모든 문명은 전략적 원자재에 대한 저렴하고 풍부한 접근에 의존하고 있다. 약 3천 년 전 청동기 시대는 주로 청동을 만드는 데 필요한 주석 공급망이 중단되면서 그 막을 내렸다. 21세기라고 다르지 않다. 지정학적 긴장과 급증하는 수요가 결합되어 현대 경제에 중요한 광범위한 광물과 관련되어 유사한 문제들이 야기되고 있다. 다행스럽게도 과학자들이 저비용 고성능 대체재로 이러한 잠재적 위협을 우회할 수 있는 방법을 찾고 있다. 어떤 것들이 있으며 그 현재와 전망은 어떠할까?
1960년대 이후 우리는 맬서스 방식의 ‘성장의 한계(litmits to growth)’ 사고방식이 현실 세계의 진보에 의해 반복적으로 부정되는 것을 목도해왔다. 왜 그럴까? 혁신을 통해 더 적은 것으로 더 많은 일을 할 수 있기 때문이다.
이 혁신 과정에서 인류는 이제 ‘비물질화의 최전선’으로 불리는 지점에 점점 더 가까이 다가가고 있다. 비물질화의 최전선이란 우리의 문명이 점차적인 감소세에 있는 유한한 자원을 소비하는 것에서 벗어나는 지점을 의미한다.
이러한 점을 고려할 때, 자원의 고갈을 전제 조건으로 하는 소위 ‘탈 성장’ 정책은 인간의 생활수준을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 장기적인 지속 가능성을 훼손할 뿐이다.
역사를 통틀어 혁신은 우리로 하여금 기존에는 극복할 수 없는 장벽을 결국에는 극복할 수 있도록 해주었다. 물론 1770년경 산업혁명이 시작될 때까지 이러한 혁신은 수세기에 걸쳐 진행되는 느린 과정이었다. 하지만 갑자기 공장, 철도, 전기, 조립 라인 및 기타 여러 분야에서 무수한 발전들이 빠르게 이뤄지면서, 오늘날 인류의 생활수준은 놀라울 정도로 향상되었고, 다음 세대에도 변화와 혁신은 가속화될 것으로 보인다.
오늘날을 보자. 지난 수 년 동안 로봇 실험실, 데이터 마이닝, 인공 지능과 같은 새로운 도구를 통해 과학자와 엔지니어는 과학적 발견에 자동화를 이용할 수 있게 되었다. 이는 19세기와 20세기 제조업에서 자동화를 활용했던 방식과 유사하다.
과학적 발견의 자동화는 무척 중요하다. 알다시피, 최근 지정학적 긴장의 고조는 현대의 세계 경제가 중요한 원자재에 대한 접근에 여전히 의존하고 있음을 상기시켜 주었가 때문이다.
예를 들어, 전기 자동차, 풍차 및 기타 응용 분야에서 볼 수 있는 현대식 고효율 모터 및 발전기는 내구성이 뛰어난 고성능 영구 자석을 필요로 한다. 일부 전문가들은 전기 자동차가 주류를 이루면서 2027년까지 이러한 희토류 자석 시장이 연간 370억 달러로 성장할 수 있다고 믿고 있다.
이는 희토류 자석이 거대 시장을 형성할 뿐만 아니라 수조 달러 규모의 공급망에 없어서는 안 될 인풋(input) 요소라는 의미이다. 좀 더 정확하게 말하자면, 이 자석에는 희토류 원소인 네오디뮴이 필요하다.
하지만 유감스럽게도, 네오디뮴과 기타 희토류에 대한 사실상 독점권은 중국이 보유하고 있다. 그 결과 중국이 고성능 영구 자석 시장의 80% 이상을 점유하고, 전체 희토류 가공 업무의 87%를 수행하고 있다. 미국과 유럽연합이 넷 제로(net-zoro) 미래를 구현하기 위해 앞 다투어 노력함에 따라 두 산업 모두 기하급수적으로 성장할 것으로 예상된다.
긍정적인 측면은 2060년경까지 넷 제로 탄소 미래에 기여할 수 있는 수많은 혁신이 자리를 서서히 잡고 있다는 데 있다.
예를 들어, 차세대 원자력은 한 지역 규모에 대한 저렴한 담수화와 청정 전기를 가능하게 할 것으로 보인다. 또한 비재래식 촉매는 수소 연료 전지와 관련된 비용 및 공급 제약을 제거할 것을 보장하고 있다. 생명공학은 작물 수확량을 빠르게 늘리고 해조류를 궁극적인 동물 사료로 바꾸고 있다.
