서 상호 연결하는 방식이 현재까지는 가장 현실성이 높은 것으로 분석되고 있다. 일반적으로 독일 건축학계에서는 인구 2000만 명의 지상도시를 건설하는 비용으로 수중 도시에서는 50만 명 정도 사는 구조물을 만드는 비용이 소요될 것으로 추산하고 있다

4. 결론 및 정책 제언

해저기지 건설 기술에 대한 연구는 해저자원의 개발, 해양영토 주권 확보, 해양과학 연구, 인류 생활 영역의 확대를 위해 필수적이며, 각국은 다양한 방법으로 기술개발을 시도하거나 비전을 제시하고 있다. 각국의 해저도시 건설동향을 살펴 보았을 때, 유형 1과 유형 2의 경우에는 현존 기술로 가능하여 이미 설계와 건설이 추진되고 있다. 이는 관광 및 레저를 목적으로 하는 유형 1과 유형 2의 특성상 천해에 건설되는 구조물이기 때문에 가능한 사안이며, 재정 및 정책적 지원이 이루어진다면 현재의 국내 건설기술로도 충분히 가능하다고 판단된다. 유형 3과 4의 경우에는 국외에서도 20년 이후의 기술로서 현재는 개념만 제시하는 상태이며, 이를 구현하기 위한 기술을 개발하는 단계이다. 향후 실용적인 거주목적의 해저도시와 자원확보를 위한 해저기지의 건설, 그리고 미래 해양과학기술 선점을 위해서는 유형 3과 유형 4에 대한 기술개발과 투자가 필요하며, 이를 위한 해저기지 건설 및 운영 핵심기술의 개발이 필요하다. 향후 추진되어야 할 연구개발은 미래 세계 심해 탐사 및 개발 주도권 확보를 위한 연구로서 1,000m 이상의 심해에 연구인력이 상주하는 과학기지를 건설할 수 있는 기술을 개발하고, 운영 및 유지관리를 위한 시스템을 구축하는 것이다. 1단계에는 수심 50m에 5인 이상 연구인력의 상주가 가능한 해저기지 구조체 기술을 개발하고, 2단계에는 수심 200m에 50인 이상 연구인력의 상주가 가능한 해저기지 구조체와 수심 1,000m에 5인 이상 연구인력의 상주가 가능한 해저기지 구조체 기술을 개발하는 것을 목표로 한다. 최종 3단계는 수심 50m에 5인 연구인력 상주 가능한 유형 4의 해저기지를 건설하고 실증하는 것이다. 이를 위해서는 건설기술과 운영기술이 핵심적으로 개발되어야 하는 바, 다음과 같은 연구가 추진되어야 하며, 소요기간은 1단계와 3단계는 각 3년, 2단계는 4년으로 예상하고 있다. 

 

4.1  해저기지 건설 기술

1) 해저기지 건설환경 분석기술 개발

-                                해저 및 심해 환경에서는 해상 및 육상에서와 온도부식 환경작용 하중 등의 조건 상이

-                                안전한 구조재료의 선정과 구조물의 건설을 위해서 해저 환경에 대한 조사 및 분석 선행 필요

-                                연구 대상 수심에 적용 가능 건설 재료 및 구조형식시공 방법 등의 결정을 위해 해저 조건의 분석 필수

 

2) 해저기지 건설재료 선정 및 개발

-                                해저 및 심해 환경은 저온고압 상태의 환경이므로기존의 건설 재료의 역학적화학적 성질 변화 고려

-                                저온 및 고압 상태에서의 기존 건설 재료의 거동 분석을 통하여 기존 건설 재료 적용과 신재료 개발 필요

 

3) 해저기지 구조형식 및 형상 개발

-                                착저식 해저기지 개발을 위한 좌굴 및 착저 안정성을 고려한 구조 형식 형상 개발

-                                착저식 구조물의 모듈화 기법 및 연결 기술 개발

 

4) 착저부지 지반 안정화 기술 및 지지구조 개발

-                                해저기지 착저 부지의 침하 등을 대비한 지반 안정화 기술 개발

-                                고정식 해저기지 건설을 위한 신형식 말뚝 및 타설 기술 개발 (심해 수압에 의한 자가 관입형 말뚝)

