[세상물정 #2] Oh, the humanity!

[※ 본 컨텐츠는 한국화학연구원 제2기 케미러브 서포터즈 활동을 위해 작성되었습니다.]

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▲ 영국의 전설적인 밴드 '레드 제플린'의 1집 앨범 의 커버에는 폭발하는 순간의 힌덴부르크호가 담겨 있습니다. 애초에 '제플린(Zeppelin)' 자체가 힌덴부르크호와 같은 형태의 비행선을 지칭하는 말로, 이를 최초 개발한 '제플린 백작'에서 따온 이름이죠.

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▶ 나치의 자존심, 폭발하다!

 

 

    1937년 5월 6일, 미국 뉴저지 주 레이크허스트 공항, ‘하늘 위의 타이타닉’이라 불리던, 나치 독일의 상징과도 같았던 비행선 LZ 129 힌덴부르크호는 상공을 유유히 비행하며 착륙을 준비하고 있었습니다. 수많은 인파가 이 거대한 비행선의 우아한 착륙을 보기 위해 몰려들었죠. 그러나 그들의 표정은 이내 경악으로 물들고 말았습니다. 97명의 승객을 태우고 있던 힌덴부르크호가 공중에서 폭발하였고, 거대한 화마에 휩싸이고 말았기 때문이죠.

    당시 힌덴부르크호의 착륙을 중계하기 위해 현장에 나가 있던 미국의 라디오 기자 ‘허버트 모리슨(Herbert Morrison)’은 눈 앞에서 벌어진 참사에 충격을 받은 나머지, 생중계 도중 라디오 저널리즘 역사에 길이 남을 나직한 음성 한 마디를 내뱉고 말았습다.

“Oh, the humanity! (오, 인류여!)"

▶ 끝나지 않는 논쟁 : 무엇이 범인인가?

 

 

   본래 이런 비행선에는 가벼워서 비행선을 띄울 수 있으면서도 안정적이라 폭발의 염려가 없는 헬륨(He) 기체를 쓰는 것이 원칙이었습니다. 그러나 언제든 전쟁이 터져도 이상하지 않았던 일촉즉발의 시대였던 20세기 초의 유럽, 헬륨은 군 전략 물자로 분류되었고 이로 인해 독일을 견제하던 국가들은 헬륨의 독일 반입을 금지시켰습니다. 자연스레 독일은 비행선에 쓸 헬륨을 구하기가 어려워졌죠. 그러자 독일은, 오늘날의 과학자들이 있었다면 정부 관료의 멱살을 움켜쥐고 뜯어말릴만한 결정 한 가지를 내리게 됩니다. 바로 헬륨의 대체재로 세계에서 가장 가벼운 원소인 수소를 비행선에 채우기로 한 것이었죠.

    수소(Hydrogen)는 1776년 영국의 자연철학자 헨리 캐번디시(Henry Cavendish)가 최초로 발견한 물질입니다. 수소와 산소가 섞여 있는 기체는 매우 작은 에너지로도 폭발적으로 타오르는 특성을 지니고 있는데, 캐번디시는 이 때문에 수소에 ‘가연성 공기’라는 이름을 붙였습니다.

    힌덴부르크호가 폭발한 후, 사람들은 일제히 수소를 대참사의 주범으로 지목하였습니다. 비행선에서 샌 수소 혼합 기체가 폭발의 직접적인 원인이 되었다는 주장이었죠. 그러나 1997년, 미국항공우주국(NASA) 소속의 에디슨 베인(Addison Bain) 교수는 수소가 폭발의 근본적인 원인은 아니라는 가설을 제시하였습니다. 선체 외부를 덮고 있는 소재와 알루미늄 도료의 설계에 결함이 있었고, 이 부분에서 정전기가 발생한 것이 최초의 화인(火因)이라고 주장한 것인데요. 베인 교수는 수소는 단지 최초의 불꽃이 발생한 후 비행선 전체로 불이 커지는 데에만 역할을 했을 뿐이라고 이야기했습니다. 수소에 각별히 많은 관심과 애정(?)을 가지고 있는 그는 ‘수소가 모든 비난을 감내했다'며 수소를 대변하여 억울함을 적극 표명하였습니다.