현실적이고 실제적인 과학은 객관적 탐구와 실험을 기반으로 한다. 순진한 가정을 기반으로 하는 단순한 솔루션은 최상의 솔루션이 아니다. 오늘날 소위 그린 뉴딜이 이러한 단순한 솔루션의 하나임은 분명하다. 태양광 패널, 풍력 발전 등의 방식은 효율의 한계에 이미 직면해 있다.
진정한 솔루션은 우리 주변의 환경을 촘촘하게 검토하였을 때, 예기치 않게 등장할 수 있고, 최근 우리는 이러한 진정한 솔루션을 눈으로 목도하고 있다.
다시 영구 자석을 이야기하자면, 지정학적 현실로 인해 이미 기존 방식은 치명적인 결함을 노출했다. 영구 자석이 연료 전지로 구동되는 자동차, 트럭, 항공기를 포함한 수많은 고효율 솔루션의 핵심이기 때문에 이는 큰 문제가 된다.
그러나 이번에도 항상 그러했듯, 혁신이 해결책을 제시하고 있다. 역사를 통해 입증된 바와 같이, 시간과 상상력이 분명한 해결책을 제시한 것이다.
최근 케임브리지 대학의 연구자들은 이전까지는 운석에서만 발견되었던 자성 분자 테트라태나이트(tetrataenite)를 니켈과 철을 통해 합성하는 실용적 방법을 발견했다. 이전까지 실험실에서 테트라태나이트를 만들기 위한 시도들은 비실용적이고 극단적인 방법에 의존했었다.
그러나 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 저널에 게재된 바와 같이, 흔한 원소인 인을 추가하면 특별한 처리나 값비싼 기술 없이 인위적으로 대규모로 테트라태나이트를 생산할 수 있다. 공정이 상용화되면 테트라태나이트 자석은 가장 극단적인 응용 분야를 제외한 모든 응용 분야에서 희토류 자석을 저렴하게 대체할 수 있을 것으로 추정된다.
고성능 네오디뮴 철 붕소 자석은 전기 자동차 모터와 풍력 터빈 발전기에 매우 중요한 것이기 때문에 이러한 혁신은 매우 큰 의미가 있다. 현재 기준, 네오디뮴 철 붕소 자석의 수요는 최소 2030년까지 연간 18%씩 성장할 것으로 예상되는데 반해, 그 공급량은 같은 기간 동안 매년 6% 미만의 비율로 증가할 것으로 추정되기 때문이다. 이러한 막대한 수요 공급 격차에 따른 이윤은 중국이 독식하게 된다.
케임브리지 연구팀은 합성 테트라태나이트의 상용화에 약 5~8년이 걸릴 것으로 추정하고 있는데, 이로 인해 서구 기업들은 여전히 호주, 말레이시아 및 기타 몇몇 지역에서 네오디뮴을 채굴하고 처리하기 위해 안간힘을 쓸 것이 분명하다.
결론은 무엇인가?
우리 문명은 점점 더 빠른 속도로 비물질화의 최전선을 향해 나아가고 있다. 여기에는 테트라태나이트의 경우와 마찬가지로 종종 지구상에 아직 존재하지 않는 것을 찾고 일반적이거나 흔한 투입물을 사용하여 희귀하고 값비싼 것을 대체하는 방법을 발견하는 것을 포함하고 있다. 이는 철과 니켈을 약간의 인과 결합하면 납을 금으로 바꾸는 연금술사의 꿈보다 훨씬 더 많은 가치를 더할 수 있다는 의미이다.
오늘날 소위 전문가들은 미래의 혁신에 대한 경로를 미리 가정하여 여러 가능한 옵션을 제한하는 경우가 있다. 역사는 이러한 제한을 가하지 않을 때, 진정한 ‘과학의 마법’이 자연스럽게 발생한다는 것을 보여줬다. 그리고 이러한 혁신에는 상상력이 기업가적 과정을 거치도록 하는 것이 포함된다.
이에 우리는 이러한 사실과 추세를 고려하여 다음과 같은 예측을 내려볼 수 있을 것이다.
첫째, 현재 중국은 많은 것을 독점하고 있지만, 이는 일시적인 것이 될 수 있다.
