미나미토리시마 인근 심해 희토류, 이론에서 시험 단계로
일본이 도쿄에서 남동쪽으로 약 1,900~2,000km 떨어진 외딴 환초 미나미토리시마 인근 심해저에서 희토류가 풍부한 진흙을 끌어올리는 세계 최초의 시도를 준비하고 있다. 정부 관계자들은 수심 5,000~6,000m를 목표로 2026년 1월 시험 채굴을 시작할 계획이라고 밝혔다. 목표는 단기적인 수익이 아니다. 전기차, 풍력 터빈, 스마트폰, 의료 장비, 첨단 무기의 기반이 되는 금속을 안정적으로 국내에 공급하는 것이 목적이다. 이번 시험은 중국이 몇몇 핵심 희토류 원소에 대한 수출 통제를 강화해 전 세계 자동차 제조사와 전자제품 제조사에 파장을 일으킨 뒤 진행된다.
목차
일본이 목표로 삼은 자원은 이례적이다. 일본 배타적경제수역(EEZ) 내 조사에서 희소하고 값비싼 중·중희토류를 포함해 희토류 원소 농도가 높은 진흙층이 확인됐다. 연구진은 미나미토리시마 주변 매장량이 약 1,600만 톤에 이르며, 일부 원소는 일반적인 육상 매장지보다 품위가 높다고 밝혔다. 일본 과학자들의 2018년 분석은 이 매장지가 원소에 따라 약 420~780년 동안 특정 희토류를 공급할 수 있다고 평가했다. 핵심 광물을 둘러싼 국제 경쟁이 격화되는 가운데 이런 잠재력은 미나미토리시마를 전략적 자산으로 부각시켰다.
잠재력을 실제 공급으로 전환하는 것이 어려운 과제다. 수심 6,000m에서 대규모 채굴이 이뤄진 적은 없다. 이번 시험에서는 일본 해양연구개발기구가 운용하는 심해 연구선에서 파이프를 내려 진흙을 해수면까지 끌어올린 뒤 본토로 운반해 디스프로슘, 터븀, 네오디뮴, 가돌리늄 등의 원소를 분석하고 분리한다. 시험에 성공하면 일본은 2027년 1월 하루 약 350톤의 진흙을 회수할 수 있는 실증 시스템을 가동할 계획이다. 관계자들은 감수해야 할 점도 분명히 하고 있다. 항해마다 비용이 많이 들고, 공학적 여유는 크지 않으며, 금속이 공장에 도달하기 전에 새로운 정제 설비를 마련해야 한다. 첫 상업 공급은 2028년을 목표로 하지만, 성공 여부는 기술과 가격, 정책 지원에 달려 있다.
이 금속들이 현대 생활에 중요한 이유
희토류는 현대 전자제품과 청정에너지 설비를 더 작고 강력하며 효율적으로 만드는 17개 금속 원소군이다. 잘 알려진 원소로는 네오디뮴, 프라세오디뮴, 사마륨이 있으며, 전기차 모터와 풍력 터빈 발전기에 들어가는 강력한 영구자석 제조에 필수적이다. 디스프로슘과 터븀 같은 중희토류는 고온에서도 자석의 성능을 유지하도록 돕기 때문에 구동계와 항공우주 부품에 중요하다. 이트륨, 유로퓸, 가돌리늄을 비롯한 다른 원소는 디스플레이, 레이저, 의료 영상 장비, 특수 합금에 사용된다.
중국은 희토류 채굴과 가공을 모두 장악하고 있으며, 특히 제조업체가 실제로 사용하는 산화물, 금속, 자석 합금으로 정제하는 분야에서 우위를 점하고 있다. 이런 집중은 공급망의 병목을 만든다. 중국 정부는 올해 기존 규제에 이어 일부 중·중희토류에 대한 수출 통제를 확대했다. 이 조치는 공급 계획을 흔들고 가격 변동성을 키우며 제조업체의 지정학적 위험을 높인다. 미국은 새로운 관세 부과를 위협했고, 동맹국 정부들은 공급처 다변화를 위한 공조를 촉구했다.
