모든 원소의 어머니 수소

위기에 빠진 지구와 인류 문명을 구해 낼 슈퍼히어로,

수소에 대한 모든 것

빅뱅으로 수소가 생겨났다고?

수소 에너지가 화석 연료를 대신할 수 있을까?

우주 로켓에 수소 연료가 쓰인다고?

수소차 개발은 어느 만큼 진행되었을까?

수소로 만드는 작은 태양은 언제 완성될까?

지구 온난화 문제의 돌파구이자 인류의 슈퍼히어로로 부상한 수소

지구 온난화의 피해가 극심해져 가는 요즘 우리는 수소에 관한 뉴스를 자주 볼 수 있습니다. 수소 산업, 수소 경제, 수소 모빌리티, 수소 연료, 수소 혁명 같은 것들입니다. 지구 온난화는 화석 연료를 많이 사용해 일어난 온실효과 때문에 벌어진 상황이므로 화석 연료를 대신할 에너지가 필요한데, 인류는 여전히 화석 연료에 많이 의존하고 있습니다. 어떤 연료와 에너지가 화석 연료를 대신할 수 있을까요? 그건 바로 수소입니다. 수소가 새로운 에너지 대안으로 주목받고 있기 때문입니다. 그러니까 수소는 위기에 빠진 지구와 인류 문명을 구해 낼 수 있는 슈퍼히어로인 셈입니다.

《궁금했어, 수소》는 가장 작고 가벼운 1번 원소인 수소의 모든 것을 다루고 있습니다. 우주와 함께 태어난 수소의 탄생부터 수소의 구조와 성질, 수소를 발견한 과학자들 이야기를 들려줍니다. 그리고 수소의 어떤 성질이 화석 연료를 대체할 수 있게 해 주는지, 화석 연료만큼 널리 손쉽게 쓰기 위해서 수소를 만들고, 저장하고, 운반하는 방법을 비롯한 수소 산업 이야기를 10대들 눈높이에 맞게 설명합니다. 또 가까운 미래에 실현될 꿈의 에너지, 수소 동위 원소를 원료로 이용하는 핵융합까지 친절하고 상세하게 일러 줍니다.

세상을 만드는 물질 중 첫 번째 원소 

아주 오랜 옛날부터 사람들은 이 세상이 무엇으로 만들어졌을지 궁금해했습니다. 탈레스는 이 세상을 이루는 근본 요소가 물이라고 생각했고, 아낙시메네스는 공기라고 여겼으며, 헤라클레이토스는 불이라고 주장했습니다. 

과학이 발달하면서 세상은 100개 정도의 원소로 만들어졌다는 것이 밝혀습니다. 원소 주기율표의 119개 원소 중 자연에 존재하는 것은 92개이고, 이 세상 모든 것은 이 원소들이 이리저리 연결되어 만들어졌습니다. 그중에서 가장 작은 원소가 바로 수소입니다.

수소는 원자핵에 양성자 1개만 가진 보통의 수소, 양성자 1개에 중성자 1개가 붙은 중수소, 양성자 1개에 중성자가 2개인 삼중 수소, 이렇게 세 가지 형태의 동위 원소가 존재합니다. 자연에 존재하는 수소의 99.98%가 중성자가 없는 보통의 수소이고 0.02%가 중수소입니다. 삼중 수소는 불안정해서 자연에 거의 존재하지 않고 인공적으로 만듭니다.

물이 풍부한 지구에서 수소는 무궁무진한 에너지

오늘날 세계는 해마다 1.2억 톤 정도의 수소를 생산하고 있습니다. 수소는 암모니아 생산(55%), 석유 정제(25%), 메탄올 생산(10%)에 주로 사용됩니다. 수소를 에너지원으로 쓰는 비중은 얼마 되지 않지만 다가올 미래에는 수소가 화석 연료의 빈자리를 메꿔 줄 중요한 에너지원이자 에너지 매개체로 활용될 예정입니다.

화석 연료 의존도를 낮추기 위해 이용하는 에너지에는 태양광 발전, 풍력 발전 등의 신재생 에너지가 있습니다. 이미 널리 많이 쓰이고 있지만, 이들 에너지는 날씨와 기후의 영향을 많이 받아 필요한 양보다 발전량이 적거나 너무 많을 수 있다는 단점이 있습니다. 발전량이 필요 이상으로 많을 때, 수소가 도움이 됩니다. 전기는 모아 두기 힘들지만, 남은 전기로 물을 전기 분해해서 수소로 만들면 보관이 쉬워집니다. 수소로 암모니아를 만들 수도, 암모니아를 다시 수소로 만들 수도 있습니다. 수소를 도시 가스에 섞으면 에너지 효율이 높아집니다. 철을 만드는 데 수소를 사용하는 방법도 계속 연구 중입니다. 이렇게 수소 활용법을 계속 늘려가면, 화석 연료를 덜 쓰면서도 지금처럼 에너지를 편리하게 사용할 수 있겠지요. 지구 대기 중에는 수소가 많지 않지만, 지구 표면의 3분의 2가 바다, 물로 채워져 있다는 것을 잊지 마세요.

서울대학교와 대학원에서 식품영양학을 전공했습니다. 식품과 생명현상 뒤에 숨어 있는 과학적 원리를 공부하는 데 흥미와 관심이 많습니다. 엄마가 된 이후에는 삶의 열정을 둘로 나누어 과학책을 읽고 번역하는 일과 두 아이를 키우는 일에 쏟았습니다. 그동안 《스피노자의 뇌》 《에덴의 용》 《일상적이지만 절대적인 화학지식 50》 《기발한 과학책》 《지구의 역사를 바꾼 9가지 자연재해》 등 과학 도서를 번역했으며, 아동 · 청소년 도서 《궁금했어, 영양소》를 썼습니다.