19세기 초까지 면은 가공하기에 너무 비용이 많이 들었기 때문에, 지배적인 직물은 양모와 리넨이었다. 하지만 갑자기 조면기가 등장하여 모든 것을 바꿔놓았고 미국 남부를 부유하게 만들었다. 영구 자석과 기타 희토류 응용 분야에 대한 오늘날 중국의 영향력은 조면기와 같은 방식으로 서구 세계의 혁신을 통해 점점 더 그 힘을 잃어갈 수 있다.
둘째, 2020년대에 또 다른 돌파구로 인해 콩고의 코발트 중단에 대한 취약성이 사라질 것이다.
미국의 국립 연구소 엔지니어들과 어바인 캘리포니아 대학(University of California Irvine) 연구팀은 가격 변동성과 지정학적 문제에 시달리고 있는 코발트를 사용하지 않고 리튬 이온 배터리 음극을 만드는 방법을 고안해냈다.
‘네이처(Nature)’ 저널에 게재된 바와 같이, 과학자들은 여러 다른 금속 원소를 혼합하여 코발트에 대한 풍부한 대체물인 니켈로 구성된 음극의 열화학 기계적 불안정성을 극복했다. 코발트와 달리 니켈은 북미에서 가장 많이 발견되는 금속 중 하나이다. 중국이 중앙아프리카에 진출하여 기존 코발트에 대한 미국의 공급망을 흔들었기 때문에, 이 돌파구는 미국의 또 다른 잠재적 공급망 취약성을 제거하는 데도 도움이 될 것으로 보인다.
셋째, 백금족 원소 촉매의 필요성을 줄이거나 없애는 것이 연료 전지 차량의 가격을 낮추는 데 매우 중요해질 것이다.
암모니아나 메탄올로 연료를 공급하는 ‘연료 전지 전기 자동차’는 21세기 전반기에 탄소 무배출에 대한 최상의 방식일 수 있다. 그러나 오늘날 이 솔루션의 비용이 저렴하지 않은 이유는 연료를 전기로 바꾸는 데 필요한 귀금속 촉매 때문이다.
하지만 이 문제를 극복하기 위한 두 가지 큰 혁신이 이뤄지고 있다.
세계적 학술지 ‘ACS 캐털리시스(ACS Catalysis)’ 저널에 게재된 첫 번째 혁신은 섭씨 100도 미만의 작동 온도에서 암모니아로부터 수소를 효율적으로 방출할 수 있는, 칼슘-이미드에 의해 지원되는 최첨단 니켈-촉매를 포함하고 있다.
‘네이처 캐털리시스(Nature Catalysis)’에 기술된 두 번째 혁신은 메탄올이나 암모니아에서 방출된 수소를 차량에 동력을 공급하는 데 사용되는 전기로 효율적으로 변환하기 위해 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 원소인 철, 탄소, 질소만을 사용하는 촉매를 포함하고 있다.
이러한 솔루션 혹은 유사 솔루션들은 기존 내연 기관과 배터리 전기 엔진을 향후 20~25년 내 구식으로 밀어낼 가능성이 높다.
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Resource List
1. Trends. January 2020. The Trends Editors. Crossing the Dematerialization Frontier.
3. Macro Polo. November 21, 2021. Damien Ma and Joshua Henderson. The Impermanence of Permanent Magnets: A Case Study on Industry, Chinese Production, and Supply Constraints.
5. Nature Catalysis. April 25, 2022. Asad Mehmood, Mengjun Gong, Frédéric Jaouen, Aaron Roy, Andrea Zitolo, Anastassiya Khan, Moulay-Tahar Sougrati, Mathias Primbs, Alex Martinez Bonastre, Dash Fongalland, Goran Drazic, Peter Strasser & Anthony Kucernak. High loading of single atomic iron sites in Fe–NC oxygen reduction catalysts for proton exchange membrane fuel cells.
8. Nature. September 21, 2022. Rui Zhang, Chunyang Wang, Peichao Zou, Ruoqian Lin, Lu Ma, Liang Yin, Tianyi Li, Wenqian Xu, Hao Jia, Qiuyan Li, Sami Sainio, Kim Kisslinger, Stephen E. Trask, Steven N. Ehrlich, Yang Yang, Andrew M. Kiss, Mingyuan Ge, Bryant J. Polzin, Sang Jun Lee, Wu Xu, Yang Ren & Huolin L. Xin. Compositionally complex doping for zero-strain zero-cobalt layered cathodes.