일본은 과거에도 비슷한 일을 겪었다. 2010년 외교 갈등으로 일본에 대한 중국의 희토류 수출이 급감했다. 당시 일본은 필요한 희토류의 약 90%를 중국에 의존했다. 이후 호주, 인도, 카자흐스탄과 새로운 계약을 맺고 말레이시아와 베트남의 정제 시설에 투자하는 등 공급 다변화에 나서면서 중국 의존도는 60%를 조금 밑도는 수준으로 낮아졌다. 그러나 취약성은 여전하다. 올해 초 수출 통제로 닛산과 스즈키가 일부 조립 작업을 잠시 중단한 사례에서 보듯, 짧은 공급 차질도 생산 라인 전반에 파급될 수 있다.
미나미토리시마 자원의 차별점
미나미토리시마 자원은 일반적인 육상 광상이나 단단한 암석 광물이 아니다. 진흙이다. 시추 코어와 조사 자료를 보면 중·중희토류 농도가 높은 이례적인 조성을 보인다. 이는 중희토류가 더 희소하고 가격도 높기 때문에 중요하다. 이 진흙에는 많은 육상 희토류 광석보다 방사성 부산물이 적어 일부 처리 위험과 폐기물 취급 부담도 줄어든다.
지리적 위치는 강점이자 약점이다. 매장지는 일본의 배타적경제수역 안에 있어 도쿄가 탐사와 생산을 통제할 수 있다. 그러나 환초에서 약 100~150km 떨어져 있고 수심은 5,000~6,000m에 이르는 외딴 곳에 있다. 이 때문에 물류와 비상 대응이 어려워지고, 극심한 수심은 현재 해양 공학 기술의 한계를 시험한다. 태평양 다른 지역의 해저에 놓인 망간 단괴와 달리 이곳의 목표 자원은 입자가 고운 진흙으로, 슬러리 형태로 펌프에 넣어 올려야 한다. 향후 경제성 있는 규모로 운영하려면 엔지니어들이 하루 수천 톤의 진흙을 채취해야 한다.
분석 결과 미나미토리시마 진흙에는 네오디뮴과 가돌리늄 외에도 디스프로슘과 터븀이 많이 포함된 것으로 나타났다. 이런 중희토류 구성은 중국 밖의 여러 육상 매장지와 차별화된다. 해당 매장지들은 대체로 경희토류 비중이 더 높다. 일본의 해저 자원은 희토류 진흙에만 국한되지 않는다. 일본 연구진이 주도한 별도 조사에서는 더 넓은 태평양 지역의 수심 약 5,500m에서 코발트와 니켈이 상당량 포함된 망간 단괴 2억 톤 이상이 확인됐다. 추정 매장량은 코발트 약 61만 톤으로, 현재 소비량 기준 일본이 약 75년간 사용할 수 있는 양이며, 니켈은 약 74만 톤으로 국내 수요 약 11년분에 해당한다. 이 수치는 해저 자원의 폭넓은 전략적 가치를 보여주는 동시에 공학적 과제의 규모도 부각한다.
일본의 수심 6,000m 채굴 계획
정부 사업은 혁신적 해양 개발을 위한 국가 플랫폼이 일본 해양연구개발기구와 협력해 관리한다. 연구선에서 파이프를 내려 해저 진흙을 해수면까지 끌어올릴 예정이다. 초심해 시추선 지큐를 포함한 연구선은 무거운 하중과 긴 파이프 연결부를 다룰 수 있다. 초기 시험은 개념 입증에 초점을 맞춘다. 한 차례 작업에서 실험실 분석용 진흙 약 35톤을 회수할 것으로 예상되며, 여기에는 수십 kg 정도의 희토류 원소가 들어 있을 수 있다. 성공하면 2027년 하루 350톤을 처리하도록 설계된 실증 시스템으로 나아갈 수 있으며, 이는 분리와 정제를 대규모로 시험하기에 적합한 양이다.
