우리의 미래를 결정할 과학 4.0

35가지 키워드로 살펴보는 과학기술의 미래
과학기술의 발전은 과연 인류를 유토피아로 이끌 것인가?

얼마 전, 오픈AI가 챗GPT를 선보이고 챗GPT가 쓴 책들이 출간되면서 사람들의 이목을 집중시켰다. 인공지능(artificial intelligence, AI)이 이룬 결과다. 오픈AI는 챗GPT를 발표한 지 몇 주 만에 또다시 GPT-4를 발표해 기술의 진보가 시시각각 이루어지고 있음을 보여주었다. 스스로 학습(딥러닝)해서 인간이 원하는 결과물을 쏟아내는 인공지능, 그렇다면 영화에서 보듯 인공지능이 스스로 판단하고 결정하고 때론 인간을 지배하는 범용인공지능의 단계에까지 이를 것인가? 과연 인공지능은 우리의 미래를 어떻게 변화시키고 현재의 인공지능이 가고자 하는 방향은 어디일까?
요사이 과학의 새로운 성과들이 날마다 뉴스의 주요 이슈로 등장하면서 정치를 가려버릴 지경이다. 인공지능, 자율주행, 블록체인, 전기자동차, 크리스퍼 혁명 등등. 뉴스를 보고 정보를 찾아봐도 비전공자들은 그 내용을 선뜻 파악하고 흐름을 따라잡기 쉽지 않다. 우리 삶의 변화를 주도하는 과학기술이 우리를 어떤 미래로 이끌지 저자의 설명을 차근차근 따라가 보자.


지구를 기후위기에서 구할 내연기관 없는 탄소제로 모빌리티
위성항법시스템, 5G 등 통신기술에 힘입은 자율주행시스템은 모두를 위한 기술이 될 것인가?

1800년대 이전 인간은 이동을 위해 자신의 두 발과 마차, 말처럼 주로 자연적인 운송수단에 의존했다. 산업혁명과 더불어 등장한 증기기관 기차가 모빌리티의 첫 변곡점이 되었다면 두 번째 변곡점은 내연기관 자동차와 비행기, 선박이었다. 그 세 번째 변곡점은 전기자동차와 수소연료전지를 쓰는 운송수단의 연료 체계 변화와 자율주행차, 도심항공 모빌리티 등 새로운 모빌리티가 등장한 현재이다. 전기자동차는 오염물질을 배출하는 내연기관 대신 배터리로 움직이고 사람이 운전하지 않아도 자동차가 알아서 목적지를 향해 가는 자율주행이 상용화되고 있다. 세계적인 자동차 업계들이 앞으로 내연기관 자동차를 만들지 않겠다고 선언하고 현대자동차는 여러 대의 트럭이 자율주행으로 가는 군집주행을 시연했다. 이 같은 변화의 중심에는 각종 배터리 제작 기술의 진보, 위성항법시스템과 5G, 6G로 대표되는 통신기술의 발달이 있다. 모빌리티의 또 다른 진화는 21세기 지구를 한나절 생활권으로 만들어 줄 초고속 모빌리티의 등장이다. 서울에서 부산까지 20분이면 주파한다는 하이퍼루프(Hyperloop)는 짧은 구간이지만 시험운행을 마쳤고 미국의 초음속 여객기 또한 2023년 하반기에 시험비행이 예정되어 있다. 탄소제로 모빌리티와 초고속 모빌리티의 등장은 우리의 일상을 어떻게 바꿔놓을까.


새로운 제국주의라는 우려의 목소리가 들려오는 선진국 주도의 달 자원채굴은 과연 정당하고 공정한가?
20세기에 등장한 신물질 플라스틱으로 인한 환경오염의 해결책으로 주목받는 생분해성 플라스틱