Innovation Opens Doors to Self-Sufficiency & Dematerialization
Since the 1960s, we’ve seen the Malthusian “Limits to Growth” mindset repeatedly discredited by real world progress. Why? Because innovation continues to let us do more with less. In the process, mankind has moved ever-closer to what the Trends editors call the dematerialization frontier; that’s the point beyond which a civilization consumes finite resources at a declining rate, even as wealth continues to rise.
Because of this principle, “de-growth” policies not only reduce human standards of living but undermine long-term sustainability.
How is this possible?
Throughout human history, innovation has enabled us to overcome apparently insurmountable barriers. Until the industrial revolution began around 1770, this was a slow process playing out over centuries. Then suddenly, factories, railroads, electricity, assembly lines and myriad other advances enabled an astounding rise in living standards, with change accelerating in each subsequent generation.
Just in the past few years, new tools like robotic laboratories, data mining and artificial intelligence have enabled scientists and engineers to harness automation in scientific discovery similar to the way they had harnessed automation in 19th and 20th century manufacturing.
The recent rise of geopolitical tensions reminds us that the modern global economy is still dependent on access to crucial raw materials. For example, modern high-efficiency motors and generators, found in electric cars, windmills and other applications require durable, high-performance permanent magnets.
By 2027, some experts believe that the market for rare-earth magnets could grow to $37 billion a year as electric vehicles go mainstream. That’s not just a huge market, but it’s an indispensable input to a multi-trillion-dollar supply chain. And those magnets require the rare earth element neodymium.
China holds a virtual monopoly on neodymium and other rare earth elements.
As a result, it controls over 80% of the high-performance permanent magnet market and performs 87% of all rare earth processing. Both industries are expected to grow at exponential rates as the United States and EU scramble to implement a net-zero future.
On the plus side, many innovations are falling into place that might contribute to a net-zero carbon future by around 2060. Next-generation nuclear would enable affordable desalination and clean electricity on a regional scale.
Unconventional catalysts promise to eliminate the cost and supply constraints associated with hydrogen fuel cells. And biotech is rapidly increasing crop yields and turning algae into the ultimate animal feed.
Unfortunately, Green New Deal thinking in places like California typically tries to mandate existing linear solutions based on naïve assumptions, assuming that “experts” already know the answers.
However, real science is based on objective inquiry and experiments. And in many cases, the best solutions show up unexpectedly as we scan the environment.
Furthermore, as we’ve discussed in prior issues, known problems with the chemistry of batteries, the physics of power distribution networks, and limits to solar panel and windmill efficiency, render today’s vision underpinning environmental policies, fatally flawed.
Until recently, the geopolitical realities associated with permanent magnets also appeared to be a showstopper. That’s a big deal because permanent magnets are key to many high-efficiency solutions including automobiles, trucks, and aircraft powered by fuel-cells.
Fortunately, as we’ve repeatedly seen throughout history, time and imagination has yielded an apparent solution.
Scientist at Cambridge University recently discovered a practical way to synthesize tetrataenite, a magnetic molecule made from nickel and iron, previously found only in meteorites. Prior attempts to make tetrataenite in the laboratory relied on impractical, extreme methods.
However, as explained in the journal Advanced Science, the addition of the common element phosphorus makes it possible to produce tetrataenite artificially and at scale, without any specialized treatment or expensive techniques.
It is estimated that once the process is commercialized, tetrataenite magnets will be able to inexpensively replace rare-earth magnets in all but the most extreme applications.
That’s a big deal since, high-performance neodymium-iron-boron magnets are crucial for EV motors and wind turbine generators. Right now, demand is forecast to grow at 18% per annum through at least 2030.
However, neodymium-iron-boron magnet supply is expected to grow at a rate of less than 6% annually over the same period. This implies a huge demand-supply gap and profit windfall for China.
Since the Cambridge team estimates that commercialization of synthetic tetrataenite will require five to eight years, western companies will still scramble to mine and process neodymium from Australia, Malaysia and a few other sites.
What’s the bottom line?
Our civilization is advancing toward the dematerialization frontier at an accelerating pace. As in the case of tetrataenite, this often involves finding something which does not yet exist on earth and discovering ways to harness it to replace rare and expensive commodities using common inputs.
In this case, combining iron and nickel with a pinch of phosphorus could end up adding much more value than the alchemist’s dream of turning lead into gold.
History shows that real “scientific magic” happens naturally when we don’t let experts limit options by pre-supposing the path of future innovation.
