콘크리트처럼 지구상에서 가장 많이 사용하는 물질도 없을 것이다. 건축은 물론이고 도로건설을 비롯해서 바닥자재 등으로 두루 사용된다. 그런데 콘크리트의 원료인 시멘트를 생산할 때 이산화탄소 배출양이 높기 때문에 환경보호를 위해서는 새로운 공정 개발이 필요하다.
콘크리트의 다만 일부라도 다른 것으로 대체한다면 이산화탄소 배출량을 줄이면서 지구 환경보호에 큰 도움이 될 수 있다. 특히 플라스틱 쓰레기를 콘크리트 배합물로 사용한다면 환경보호에도 도움이 된다.
미국 MIT 학부 학생들이 학급 과제로 시작한 플라스틱 재활용 방법이 큰 관심을 끌고 있다. 콘크리트를 반죽할 때 시멘트와 함께 플라스틱 조각을 넣었더니 생각지 않은 엄청난 효과가 났다. 여기에서 중요한 것은 플라스틱을 감마선으로 쬐어 아주 단단한 플라스틱으로 변형시킨 점이다.

MIT학부 학생들이 아이디어 내    

이 대학의 4학년 학생인 마이클 오르테가(Michael Ortega)가 학급 프로젝트로 연구를 제안하면서 시작한 것이다. 여기에 캐롤린 새퍼(Carolyn Schaefer)를 비롯해서 건축및환경공학과 학생과 핵과학및공학 부교수, 국립아르곤연구소 연구원 등이 참여했다.
새퍼와 오르테가눈 핵시스템설계프로젝트인 22.033의 하나로 플라스틱 강화 콘크리트의 가능성을 탐구하면서 시작했다. 학생들은 이산화탄소 배출을 낮추는 방법을 찾기를 원했다. 콘크리트 생산은 이산화탄소 배출의 중요한 원인 중 하나이다. 학생들은 ‘이 문제를 어디에서 시작할까’를 생각하다가 문헌을 뒤져서 결정체로 만들자는 아이디어를 냈다.
문헌을 뒤져보니 어떤 연구자들은 플라스틱을 콘크리트 혼합물에 넣는 방식을 시도했지만, 이렇게 하면 콘크리트가 약해지는 단점이 나타났다. 추가로 조사해서 학생들은 플라스틱에 감마선을 쬐면 플라스틱의 결정구조가 바뀌어서 플라스틱이 강해지고 단단해지는 것을 찾아냈다. 두 개의 자료를 연결해서 ‘과연 플라스틱을 감마선에 쬐면 실제로 콘크리트를 강력하게 바뀔까’ 궁금증이 생겼다.
답을 찾기 위해 학생들은 지역 재활용센터에서 플라스틱 쓰레기를 모아서 이 중 금속물질과 다른 쓰레기를 제거했다. 그런 다음 강력한 원형 금속봉으로  플라스틱 쓰레기를 짓눌러 압착한 뒤, 절구와 공이로 잘게 부쉈다.
학생들은  이 플라스틱 조각을 모아, 감마선을 내는 코발트-60 발생기가 있는 다른 실험실로 가져갔다. 코발트-60 발생기는 음식물의 오염을 제거할 때 사용하는 상업적인 장치로서 일정한 조건이 갖춰지면 전혀 누출이 되지 않는 안전한 장치이다.
학생연구원들은 잘게 부순 플라스틱 조각에 다양한 농도의 감마선을 쪼인 여러 종류의 샘플을 시멘트 반죽에 넣어 실험했다. 가장 많이 사용하는 포틀란트 시멘트 가루와 흔히 첨가하는 석탄회(fly ash) 그리고 실리카 흄(silica fume)이 들어간다. 각 샘플에 넣은 감마 플라스틱은 약 1.5%이다.
학생들은 이렇게 해서 만든 콘크리트 샘플을 대상으로 압축실험을 해서 비교했다. 플라스틱을 전혀 넣지 않은 보통의 콘크리트, 그리고 감마선을 쬐지 않은 플라스틱을 넣은 콘크리트 등과 비교했다.
그랬더니 보통 플라스틱을 넣은 샘플은 플라스틱을 넣지 않은 콘크리트 보다 약했다. 석탄회와 실리카 흄을 넣은 콘크리트는 포틀랜트 시멘트만 사용한 것 보다 강했다. 이에 비해서 실리카 흄과 석탄회 및 감마선을 쬔 플라스틱을 넣은 시멘트가 가장 강해서 포틀란트 시멘트만 사용한 것에 비해서 강도가 15% 높아졌다.
압축실험을 마친 뒤 학생 연구원들은 다양한 이미지 기술을 이용, 어째서 감마선 플라스틱이 강한 콘크리트를 내는지 단서를 찾아 나섰다. 아르곤국립연구소와 MIT 재료과학및공학센터(CMSE)에 샘플을 보내 엑스레이회절법, 전자현미경 및 엑스레이 마이크로단층촬영 등으로 분석했다.
그랬더니 감마선을 많이 쬔 플라스틱을 넣은 콘크리트는 분자들이 더욱 밀집하게 결합된 결정구조를 갖는 것을 발견했다. 이들 샘플에서 결정구조는 동시에 콘크리트 내부 기포를 막아서 콘크리트를 더욱 강하게 해 준다.
감마 플라스틱이 나노 수준에서 콘크리트의 결정에 영향을 미친다. 감마 플라스틱이 포틀란트 시멘트와 석탄회와 3가지로 섞일 때 어떤 중요한 반응이 일어나서 콘크리트를 강력하게 바꿔 주는 것이다. 연구팀은 가장 적합한 배합비율과 가장 적합한 감마선 비율을 추가로 연구할 계획이다.
현재로서는 콘크리트의 1.5%를 감마 플라스틱으로 바꾸면 콘크리트의 강도가 높아지는 발견했지만, 추가 연구로 이 비율도 점검하기로 했다.