20세기에는 '우주' 하면 떠오르는 단어가 미 항공우주국(NASA)이었다. 그동안 우주산업은 국가 주도로 미국, 러시아, 유럽, 중국 등 극히 일부 국가가 독점했다. 하지만 21세기에 우주산업은 하나의 산업으로 자리 잡았고 그 중심에는 2002년 일론 머스크가 설립한 스페이스X가 있다. 2017년 스페이스X는 이미 사용한 발사체를 재사용하면서 우주산업의 지형을 완전히 뒤바꾸었다. 이제 인공위성과 우주정거장 등의 개발ㆍ운영은 대부분 민간기업에서 담당하고 있다. 하지만 거시적이고 장기적인 우주탐사는 여전히 정부의 역할이 절대적이다. 미국을 중심으로 추진하는 아르테미스 프로젝트는 달에 기지를 건설해 자원을 채굴하고 달 기지를 기반으로 화성 등 더 먼 우주로 나아가려는 시도이다. 달과 화성에 대한 미국과 유럽, 중국, 러시아의 경쟁은 우주 자원의 선취와 우주 군사 패권 장악을 위한 실제적인 필요가 크다. 달의 풍부한 자원의 선점이라는 측면에서 강대국 위주의 우주 진출이 과연 공정하고 정의로운지는 의문이다.
로봇산업은 인터넷과 인공지능과의 결합으로 확장 가능성이 눈부시다. 20세기 로봇이 대부분 산업 현장의 인력 대체에 머물렀다면 21세기 로봇은 스마트 팩토리의 핵심으로, 서비스 영역으로 확대되어 새로운 전기를 맞고 있다. 특히 고령화로 인한 노인돌봄에 대한 해결책으로 서비스로봇에 대한 기대가 크다. 나아가 군수산업에서도 로봇의 존재는 그 중요성이 더욱 커지고 있다.
플라스틱은 20세기 석유 기반 신물질로 우리 생활에 필수 불가결한 요소였다. 하지만 자연상태에서 분해되지 않고 재활용도 어려운 용도가 다한 플라스틱은 심각한 환경재앙으로 떠올랐다. 2020년 기준으로 태평양상에는 존재하는 한반도 크기의 16배의 거대 쓰레기 섬은 바다생물을 넘어 인간마저 위협하기에 이르렀다. 그래서 등장한 것이 생분해성 플라스틱이다. 과연 생분해성 플라스틱은 인류와 지구를 플라스틱 지옥으로부터 구할 수 있을 것인가.


인류와 함께 전 지구에 편재(ubiquitous)하는 전기 전자제품과 정보통신 서비스
웹서비스의 미래로 장밋빛 전망을 보여주는 암호화폐, 웹3.0, 메타버스
사물인터넷(IoT)으로 현실이 되는 초연결사회

전기 전자 산업과 정보통신 산업은 20세기 후반에서 현재까지 산업사회 전체와 인간 삶의 변화를 선도하고 있다. 인터넷 대중화, 웹 등장 30여 년, 스마트폰 등장 15년 만에 우리는 컴퓨터와 스마트폰, 인터넷이 없는 삶을 상상하기 어렵다. 인간이 존재하는 거의 모든 곳에 퍼져 있는 전기 전자 제품과 정보통신 서비스는 세계에 편재(ubiquitous)한다고 해도 과언이 아니다.
반도체 업계에서 1위를 다투는 삼성과 TSMC가 3나노공정의 우위를 점하기 위해 피 터지는 싸움을 하고 있다. 메모리 반도체에 주력하는 삼성과 전 세계 파운드리(위탁생산)의 50% 이상을 점하는 TSMC는 왜 3나노공정을 두고 치열한 경쟁을 벌이는 것일까? 반도체 초미세공정 중 하나인 3나노공정은 정보처리 속도향상, 소모전력량과 장치면적 축소라는 면에서 필연적 흐름이다. 반도체 업계는 기존 반도체의 한계, 미세공정이 이론적 한계에 이르면서 새로운 반도체로의 전환이 불가피하고 그만큼 신기술에 대한 경쟁 또한 치열한 것이다.
초기 인공지능이 바둑이나 게임 등에서 놀라운 성과를 보여주었다면 현재의 인공지능은 산업 전반에 영향력을 확대하고 있다. 제조공정, 물류, 고객응대 등에서 인공지능을 도입하여, 실질적인 변화를 이끄는 것이다. 2020년쯤 개발된 초거대 인공지능은 미국의 구글, 오픈AI, 한국의 LG, KT, 네이버, 카카오 등이 인공지능의 다음 세대를 열어가고 있다. 오픈AI의 이미지 생성기 '달리(DALL-E)'가 그린 미술작품이 경매시장에서 팔리고 인공지능 챗GPT가 쓴 책이 출간되었다. 인공지능은 과연 인간의 역할을 대체할 것인가?
21세기 정보통신의 또 다른 화두는 사물인터넷(IoT)이다. 통신 인프라가 인간만이 아닌 사물이 인터넷에 연결되는 사회를 현실화하고 있다. 스마트 팩토리, 자율주행차, 스마트빌딩, 스마트시티 등 공장에서 시작된 사물인터넷은 가정, 운송수단, 건물로 범위를 넓히고 있으며, 통신 인프라는 IoT를 더 빠르고, 더 안정적으로 가능케 하는 5G로 대체되고 있다. 인간과 인간의 연결보다 사물과 사물의 연결이 100배 이상으로 확장된 초연결사회가 멀지 않았다.
블록체인 또한 주요한 이슈다. 블록체인 2.0의 스마트 컨트렉트는 금융산업을 중심으로 실제 쓰임새가 증명되고 있다. 블록체인 기반의 대체불가능토큰(NFT) 등 가상자산 또한 관심의 대상이다. 암호화폐에 대한 불신의 시선이 상존하는 것과 무관하게 블록체인 기술이 만들어낼 새로운 서비스에 금융 대기업과 정보통신 기업이 큰 관심을 보이며 참여하고 있다. 블록체인과 연관된 암호화폐, 웹3.0, 메타버스 등은 웹서비스의 미래로 각광받고 있으며 전망도 장밋빛이다.


