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해양공학
해양공학(海洋工學, ocean engineering)은 주로 해양 개발 기술을 공학적으로 고찰하는 학문이다. 오셔닉스(oceanics)라고도 한다.
해양공학은 보트, 선박, 잠수함 및 기타 해양 선박의 공학 분야이다. 여기에는 다른 해양 시스템 및 구조물의 엔지니어링도 포함된다.
해양공학은 기계공학, 전기공학, 전자공학, 컴퓨터과학을 포함한 다양한 공학 과학을 선박 추진 장치 및 해양 시스템의 개발, 설계, 운영 및 유지 관리에 적용한다. 여기에는 모든 종류의 해양 차량은 물론 해안 및 해양 구조물을 위한 전력 및 추진 플랜트, 기계, 배관, 자동화 및 제어 시스템이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.
목차
개념 및 정의
인류는 태초 해양(海洋)에서부터 그 생명이 시작되었으며, 그곳으로부터 많은 혜택을 받아왔다. 또한, 해양은 인류의 생존에 없어서는 안 될 식량, 자원, 에너지 등의 문제를 해결하기 위해 인류에게 남겨진 최후의 보루(堡壘)이며, 미래의 해양은 육지를 대신하여 인류 생활의 중심지가 될 것이다. 그동안 무차별하게 개발하고 사용해 온 육지의 자원이 고갈됨에 따라 해양으로 눈길을 돌릴 수밖에 없는 실정이다. 그러나 현재의 해양은 폐기물(廢棄物)의 과다한 유입으로 그 오염(汚染)이 심각해서 대기오염과 함께 지구환경(地球環境)의 주요 현안(懸案)이 되고 있다. 따라서 해양이 계속 꿈을 주는 존재로 우리 후손에게 남겨지기 위해서 해양의 효율적인 개발 방안, 오염 방지 방안 등에 심혈(心血)을 기울여야 하며 특히, 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 해양에 대한 연구 및 개발이 절실한 상황이다.
해양공학이란 해양개발 및 보호에 필요한 모든 학문 즉, 해양물리학(海洋物理學, marine physics), 해양생물학(海洋生物學, marine biology), 해양지구물리학(海洋地球物理學, marine geophysics), 해양수산학(marine fishery science), 해양토목공학(marine civil engineering) 등의 학문을 종합적으로 다루는 학문이다. 따라서 해양공학은 해양의 이용이나 개발에 대한 분야뿐만 아니라 지구의 환경문제와 연관하여 해양환경과 해양의 보전 방향에도 연관된 학문이다. 따라서 해양공학은 해양개발(海洋開發)을 위해서 해저지형(海底地形) 및 지질(地質)의 특성, 해양에너지, 해양광물(海底鑛物), 해양공간(海底空間) 등의 학문을 연구하고 해양보존(海洋保存)을 위해서 오염의 종류와 원인 등에 대해서도 연구한다.
해양개발은 그 범위가 광범위하여 단적으로 정의할 수 없지만, 해양조사, 해양자원개발, 해양에너지개발, 해양석유개발, 해양공간이용 등으로 분류할 수 있으나, 해양개발이 본격화되고 해양공학적으로 연구하게 된 것은 불과 60년 미만이다. 따라서 해양공학은 곧 해양개발의 종류별 방법에 관한 학문이며 아직 미지의 학문이므로 미래를 선도할 새로운 미래공학(未來工學, future engineering)이라 말할 수 있다.
역사와 발전단계
인류는 태고부터 식량을 얻기 위해 해양과 깊은 관계를 맺었으며 그 자취가 해안선(海岸線) 가까이 있는 유적(遺跡)에 남아있다. BC 3000년경 메소포타미아인들은 에게해(Aegean sea)나 지중해(地中海, Mediterranean sea)에서 해양과 육지의 분포에 대한 기록을 남겼으며, BC 2600년경 페니키아(Phoenicia)인들은 태양과 별을 기준 삼아 지중해와 홍해(紅海, Red sea)를 항해(航海)한 기술을 기록으로 남겼다. BC 520년경 헤카타이오스(Hekataios, BC 550~475?)는 지중해의 지도를 상당히 정밀하게 그렸으며, AD 150년경 이집트인 클라우디오스 프톨레마이오스(Klaudios Ptolemaios, 85~165?)는 대서양과 인도양 연안의 해도(海圖)를 만들었는데 비교적 정밀했다고 한다.