파이프, 펌핑과 슬러리
해저 진흙은 점토와 비슷한 농도를 띤다. 수심 5,000~6,000m를 지나 위로 끌어올리려면 바닷물과 섞어 안정적인 슬러리를 만들어야 한다. 이 슬러리는 심해 석유 개발에서 일반적으로 사용하는 파이프 연결부보다 긴 파이프를 통해 흘러야 한다. 유전용 라이저 파이프 가운데 상당수는 길이가 약 3,500m에 이른다. 파이프가 길어지면 무게가 늘고 진동 위험도 커진다. 엔지니어들은 피로를 유발할 수 있는 공진 운동을 피하기 위해 파이프의 동역학을 모델링했다. 유지보수는 위험하고 오래 걸리기 때문에 해저 장비는 견고하면서도 단순해야 한다. 일본 연구팀은 펌프 운송성을 높이면서 에너지 사용을 최소화하기 위해 진흙을 약 4mm 이하 입자로 분쇄하는 장비를 개발했다. 시스템 설계에는 진흙 아래의 약한 퇴적층도 고려됐으며, 하중을 받아도 가라앉거나 무너지지 않도록 기초 구조를 조정했다.
선박에서 육지까지
선박에 실린 슬러리는 탈수한 뒤 본토로 운반해 희토류 원소를 산화물과 금속으로 분리할 예정이다. 관계자들은 운송량을 줄이기 위해 이후 단계에서 미나미토리시마에 소규모 전처리 설비를 설치하는 방안을 논의했다. 심해 진흙은 많은 육상 광석보다 방사성 토륨과 우라늄 함량이 비교적 낮아 폐기물 처리를 간소화할 수 있다. 그렇더라도 중류 단계의 공정은 여전히 복잡하다. 희토류 분리에는 용매 추출을 여러 차례 반복하고, 산도를 세심하게 제어하며, 엄격한 품질 보증을 거쳐야 고성능 자석과 전자 부품에 필요한 순도를 확보할 수 있어 새로운 정제 설비가 필수적이다.
환경 위험과 과학계의 논쟁
심해 채굴은 논란이 많은 분야다. 과학자들은 심해저 생태계에 대한 이해가 부족하고 회복도 느리다고 경고한다. 채집기와 펌프가 일으키는 퇴적물 플룸은 여과 섭식 생물을 뒤덮고 수질 화학을 변화시킬 수 있다. 중장비 소음은 해양 포유류와 어류에 영향을 줄 수 있다. 미세 입자가 수층에서 얼마나 멀리 퍼지는지, 미량 금속이 먹이망에 유입될 수 있는지도 우려 대상이다. 상업적 운영을 검토하는 규모로 수행된 통제 연구가 거의 없어 이런 위험을 정량화하기 어렵다.
일본의 사업은 단계적으로 진행돼 환경 자료를 수집하고 채굴 방식을 조정할 시간을 확보할 수 있다. 미나미토리시마 시험 채굴에서는 현지 해류에 따른 플룸의 거동을 파악하고 퇴적물이 다시 쌓이는 양상을 측정할 예정이다. 엔지니어들은 입자 확산을 제한하기 위해 펌프 속도와 채집기 헤드, 배출 지점을 조정할 수 있다. 규제 당국은 향후 허가를 심사하면서 채굴 범위와 계절별 작업 일정, 생물다양성 모니터링을 검토할 예정이다. 신중해야 한다는 과학적 근거는 충분하며, 허용 가능한 위험 수준을 둘러싼 논쟁은 공학적 도전과 나란히 이어질 전망이다.
국제 규정도 마련되고 있다. 국제해저기구는 공해상 활동을 위한 채굴 규범을 확정할 계획이다. 미나미토리시마는 일본 영해에 있어 국내법이 적용된다. 그렇더라도 글로벌 기준과 대출기관의 기대가 자금 조달과 장기 구매 계약에 영향을 준다. 주요 은행 몇 곳은 환경 영향이 더 명확히 파악될 때까지 심해 채굴 사업에 대한 금융 지원 정책을 이미 강화했다.