코로나 팬데믹 시대의 종식을 앞당긴 생명공학의 쾌거 mRNA백신
개체를 넘어 종의 생멸(生滅)에까지 인간의 관여가 가능해진 유전자 드라이브는 윤리적ㆍ사회적 논쟁을 넘어설 것인가?

20세기 말부터 시작된 크리스퍼 혁명을 통한 유전공학은 생명공학 분야의 급속한 성장을 이끌고 있다. 그 대표적인 결과가 코로나19 mRNA백신이다. 2020년 초, 전 지구를 공포로 몰아넣었던 코로나19 팬데믹으로 백신에 대한 수요와 관심이 높아진 가운데 mRNA백신은 동물실험을 넘어 인간에게까지 적용되어 코로나19 바이러스 치료제로서 큰 역할을 담당했다. 이제 유전공학은 생명공학과 동의어로 여겨질 만큼 그 비중이 절대적이다. 개체를 넘어 종의 생멸(生滅)에까지 인간의 관여가 가능해진 유전자 드라이브는 연구실을 넘어 실제 사용에 이를지도 관심이 집중되고, 합성 생물학이 전에 없던 새로운 종을 창조하기에 이르면서 다양한 윤리적ㆍ사회적 논쟁을 일으키고 있다.
유전공학의 발전은 농업 분야도 예외가 아니다. 콩, 옥수수, 면화 등 GMO 작물은 지구 곳곳에서 대규모로 재배되고 GMO는 화학산업과 의약 분야에서도 중요한 역할을 담당한다. 온실가스로 인한 기후위기 앞에서 새로운 식량 생산에 대한 고민은 육식에서 두드러진다. 동물 사육에 필요한 막대한 사료와 이산화탄소 배출로 인한 환경오염 문제를 대체육과 배양육이 해결할 수 있을까. 그런 가운데 육류의 색깔과 식감을 그대로 살려 소비자의 입맛을 사로잡기 위한 다양한 노력이 점차 결실을 거두는 중이다.
유전공학은 인공지능과 전자공학의 융합으로 눈부신 발전을 거듭하고 있으며 21세기 생물학의 대표주자로 자리 잡았다. 의학 분야에서도 차세대 항암제 개발 등 큰 성과를 나타내고 있다. 생명공학은 100억 인류시대의 식량문제를 해결하고 인간의 생명을 얼마만큼 연장할 수 있을까?


기후위기 대응의 핵심으로 자리 잡은 재생에너지, 태양광발전과 풍력발전
이산화탄소 발생의 주원인, 산업 부문의 탄소제로 전략, 연료의 전기화 · 수소화 및 탄소포집

기후위기는 현재 과학계의 가장 뜨거운 주제이다. 기후위기 해결을 위해 우리나라를 비롯한 주요 국가들은 2050년까지 탄소중립을 이루겠다고 선언했다. 기후위기 대응의 핵심은 이산화탄소와 메탄가스 배출 감소다. 현재 발전산업은 이산화탄소 배출의 약 30~40%를 차지하고 있다. 국가들이 나서서 이산화탄소를 줄이기 위해 재생에너지의 확대에 힘을 기울이는 이유다. 재생에너지의 90% 이상을 차지하는 태양광발전과 풍력발전이 날씨에 크게 좌우되는 간헐성과 경직성의 한계를 보완하기 위해 에너지 저장장치와 스마트 그리드 역시 주목받고 있다. 현재 생산된 후 사용되지 못하고 버려지는 전기가 생산량의 약 10%이다. 재생에너지의 안정적 확보를 위해서도 버려지는 전기의 저장을 위해서도 에너지 저장장치의 확대는 필연적이다.
발전산업 이외에도 이산화탄소 배출량의 30~40%를 차지하는 산업 부문의 온실가스를 줄이는 일 또한 발등에 떨어진 불이다. 산업 부문에서 배출되는 온실가스는 크게 석탄과 석유 등을 연료로 사용하는 과정에서 발생하는 온실가스와 철광석과 석회석, 석유를 원료로 제철, 시멘트, 석유화학 및 플라스틱 산업 등 산업공정에서 발생하는 이산화탄소이다. 산업용 연료로 인한 온실가스는 연료의 전기화와 수소화를 통해 해결할 것이다. 산업공정 온실가스 배출을 해결하기 위한 수소환원제철과 탄소포집(CCUS)이 주목받고 있는데 특히 시멘트, 정유 및 석유화학, 플라스틱 산업에서 필수적인 기술이 탄소포집이다. 탄소제로를 위해 기업들도 대안을 연구 개발하고 있지만 막대한 비용이 들고 상용화도 쉽지 않은 실정이다.
그 밖에도 대체 에너지원으로는 우주 태양광발전이 가능성이 크다. 비록 아직은 좀 더 미래의 일로 여겨지지만 날씨의 영향에서 자유로운 우주 태양광발전은 지상의 재생에너지를 대신할 안정적인 에너지원으로 관심을 모은다. 하지만 현실화를 위해서는 경제성을 어떻게 확보할 것인가가 과제이다. 기후위기의 대안으로 급속히 떠오르는 또 한 축은 수소이다. 수소의 생산, 운송, 저장 및 이의 활용과 관계된 광대한 체계가 하나의 생태계로 구축되고 있다. 기술적 난관도 크지 않아 미래 에너지 주도권 확보를 위해 수소경제는 주목도를 높이고 있다.