학제간 융합연구가 창조적 결과로 이어져

이번 연구는 학생들이 진행한 것 외에도 다양한 전공과 다양한 팀 사이에 이뤄진 전형적인 학제간 융합연구가 매우 창조적인 해결책을 낳았음을 보여주는 사례이기도 하다.
과학기술과 연구개발에서는 옛날부터 익숙하게 되풀이되는 현상이 있다. 정말 중요한 발견과 개발이 아주 생각하지 못했던 곳에서 나온다는 점이다. 한 물 간 분야라고 생각했던 기술이 획기적인 도약을 하기도 한다.
이번에 MIT대학 학부 학생들이 실험한 아이디어가 시멘트 제조에서 다음 단계의 빅 아이디어가 될지 모른다.
MIT 핵과학및공학과의 마이클 쇼트(Michael Short)부교수는 “내게 있어서 가장 재미있는 것은 학부생들이 실제로 그 연구를 했다는 점”이라고 말했다. 쇼트 교수는 “우리 교수들은 학생들이 계속 하도록 기술적으로 도왔을 뿐 학생들의 아이디어였다”고 강조했다.
이번 연구결과는 ‘쓰레기관리’(Waste Management) 저널에 게재됐다.
실린 논문에서 핵기술을 이용해서 이산화탄소배출을 줄이는 방법을 발견하는데 초점을 맞추는 학생들의 독자적인 연구이다. 콘크리트 생산은 세계에서 사람들이 유발하는 이산화탄소 배출량의 4.5% 정도이다. 이산화탄소 배출량을 줄이는데 있어서 감마 플라스틱 강화 콘크리트가 중요한 역할을 할 수 있다.
쇼트 교수는 “학생들이 개발한 이 기술을 이용하면 쓰레기매립지로 향하는 플라스틱을 꺼내서 콘크리트 안에 넣어 재활용할 수 있다. 콘크리트를 만들기 위해 사용하는 시멘트 양을 줄일 뿐 더러 쓰레기 매립도 줄일 수 있다.”고 말했다.
플라스틱이 들어가는 만큼 콘크리트를 만드는데 필요한 시멘트의 양도 줄어들므로 시멘트를 생산할 때 배출되는 이산화탄소량도 줄일 수 있다. 쓰레기 매립지로 향하는 플라스틱을 꺼내 빌딩 안으로 넣으면서도 환경을 보호하고 콘크리트의 강도도 높여주는 것이니 엄청난 효과가 나는 것이다.
그렇다면 지금까지 생산된 플라스틱의 양은 얼마나 될까. 2015년까지 약 91억톤이 생산됐지만, 이중 약 70억 톤은 쓰레기로 버려지고 있다는 연구가 올해 발표됐다. 생산된 플라스틱의 약 9%는 재활용됐으며 12%는 소각됐지만 나머지는 그저 여기저기에 나뒹굴고 있는 것이다.
1960년에 플라스틱은 산업화된 국가 도시 쓰레기매립지의 1%를 차지했지만, 2005년에는 이 비율이 10%까지 올라갔다. 이 중 가장 많은 비중을 차지하는 것은 플라스틱 물병으로 대략 40%로 추정된다. 플라스틱 대량 생산이 시작된 1950년 이후의 생산량을 추정해서 낸 연구결과이다.
이 연구결과는 지난 7월 사이언스 어드밴시스(Science Advances)저널에 발표됐다.