기계화학

[해SSUL이 있는 과학뉴스] 다시, 암모니아가 뜬다. -2탄

암모니아는 인류 역사에서 빼놓을 수 없는 중요한 화합물입니다. 19세기 후반, 남미의 친차 제도에서 발견된 구아노는 질소 비료로서 전 세계적인 자원 전쟁의 원인이 되기도 했습니다. 이후 암모니아를 인공적으로 합성하여 비료를 대량 생산할 수 있게 되면서 인류의 식량 문제는 획기적으로 해결되었고, 이는 폭발적인 인구 증가로 이어졌습니다. 또한 질소는 생명 유지에 필수적인 원소인 동시에 폭약의 주성분으로도 사용되며 인류 문명에 양면적인 영향을 끼쳐왔습니다. 현대 암모니아 생산의 핵심인 하버-보슈법은 인류를 굶주림에서 구했지만, 동시에 막대한 에너지를 소비한다는 단점이 있습니다. 전 세계 에너지 소비량의 약 1~2%가 이 공정에 사용되며, 인류가 배출하는 이산화탄소의 약 4%가 여기서 발생합니다. 기후 위기 시대에 접어들면서 이러한 고온·고압의 전통적인 방식은 탄소 중립이라는 시대적 과제에 직면하게 되었습니다. 이에 따라 에너지를 덜 쓰면서도 효율적으로 암모니아를 생산하기 위한 새로운 기술적 시도들이 활발히 이루어지고 있습니다. 최근 주목받는 혁신적인 암모니아 제조법 중 하나는 쇠구슬과 철가루를 이용한 기계화학적 방식입니다. 용기 안에서 쇠구슬을 빠르게 회전시켜 질소 기체를 분해하고, 그 자리에 수소를 결합시켜 암모니아를 생성하는 원리입니다. 이 방식은 기존의 하버-보슈법과 달리 고온이나 고압 환경이 필요하지 않아 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있습니다. 반응 효율 또한 기존 방식보다 월등히 높으며, 필요한 장소에서 즉석 생산이 가능하다는 점에서 차세대 친환경 기술로 큰 기대를 모으고 있습니다. 탄소 중립의 핵심 에너지원으로 꼽히는 수소는 저장과 운송이 까다롭다는 치명적인 약점이 있습니다. 기체 상태의 수소는 부피가 매우 크고 폭발 위험이 있어 대량으로 다루기가 쉽지 않기 때문입니다. 여기서 암모니아가 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다. 암모니아는 분자 구조 내에 다량의 수소를 포함하고 있어, 질소를 분리해내기만 하면 효율적인 수소 공급원이 됩니다. 즉, 암모니아를 수소를 안전하게 담아 운반하는 일종의 '에너지 저장 장치'로 활용하려는 시도가 본격화되고 있는 것입니다. 암모니아는 수소에 비해 액화가 훨씬 용이하다는 강력한 장점을 지닙니다. 수소를 액화하려면 영하 253도의 극저온이 필요하지만, 암모니아는 상온에서도 적당한 압력만 가하면 액체로 변합니다. 덕분에 기존의 선박이나 탱크로리 등 인프라를 그대로 활용해 운송할 수 있으며 화재 위험도 상대적으로 낮습니다. 비록 특유의 냄새나 질소 분리를 위한 촉매 연구 등 해결해야 할 과제는 남아있지만, 암모니아는 미래 수소 경제 시대를 앞당길 핵심적인 열쇠가 될 것으로 전망됩니다.