 

▶ 또 한 번의 대참사

 

 

    캐번디시가 발견한 '가연성 공기'에 수소라는 이름을 붙인 것은 근대 화학의 아버지인 앙투안 라부아지에(Antoine Laurent Lavoisier)였습니다. 그는 1783년 ‘가연성 공기’를 태워 물을 만들어내었고, 1785년에는 반대로 고열에서 물을 수소와 산소로 분리하는 실험에 성공하였죠. 라부아지에는 그리스어로 물을 뜻하는 ‘hydro’와 ‘만들다’라는 뜻의 ‘genes’을 활용하여, 이 원소에서 물이 만들어진다는 의미로 ‘Hydrogen’이라는 이름을 붙여주었는데요. 우리가 쓰는 ‘수소(水素)’라는 한자 단어에도 이러한 라부아지에의 작명 센스가 고스란히 남아있습니다.

 

 

    2011년, 힌덴부르크호 폭발 사고와는 달리 이번에는 이견의 여지 없이 수소 폭발이 직접적인 원인이 된 또 하나의 대참사가 일어났습니다. 그해 3월 11일, 일본 지진 관측 사상 최대 규모였던 도호쿠 대지진이 후쿠시마를 강타했습니다. 쓰나미로 인해 전원 공급이 끊기자, 지르코늄으로 도포^[각주:1]되어있던 연료봉^[각주:2]이 끝을 모르고 뜨겁게 달아올랐습니다. 본래 연료봉을 식혀주었어야 할 냉각수가 오히려 초고온의 연료봉으로 인해 가열이 되면서, 라부아지에가 150여년 전에 했던 실험에서처럼 물이 분해되는 반응이 일어나기 시작했습니다. 그 결과 다량의 수소가 발생하여 원전 내부에 축적되었고, 농축된 수소는 결국 폭발을 일으켰습니다. 그리고 그 후에는 우리 모두가 알다시피 다량의 방사능이 후쿠시마 전역으로 누출되는 참혹한 사태가 발생했죠.

 

▶ 'Fool Cell', 수소 경제를 이끌 것인가?

 

 

    이렇듯 수소는 인류 역사에 깊은 상처를 남긴 물질이지만, 오늘날에는 앞으로의 인류의 삶을 책임질 물질로도 꼽히고 있습니다. 수소가 친환경 에너지원으로 주목을 받는 덕이죠.

 

 

    특히 최근 가장 주목을 받는 연구 분야는 ‘연료전지(Fuel Cell)’와 연관된 기술의 발전입니다. 연료전지는 주로 원료인 수소와 산소의 화학반응으로 전기를 생산하는 발전 방식을 지칭하는 표현입니다. 화학 반응을 통해서 전기를 만들어낸다는 점에서 다른 화학 전지들과 비슷하다고 할 수 있는데요. 기본적으로 음극에서는 수소 기체가 수소 양이온으로 분해되면서 전자를 내놓고, 외부 회로를 돌고 들어온 전자를 양극에서 수소 양이온과 산소가 받아 물을 생성하는 반응을 일으키는 방식으로 전류를 생산합니다. 라부아지에가 했던 물의 전기분해 실험을 거꾸로 구현하는 장치라고도 할 수 있죠.

    연료전지는 발전 과정에서 소음이 적게 발생하고, 연료인 수소를 사실상 무한히 공급받을 수 있으며, 이론적으로 화석 연료에 비해 높은 에너지 효율을 가진다는 것이 장점으로 꼽립니다. 무엇보다 발전 과정에서 발생하는 부산물이 물이라 친환경적이라는 점이 연료전지가 사람들의 이목을 집중케 하는데, 이러한 연료전지를 소형화하여 자동차에 탑재시킨 ‘수소연료전지자동차’ 역시 활발하게 연구되고 있습니다.

    이에 대해 비판적인 입장을 보이는 사람들도 있습니다. 수소의 원천으로부터 수소를 분리해내는 기술과 이를 운송 및 보관하는 기술의 경제성과 효율성에 대한 의문부호가 여전히 따라다니고 있습니다. ‘페이팔(Paypal)’의 창업자이자 세계최대 전기자동차 회사 ‘테슬라(Tesla)’의 최대 주주인 일론 머스크(Elon Reeve Musk)는 ”수소차의 시대는 오지 않는다“며 수소연료전지는 ‘멍청한 전지(Fool Cell)’이고 수소자동차는 "쓸모없는 것(Bullshit)"이라고 신랄하게 조롱하였습니다.

