친환경 설계를 위한 재료 선택

환경적 책임을 고려한 설계 시 재료의 선택을 위해서는 우선 다음과 같은 질문을 해야 한다. 즉, 고려 중인 제품의 수명 중 어떤 단계가 환경에 가장 큰 영향을 줄 것인가? 이에 대한 대답은 아래에서 살펴보며 알아가 보자.

재활용 재료

재료 생산 단계

재료를 생산하는 단계가 수명의 다른 단계에 비해 더 많은 에너지를 소비하면, 이 단계가 일차 목표 대상이 된다. 음료 용기의 예를 들어보자. 음료용기는 원료를 추출하여 용기를 생산하는 동안에는 재료와 에너지를 소비하지만, 수송과 냉장을 제외하면 이후에는 소비가 없다. 이 경우에는 낮은 내재에너지를 갖는 재료를 선택하여 적게 사용하는 것이 가야 할 방향이다.

재료의 내재에너지가 환경 부하를 줄일 수 있는 가장 큰 고려 대상이다. 이런 이유로 건축가와 토목공학 엔지니어들은 그들이 지은 구조물의 열효율뿐만 아니라 내재에너지를 중요하게 고려한다.

 

제품 제조 단계

재료를 성형하는데 필요한 에너지는 대개 처음 그 재료를 만들어내는 데 소요되는 에너지보다 훨씬 적다. 명백히, 생산 공정에서 에너지를 절약하는 것은 중요하다. 그러나, 대개 생산과정 중에 발생하는 방출물 빛 유해 폐기물의 영향에 우선순위를 두게 되며, 그 효과는 국부적 환경에 크게 의존한다. 이 경우에는, 청정제조가 그 답이라 할 수 있다.

 

제품 사용 단계

에너지를 사용하는 제품에 있어 사용단계가 환경에 미치는 영향은 재료 자체의 내재 에너지와는 관계가 없다. 오히려, 이를 최소화하면 많은 경우에 에너지를 사용하는 데 있어 악영향을 줄 수 있다. 에너지 소비는 기계적, 열적 및 전기적 효율에 의존하며, 이 효율을 최대화시킴으로써 에너지 소비를 최소화시킬 수 있다.

 

수송시스템에서 MJ/km의 단위로 평가되는 연료 효율은 수송기기 자체의 중량과 밀접하게 관련되어 있다. 이 경우 목표는 무게를 감소시키는 것이 된다. 예를 들어 4000여 종의 유럽 자동차 모델 중 일부에 대한 연비소비량을 짐이 적재되지 않은 상태의 무게에 따라 엔진 형태별로 나눠보았을 때 연료 소비량과 차량의 무게가 서로 밀접하게 관련되어 있다는 것을 명백히 알 수 있다. 이 경우의 해결책은 앞의 장들에서 심도 잇게 논의한 바와 같이 최소무게설계이다. 이것은 성능위주의 설계만큼이나 환경친화적 설계에 크게 영향을 준다.

 

냉장 또는 가열시스템에서의 에너지 효율은 시스템으로 들어가거나 빠져나오는 열량을 최소화시킴으로써 높일 수 있다. 이 경우 목표는 열전도도 또는 열적 관성(inertia)을 최소화시키는 것이 될 것이다. 발전, 송전 또는 변전 시의 에너지 효율은 도체에서의 저항손실을 최소화시킬 때 최대가 된다. 이 경우 목표는 강도, 비용 등의 요구되는 제약조건을 만족하면서 전기저항을 최소화시키는 것이다. 이러한 목표들을 달성하기 위해 어떤 재료를 선택해야 할 지에 대해서도 자세히 알아보자.

 

제품 폐기 단계

제품 수명의 최종 단계의 환경적 중요성은 여러 가지 형태가 있다. 이상적인 것을 다음에 제시하였다.