Such game-changing breakthroughs involve letting imagination take its entrepreneurial course. This is precisely, what China and a lot of “green zealots” are unwilling to do.
Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration.
First, like so many of China’s apparent competitive advantages, its rare earth monopoly will prove transitory.
Until the early 19th century, wool and linen were the dominant fabrics because cotton was too expensive to process. Then suddenly, the cotton gin changed all that, and made the southern United States rich.
China’s leverage vis a vis permanent magnets and other rare earth applications is about to evaporate much like that of the sheep herders. This is just one of many unfavorable trends which will undermine China’s 21st century strategic ambitions.
Second, during the 2020s, other breakthroughs will eliminate vulnerability to cut-offs of cobalt from the Congo.
Working with engineers at four U.S. national laboratories, researchers at the University of California Irvine have devised a way to make lithium-ion battery cathodes without using cobalt, which is plagued by price volatility and geopolitical problems.
As explained in the journal Nature, the scientists overcame thermal and chemical-mechanical instabilities of cathodes composed substantially of nickel, an abundant substitute for cobalt; they did so by mixing in several other metallic elements.
Unlike cobalt, nickel is one of the most abundant metals found in North America. With China interfering with America’s relationships in central Africa, this breakthrough will help eliminate another potential supply-chain vulnerability.
Third, reducing or eliminating the need for platinum-group catalysts is crucial if fuel cell vehicles are going to become inexpensive.
For years, the Trends editors have argued that “fuel cell electric vehicles,” fueled by ammonia or methanol, offer the best route to delivering zero-emission transportation in the first half of the 21st century.
Today, the cost premium of these solutions is due to the precious metal catalysts required to turn the fuel into electricity. - One exciting solution would cost-effectively leverage two big breakthroughs in catalysis. The first, described in the journal ACS Catalysis, involves a state-of-the-art Nickel-catalyst, supported by a calcium-imide, that can efficiently releases hydrogen from ammonia at operating temperatures below 100o C.
The second, described in Nature Catalysis involves a catalyst using only the cheap and readily available elements iron, carbon, and nitrogen to efficiently transform hydrogen released from the methanol or ammonia into electricity used to power the vehicle. These or similar solutions will make both internal combustion engines and battery-electric engines, essentially obsolete over the next 20-to-25 years. And,
Fourth, contrary to Green New Deal fantasies, wind and solar will not form the base of the 21st century economic pyramid.
The laws of physics, chemistry and economics render this vision implausible. The big danger lies in wasting finite resources on this “pipe dream,” as many in the “expert class” want to do. Next generation nuclear fission, combined with coal, natural gas and petroleum will enable virtually all of human civilization to cross the dematerialization frontier by 2100.
The breakthroughs discussed in this segment simply demonstrate why the “limits to growth” mindset dominating so many of today’s experts is fatally flawed. - Because of its unique culture of entrepreneurial innovation coupled with unparalleled access to human capital, minerals, energy, and food, the United States will be the biggest winner.
Meanwhile, China will be a big loser as its repressive culture, demographic decline and limited natural resources impede its upward progress. Europe, South Korea and Japan can still win big by aggressively innovating.
Resource List
1. Trends. January 2020. The Trends Editors. Crossing the Dematerialization Frontier.
3. Macro Polo. November 21, 2021. Damien Ma and Joshua Henderson. The Impermanence of Permanent Magnets: A Case Study on Industry, Chinese Production, and Supply Constraints.
5. Nature Catalysis. April 25, 2022. Asad Mehmood, Mengjun Gong, Frédéric Jaouen, Aaron Roy, Andrea Zitolo, Anastassiya Khan, Moulay-Tahar Sougrati, Mathias Primbs, Alex Martinez Bonastre, Dash Fongalland, Goran Drazic, Peter Strasser & Anthony Kucernak. High loading of single atomic iron sites in Fe–NC oxygen reduction catalysts for proton exchange membrane fuel cells.
8. Nature. September 21, 2022. Rui Zhang, Chunyang Wang, Peichao Zou, Ruoqian Lin, Lu Ma, Liang Yin, Tianyi Li, Wenqian Xu, Hao Jia, Qiuyan Li, Sami Sainio, Kim Kisslinger, Stephen E. Trask, Steven N. Ehrlich, Yang Yang, Andrew M. Kiss, Mingyuan Ge, Bryant J. Polzin, Sang Jun Lee, Wu Xu, Yang Ren & Huolin L. Xin. Compositionally complex doping for zero-strain zero-cobalt layered cathodes.