    물론 머스크가 수소자동차의 경쟁자라고도 할 수 있는 전기자동차 부문의 선두 기업인 테슬라의 오너라는 점에서, 저 발언들의 속셈이 조금은 읽히기도 합니다. 그래서일까요? 수소자동차 관련 연구를 활발히 진행하고 있던 일본의 자동차 기업 토요타(Toyota)는 일론 머스크의 도발에 응수하여 실제로 '소똥(bullshit)'으로 움직이는 자동차를 만들어 유튜브에 영상을 업로드하기도 했습니다.

    일론 머스크와 토요타의 기싸움에서 누가 마지막 승자가 될지는 모르겠지만, 적어도 현재까지는 머스크의 조롱과는 달리 연료전지 생태계를 구축하고자 하는 움직임은 여전히 활발히 이루어지고 있습니다. ‘수소경제’라는 신조어의 등장은 이러한 흐름을 반영한다, 실제로 대한민국의 경우 정부가 2018년 수소경제를 3대 투자 분야 중 하나로 선정하였고, 현직 대통령이 직접 수소경제를 ‘기회의 문’이라 표현하며 제반 산업의 육성에 대한 강한 의지를 드러내었습니다. 특히 2020년, 친환경 에너지 산업을 중점 공약으로 내세운 조 바이든 후보가 미국의 대통령으로 당선되면서, 수소 전지 관련 산업의 성장은 더욱 가속화가 될 전망입니다.

 

▶ 지구 위에 태양을 설치하다

 

 

    수소를 활용해 에너지를 만들어내고자 하는 움직임은 비단 연료전지에서 그치지 않습니다. 새로운 전지를 개발하는 것도 모자라 인간은 이제 지구 위에 또 다른 태양을 만들기 위해 노력하고 있습니다.

    우리의 머리 위에 떠 있는 태양은 24시간 끊임없이 에너지를 발산하고 있고, 그 중 일부가 지구로 흘러들어와 지구의 시스템이 돌아가는 원동력으로 작용합니다. 그런데 태양이 이토록 거대한 에너지를 내는 원천은 바로 수소 원자의 '핵융합'입니다.

    수소 원자는 매우 단순합니다. 양성자 1개로만 이루어진 원자핵 주위에 전자 1개가 있는 구조이죠. 그런데 일부 수소들은 원자핵에 양성자 1개 외에도 중성자가 1개 또는 2개가 존재하는데, 이러한 수소들을 각각 ‘중수소’와 ‘삼중수소’라 부릅니다. 반대로 양성자만 존재하는 일반적인 수소는 ‘경수소’라고 부르고요.

    태양의 중심부는 온도와 압력이 굉장히 높은 상태인데, 이러한 환경에서 경수소 원자핵은 서로 충돌하여 더 무거운 헬륨 원자핵으로 전환됩니다. 그 과정에서 질량의 일부는 손실되어, 아인슈타인의 그 유명한 $$E=mc^2$$

라는 공식에 따라 에너지로 전환되죠. 이처럼 가벼운 원자핵이 서로 부딪혀서 무거운 원자핵이 되면서 에너지가 방출되는 현상을 ‘핵융합(nuclear fussion)’이라고 합니다. 현재 원자력 발전소에서 활용하고 있는, 무거운 원자핵이 더 가벼운 원자핵들로 쪼개지면서 에너지가 나오는 '핵분열(nuclear fission)'과는 어찌보면 정반대에 있는 현상인 것이죠.

    핵융합 발전은 바로 이 핵융합을 지구 위에서, 우리 인간이 섬세하게 컨트롤할 수 있는 방식으로 구현하여 전력을 생산하는 데에 활용하고자 하는 것이 목적입니다. 그러나 태양 내부와 같이 극한의 온도와 압력을 유지하는 환경을 그대로 구현하기는 쉽지 않기 때문에, 경수소 대신 중수소와 삼중수소를 원료로 활용합니다. 또한 핵융합을 일으키기 위해선 원료를 초고온의 플라즈마^[각주:3] 상태로 유지시켜야 하는데요. 이러한 플라즈마를 가둬두기 위해 ‘토카막’이라는 특수한 장치를 사용하는 방식의 연구가 현재 가장 활발하게 이루어지고 있습니다.