경제성, 비용과 부담 주체
이 사업은 경제 정책이자 국가 안보 정책으로 추진되는 정부 주도 사업이다. 초기 비용이 시장 가격을 웃돌더라도 핵심 광물의 국내 공급 선택지를 마련하는 것이 목표다. 해양 작업을 위한 항해 한 차례에 1억5,000만 엔 이상이 들 것으로 예상된다. 전용 수심 6,000m 파이프 시스템과 관련 장비에는 수백억 엔 규모의 비용이 들며, 조달 비용이 약 120억 엔으로 알려진 사례도 있다. 개념 입증에서 실증 플랜트로, 다시 안정적인 상업 운영으로 규모를 키우려면 새 선박과 해저 장비, 육상 플랜트가 필요하다. 자본 지출은 크고 경험을 쌓는 과정도 만만치 않다.
상업적 타당성은 가격과 정책에 달려 있다. 자석 수요가 예상보다 빠르게 늘거나 수출 통제가 다시 강화되면 가격 상승으로 해양 채굴 비용을 감당할 수 있다. 가격이 하락하면 손익분기점 도달은 더 늦어진다. 정제도 또 다른 과제다. 특히 중·중희토류의 분리 역량은 중국이 세계 대부분을 차지하고 있다. 일본이나 협력국에서 완전한 정제 공급망을 구축하려면 시간이 걸리며, 투자를 뒷받침할 장기 자석 제조업체 계약도 필요하다. 자금 조달 역시 부담 요인이다. 일부 국제 대출기관은 포괄적인 환경 평가가 나올 때까지 심해 사업에 대한 자금 지원을 제한하고 있다.
관계자들은 인내가 필요하다고 강조한다. 초기 생산량은 많지 않겠지만 실증 사업의 신뢰성이 입증되면 늘어날 수 있다. 처음에는 단위 비용이 수입품보다 높더라도 채취에서 산화물, 금속, 자석 합금에 이르는 전 과정의 기술과 노하우를 확보하는 것이 목표다. 그 성과는 공급 충격에 대비하는 보험이자 기술 발전에 따라 확대할 기반이 될 것이다.
중국, 공급망과 새로운 광물 정치
희토류 경쟁은 정치와 떼어놓을 수 없다. 중국은 4월 디스프로슘과 터븀 등 고온용 자석에 필수적인 일부 중·중희토류에 대한 수출 통제를 강화했다. 10월 9일에는 통제 범위를 확대하고 목록에 원소를 추가했다. 미국 정부 관계자들은 이 조치가 산업 공급망에 대한 직접적인 위협이라고 밝혔다. 미국은 중국산 수입품에 최대 100%의 추가 관세를 부과할 수 있다고 시사했고, 동맹국 정부들은 과거와 같은 공급 차질이 되풀이되지 않도록 공조를 촉구했다.
일본은 더 폭넓은 협력 관계 구축에 나섰다. 미국, 인도, 호주와의 공조가 빨라졌고, 도쿄는 유럽연합과도 공급망 협력을 논의했다. 논의 분야는 탐사, 데이터 공유, 정제, 비축이다. 이는 주요 선진국들이 지역별로 위험을 분산하고 핵심 광물 공급망의 단일 장애 지점을 줄이려는 광범위한 움직임과 궤를 같이한다.
주변 국가들도 해저 자원 탐사에 나서고 있다. 예를 들어 쿡제도는 니켈, 코발트, 망간이 풍부한 단괴를 탐사할 수 있도록 자국 수역 일부를 개방했다. 국제해저기구가 공해상 규정을 마련 중인 가운데 일본처럼 배타적경제수역 안에서 진행되는 국가 사업은 국내 규정에 따라 추진할 수 있다. 구매자들이 심해 자원을 받아들일지는 환경 기준과 추적 가능성, 모니터링에 대한 대중의 신뢰에 달려 있다.