서양화를 공부하고 지금은 일러스트레이터로 활동하고 있습니다. 어떤 세상을 그리게 될지 항상 기대되고 행복합니다. 그린 책으로 《궁금했어, 탄소 중립》 《궁금했어, IT 기술》 《뉴스로 키우는 경제 지능》 《카메라 렌즈로 날아든 새들》 《흙에는 뭐든지 있어!》 《물, 어디든 흘러!》 등이 있습니다.

원자들은 원자핵과 전자로 이루어져 있고 원자핵 안에는 양성자와 중성자가 있어. 수소 원자는 원자 중에서도 가장 작고 단순한 원자라서 양성자 1개와 전자 1개로 이루어져 있단다. _ 본문 15쪽에서

수소의 경우 원자핵에 양성자 1개만 가진 보통의 수소(1H), 양성자 1개에 중성자 1개가 붙은 중수소(2H), 양성자 1개에 중성자가 2개인 삼중 수소(3H), 이렇게 세 가지 형태의 동위 원소가 존재해. 자연에 존재하는 수소의 99.98%가 중성자가 없는 보통의 수소(1H)이고 0.02%가 중수소(2H)야. 삼중 수소(3H)는 불안정해서 자연에 거의 존재하지 않고 인공적으로 만들지. _ 본문 19쪽에서

우주가 팽창하면서 온도가 조금 내려가자 기본 입자인 쿼크들이 모여서 양성자와 중성자를 만들었어. 이때까지 걸린 시간이 단 3분이라고 해. 우주가 계속해서 더 식으니까 자유롭게 떠다니던 전자(렙톤의 일종)들이 양성자에 붙잡혀서 전자 1개가 양성자 1개의 주위를 도는 관계를 맺게 되었어. 그 결과 우리의 주인공 수소가 나타났지. 같은 방식으로 전자 2개가 헬륨 원자핵에 붙잡혀 헬륨(He) 원자를 만들었어. 이게 우주 탄생 후 약 38만 년이 지났을 즈음이야. _ 본문 27쪽에서

수소 분자는 보통 온도에서 기체 상태로 존재해. 그렇다면 우리가 숨 쉬는 공기 속에 수소 기체는 얼마나 들어 있을까? 0.00005% 정도야. 거의 찾아보기 힘들 만큼 적은 양이지? 대기에 가장 풍부한 기체는 질소인데 거의 80% 정도를 차지하고 있어. 다음은 산소가 20% 정도고. 세 번째로 많은 기체인 아르곤은 1%도 채 되지 않아. 그 밖에 다른 기체들은 그보다 훨씬 더 적은 양이지. 수소는 그중에서도 매우 적은 편이고. _ 본문 41쪽에서

수소 연료 전지가 환영받는 이유 중 하나가 연료를 태우는 연소 과정이 없어서 이산화탄소는 물론이고 질소산화물, 황산화물 등 유해 물질이 생기지 않고 오직 깨끗한 물만 나온다는 점이야 .

연료 전지 하나의 출력은 매우 작지만 이런 전지들을 겹겹이 포개 놓으면 직렬로 연결하는 효과가 있어서 전압 차가 커지고 자동차를 움직이거나 주변에 전기를 공급하기에 충분할 만큼 전기를 생산할 수 있어. 이렇게 전지를 겹겹이 포개 놓은 것을 ‘스택(stack)’이라고 해. _ 본문 92쪽에서

수소를 만드는 방법은 여러 가지야. 그런데 수소 에너지 개발의 목적이 지구 온난화를 막기 위해서인데 수소를 만드는 방법 중 일부는 오히려 온실가스 배출의 원인이 되고 있어. 그래서 똑같은 수소지만 어떻게 탄생했는지에 따라 지구와 인류에게 좋은 수소와 지구 온난화에 일조하는 나쁜 수소로 나누고 꼬리표를 붙이는 거야. 그래야 점점 더 좋은 수소로 세상을 채워 나갈 수 있겠지? 수소의 꼬리표는 색깔로 나타내. _ 본문 109쪽에서

수소는 불에 잘 타는 물질이야. 그런데 불에 잘 타는 특성(가연성)과 불이 잘 붙는 특성(인화성)은 구분할 필요가 있어. 대부분 가연성이높은 물질이 인화성도 높지만 두 특성이 항상 같이 움직이지는 않아. 예를 들어 종이나 나무는 가연성은 높지만, 인화성은 별로 높지 않지. 인화성을 결정하는 특성은 스스로 불이 붙을 수 있는 온도(인화점), 그리고 가스가 공기와 혼합되어 폭발할 수 있는 가스와 공기의 비율인데, 이것을 ‘폭발 한계’라고 하지. 수소는 메테인이나 에테인, 프로페인, 뷰테인과 같은 연료 가스에 비해 인화점이 낮고 폭발 한계 범위가 넓어서 인화성이 특히 높아. _ 본문 117쪽에서

핵융합이 일어나려면 일단 원자핵들끼리 부딪혀야 해. 그런데 1장에서 살펴본 수소 원자의 모습을 상상해 봐. 텅 빈 공간의 한가운데 아주 작은 원자핵이 있고 그보다 훨씬 더 작은 전자가 멀리서 원자핵을 돌고 있지. 보통 원자핵에 접근하려면 일단 전자의 경비를 뚫어야 해. 그건 온도를 높여서 ‘플라스마’ 상태를 만들어서 해결할 수 있어. 플라스마는 고체, 액체, 기체에 이어 제4의 물질 상태라고도 부르는데, 물질을 높은 온도로 가열하거나 전기장을 걸고 에너지를 가해 원자핵과 전자가 분리된 상태를 말해. _ 본문 138쪽에서