15세기 중엽 포르투갈인 엔히크(Henrique, 1394~1460)는 아프리카 서해안의 항로를 개척했으며, 1492년 크리스토퍼 콜럼버스(Christopher Columbus, 1451~1506)는 대서양 횡단에 성공하였다. 1498년 바스쿠 다 가마(Vasco da Gama, 1469~1524)는 아프리카 남단 희망봉(Cape of Good Hope)을 돌아서 인도양을 횡단하는 항로를 개발하였고, 1522년 페르낭 드 마갈량이스(Fernão de Magalhães, 1480~1521)가 세계 일주를 성공함으로써 지구가 둥글다는 사실을 확인하였다.
1855년 미국의 매슈 폰테인 모리(Matthew Fontaine Maury, 1806~1873)는 북대서양의 해도(海圖)를 발행했으며, 1876년 영국의 에든버러 대학의 톰슨 교수는 챌린저호를 타고 대서양, 태평양, 남극을 3년 동안 심해 탐험(深海探險)을 목적으로 하는 해양조사를 했는데 해류, 해양생물의 종류 및 분포, 해저퇴적물(堆積物)의 종류 및 구조, 지자기(地磁氣, terrestrial magnetism)의 변화 등을 조사하여 근대 해양공학의 기초를 제시하였다. 1927년 독일 미티어(meteor)호는 대서양을 정밀조사하여 근대 해양공학의 기초를 세웠고, 1950년 미국은 멕시코 만류에 대한 해양의 정밀조사를 실시하였다.
1960년대부터 각국은 해양자원의 개발 및 이용에 박차를 가하기 시작했으며, 1964년 미국은 하와이와 멕시코 사이의 심해굴착계획(深海掘鑿計劃)을 수행하였고, 최근의 해양연구는 지구의 환경에 중점을 두어 국제공동기구인 세계 해양순환연구계획(WOCE: World Ocean Circulation Experiment)을 중심으로 활발한 연구를 진행하고 있다. 최근 우리나라도 해양개발에 대한 연구가 진행 중에 있으며, 정밀해양탐사기기와 탐사로봇 등이 개발되어 실용화 단계에 이르렀다.
해양공학의 분야
해양을 효과적으로 개발하기 위한 해양공학의 분야는 해양생물(海洋生物)을 이용하는 분야, 파도나 조류(潮流)를 이용하는 에너지 분야, 해저석유, 해저가스, 해저심층수(深層水) 등을 이용하는 해저광물자원 분야, 해양교통 및 수송(輸送), 항만(港灣) 및 방파제 등을 위한 매립(埋立), 각종 저장시설(貯藏施設) 등을 이용하는 해양공간 분야로 구분할 수 있다.
해양생물 자원 분야는 인공어초(人工魚礎), 인공해저, 인공해저제방 등을 설치하여 기르는 어업으로의 전환을 위한 것이며, 해양에너지 분야는 파도, 조류, 해면의 온도차 등을 이용한 발전을 하기 위한 것이며, 해양광물자원 분야는 해저석유, 해저가스, 망간 및 코발트 등의 해양광물자원(鑛物資源)을 이용하기 위한 것이고, 해양공간 분야는 항만, 연륙교(連陸橋), 해저터널, 해저케이블, 해저파이프라인 등의 교통 및 운송을 이용한 분야와 인공섬, 호안(護岸) 등의 공업시설을 위한 매립 분야 등을 포함한다. 해양공학은 이러한 개발을 위한 분야뿐만 아니라 해양의 오염과 환경보전 분야에 대해서도 학문적으로 다루는 것이라 할 수 있다.
해양개발의 방법
해양조사
해양개발을 하기 위해서 정확한 해양조사가 필요한데, 국제조약에 따라 구분된 내수(內水, inland waters), 영해(領海, territorial sea), 배타적 경제수역(EEZ: Exclusive Economic Zone), 대륙붕(大陸棚, continental shelf), 공해(公海, high seas) 및 심해 지역(深海地域)에 대하여 조사를 하되, 조사 목적이나 장소에 따라 항공사진, 인공위성, 중력탐사, 해양조사선, 원격탐사 등의 방법을 사용한다.
해양조사는 해면(海面) 및 해중(海中), 해저(海底), 해저지각(海底地殼)으로 나누어 조사하며, 해면 및 해중에 대해서는 풍향, 풍속, 유향(流向), 유속(流速), 해면고도(海面高度), 수심(水深), 수온(水溫), 수질(水質), 해중 음속(海中音速) 등에 대하여 조사하고, 해저에 대해서는 지형(地形)을 조사하며, 해저지각에 대해서는 지각구조(地殼構造), 중력(重力), 자력(磁力), 지질(地質) 등을 조사함과 동시에 해중의 생물자원(生物資源)에 대하여도 조사한다.
