아름다운 구조이야기 8 - 초신성과 박테리아, 강재의 근원

콘크리트와 마찬가지로 건축구조에서 가장 중요하게 사용되는 철근과 철골 등 강재의 근원에 대해 살펴봅니다.
어떤 것의 의미를 깊게 살피다 보면 그것은 내 삶의 일부가 됩니다. 한낱 사물이더라도 그 근원이나 가치를 새롭게 이해하게 되면 그것을 바라보는 시선에 재미가 깃들여지고, 그것을 만지는 손길에도 의미와 가치가 실립니다. 몰라도 해롭지는 않지만, 알면 더 유익해집니다.

 

 

철(Fe)의 탄생

 

철은 태양 무게의 10~40배 정도되는 큰 별의 내부에서 핵융합 과정의 최종 결과물로 만들어졌고, 그 별의 생애 끝에서 초신성으로 폭발하면서 우주 사방으로 흩뿌려진 것입니다.
 
철(원자번호 26, 원자기호 Fe)은 우주에 존재하는 모든 원소 중에서 가장 안정적인 구조를 가진 원소입니다.
철은 태양보다 훨씬 큰 별의 내부에서 자연적인 핵융합으로 생성될 수 있는 최종 원소입니다.
 
현재 태양은 수소원소를 헬륨원소로 핵융합시켜 빛과 열을 발산하는 중이고, 50억년 후에 수소원소가 소진되면 헬륨원소가 탄소원소로 핵융합되면서 외부층이 팽창하여 적색거성이 될 것이며, 종국에 헬륨원소 마저도 소진되면 청백색의 작은 별인 백색왜성으로 수축하여 생을 마감할 것입니다. 그러므로 태양은 철원소를 만들어낼 수 없습니다. 수십억년 후에야 탄소원소까지만 만들 수 있을 뿐입니다. 태양 무게의 0.5배~8배 정도가 되는 별에서는 수십억년, 수백억년을 기다려도 철원소는 생겨날 수 없습니다.
 
태양 무게의 8배 이상이 되는 별에서는 중심핵 온도가 6억도를 넘깁니다. 이 정도의 온도에서 탄소원소는 다음 단계의 핵융합을 할 수 있으며, 네온원소나 나그네슘원소까지 만들어 질 수 있습니다.
 
태양 무게의 10배 이상인 별에서는 핵융합 반응이 더 진행되며, 중심핵의 온도가 15억도를 넘으면 산소원소가 핵융합하여 규소원소가 생성되고, 25억도를 넘으면 규소원소가 핵융합하여 드디어 철원소를 생성합니다. 이보다 더 높은 온도라 하더라도 철원소는 더이상 다른 원소로 핵융합되지 않습니다. 100억도가 넘으면 철원소는 높은 에너지를 갖는 감마선을 흡수하여 도리어 헬륨원소와 중성자들로 쪼개져 분해될 뿐입니다.
 
철은 앞서 설명한 바와 같이 가장 안정적인 원자구조를 가지는데, 그 이유는 원자를 구성하는 원자핵들 사이의 결합에너지가 가장 높기 때문입니다. 다른 원소들과 비교하면 헬륨은 1.13×10^-12J, 우라늄은 1.21×10^-12J인데, 그 사이에 있는 철은 1.41×10^-12J이나 됩니다. 즉 수소원자부터 철 직전의 원소까지 핵융합을 하면 에너지가 발생해서 방출하게 되지만, 철원소로 핵융합하는 과정에서는 오히려 에너지를 흡수해야 합니다. 별 전체의 핵융합 과정에서 철원소가 핵융합하는 비중이 높아지면 별이 그 형상을 유지하거나 팽창하는데에 필요한 에너지, 즉 중력을 거스를 정도의 에너지를 더이상 얻을 수 없어지는 순간부터 별의 핵은 중심의 중력방향으로 급속히 수축하면서 붕괴됩니다. 

