질소, 매우 풍부하나 매우 안정적인 PART-2
이전글 참조
대기 중에 많은 량으로 존재하지만 그 안정성 때문에 토양에 고정되지 못하고 있는 질소 때문에 농업 생산량에 한계가 있을 수밖에 없는 현상은 인구가 폭발적으로 늘어가는 18세기 유럽 및 전 세계에 있어서 크나큰 문제였습니다. 과거에는 휴경을 통해 어떻게 농업 생산력을 유지할 수 있었지만 것도 중세 때나 통용되는 방법이었고 근대 이후 때부터 늘어나기 시작한 인구를 부양하기엔 역부족이었습니다.
이때 나타난 것이 Thomas R. Malthus였습니다.
고전파 경제학자였던 Malthus는 자신의 저서 인구론(1798)에서 인간 사회를 지탱하는 요소, 임금, 토지, 식량 등은 산술급수(arithmetic)적으로 증가하나 인구는 기하급수(geometric)으로 증가하기 때문에, 인구 증가 문제를 해결하지 못하면 결국 복리후생을 사회 구성원에게 충분히 제공할 수 없는 사태가 온다고 그 유명한 Malthusian Trap을 주장합니다. 즉 “인구 증가 속도를 식량 생산 증가 속도가 따라잡을 수 없기 때문에 인구 증가를 억제해야 한다.”라는 것이 주된 내용이었고 더 나가 모두의 이익과 행복을 위해서 저소득층의 인구를 줄여야 한다고 주장했다. 가능하면 결혼이나 출산을 늦추거나 안 하게 하는 것이 가장 좋고, 적극적 방법으로는 전쟁, 기아 등으로 인한 인구감소도 있다고 언급했습니다.
굉장히 급진적이고 무모한 발언이었지만 18세기 중반 8억 명이던 세계인구가 19세기 말에 15억 정도로 크게 증가했지만 농업생산성은 인구증가에 비례하여 향상되지 않았기 때문에 이는 당시에 어느 정도 호응을 얻게 되어 전세계적으로 영향을 미치게 됩니다. 덕분에 영국은 저소득층을 위한 복지를 줄였으며, 이 인구론은 동북아시아에 영향을 줘 산아정책을 적극적으로 펼치게 되죠. 그 결과 현재 인구절벽과 인구 고령화라는 크리티컬 히트를 맞아버린 결과를 낳게 되었으니...
냉혹하지만 현실을 주시했던 Malthus의 이 이론은 다행히도 한 과학자의 등장에 의해 깨지게 됩니다. 그 과학자가 바로 독일의 Fritz Haber였습니다.
과거부터 과학자들은 질소의 안정성 때문에 질소고정이 힘들면 공기 중에 존재하는 질소를 인공적으로 농축해 암모니아로 합성해, 인공 질소 비료를 만들면 돼지! 라는 아주 간단한 해법을 알고 있었습니다.
그러나 이 간단한 해법은 이론과 달리 실제로는 간단하지 못했습니다. 이렇게 암모니아를 만들려면 먼저 질소 분자의 강력한 삼중결합을 깨야 했고, 그 삼중 결합을 깨려면 고온, 고압이 필요했고, 또 철 계통의 촉매를 통해 필요한 에너지 량을 낮춰야 하는데, 르 샤틀리에 법칙에 따르면 온도를 높일수록 역반응이 우세해져 암모니아를 얻기가 쉽지 않았던 것이죠. 그러기에 Haber 이전의 과학자들이 여러 가지 방법으로 실험을 했지만 실패를 했던 것입니다. 이에 Haber는 반응속도를 촉진하기 위한 고온, 고압 환경을 조성하면서도 온도를 너무 높여 역방향 우세반응이 극심해지지 않는 정도의 균형 조건을 찾기 위해 무수히 많은 촉매와 원소를 조합해보고 복잡한 실험 과정을 거치게 됩니다. Haber는 촉매제로 처음에 철을 사용하였으나 좋은 수득률을 얻는 데 실패하였는데, 마침 운 좋게도 그는 당시 전구회사의 기술 컨설턴트로 일하고 있었고 거기서 오스뮴을 사용해 볼 수 있게 됩니다. 전구의 필라멘트에 오스뮴을 사용하는 실험을 하고 있었던 것이죠. 그리고 1909년 드디어 촉매제로 사용한 오스뮴은 공기에서 질소를 농축해 암모니아를 합성하는데 성공하게 된 것입니다!
이렇게 생성된 암모니아는 질산, 황산과 혼합하여 질산암모늄이나 황산암모늄을 만들어서 비료로 만들 수 있던 것이죠. 이를 독일의 최대 화학회사였던 BASF에서 공정을 상용화 하였고 4년 만에 오파우에 공장을 설립, 하루에 5t의 암모니아를 생산할 수 있게 되었습니다. 이렇게 만들어진 화학비료로 인해 일반 땅보다 4배나 많은 생산량의 식량을 생산할 수 있었고 이로 인해 Malthusian Trap을 드디어 깨게 되고 인구도 4배나 늘게 됩니다. 오늘날 40억명 이상의 인구가 된 것도 다 이 Haber의 질소 비료 덕분인 것입니다.
그런데 이 암모니아를 만드는 방법을 정확히 Haber법이라 하지 않고 Haber- Bosch법이라고 부르는데 이는 아까 말한 BASF에서 일하고 있던 Karl Bosch가 Haber의 공정에서의 유일한 약점인, 촉매제를 오스뮴을 사용하는 것을 가격이 훨씬 저렴한 철 기반의 촉매제로 개량을 했기 때문입니다. 이런 업적 때문에 Haber는 1918년, Bosch는 1931년에 노벨화학상을 수상하게 됩니다.
여기까지라면 정말 인류의 구원자로 HAPPY ENDING을 맞이 하는 것처럼 보였지만....
TO BE CONTINUED...