해양조사선은 해양측량선, 해양연구선, 해양탐사선, 어업 관측선, 기상관측선으로 대별할 수 있다. 해양측량선은 대륙붕을 중심으로 한 해저지형을 탐사하는 것이 주요 목적이며, 해양연구선은 해양의 기초 조사가 목적이다. 또 해양탐사선은 중력계(重力械), 표층(表層) 탐사기, 음파(音波) 탐지기 등을 탑재(搭載)하였으며 해저석유, 천연가스, 해저광물자원의 탐사(探査) 및 개발이 주목적이다.
해양광물자원의 개발
해저에는 석유나 천연가스 외에 망간(mangan), 코발트(cobalt) 등 다양한 광물(鑛物)이 존재하며, 그 부존(賦存) 위치에 따라 해안 표사광상(漂砂鑛床, placer deposit), 대륙붕광상, 연근해광상(沿近海鑛床), 심해저광상(深海底鑛床)으로 분류한다. 해안 표사광상에는 사금(砂金), 사석(沙石) 등 비중이 큰 물질이 매장되어 있고, 대륙붕 광상 및 연근해 광상에는 석유, 석탄, 천연가스 등이 존재하며 심해저광상에는 망간단괴(團塊, manganese nodule), 해저열수광상(熱水鑛床, hydrothermal deposit), 코발트 크러스트(cobalt crust), 해저석탄(海底石炭) 등이 매장되어 있는 것으로 보고되고 있다.
망간단괴는 직경 0.5㎝~2.5㎝ 정도의 광물이며 망간과 철의 산화물(酸化物)을 주성분으로 하고 동, 니켈, 코발트 등의 광물을 함유하고 있다. 따라서 망간단괴로부터 이 광물질을 추출하는 기술개발에 대한 연구가 활발하다.
코발트 크러스트(cobalt crust)는 망간단괴와 유사한 성분이지만 망간단괴에 비해 코발트가 많이 함유되어 있으며 망간단괴보다 얕은 곳에 부존 되어있어 채광이 좀 더 수월하다. 또한, 해저열수광상(海底熱水鑛床)은 해저 2000m에 존재하는 열 염수층(염수층)으로 철, 동, 납, 아연, 은 등을 함유하고 있다.
해양석유개발
육상의 석유 매장량이 한계를 보임에 따라 해저의 석유가 미래의 에너지 공급원으로 인식되기 시작하여 1950년대에 그 개발이 시작되었으며, 처음에는 수심 200m 이내의 대륙붕이 그 대상이었으나 해양탐사기술 및 채광기술(採鑛技術)의 발달로 점점 심해로 그 영역을 확장하여 현재는 1500m 내외의 해역까지 확장하고 있는 추세이다. 그러나 해양에서 석유를 개발하는 것은 육상과 달리 극복해야 할 조건이 있는데, 높은 파도나 바람에 대하여 대비해야 하고, 해수의 압력에 대하여 대처해야 하며, 개발 중 유출로 인한 해양오염 방지 대책 및 분출가스에 의한 폭발 등의 돌발 사고에 대한 대책이 반드시 필요하다.
해양석유 시추(試錐)의 깊이가 대륙붕에서 심해저(深海底)로 깊어짐에 따라 시추선(試錐船)도 고정식(固定式)에서 이동식(移動式)으로 변했는데 통상 이 구조물(構造物)을 리그(rig)라고 칭한다. 잠수형(潛水形) 시추선은 중력형(重力形) 시추선이라고도 하는데, 고정식이며 잠항(潛港)을 설치하여 중력(重力)으로 파력(波力)이나 지진력(地震力)을 견디게 하는 형태이며 현재는 사용하지 않는 형태이다. 갑판 승강형(jack up type)은 동요가 적고 안정된 작업을 할 수 있으며 비용이 저렴하지만 가동 수심(可動水深)이 얕고 적재(積載)할 수 있는 하중(荷重)도 작다. 반잠수형 시추선(semi submersible rig)은 수심이 깊고 파도가 거친 해역에서 사용하는 방법 중 하나이며 장시간 가동이 가능하지만, 수선면적(水線面積, waterplane area)이 작고 복원력이 떨어지며 비용이 많다.
해양석유 생산설비로 플랫폼(platform)을 사용하는데 FPS(Floating Production System), TLP(Tension Leg Platform), SPS(Subsea Production System) 등의 방법이 사용되고 있다.