 
태양 무게의 8배 이상에서 40배 이하인 별은 엄청난 중력으로 내부로 붕괴된 직후에 반동(rebound)작용으로 폭발하는 초신성(supernova)이 됩니다. 이 폭발로 여러 원소들은 충격파에 떠밀려 우주로 흩뿌려집니다. 철보다 무거운 원소들은 바로 이 초신성 폭발의 순간에 높은 폭발에너지로 인해서 비로소 순간적으로 핵융합되어 생겨나며, 다른 원소들과 함께 함께 우주로 흩뿌려지게 됩니다.

 

[출처 : NASA, 1604년 10월 9일 요하네스 케플러(Johannes Kepler)에 의해 폭발이 관측된 케플러초신성(Kepler's supernova)의 잔해]

 

태양 무게의 40배를 초과하는 별은 초신성보다 더 큰 중력이 작용하여 초신성에서와 같은 반동작용도 없이 내부로 그대로 붕괴하며, 원소들뿐만 아니라 빛까지도 빨려 들어가는 블랙홀이 됩니다. 
 
이상에서 살펴본 바와 같이 철은 지구상에서 저절로 생겨난 것도 아니고, 태양으로부터 생겨난 것도 아니며, 지나치게 크지도 작지도 않은 태양 무게의 10~40배 범위에 해당하는 큰 별에서 핵융합의 최종 결과물로 만들어졌고,  그 별 생의 마지막에 초신성으로 폭발하면서 우주 사방으로 흩뿌려진 것입니다.
 
138억년 전 우주를 탄생시킨 빅뱅 이후 38만년이 지나서 생성된 수소와 헬륨, 그리고 약간의 리튬을 제외하고, 철을 포함한 자연의 모든 원소들은 이렇게 초신성에 의해 우주에 흩뿌려집니다.
지구 그리고 지구 위 모든 물질과 생명체는 별의 폭발로 생겨날 수 있었던 것입니다.
 

[ 출처 : Youtube, How Does Iron Spark One of the Most Violent Cosmic Events? ]

 
 

지구의 철

 
대부분의 철은 지구 깊은 곳, 중심으로 가라 앉았습니다.
 

지구 중량(5.9722 ×10²⁴kg)에서 철이 차지하는 비율은 32.07%로서 가장 많은 비중을 차지합니다. 그러나 철의 대부분은 외핵과 내핵에 존재합니다.
 
지각은 지구 전체 중량의 약 0.3%를 차지하고, 이 지각에서는 원소별로 철은 5.63%를 차지하며, 산소(46.1%), 규소(28.2%), 알루미늄(8.23%) 다음으로 철은 네번째로 많이 존재하는 원소입니다. 그러나 외핵과 내핵을 포함한 지구 전체로 본다면 이 지각에 포함된 철은 지극히 극미량입니다. 쇠구슬의 개수로 비유하자면 2000개 중에 1개만 지각판에서 구할 수 있는 것입니다.
 
그리고 인간이 강재로 만들어 사용하기 위해 지표에서 채굴하는 철은 초신성으로부터 선물받은 그대로의 철이 아니며, 바다에 녹아있다가 어떤 이유로 해저에 침전되면서 광물화된 철광석입니다. 

 

 

지구 위 검은 바다

 
인간이 강재로 사용하기 위해 채굴하는 철은 초신성으로부터 선물받은 그대로의 철이 아닙니다.  
 
46억년 전부터 45억년 전 사이에 태양에서 약 1억5천만km(=1AU) 떨어진 궤도에 지구가 형성되고 테이아 행성과 충돌이 일어난 명왕누대(Hadean Eon) 초기에 지구 표면은 뜨거운 용암의 바다였으며, 이때 만약 암석 형태로 지구에 떨어진 철질운석이나 석철질운석이 있었다면 늪지 위에 던져진 바위처럼 무거운 비중 때문에 용암 표면 밑으로 가라앉아 아주 서서히 외핵으로 내려갔을 것입니다.
 