일본은 완전한 가치사슬을 구축할 수 있을까
공급처 다변화는 한 단계일 뿐이다. 실질적인 회복력을 확보하려면 일본은 중류와 하류의 역량을 더 키워야 한다. 중·중희토류 분리 공장과 금속 생산, 자석 합금 제조 시설이 필요하다는 뜻이다. 일본은 중국 이외 지역의 정제 역량을 확대하기 위해 말레이시아와 베트남에 대한 투자를 지원했지만, 중희토류는 여전히 공급망에서 가장 부족한 부분이다. 미나미토리시마 진흙은 화학적 분리를 효율적으로 수행하고 비슷한 수준의 순도를 확보할 수 있다면 유망한 자원이다.
수요를 줄이는 것도 또 하나의 방안이다. 연구진과 제조업체들은 희토류 사용량을 줄이거나 아예 쓰지 않는 자석을 개발하고 있다. 초기 설계에서는 디스프로슘 함량 일부를 대체하거나 수급이 덜 빠듯한 원소로 조성을 바꿀 수 있지만, 크기나 성능 면에서 상충관계가 생길 수 있다. 재활용도 진전되고 있다. 닛산과 와세다대는 수명이 다한 모터와 자석 폐기물에서 희토류를 회수하는 공정을 개발하고 있다. 일본은 전략 비축량을 늘리고 사용한 제품에서 가치 있는 부품을 수거해 재처리하는 체계를 구축했다. 이런 조치는 시간을 벌어주지만, 가공 분야에서 중국이 앞서 있는 데 따른 격차를 없애지는 못한다.
야금 기술만큼 물류도 중요하다. 미나미토리시마는 산업 중심지에서 멀리 떨어져 있어 선박 운항 일정과 현장 전처리, 컨테이너화가 조금만 개선돼도 비용을 줄일 수 있다. 관계자들은 본토로 운반하는 물량을 줄이기 위해 이후 단계에서 환초 인근에 간이 정제 시설을 두는 방안을 논의했다. 2027년 실증 시스템이 목표를 달성하면 민간 기업에 대한 공급은 2028년쯤 시작될 수 있다. 자석 제조업체에 일정한 품질을 갖춘 인증 소재를 공급하는 것이 마지막 시험대다. 이를 통과하면 일본은 현대 경제에서 전략적으로 가장 중요한 금속 일부를 공급할 실질적인 대체 공급원을 확보하게 된다.
핵심 내용
- 일본은 세계 최초로 2026년 1월 미나미토리시마 앞바다 수심 5,000~6,000m에서 희토류가 풍부한 진흙의 시험 채굴을 시작할 예정이다.
- 조사에 따르면 이 매장지에는 약 1,600만 톤의 희토류가 있으며, 디스프로슘과 터븀 같은 중·중희토류 비중이 높은 것으로 보인다.
- 목표는 국가 안보를 위한 국내 공급망 구축이다. 2027년 1월 하루 350톤의 진흙을 처리하는 실증 시스템을 목표로 하며, 2028년부터 민간 공급이 가능할 수 있다.
- 공학적 과제로는 6,000m 파이프, 안정적인 슬러리 운송, 해저 장비, 새로운 육상 정제 시설 구축 등이 있다.
- 환경 위험은 퇴적물 플룸과 심해 생태계에 집중되며, 단계적 시험을 통해 자료를 수집하고 채굴 방식을 조정할 계획이다.
- 비용은 높다. 항해 한 차례에 1억5,000만 엔 이상이 들고 전용 장비 비용은 수백억 엔에 이른다.
- 4월과 10월 9일 중국의 희토류 수출 통제는 공급망의 취약성을 드러냈다. 일본의 대중 의존도는 2010년 약 90%에서 현재 60%를 조금 밑도는 수준으로 낮아졌다.
- 일본은 미국, 인도, 호주, 유럽연합과의 협력을 확대하고 있으며, 국제해저기구는 공해상 규정을 마련하고 있다.
- 재활용과 대체 소재 연구, 전략 비축도 일본 계획의 일부지만 중국 밖의 중희토류 정제 역량은 여전히 제한적이다.
- 시험이 성공하면 미나미토리시마는 핵심 광물의 장기 공급원이자 향후 공급 충격에 대비하는 완충 장치가 될 수 있다.