• 매장 시 지속적으로 토양 및 지하수의 오염을 유발하는 중금속 및 유기금속화합물과 같은 독성이 있는 재료를 피한다.
• 재활용할 경우 재료와 에너지를 절약할 수 있으므로, 재활용이 불가능한 재료를 사용하는 방법을 검토한다. 그러나 이들이 수명의 다른 단계에 주는 영향을 고려해야 한다.
• 앞에서 언급한 이유로 재활용이 어려운 경우라 하더라도, 재활용이 가능한 재료의 경우 이를 최대화한다.
• 재활용이 불가능할 때, 제어 연소에 의해 에너지를 회수하는 방법을 찾는다.
• 생분해성 또는 광분해성 재료는 매장 시 산소가 결핍되어 분해가 억제되긴 하지만, 이들 재료를 사용하는 것을 고려한다.

이것을 실행하려면 독성에 대한 정보와 함께 재활용, 제어 연소 및 생분해 가능성이 있어야 한다. CES 소프트웨어를 이용하면 이들 각각에 대해 간단히 검토할 수 있다.

 

사례 연구 : 출동 방벽

도로를 주행하는 차량의 운전자와 승객을 보호하기 위한 방벽에는 정지 상태인 것(예 : 고속도로의 중간분리대)과 움직이는 것 (예: 자동차의 펜더 그 자체)의 두 가지 형태가 있다. 정지 상태의 것은 수만 마일의 도로상에 줄지어 있다. 이것들은 일단 설치되면, 에너지를 소모하지도 않고, 이산화탄소를 방출시키지도 않으며, 오랫동안 지속이 된다. 이들의 수명 중 지배적 단계는 재료를 생산하고 제조하는 단계이다. 이와 대조적으로 펜더(fender)는 차량의 일부로서 무게를 증가시키고 따라서 연료 소비량을 증가시킨다. 이 경우 지배적 단 게는 사용 단계이다. 이는, 만일 친환경 설게 가 목표라면, 두 종류의 방벽에 대해 재료를 선택하는 기준이 다르게 된다는 것을 의미한다.

 

방벽의 기능은 충격 지점으로부터 오는 하중을 지지 구조물까지 전달하는 것이며, 지지 구조물에서는 차량의 하부구조나 파손부위로부터의 반작용에 의해 하중을 지탱하거나 흡수한다. 이를 위해 방벽용 재료는 적절한 강도와 성형성이 있어야 학도, 값싸게 접합할 수 있어야 하며, 수명의 최종 폐기 단계를 고려하여 재활용을 할 수 있어야 한다. 차량의 펜더를 위한 재료는 에너지 감소를 위해 최소의 무게를 가지면서 이러한 제약 조건을 만족해야 한다. 

 

DFRP는 이러한 기준에 의하면 뛰어난 소재이나, 이들은 재활용되지 못한다. 마그네슘, 티타늄 및 알루미늄 합금들은 무겁긴 하지만 재활용이 가능하다. 세라믹은 취성과 함께 성형 및 접합상의 난점 때문에 배제시킨다.

 

요약 및 결론

환경적 목표들은 만족시키기 위해 재료를 합리적으로 선택하는 것이다.

생산, 제조, 사용 또는 폐기와 같은 제품 수명의 단계 중 환경적 영향이 가장 큰 단계를 확인함으로써 시작한다. 이들 모두를 취급하려면, 에너지, 이산화탄소 및 기타 방출량, 독성, 재활용성 등과 같은 환경적 속성에 대한 데이터뿐만 아니라 기계적, 열적, 전기적 및 화학적 특성에 대한 데이터도 필요로 한다. 따라서 재료 생산 단계가 염려되는 단계라면, 선택은 내재에너지나 이산화탄소와 같은 환경 유해가스 배출량을 최소화시키는 데 기초하여 이루어진다. 그러나 만일 재료 사용단계가 염려되는 단계라면, 선택은 탄성률, 강도, 비용 등의 여타 제약 조건을 만족하면서 낮은 무게 또는 단열재료 또는 도전재료로서의 우수성에 기초하여 이루어진다.