44억년 전부터 41억년 전 사이에 지구로 쏟아져 내린 유성들이 품고 온 물분자 얼움결정체가 뜨거운 지구 표면를 점차 식히기 시작하였습니다.
 
지구 표면을 식히고 기화된 수증기는 대기 중의 이산화탄소를 포획하여 지표면과 대기의 온도를 수억년에 걸쳐 조금씩 식힌 끝에 39억년 이전에 지구 표면은 섭씨 70~80도까지 식으면서 규산염 결정광물로 형성되기 시작하였고, 기화된 수증기는 액화되고 비가 되어 쏟아져 바다를 만들었습니다.
 

이때까지 지구 표면 밑으로 끌려 내려가지 않은 철원소는 물에 이온상태(Fe⁺)로 용해 되었습니다.

 

그러나 광합성을 하여 산소(O₂)를 뿜어내는 생명체가 출현할 때까지 바다는 철 이온이 그대로 녹아있었기 때문에 그때의 바다는 검은 바다였습니다.

 
 

생명체와 산소, 그리고 철광석의 탄생

 

광합성으로 산소를 분자단위(O₂)로 배출하는 생명체가 바다에 출현하면서 점차 검은 바다는 푸른 바다로 변해 갔습니다.

 
38억 5천년 전 최초의 생명체(LUCA)인 고원핵세포가 출현하고, 이후 수억년이 지나는 동안 수많은 종의 원핵세포 박테리아가 출현하며, 드디어 약 30억년 전에 남세균이라고도 불리는 시아노박테리아(cyanobacteria)가 출현합니다.

 

 

시아노박테리아는 물 분해형 광합성을 통해 포도당을 만들고 산소 분자를 방출하는 최초의 생명체입니다.
 

[ 출처 : Wikipedia ]

 

바닷물 속 철이온은 마치 기다리기라도 한듯이 시아노박테리아가 산소는 방출하면 그 즉시 결합하여 스스로를 산화시켜서 산화철(Fe₂O₃, Fe₃O₄)로 변신한 다음 해저 바닥에 가라 앉아 퇴적됩니다.

 
바닷물 속 철이온이 모두 산화철로 된 이후에는 더이상 수중에서 결합될 일이 없는 산소는 그때부터 바다에서 해방되어 대기로 진입하기 시작합니다.
 

30억년 전부터 25억년 또는 18억년 전까지 해저에 가라앉은 산화철이 퇴적된 지층을 호상철광층(_{Banded Iron Formation}, BIF)이라고 부릅니다.

 

[ 출처 : Youtube, The unlikely culprit in the formation of branded iron ]

 
호상철광층은 당시 바다였다가 지금 육지가 된 지구 곳곳에 분포하며, 지구 철 생산의 80% 이상이 이곳에서 나옵니다.
 
호상철광층에서 캐낸 철광석은 제선 (Pig Iron Making) , 제강(Steel Making) ,압연(Rolling) 공정 등을 거쳐서 우리 건설현장과 생활에 필요한 강재로 만들어 집니다.
 

[ 출처 : Youtube, 세상을 움직이는 철(Fe)은 어떻게 만들어질까? ]

 
제선은 고로에서 산화된 철광석과 탄소덩어리인 코크스 등을 함께 넣고 뜨거운 열풍을 불어 코크스의 탄소가 철광석 속의 산소를 끌어당겨 이산화탄소로 방출되게 만들어서 철광석을 탈산시켜 선철로 환원시키는 공정입니다. 
제강은 선철에 존재하는 탄소와 불순물을 제거해서 원하는 성질의 강(Steel)으로 만드는 공정입니다.
압연은 강괴를 회전하는 롤링기계 사이에 여러번 통과시켜 원하는 단면형상의 제품으로 만드는 성형의 한 공정입니다. 성형과정에는 압연뿐만 아니라, 강관이나 강선을 만드는 인발, 복잡한 형태를 만드는 주조나 단조도 있습니다. 
 
끝.