미래는 지금: 지속 가능한 소재 혁명 탐험하기

생태 위기와 기술 혁신의 기로에 서 있는 지금, 우리의 물질적 우위를 재정의해야 한다는 요구는 점점 더 커지고 있습니다. 더 많은 에너지, 더 많은 제품, 더 많은 소비에 대한 수요로 지구의 심장 박동이 빨라지고 있습니다. 전 세계 자원 사용량은 1970년 이후 세 배로 급증했으며, 소재 생산성은 크게 증가하지 않았습니다. 천연자원이 줄어들고 지구가 오염되는 상황에서 우리는 소재를 추출, 제조, 폐기하는 방식을 혁신해야 합니다.

글로벌 자재 생산성, 사상 최저치 기록

물질, 에너지, CO2 배출량, 노동력 등 자원 생산성 측면에서 전 세계의 진전을 측정할 때, 지난 10년 동안 소재 생산성(물질 사용량 kg당 GDP 달러)은 가장 느린 성장(심지어 약간의 감소)을 보였습니다.

이는 전 세계 인구와 수요가 증가함에 따라 물질을 추출하고 사용하는 능력이 이러한 수요를 충족하지 못했을 뿐만 아니라 전례 없는 양의 온실가스(GHG)를 배출해 왔다는 것을 의미합니다.

현재의 온실가스 배출 속도로는 더 높은 기온, 더 혹독한 날씨, 해수면 상승, 생물 다양성 감소를 목격하게 될 것입니다. 이러한 지구의 변화는 식량과 식수의 부족, 질병의 증가, 인구 이동, 빈곤의 증가를 초래할 것입니다. 에너지 생산에 이어 제조업은 온실가스를 가장 많이 배출하는 산업입니다. 최근 제조업의 영향에 대한 비판적 검토에서 이 부문의 탄소 배출을 줄이기 위한 가장 중요한 두 가지 요소로 재료 선택(원재료와 재활용)과 재료 가공의 재설계가 꼽혔습니다.

일상적인 재료 및 자원 효율성에 대한 재구상이 중요

이 과제의 범위를 설명하기 위해 휴대전화를 예로 들어보겠습니다. 6인치 스마트폰에는 평균 65개의 개별 화학 원소가 들어 있습니다. 스미소니언 자연사 박물관에는 이러한 원소의 샘플이 작은 병에 담겨 있거나 색색의 암석 형태로 전시되어 있습니다. 각 원소는 지구에서 채취하고 정제하는 데 필요한 화학적 특성뿐만 아니라 발견 위치에 따른 지정학적 문제도 고려하여 고유한 추출 과정을 거쳐야 합니다. 원료를 추출하고 가공한 후에는 휴대폰을 생산하기 위해 대규모로 조립해야 합니다. 스마트폰 한 대의 경우 이러한 일련의 추출, 가공, 제조 과정에서 86kg의 폐기물과 110kg의 CO2 발자국이 발생하는 것으로 계산됩니다. 그리고 휴대폰의 상업적 수명이 다한 후에도 폐기물이 발생합니다. 2022년에만 53억 대의 휴대폰이 폐기되었으며, 재사용을 위해 회수된 물질은 약 15%에 불과한 것으로 추정됩니다.

모든 인공 제품은 원자재에서 최종 폐기물에 이르기까지 자원이 많이 소모되는 과정을 거칩니다. 그러나 지속 가능한 소재 혁신은 모든 부문에서 이 주기를 혁신하여 재사용과 재활용을 우선시하는 순환 경제의 기반을 마련할 것입니다.

바로 여기에 기회가 있으며, 그 기회는 연구실 내부에서 시작됩니다. 지속 가능한 소재 혁명을 구축하는 데 필요한 도구는 이미 연구실 내부에 있습니다.

과학자와 엔지니어들은 지난 수십 년 동안 재료 개발을 위한 다양한 새로운 도구를 개발해 왔습니다. 녹색 화학(Green Chemistry) 분야는 1998년 John Warner와 Paul Anastas가 처음 개발한 12가지 원칙에서 미국 화학회의 독자적인 장을 차지하고 수많은 전문 학술지에 영감을 주는 분야로 성장했습니다. 생물학적 시스템을 엔지니어링 설계에 활용하는 생물 영감 엔지니어링은 본질적으로 에너지와 재료 집약도가 낮고 환경에 더 좋은 창의적인 설계 접근법을 제시하는 분야로 계속 성장하고 있습니다.

