스위스 연구진이 단 몇 초 만에 친환경 시멘트 배합을 제안하는 AI 시스템을 개발해, 세계에서 가장 탄소 집약적인 산업 중 하나의 변혁을 예고하고 있다.
폴 셰러 연구소(PSI) 팀은 시멘트의 배합을 재설계해 탄소 발자국을 대폭 줄일 수 있는 머신러닝 접근법을 개발했다. 이 시스템은 수천 가지 재료 조합을 시뮬레이션해 구조적 완전성을 유지하면서도 CO₂ 배출이 훨씬 적은 조합을 단 몇 초 만에 찾아낸다.
이번 혁신은 중요한 기후 과제를 겨냥한다. 시멘트 산업은 전 세계 CO₂ 배출량의 약 8%를 차지하는데, 이는 전 세계 항공 산업보다도 많다. 시멘트 공장의 회전식 소성로는 섭씨 1,400도까지 가열되어 분쇄된 석회석을 클링커(시멘트의 원재료)로 태운다.
놀랍게도 시멘트 배출의 절반 이하만이 연소 과정에서 발생한다. 대부분의 CO₂는 원재료에서 방출되는데, 석회석에 화학적으로 결합된 이산화탄소가 고온 소성로에서 클링커로 전환되는 과정에서 나온다.
배출량을 줄일 수 있는 유망한 전략 중 하나는 일부 클링커를 대체 시멘트 재료로 교체하는 것이다. PSI의 폐기물 관리 연구실의 다학제 연구팀이 바로 이 부분을 집중적으로 연구해왔다.
"이 시스템을 통해 시멘트 배합을 시뮬레이션하고 최적화해, 동일한 수준의 기계적 성능을 유지하면서도 CO₂ 배출을 크게 줄일 수 있습니다."라고 논문의 제1저자인 수학자 로마나 보이거(Romana Boiger)는 설명한다. "수천 가지 변형을 실험실에서 직접 테스트하는 대신, 우리의 모델로 실용적인 배합 제안을 몇 초 만에 생성할 수 있습니다. 마치 기후 친화적 시멘트를 위한 디지털 요리책과 같습니다."
현재도 철 생산에서 나오는 슬래그나 석탄 화력발전소의 플라이애시 등 산업 부산물이 시멘트 배합에서 일부 클링커를 대체하는 데 사용되고 있다. 하지만 전 세계 시멘트 수요가 워낙 방대해 이들 재료만으로는 충분하지 않다. "우리가 필요한 것은 대량으로 확보할 수 있으면서도 고품질, 신뢰성 있는 시멘트를 생산할 수 있는 적절한 재료 조합입니다."라고 PSI 시멘트 시스템 연구 그룹장 및 논문 공동저자인 존 프로비스(John Provis)는 말했다.
이번 프로젝트는 시멘트 화학자, 열역학 전문가, AI 전문가 등 다양한 분야의 협력이 필요했다. 연구는 산업 및 에너지 공급 분야의 온실가스 배출을 획기적으로 줄이기 위한 과학적 해법 개발을 목표로 하는 스위스 탄소중립 우수연구센터(SCENE)의 일환으로 진행됐다.
이번 연구 결과는 학술지 'Materials and Structures'에 게재됐으며, 기후 변화 대응에서 가장 어려운 분야 중 하나인 시멘트 산업의 탈탄소화에 새로운 길을 제시한다.