해양 구조물을 안전하게 설계 및 시공하기 위해서는 구조물을 지지하고 있는 해저지반의 특성을 정확하게 평가하는 지반조사가 상당히 중요하다. 현재 국내외의 해저지반조사 장비를 작업 가능한 수심별로 살펴보면 그림 1과 같이 나타낼 수 있다. 수심이 얕은 경우에는 해상작업장을 이용하여 조사를 하는 반면, 수심이 깊어질 경우에는 착저식 시추로봇이나 전용선박을 활용하게 된다. 전세계적으로 이미 다양한 종류의 착저식 시추로봇을 개발하여 활용하고 있으며, 이를 간단하게 정리하였다.
<그림1> 적용 수심별 국내외 해저지반조사 장비 현황
PROD(호주)
호주의 Benthics Geotech Pty LTD에서 보유하고 있는 PROD(Portable Remotely Operated Drill)는 해저면 착저식 해양지반조사 로봇이며(그림 2), 선박에서 전력 공급뿐만 아니라 지반조사 작동을 원격으로 조작이 가능하며, 이송이 간편하고 보링 및 샘플링을 비롯하여 다양한 원위치 시험을 수행할 수 있다. PROD의 가장 큰 특징 중의 하나는 시험 위치까지 이송이 간편하다는 점인데, 이동을 위한 20인치 컨테이너를 활용하여 전 세계 어느 곳이든 관계없이 운반이 가능하다는 점이다. PROD의 공기 중 무게는 10tf, 수중 무게는 8tf이며, 길이는 6m이다. 총 260m의 rod(관입용 로드 100m, 시료채취기 100m, casing 60m)를 보유하고 있다. 지반 시추 이외에도 토사 및 암반 샘플링, 콘관입시험기(CPT) 등 다양한 실험을 수행할 수 있다. PROD를 운용하기 위해서는 최소한 4개 이상의 컨테이너가 필요한데, 운영실(그림 3), 실내실험실(CPT 준비 포함), drill rod 보관실, drill tool 보관실 등이 있다.
<그림2> PROD 수중 진수모습
<그림3>PROD 컨트롤 룸
MEBO(독일)
수심 2,000m에 대한 시료채취를 주목적으로 개발된 독일의 대수심용 MEBO는 보링 깊이가 70m이고, 연약한 토사에서부터 단단한 암반까지 실험을 수행할 수 있다(그림 4). 코어의 직경은 55mm~84mm까지이며, 공기 중 무게는 10tf 정도이며, 전체 시스템의 무게는 약 75tf 정도이다. 20‘ 컨테이너에 보관하여 전 세계 어디든 이동 가능하게 설계, 제작되어 있다. 해저면 착저시 3개의 발판을 이용하여 로봇의 안전성을 증대시키고자 하였으며, 로봇에 부착되어 있는 수중 비디오카메라 및 다양한 센서를 활용하여 작업 중 제어 및 운용을 원활하게 하고자 하였다. 2013년도까지 총 2,066m의 시추작업을 수행하였으며, 최대 시추 깊이는 81m 정도이다(http://www.marum.de).
<그림4> MEBO (Freudenthal and Wefer, 2006)
ACS(미국)
미국의 Williamson & Associates사는 수심 4,000m, 심도 50m를 대상으로 시료채취 장비인 ACS(Automated Coring System)를 개발하였다(Murray, 2010). 공기 중 무게는 13tf, 수중 무게는 12tf 정도이며, 3.7m 폭, 8.1m 길이에 5.7m 높이로서 다른 장비에 비해 상대적으로 큰 규모이고, 40ft의 컨테이너에 이송, 보관할 수 있도록 제작되어 있다. 30도 경사에서 운용이 가능하며, 시료채취 직경은 최대 73mm이다. 그림 5는 해상에서 운용하고 있는 모습을 나타내고 있다. 2011년도에는 이를 업그레이드하여 A-BMS(Advanced Deepsea Boring System)를 개발하여 일본 JOGMEC(Japanese Oil, Gas and Metals National Corporation)에 공급한 바 있다(http://www.wassoc.com/).
<그림5> ACS의 현장 활용 장면
SDS(미국)
미국 GREGG 사에서는 수심 3,000m, 심도 150m에 적용할 수 있는 해저면 착저식 로봇인 SDS(Seafloor drilling system)를 개발하였으며, 시료채취 및 원위치 시험을 주목적으로 하고 있다. 크기는 5.4 × 3.8 × 6.6m이고 공기 중 무게는 약 10톤이다. 이 장비는 로드를 공급하기 위하여 다관절 로봇 팔을 활용한다(그림 6). 최대 85mm 직경의 시료채취 및 CPT를 수행할 수 있다.
<그림6> GREGG사의 착저식 시추로봇 (Robertson et al., 2012)
ROVDrill(영국)
영국 Forum사에서 개발한 ROVDrill은 수중에서 작업용 ROV가 구동할 수 있게 제작된 착저식 시추시스템이다(그림 7). 최대 3,000m 수심에서 운용 가능하며, 총 중량 9.5~18톤이다. 3m 길이의 관입용 로드를 활용하여 90m(최대 200m까지 확대 가능) 심도까지 콘관입시험(CPT)과 최대 직경 73mm의 시료채취를 수행할 수 있다(http://www.f-e-t.com/).
<그림7> ROVDrill
전세계적으로 대수심 조건에 대한 해저면 착저식 시추로봇을 경쟁적으로 개발하고 있다. 이는 석유나 가스와 같은 해양자원이 점차 대수심 조건으로 개발됨에 따른 것이다. 즉, 해양자원 및 해양공간 개발을 위해서는 반드시 필요한 해저 시추작업 및 지반조사, 시료채취 등을 효율적・효과적으로 방안을 꾸준히 연구하고 있으며 이에 따라 착저식 시추로봇에 대한 독자적인 기술개발을 진행 중인 것이다. 실제 대부분 상용화하여 실제 현장에 투입되고 있지만, 대부분 제작 판매보다는 용역이나 임대 등의 형태로 활용되고 있다. 착저식 시추로봇 자체의 판매 가격에 비해 운용 및 용역 비용이 상대적으로 크기 때문이다. 해저면 착저식 시추로봇을 포함한 수중건설로봇의 개발 및 활용 의지는 비단 미국과 유럽에 국한된 것이 아니다. 중국과 일본은 해저 시료 채취를 위한 시추선을 자국의 기술력을 확보하여 자체 건조하여 자국의 해외자원개발과 탐사 및 각종 해상토목 공사에 활발히 활용하고 있으며, 세계 시장에서 활용도가 증가하고 있다. 우리나라의 착저식 시추로봇 개발 현황과 향후 추진 계획에 대해서는 다음 지면을 통해 소개할까 한다.