해양에너지의 개발
화석연료(化石燃料)의 대량소비로 인하여 환경오염이 심각해짐에 따라 대체에너지 또는 청정에너지의 개발이 절실히 필요한 현실에서 태양에너지 외에 해양에너지가 그 대안이 될 수 있다. 존재하는 해양에너지에는 역학적 에너지(mechanical energy)로 해류(海流) 또는 조류(潮流), 조석(潮汐), 파랑(波浪), 풍력 등이 있으며, 열에너지로 해수면의 온도차, 화학적 에너지로 염분(鹽分)의 농도차(濃度差) 등이 있다. 이러한 에너지는 고갈될 염려가 없으며 지리적으로 편중되어 있지 않은 등의 장점이 있지만, 에너지의 밀도가 낮으며 그 변동 폭이 크고 환경적 조건이 매우 열악하므로 실용화를 위해서는 많은 연구와 비용이 필요한데 현재 실용 가능한 방법들을 살펴보면 다음과 같다.
해류 또는 조류에너지는 바닷물의 흐름을 이용하여 생산할 수 있는 에너지이며, 세계적인 해류로는 일본 근해의 흑조(黑潮, kuroshio), 북태평양의 걸프해류(灣流, Gulf stream), 인도양의 소말리아 해류, 동 오스트리아 해류 등이 있으며 우리나라도 남해안의 빠른 조류를 이용한 방법이 실용화의 단계에 있다. 조력을 에너지로 바꾸는 방법에는 프로펠러 터빈 방식, 사보니우스 터빈 방식(savonius type turbine), sail canopy 방식 등이 있다.
조석(潮汐)에너지는 달과 태양의 인력(引力)에 의해 발생하는 해면의 주기적 상하운동(上下運動)에 의해 발생하는 에너지이다. 즉 조석간만(潮汐干滿)의 차를 이용하여 위치에너지(位置, potential energy)를 전기에너지로 변환하는 방법이며, 조력발전(潮力發電)이 그 한 예가 되는데 우리나라는 서해안 일대가 조석간만의 차가 커서 타당성이 높은 곳으로 알려져 있다.
파랑에너지는 해면에서 바람에 의해 발생하는 파도에너지를 이용하는 방법이며 파도의 높이와 속도에 관계가 있는데, 파랑에너지를 전기에너지로 변환하기 위해서는 파랑에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 1차 변환 과정과 역학적 에너지를 전기에너지로 바꾸는 2차 변환이 필요하다.
해양공간의 개발
산업용지(産業用地), 주거용지(住居用地), 사회기간시설용지(社會基幹施設用地) 등을 추가로 확보하기 위하여 해양구조물이나 인공섬 등을 건조(建造)하고 제반시설(諸般施設)을 설치하여 이용하는 것이 해양공간개발의 개념이며, 인공도시(人工都市)나 공항, 인공해변, 해중공원, 발전 플랜트, 저장설비(貯藏設備), 폐기물처리(廢棄物處理) 플랜트, 수산 가공 플랜트 등이 포함된다. 해양구조물의 형식은 부유식(浮游式, floating type), 간척식(干拓式), 착저식(着底式), 유각식(有刻式) 등이 있는데, 대형구조물인 경우는 연착저식(軟着底式, soft landing type), 해저 pile을 박는 유각식 등을 사용하며 이들을 병용(倂用)하기도 한다.
해양구조물(海洋構造物)을 안전하고 경제적으로 설계 및 시공하기 위해서는 바람, 파랑, 조류 및 해류, 조석, 지진, 해빙, 해저지반 등의 해상환경조건(海上環境條件)을 파악해야 하며, 구조물의 위치나 목적에 따라 이들을 적절히 설계에 반영해야 한다. 풍하중(風荷重)을 정확하게 측정하는 것은 매우 어려우므로 해면 10m의 높이에서 10분간의 지배적인 풍속과 풍향을 기준으로 정한다. 파랑(波浪)이나 파도는 규칙적인 주기를 가진 파동(波動, wave)으로 가정하여 파력(波力)을 계산한다. 조류(潮流) 및 해류력(海流力)은 유속이 v일 때 흐름방향 및 직각방향으로 항력(抗力) Fc와 양력(揚力) Fl이 각각 작용하는데, 구조물에 작용하는 흐름의 길이를 l이라 하면 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다. 단, 여기서 dFc와 dFl은 구조물의 단위길이 당 유체력(流體力)이며 Cd는 항력계수(抗力係數), Cl는 양력계수(揚力係數), dS는 구조물의 단위길이 당 흐름방면의 투영면적(投影面積)(㎡)이다.
해양오염과 환경보전
최근 산업의 발달에 따라 해양, 특히 연안의 환경문제가 심각하게 대두되고 있다. 자연적인 환경에서는 자정작용(自淨作用, self purification)에 의해 어느 정도의 오염원(汚染源)은 정화가 되지만 많은 양의 오염물질이 유입되면 오염이 확산되는데, 이러한 오염물질은 해양생물에 농축되어 인간의 건강에 위협이 된다.
