과학이란 누가 어떻게 이용하는지에 따라서 이중적인 모습을 보인다. 그리고 인류의 식량 문제를 해결했지만 세계1차대전대 독일을 위한 독가스 개발에 참여한 프리츠 하버 또한, 그런 이중적인 모습을 보인다.
1868년 독일에서 태어난 프리츠 하버(Fritz Haber, 1868년 ~ 1934년), 그는 인류의 인구수가 급격히 증가 하는 시기 저소득층의 인구를 줄여야한다는 맬서스의 인구론을 정설로 받아 드리던 시기에 태어났다. 당시 이러한 이론이 정설로 통하던 이유는 19세기 당시의 유럽은 폭발적인 인구의 증가로 인해서 기존의 농업 방식으로는 해결할 수 없는 식량 문제가 발생하게 되었다. 그것은 땅속의 식물이 자라기 위해서는 질소 화합물이 필수적으로 필요한데 지속적인 농사로 인해서 땅속의 질소 화합물이 양이 점점 줄어들기 때문이였다. 처음에는 인광석 즉, 바다새의 배설물들이 퇴적되어 굳어진 광석에서 질산염을 추출하여서 질소비료로 사용을 하였다. 하지만, 이것은 퇴적물이기 때문에 공급량이 한정적일 수밖에 없었고 당시의 과학지들은 인공질소 비료를 합성하는 연구를 진행하게 되었다.
당시의 과학자들은 번개가 칠 때 산화질소가 만들어진다는 사실을 발견하게되면서 전기를 통해서 질소 비료를 만들기위한 시도를 하게 된다. 하지만, 산화질소가 생성되는데 필요한 전기 스파크의 온도는 2000도가 넘었기 때문에 산화질소를 생성하는 것은 불가능에 가까웠다. 그래서 과학자들은 공기의 대부분을 차지하는 질소를 수소와 반응 시켜서 암모니아를 만드는 방법을 연구하게되었다. 암모니아를 만든뒤 질산칼륨으로 다시 전환시키면 질소 비료로 사용할수있기 때문이였다. 그러던 중 1908년 하버가 자신의 조교 였던 로시놀(Robert Le Rossignol, 1884~1976) 과 함께 암모니아를 높은 압력에서 합성하는 방법을 고안 하였다. 이 방법은 “르 샤틀리에의 원리(Le Chatelier’s principle)”를 고안 한 것이다. 르샤틀리에의 원리(Le Chatelier’s principle)는 화학 평형 상태의 화학계에서 농도, 온도, 부피, 부분 압력등이 변화할 때, 화학 평형은 변화를 가능한 상쇄시키는 방향으로 움직여 화학 평형 상태를 형성한다라는 것으로 질소와 수소를 사용하여서 암모니아를 만들때의 반응식 N2 + 3H2 -> 2NH3를 보면 질소와 수소에서 암모니아를 만들 때 부피를 줄이면서 압력을 높이는 방법으로 일어나는데 이때 공정에서의 압력을 높여주면 암모니아의 생성률을 높일수 있다. 프리츠 하버는 높은 압력에서 희귀금속인 오스뮴을 촉매로 사용하여서 암모니아를 합성하는데 성공했다. 그리고 이로 인해서 프리츠 하버는 ‘공기에서 빵을 만드는 사나이’ , ‘20세기의 염금술사’ 등의 찬사를 받게 된다.
그리고 당시 독일 최대의 화학회사였던 바스프(BASF)는 암모니아 합성의 산업화 과정을 카를 보슈(Carl Bosch, 1874~1940)와 알빈 미타슈(에게 맞기게 되었다. 연구를 시작한 후 바스프(BASF)가 전세계에 있는 대부분의 오스뮴 가루를 사드리기도 했으나(당시 바스프(BASF)가 사드린 오스뮴 가루는 약 100kg), 처음에 촉매로 사용하였던 오스뮴 가루는 너무 희귀했으므로 그들은 새로운 촉매를 찾아야했고 계속된 실험 끝에 그들은 철 산화물에 다른 금속의 산화물을 조금 첨가한 촉매 조성을 찾게 된다. 그리고 1913년 9월 9일부터 암모니아 공장에서는 하루에 3t에서 5t의 암모니아를 생성할 수 있게 되었다. 물론 이 과정에서 질소와 반응시키는데 필요한 수소를 얻는데 메테인이 필요하고 그 과정에서 이산화탄소가 매우 많이 발생한다는 문제가 생긴다. 물론, 물을 전기분해해서 수소를 만들면 된다고 생각 할수있지만 이것은 화학 산업이고 전기분해를 사용하여서 수소를 많이 만든는 것에는 큰 비용이 필요하기 때문에 전기분해를 통해서 수소를 만들수는 없다.
이후에 이 합성 방법은 하버-보슈법으로 불리게 된다. 지금 사용되는 화학비료의 40%가 하버-보슈법을 통해서 만들어지고 있고 이 발견이 없었다면 24억명의 인구가 기아로 인해서 죽었을것이라고 한다. 그리고 현재 인류가 사용하는 에너지의 2%가 암모니아 합성에 사용되고 있다고 하니 하버의 발견이 프리츠 하버의 발견이 인류에게 얼마나 지대한 영향을 끼쳤는지 알 수 있다. 그리고 이 발견은 프리츠 하버를 인류의 구원자라고 할 수 있을 것이다.
