화석연료 고갈 이후 대안은?

과학기술

화석연료 고갈 이후 대안은?
"혁신적인 질소 고정 시스템에 길이 있다"

2018.05.28 10:34 김병희 객원기자

최근 우리 나라에서 벌어지고 있는 ‘쓰레기 대란’의 주요 대상은 플라스틱류다. 수거를 거절 당하는 스티로폼을 비롯해 음식물이나 각종 세제 용기로 쓰이는 폴리에틸렌 등 종류도 여러 가지다. 쓰고 버리는 쓰레기만을 봐도 현대인은 ‘플라스틱 시대’에 살고 있음을 실감할 수 있으며, 그 원천은 바로 화석연료다.

집 밖으로 나서도 아스팔트로 포장된 도로, 그 위를 달리는 차량의 소재, 슈퍼마켓에서 팔리는 상당 수의 물품 역시 석유 기반 플라스틱에서 파생된 것들이다. 과일과 야채도 화학비료와 농약의 도움을 받아 재배된다. 이제 화석 연료 사용을 벗어난 세상은 상상하기가 힘들 정도다.

이와 같이 ‘검은 황금’ 석유는 우리에게 역사상 전례 없는 번영을 가져다 주었지만 환경은 거의 회복할 수 없을 정도로 오염되었다. 게다가 석유는 점차 고갈되는 중이다. 그럼 앞으로의 대안은 무엇인가?

미국 에너지부는 2016년 10월 16명의 저명 질소 과학자들을 초청해 현재의 질소 활성 화학분야와 미래의 방향에 대한 전문가 수뇌회의를 개최했고, 이 팀은 과학저널 ‘사이언스’(Science) 5월 25일자에 게재된 리뷰 기사에서 결론을 발표했다. CREDIT: US Department of Energy

질소에 지속가능성의 열쇠 있다

2016년에 노벨상을 받은 미국 가수 밥 딜런은 그 대답이 ‘바람에 날려가고 있다’고 썼다. 그러나 전문가들은 그의 유명한 시에 표현된 것처럼 애처롭고 성취 불가능하지만은 않다고 지적한다. 미국 유타주립대 생화학자인 랜스 지펠트(Lance Seefeldt) 교수와 다른 정상급 과학자들에 따르면, 생명을 주는 질소가 우리 주위를 흐르고 있고, 이것은 재생불가능한 에너지를 넘어 지속가능성의 열쇠를 쥐고 있다는 것이다.

미국 에너지부 기초에너지과학국은 2016년 10월 지펠트 교수를 비롯한 16명의 질소 연구자들을 워싱턴 D.C.로 초청해 현재의 질소 활성 화학 분야와 미래의 방향에 대해 전문가 수뇌회의를 개최했다. 이 팀이 회의 1년반 뒤 과학저널 ‘사이언스’(Science) 5월 25일자에 게재된 리뷰 기사에서 결론을 발표했다.

모임의 공동의장이기도 한 지펠트 교수는 “이 모임에는 질소 연구의 내로라 하는 대가들이 모두 모였다”며, “노벨상 수상자인 로버트 슈록(Robert Schrock) 박사 등이 포함된 우리 그룹은 개인적으로는 누구도 이 보고서를 작성할 수 없을 만큼 모두가 힘을 모아 작업을 수행했다”고 밝혔다.

토양 환경을 통한 질소의 흐름. CREDIT: Wikimedia Commons

질소와 동식물의 ‘아이러니’

지구상의 모든 생명체는 질소가 필요하며 지구 대기의 무려 80%는 이질소(dinitrogen) 형태로, 생명을 유지하는 가스로 구성돼 있다. 그러나 문제는 동물이나 식물은 이 질소에 직접 접근할 수 없다는 점이다.

지펠트 교수는 “이것은 엄청난 아이러니”라며, “우리는 생존하기 위해 질소가 필요하고 이 질소의 바다에서 헤엄을 치고 있지만 직접 이를 취할 수 없다”고 말했다. 인간과 동물은 먹는 음식에 있는 단백질로부터 질소를 얻고, 식물은 토양에서 질소를 확보한다는 것.

화석 연료는 한 세기 전에 이 구도 속으로 들어왔다. 독일 과학자 프란츠 하버(Franz Haber)와 칼 뵈쉬(Carl Bösch)는 질소의 초강력 연결을 깰 수 있는 혁명적인 과정을 개발해 상업적인 규모의 비료 생산을 가능케 했고, 이것은 전례 없는 식량 공급을 증대시켜 세계의 인구 증가로 이어졌다.

지펠트 교수는 “이것은 역사적인 기술적 경이의 하나였지만, 현재 세계 화석연료 공급의 약 2%를 소비하고 있고 탄소 배출량이 엄청나게 많다”고 지적했다.

질소 순환의 간단한 다이어그램. 파란색 상자는 질소 저장소를 나타내며, 녹색 글씨는 한 곳에서 다른 곳으로 질소를 이동시키기 위해 발생하는 과정을 표시한다. 빨간색 글씨는 관련된 모든 박테리아. CREDIT: Wikimedia Commons / Roseramona

‘빛으로 질소 고정’ 연구 시작

이제는 새로운 혁명을 시작할 때가 됐는데, 지펠트 교수와 동료 학자들은 전문가 수뇌회의와 후속 연구를 통해 어떤 결론을 얻었을까?

이들은 보고서에서 “질소 변형을 달성하기 위해 급진적으로 개선되고 새로우며 다른 경로들을 확보할 수 있는 기회들이 존재한다”고 밝혔다. 그러나 “이런 관점에서의 진전은 질소 변환 반응에 대한 분자 수준에서의 이해뿐만 아니라 새로운 촉매 시스템의 발견과 그러한 반응을 일으키는데 필요한 대안적인 에너지 전달 방법이 요구된다”고 덧붙였다.

미국 에너지부(DOE)의 지원을 받는 지펠트 교수와 유타주립대 팀은 이미 청정하고 재생가능한 빛-구동 프로세스를 사용해 질소를 비료의 주요 구성성분인 암모니아로 전환하려는 노력을 시도하고 있다.

지펠트 교수는 “이 프로세스에 대한 우리 연구는 나노물질을 사용해 빛 에너지를 포획하는 것으로, 햇빛이나 인공 빛이 얼마나 강력하게 질소 고정을 할 수 있는지를 보여준다”며, “이것은 판도를 뒤바꿀 수 있는 중요한 가능성을 내포하고 있다”고 밝혔다.

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