    중수소의 경우 바닷물에 이미 풍부하게 포함되어있기 때문에 사실상 무한한 원료 공급이 가능하고, 공해 발생량이 0에 수렴하며, 매우 적은 방사성 물질 피폭 가능성과 기존 화력 발전을 아득히 뛰어넘는 발전 효율까지. 이러한 이유들로 핵융합 발전은 꿈의 에너지로 불립니다. 대한민국의 ‘KSTAR’를 비롯하여 전 세계 각국이 고유의 핵융합연구장치를 보유하고 있을 뿐 아니라, ‘국제핵융합실험로(ITER)’와 같이 국가 간의 경계를 뛰어넘는 연구 역시 활발히 진행되고 있죠.

 

▶ 수소, 인류에게 주어진 '태양마차'

 

▲배경 사진 : 「파에톤의 추락」, 피터 폴 루벤스 작. (1606-1608 제작 추정)

 

    그리스 로마 신화에 따르면, 태양의 신인 헬리오스가 ‘태양마차’를 이끌고 하늘 위의 정해진 길을 날아다니기 때문에 매일 해가 뜨고 진다고 이야기합니다.

    이 신화에는 헬리오스의 아들이었던 파에톤의 이야기도 같이 전해집니다. 자신이 태양신의 아들임을 증명하고자 했던 파에톤은, 헬리오스에게 조르고 졸라 태양마차를 하루 동안 몰 권리를 얻습니다. 그러나 파에톤의 오만함과 미숙한 운전으로 인해 태양마차는 궤도를 벗어나 폭주하기 시작했고, 지상과 너무 가까워진 태양마차가 그 열기로 땅을 불바다로 만들면서 지금의 아프리카 지역에 사막이 만들어졌다고 합니다.

    수소는 인류의 손에 들어온 태양마차와 같습니다. 우리가 제대로 다룰 수만 있다면, 끊임없이 지구를 비추는 태양처럼 우리의 삶을 한층 더 풍요롭게 해줄 것이 분명합니다. 그러나 힌덴부르크 대참사와 후쿠시마 원전 사고가 보여주듯, 수소는 약간의 조작 미숙이 엄청난 폭발로 이어질 위험성을 내포하고 있습니다. 또한 수소 핵융합은, 핵융합 발전보다 먼저 ‘인류 역사상 최악의 무기’라 평가받는 ‘수소폭탄’을 만들어내는 악재로 이어지기도 하였습니다.

    80년 전 한 저널리스트가 내뱉은 한 줄의 탄식. 훗날 안타까움의 탄식이 반복될 것인지, 혹은 그 탄식이 인류의 찬란한 기술 발전에 대한 감탄으로 바뀌게 될 것인지는, 결국 수소라는 태양마차의 고삐를 쥐고 있는 우리 인류의 손에 달려있는 게 아닐까요?

 

[이미지 출처]

 

 

[참고 자료]

- “Oh the Humanity: Herbert Morrison and the Hindenburg”, Airships.net, 수정 일자 미상, 2021년 7월 19일 접속. https://www.airships.net/hindenburg/disaster/oh-the-humanity-herbert-morrison-and-the-hindenburg/

- “비행선 힌덴부르크 호의 최후”, 미래한국, 2015년 5월 6일 수정. 2021년 7월 19일 접속. http://www.futurekorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=27794

- Hans Pasman and William Rogers, “Safety Challenges in View of the Upcoming Hydrogen Economy: An Overview”, 12th Annual Symposium, Mary Kay O’ Connor Process Safety Center “Beyond Regulatory Compliance: Making Safety Second Nature” (2009).