그러나 그 이후 프리츠 하버는 일생의 가장 큰 오점을 남기게 되었다.제 1차 세계대전이 발생하게 되고, 전쟁이 나자 하버는 전쟁을 지원하는 화학부서의 책임을 맡아 무기 개발 연구를 시작하게 되었다. 하버는 처음에 화약을 제조하는데 필요한 질산 칼륨을 제조하게 되었다. 인류를 구원해낸 기술이 전쟁을 위한 기술로 바뀌게 되는 일이였다. 그뿐만이 아니라 하버는 전쟁용 독가스를 개발하는 비밀부서의 총 책임자가 되어서 독가스를 개발 해내게 된다. 원래 당시 살상용 가스무기는 국제법으로 제한이 되어있었지만, 그는 가스를 폭탄에 넣고 쏘는 화포류는 제한되지 않았다는 점을 이용하여서 국제법을 교묘하게 회피하였고 그는 당시 독일의 전반적인 체계를 유지하기 위해서는 하버의 업적으로 만든 화학 기술들이 사용되어야 하면서 하버는 권력을 가지게 된다. 그러자 그는 당시 사람들에게 독가스의 사용을 강요하게 된다. 또, 하버는 그의 기술을 이용하여서 암모니아를 합성하는 공장은 폭탄의 재료를 만드는데 사용하게 된다. 그리고 그는 1915년 연합군과 벨기에의 이프르에서의 전투때 염소가스를 살포하면서 5000명의 연합군이 사망하고 15000명의 연합군이 가스 중독에 빠지게 되었다. 그리고 하버의 아내이자 또 다른 화학자였던 클라라 임머바르는 하버가 독가스를 개발하여서 전쟁에 사용하는 것을 강하게 반대하였고 그녀는 이 전투이후에 자살 하게 되었다. 그럼에도, 하버는 독가스 연구에 더욱 매진하여서 염소가스보다 더 사용이 편한 포스겐 가스를 개발하게 된다. 그로 인해서 그는 ‘화학무기의 아버지’라는 불명예스러운 오명을 쓰게 되고 동시에 전범인이 되게 된다.
그러던중 하버는 1918년 노벨 화학상을 받게 된다. 당시 1914년에서 1919년까지의 수상자들은 모두 1920년에 수상을 하였다. 이때 1918년 노벨화학상 수상자는 하버였고 이유는 그의 암모니아 합성연구였다. 이 사실이 발표된후 여러 과학자들은 큰 반대를 했다. 그 이유는 그가 전범이 였기도하고 연구 초기에 공헌을 한 로시놀, 암모니아를 대량으로 생산을 하는데 공헌한 보슈, 미타슈와의 공동수상이 아닌 하버의 단독 수상이 였기 때문이다. 그리고 이는 아직까지도 이해를 할수 없다고 한다.
그렇다면 인류를 구하기도 하고 죽이기도 한 프리츠 하버의 말년은 어땠을까? 우선, 그는 독일인 이기 전에 유대인이였다. 히틑러의 나치당이 독일을 지배하자 그는 독일에서 자리를 잃고 영국의 케임브리지 대학의 교수로 초빙을 받아서 영국으로 떠나게 된다. 그러나 영국에는 제 1차 세계대전 참전자들이 많이 있었고 그 결과 하버는 정신적인 고통을 겪게 된다. 그후 그는 같은 화학자이자 이후 이스라엘의 초대 대통령이 되는 하임 바이츠만에 의해 새로 창립되는 다니엘 시프 연구소(Daniel Sieff Research Institute, 지금 이스라엘의 Weizmann Institute of Science)의 소장을 맡아 달라는 제안을 받아 영국을 떠난다. 그리고 그 여정 도중 1934년 스위스에서 심장마비로 사망하게 된다.
그의 아내 클라라 임머바르가 “과학자에겐 생명의 통찰력을 지녀야할 의무가 있다” 라는 말을 했다고 한다. 그리고 하버는 이러한 과학의 이상을 왜곡시켰다. 그는 자신의 능력을 활용해서 인류를 구원했지만 그후그는 자신의 능력을 사용해서 수많은 인류를 죽였다. 물론, 다른 과학자들의 연구결과가 전쟁에 사용되기도 한다. 하지만, 하버는 그들과는 다르게 자신의 연구가 전쟁에 사용되는 것에 앞장서있기 때문에 그의 업적이 인정받기 힘든 것이다. 그가 영국으로 갓을 당시 사람들은 그에게 “그는 머리는 좋지만 정신은 썩어있다”는 말을 했다고 한다. 이첨럼 그의 예시는우리가 앞으로 과학을 대할 때 과거의 결과를 통해서 다시는 이러한 일이 일어나지 않도록 주의해야 한다는 것이다.
원하던 케미 2019 봄호
작성자: 18-103 정윤재
분야: 유기화학
참고문헌:
[1] ‘공기로 빵을 만든다고요?’ 여인형 저
[2] 시사IN‘생명을 살리고 죽인 두얼굴의 과학자’ 김형민 저
[3] KISTI의 과학향기 ‘암모니아 합성법의 두얼굴’
[4] The Father Of Poison Gas - Fritz Haber I WHO DID WHAT IN WW1? ‘The Great war’ 유튜브
이미지:
[1]https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%94%84%EB%A6%AC%EC%B8%A0_%ED%95%98%EB%B2%84
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