 

5) 해저기지 설계 및 시공기술 개발

-                                해저기지 설계 기술 개발 및 기본 설계안 도출

-                                해저기지 착저 시공 및 모듈 시공 기술 개발 및 가이드 작성

 

4.2 해저기지 운영 기술

1해저기지 에너지 공급 기술

-                                육상 전원 공급 기술 및 계통 연계 기술 개발

-                                에너지 공급을 위한 해저 케이블 시공 기술 개발

-                                조류 발전 등의 해양 신재생 에너지 연계 기술 개발

 

2) 해저기지 생명유지 장치 및 생활 안정화 기술 개발

-                                해저과학기지의 성공을 위해서는 해저의 폐쇄된 공간에서 고립되어 장기간 생활하는 거주자의 신체적·심리적 영향을 고려하여 쾌적한 거주환경의 조성이 필수적임

-                                해저기지 생명 유지 장치 안정화 기술 개발(백업 시스템 등)

-                                해저기지 거주 공간 설계기술 개발

                            해저과학기지의 거주 공간 특성 및 설계요인 파악

                            해저과학기지의 거주 공간 설계요인별 설계기준 설정

                            해저과학기지의 거주 공간 설계방법프로세스설계도구 개발

-                                해저기지 거주 환경 유지기술 개발(물리적심리적사회적 환경 유지기술)

-                                해저기지 긴급 탈출 장치 개발 및 설계 반영

 

3) 해저기지 이동 및 이송기술 개발

-                                해중 터널을 통한 이동 방법 및 접속 방법 개발

-                                환기탑/선박 접속부를 통한 이동 및 이송 방법 개발

 

 

참고문헌

 

참고문헌

 

국토해양부 (2013), 2040 Future Technology Survey and Direction for Land and Ocean

한국해양과학기술원 (2012) 해저과학기지 건설 기술 기획연구, 2012년도 해양 융·복합 기획연구사업 보고서 (DSPE98797-10158-7)

DOT (2011) Underwater Hotel Project, http://www.deep-ocean-technology.com

Environmental Graffiti, http://www.environmentalgraffiti.com/featured/incredible-underwater-habitats/2593

Garie Sim (2002), The undersea habitat 2030, Garies’s Creations (http://www.garieinternational.com.sg)

Haynes H. H. (1974) Long-Term Deep-Ocean Test of Concrete Spherical Structures, Technical Report, Civil Engineering Laboratory, Naval Construction Battalion Center

KEIT (2011) Survey of Future Technologies 2025 - For Smart IT Convergence · metro, http://www.metroseoul.co.kr

National Geographic Channel (2011) Underwater City Construction Project, Naked Science, 2011 

Neptune Canada, http://www.neptunecanada.com

NOAA, http://oceanexplorer.noaa.gov/technology/diving/aquarius/aquarius.html

Poseidon Undersea Resort, http://www.poseidonresorts.com

Rush, P. J. (1962) Preliminary Studies Concerning Structures in the Deep Ocean, Technical Note N-447, U.S. Naval Civil Engineering Laboratory

Shimizu Corporation (2014) A 21st century ATLANTIS: Floating spheres that house entire cities and sink to the seabed in extreme weather could be built by 2030, (http://www.dailymail.co.uk/sciencetech)

Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Mele_(island)

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[1] 일반적으로 심해(深海, Deep sea)는 2km 이상의 깊숙한 바다로, 사람이 수압 때문에 견딜 수 없는 그 이상의 공간을 의미함

[2] Water Discus Underwater Hotel

[3] Aquarius Underwater Laboratory

[4] 안전사고 발생 시 긴급탈출 기술(탈출 포드 등), 사고 구역 분리/격리 기술, 에너지 공급 안정화 기술(보조 에너지원 확보 등), 해저기지 전체 또는 일부 분리 후 부상 기술, 긴급 생명유지 장치 기술 등이 있음

[5] 얕은 바다, 대개 해안에서부터 수심 200m 되는 부분임

[6] National Oceanic and Atmospheric Administration

[7] Ocean Networks Canada

 

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2021-02-17