현재 주요 국가들은 2050년 탄소제로를 목표로 다양한 플랜을 가동 중이지만 기존의 탄소 기반 산업체계에서 기후위기 극복은 이루기 어려운 목표이다. 하지만 대안으로 제시되는 다양한 기술발전은 산업의 새로운 패러다임으로 자리 잡을 것이 분명하다. 재생에너지 산업과 수소 산업 그리고 전기차 산업은 머잖아 전 세계 산업의 지형을 바꿔놓을 것이고, 이에 어떻게 대응하느냐가 향후 기업과 국가의 미래를 좌우할 것이다.
이 책은 최첨단 과학기술의 다양한 주제들을, 현재의 진행 지점과 나아갈 방향을 중심으로 많은 삽화를 곁들여 전공자도 이해하기 쉽게 설명하고 있다.

시작하며

1장 모빌리티
1. 전기자동차
2. 자율주행
3. 도심항공 모빌리티
4. 서비스로서의 모빌리티
5. 탄소제로 모빌리티
6. 초고속 모빌리티

2장 우주와 로봇 그리고 소재
1. 발사체
2. 인공위성
3. 아르테미스 프로젝트
4. 로봇
5. 생분해성 플라스틱
6. 상온 초전도체

3장 정보통신
1. 반도체
2. 슈퍼컴퓨터 너머 양자컴퓨터
3. 인공지능
4. 데이터센터와 클라우드 컴퓨팅
5. 사물인터넷과 통신 인프라
6. 블록체인
7. 디지털 트윈
8. 메타버스

4장 생명공학
1. 크리스퍼 혁명과 합성 생물학
2. GMO
3. 백신의 현재와 미래
4. 미래 식량
5. 바이오칩
6. 차세대 항암제

5장 기후위기와 재생에너지
1. 태양광발전
2. 풍력발전
3. 에너지 저장장치와 스마트 그리드
4. 원자력발전
5. 산업 부문 탈탄소 전략 1_제철산업
6. 산업 부문 탈탄소 전략 2_ 탄소포집
7. 핵융합발전
8. 우주 태양광발전
9. 수소경제

마치며
주
참고자료

박재용 저술가이자 커뮤니케이터. 과학과 사회, 과학과 인간, 데이터와 사실이 맞닿는 경계를 공부하고 취재하며, 그 결과를 책으로 내고 있다. 주로 과학 분야의 책을 쓰고 있지만 사회에 만연한 불평등에도 문제의식을 느껴 자료를 살펴보기 시작했다. 그 첫 결실이 『불평등한 선진국』이다. 안토니오 그람시의 "이성으로 비관하되 의지로 낙관하라"는 구절을 좋아한다. 개별적 존재로서 인간에 대한 신뢰와 종으로서의 인간에 대한 회의를 어떻게 조화시킬지 고민하며 글을 쓴다. 역사에서 커다란 몫을 자임할 생각도 능력도 되지 않기에 그저 할 수 있는 역할을 열심히 다하는 것을 목표로 한다.
지은 책으로는 『4차 산업혁명이 막막한 당신에게』 『과학 vs 과학』 『1.5도, 생존을 위한 멈춤』 『과학이라는 헛소리』 『웰컴 투 사이언스 월드』 『냉장고를 여니 양자역학이 나왔다』 『탄소 중립으로 지구를 살리자고?』 『과학을 달리는 십대: 생명과학』 등 20여 권이 있다.