유류오염(油類汚染)은 현재 가장 폭넓고 심각하게 문제를 야기하는 문제인데, 유조선 및 선박의 해난사고(海難事故), 석유 시추공(試錐孔)의 파괴 등에 의한 직접적인 유류유출, 산업폐기물 또는 생활폐기물로 유입되는 간접적인 유입 등 원인이 매우 다양하다. 유류오염물질의 미생물에 의한 생물학적 분해나 화학적인 분해는 시간이 지나치게 많이 소요됨으로 방제 펜스를 이용한 직접적인 수거나 화학약품을 이용한 방법을 사용하기도 한다.
열오염은 원자력발전소나 화력발전소의 냉각수(冷却水)를 방류함으로써 해양의 온도를 상승시키는 것을 의미한다. 해수의 온도가 주변에 비해 크게 높아지면 해양생물의 분포나 서식, 심지어 국지적인 기상변화(氣象變化)를 일으키기도 한다.
유기오염(有機汚染)은 정화되지 않은 생활오수가 다량으로 유입되면서 발생하는 문제인데, 유기물질이 유입되면 미생물에 의해 분해 및 산화가 일어나고 암모니아 등의 무기물이 재생되는 무기화 과정이 일어나며, 해수의 교환이 잘 이루어지지 않는 연안에는 플랑크톤이 대량 증식하여 무기물(無機物)의 축척이 진행되어 유기물의 농도를 증가시키는 2차 오염이 발생하며 연안은 결국 생물이 살수 없는 혐기성 환경(嫌氣性 環境)으로 변하게 된다.
해양은 지구의 70%를 차지하고 있으며 유입된 각종 오염물질을 잘 처리하고 있다. 그러나 무한한 정화 능력을 가진 것이 아니므로 늦기 전에 해양환경을 보전해야 한다. 오염물질 배출에 대한 행정적인 규제나 그 처리기술을 개발하는 노력이 필요하며, 국내 및 국제적으로 해양오염 방지법, 수질환경 보전법 등으로 오염물질의 해상 유입과 폐기물의 해양투기(海洋投棄) 등을 규제해야 하며 후손에게 좋은 지구를 물려주기 위한 노력은 아무리 힘들더라도 우리가 해야 할 소명이다.
== 해양공학과 해양공학과는 토목공학, 조선공학 ,전기전자공학, 화학공학, 에너지자원공학 등.. 공학적인 기술을 활용하여 해양개발을 위해 고찰하는 학과이다.
주로 해양공학과는 크게 두가지로 구분할 수 있다.
- 토목해양공학(토목공학)
- 조선해양공학(조선해양공학)
주요 용어
• 배타적 경제수역(排他的 經濟水域, EEZ: Exclusive Economic Zone): 자국 연안으로부터 200해리까지의 수역에 대한 천연자원의 탐사, 개발, 보존 등에 대해 독점적 권리를 행사할 수 있는 유엔 국제 해양법 상의 수역이다.
• 대륙붕(大陸棚, continental shelf): 육지나 큰 섬에서 가까운 곳으로 깊이 200m까지인 해저면 또는 해저면의 경사가 급해지기 시작하는 지점까지의 해저를 말한다.
• 연륙교(連陸橋): 육지에서 섬을 연결하는 교량(橋梁)을 말한다.
• 열수광상(熱水鑛床, hydrothermal deposit): 지하에서 방출된 뜨거운 열수(熱水)가 상승하면서 그 속에 포함하고 있던 광물이 침전(沈澱)되어 만들어진 광상(鑛床)을 말한다.
• 광상(鑛床, deposit): 광물이 지표나 지각 안에 농축되어 있는 부분이다.
• 역학적 에너지(mechanical energy): 물체의 운동에너지(kinetic energy)와 위치에너지의(potential energy) 합을 의미한다.
관련 직업군
- 전문학자: 대학교수, 국책연구소, 공사 연구소, 기업 연구소
- 정부기관 공무원: 건설교통부, 해양수산부 등의 중앙 공무원, 지방자치단체 토목직 공무원
- 기업체: 농업기반공사, 석유공사, 수자원 공사, 건설회사, 조선소, 설계 용역사, 감리단, 해양토목 관련 회사, 각종 계측회사, 안전진단 및 유지관리 회사, 에너지개발회사
- 전문 연구원: 한국과학기술 연구원, 건자재시험 연구원, 수자원연구소
참고자료
같이 보기