- “원소로 보는 화학사 Vol. 001 ‘원자번호 1번 수소를 소개합니다’”, LG케미토피아, 2017년 5월 16일 수정. 2021년 7월 19일 접속. https://blog.lgchem.com/2017/05/12_h/

- “[필름 사이언스] 비행선 힌덴부르크호 폭발은 수소때문일까?”, 매일경제, 2019년 6월 5일 수정. 2021년 7월 19일 접속, https://www.mk.co.kr/news/economy/view/2019/06/385140/

- “What caused Hindenburg fire? Retired NASA expert digs in”, Florida Today, 2017년 5월 5일 수정. 2021년 7월 19일 접속. https://www.floridatoday.com/story/news/2017/05/04/what-caused-hindenburg-fire-retired-nasa-expert-digs/101153648/

- “산소는 누가 발견했을까? 下”, topp:, 2019년 10월 25일 수정. 2021년 7월 19일 접속. https://topclass.chosun.com/mobile/topp/view.asp?Idx=287&Newsnumb=201910287#_enliple

- “일본 원전사고의 과정과 원인”, 포항공대신문, 2017년 3월 15일 수정. 2021년 7월 19일 접속. http://times.postech.ac.kr/news/articleView.html?idxno=9646

- “기술•제품 - 연료전지란”, 두산퓨얼셀, 수정 일자 미상. 2021년 7월 19일 접속. https://www.doosanfuelcell.com/kr/tech/tech-0101/

- “만화로 배우는 연료전지”, 포스코에너지, 수정 일자 미상, 2021년 7월 19일 접속. http://www.poscoenergy.com/renew/_service/business/battery/webtoon01.asp

- “기술•제품 – 고객가치”, 두산퓨얼셀, 수정 일자 미상, 2021년 7월 19일 접속. https://www.doosanfuelcell.com/kr/tech/tech-0201/

- “[팩트체크]"수소차 시대는 오지 않는다"는 머스크의 장담은 사실일까?”, 이데일리, 2019년 8월 5일 수정. 2021년 7월 19일 접속. https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=01167686622584368&mediaCodeNo=257

- “수소경제”, 정책위키, 2020년 2월 24일 수정. 2021년 7월 19일 접속. http://korea.kr/special/policyCurationView.do?newsId=148857966

- “수소경제는 우리에게 기회의 문을 열어줄 것입니다”, 대한민국 청와대, 2019년 1월 17일 수정. 2021년 7월 19일 접속, https://www1.president.go.kr/articles/5324

- “태양은 핵융합으로 에너지를 만들어요…각국은 핵융합 기술개발 위해 경쟁 중이죠”, 한국경제, 2018년 12월 17일 수정. 2021년 7월 19일 접속. https://www.hankyung.com/news/article/2018121469691

- “핵융합이란”, 국가핵융합연구소, 수정 일자 미상. 2021년 7월 19일 접속. https://www.nfri.re.kr/kor/pageView/14

- “세계의 핵융합 연구현황”, 국가핵융합연구소, 수정 일자 미상. 2021년 7월 19일 접속. https://www.nfri.re.kr/kor/pageView/16 

 

- “핵융합은 왜 꿈의 에너지인가? - [만화로 푸는 과학 궁금증] 방사능·온실가스 걱정 '뚝'…안전성 확보”, 사이언스타임즈, 2019년 7월 12일 수정. 2021년 7월 19일 접속. https://www.sciencetimes.co.kr/news/%ED%95%B5%EC%9C%B5%ED%95%A9%EC%9D%80-%EC%99%9C-%EA%BF%88%EC%9D%98-%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80%EC%9D%B8%EA%B0%80/

- “태양마차를 탄 파에톤의 추락”, 세종경제뉴스, 2017년 12월 29일 수정. 2021년 7월 19일 접속. http://www.seenews365.com/news/articleView.html?idxno=19522

-“인류 역사상 '최악의 무기' 수소 폭탄”, YTN, 2016년 1월 6일 수정. 2021년 7월 19일 접속. https://www.ytn.co.kr/_ln/0105_201601061839111607

 

 

 

1. 물체 위에 특정한 물질을 얇게 펴발라 덮어씌우는 것 [본문으로]
2. 원자력 발전소에서 핵분열을 통해 에너지를 발생시키는 원료인, 농축된 우라늄이나 플루토늄이 들어가있는 막대 형태의 구조물 [본문으로]
3. 매우 높은 압력과 온도에서, 물질이 기체, 액체, 고체를 넘어 그 물질을 구성하고 있는 입자들이 서로 분리되어 있는 '제 4의 상태' [본문으로]