이제 휴대폰을 다시 상상해 봅시다. 전통적인 채굴 대신 토양과 암석에서 필요한 희토류 금속을 식별하고 추출할 수 있는 효소를 설계한다면 어떨까요? 석유 기반 폴리머 대신 CO2를 원료로 미생물 발효를 통해 제조한 바이오 폴리머로 휴대전화를 만든다면 어떨까요? 이렇게 하면 대기에서 온실가스를 배출하는 동시에 수용성 용매에서 저온으로 물질을 제조할 수 있습니다. 휴대폰의 수명이 다할 때 귀중한 금속 원소만 선택적으로 재추출하고 나머지는 인공 미생물을 이용해 퇴비화할 수 있다면 어떨까요?

여러 분야의 발전으로 이러한 새로운 지속 가능한 소재와 공정이 가능해질 수 있습니다. 이러한 분야는 다음과 같습니다:

• 합성 생물학: 특정 작업을 수행하기 위해 생물학적 시스템에 공학적 원리를 적용하는 광범위한 분야입니다.
• 바이오마이닝: 미생물을 사용하여 광석과 폐기물에서 금속을 추출하는 합성 생물학의 하위 분야입니다.
• 바이오제조: 일반적으로 박테리아, 곰팡이, 조류와 같은 미생물을 사용하여 상업적 규모의 분자와 물질을 만드는 것을 목표로 하는 합성 생물학의 또 다른 하위 집합입니다.
• 적층 제조: 3D 프린팅을 제품 제조에 사용하여 현장 및 주문형 제작을 용이하게 하고 폐기물을 줄이는 기술입니다.
• 분해에 대한 설계: 10번째 친환경 화학 원칙으로, 수명이 다하면 무해한 성분으로 분해되도록 시스템을 설계해야 한다는 원칙입니다.

신소재 접근법 도입에 대한 저항은 여전히 높습니다

기업들이 탄소중립 목표를 달성하기 위해 노력하면서 신소재가 솔루션의 선두에 서고 있습니다. 그러나 대부분의 산업은 안타깝게도 뒤처져 있는데, 이는 대부분 기업이 비용이 많이 들고 변경하기 복잡한 레거시 소재를 중심으로 복잡한 공급망, 제조 프레임워크, 제품 설계를 구축해 왔기 때문입니다.

소재 혁신을 가로막는 주요 장애물은 다음과 같습니다:

• 기존 대비 높은 비용
• 새로운 프로세스를 도입하는 데 필요한 높은 자본 지출(CAPEX)
• 기존 공급망에 새로운 요소를 통합하는 데 따르는 어려움
• 산업 규모에 필요한 자재 공급의 어려움

지난 10년 동안 소비자들의 지속 가능성에 대한 요구가 높아지면서 이러한 과제를 해결해야 한다는 절박함이 다시금 대두되었습니다. 그러나 비용 대비 효과는 항상 주요 고려 사항으로 남아 있습니다. 현실적으로 지속 가능한 대안은 친환경 프리미엄을 통해 광범위한 추진력을 얻는 데 어려움을 겪고 있습니다. 장기적으로 비용을 절감할 수 있는 획기적인 기술을 두 배로 늘리는 것이 기업이 지속 가능한 솔루션을 추구하도록 장려하고 소비자의 광범위한 채택을 위한 길을 닦는 가장 효과적인 방법입니다.

이는 새로운 소재 개발 방식이 마침내 실험실에서 벗어나 글로벌 시장으로 나올 수 있는 기회를 제공합니다.

이는 새로운 소재 개발 방식이 마침내 실험실을 벗어나 글로벌 시장에 등장할 수 있는 기회를 제공합니다.

기회를 포착하세요: 재료 우위의 재정의

우리의 사명은 분명합니다. 원자재에 접근하고, 이를 상품으로 가공하고, 산업적 규모에서 사후 사용(재활용, 재사용 또는 분해)을 위해 설계하는 방법을 재고함으로써 지구 생물학적 공동체의 생산적이고 협력적인 일원으로서 새로운 입지를 구축하는 것입니다. 그러나 비용 경쟁력을 최우선으로 고려하면서 이를 달성하려면 아직 주류가 아닌 기술을 통합해야 합니다.

이러한 도약을 위해서는 하버드의 비스 연구소와 협력 기금 간의 제휴에서 볼 수 있듯이 학계와 산업계를 연결하는 것이 중요합니다. 목표는 우리가 지구 자원의 소비자일 뿐만 아니라 청지기로서 물질 사용과 라이프사이클의 혁신을 통해 지속 가능한 미래를 보장하는 세상으로의 변화를 개척하는 것입니다.