높은 천연가스 가격으로 인해 암모니아 비료 비용이 상승하고 우크라이나 전쟁이 우크라이나와 러시아의 올해 농작물을 위협하는 등 세계식량위기가 다가 오고 있다. 이 위기를 잘못 처리한 결과는 끔찍할 수 있다.

복잡성 이론가인 Yaneer Bar-Yam의 연구에 따르면 높은 식량가격은 폭동과 직접적인 관련이 있다. 높은 식량 가격은 2011년 '아랍의 봄', 2007년 멕시코 '토르티야 폭동' 및 기타 수많은 불안 사건을 촉발했다. 이제 우리가 글로벌 공급을 관리할 수 없다면 새로운 혼돈의 물결에 직면할 수 있다.

대체로 사람들은 단 하나의 발명품에 생명을 빚지고 있다. 바로 천연가스와 공기만을 사용하여 값싼 암모니아 비료를 대량 생산할 수 있는 능력이다. 질소는 우리 몸이 살아가는 데 필요한 단백질을 만드는 데 필수적이다. 질소 분자는 우리가 호흡하는 공기의 약 80%를 구성하지만 원자 쌍의 형태로 잠겨 있기 때문에 대부분의 생물은 우리 자신을 포함하여 우리가 필요로 하는 질소에 직접 접근할 수 없다.

대부분의 역사에서 비료는 동물 배설물에서 얻었고, 더 최근에는 현재 칠레 북부에 해당하는 아타카마 사막에서 발견되는 것과 같은 천연 질산염 퇴적물을 채굴하여 얻었다. 그러나 1900년대 초반에 불과 몇 년 동안 우리가 질소를 얻는 방법은 극적인 변화를 겪었고 그 결과는 오늘날에도 여전하다.

질소 파괴

1880년 볼리비아 및 페루와의 전쟁에서 칠레가 승리하면서 아타카마 사막의 소유권은 단일 국가의 손에 넘어갔다. 아타카마는 지구상에서 가장 건조한 곳 중 하나이다. 지질학자들은 사막 토양을 통해 천천히 스며들고 증발한 질소함유 지하수가 질산나트륨이 주입된 토양층의 원인이 된다고 제안한다. 이것은 비료와 화약 및 폭발물 생산에 모두 유용한 소금이다.

격변의 패턴은 기술이 여러 부문에 걸쳐 융합될 때 격변이 발생한다는 것을 보여준다. 이 경우도 예외는 아니었다. 1800년대 후반과 1900년대 초반에 이러한 적대적인 환경에서 이러한 자원을 경제적으로 개발할 수 있었던 능력은 여러 요인의 수렴에 기인했다.

1860년대 후반에 발명되어 1870년대에 널리 보급된 다이너마이트 덕분에 토양에 대한 접근이 더 쉬워졌다. RH Whitbeck은 1931년 에 "덮인 재료에 구멍을 뚫고 바닥에서 화약이나 다이너마이트를 발사한다. 폭발은 주변의 어떤 거리에 대한 질량을 산산조각낸다.”

그리고 James Watt에 의해 근본적으로 더 효율적으로 만들어진 증기동력은 특히 1800년대 후반에 운송비용을 저렴하게 만들었다. 그런 다음 증기동력 기계로 인해 질산염 함유 토양층을 더 쉽게 채굴할 수 있었다. 그런 다음 증기동력 철도는 고원에서 해안으로 더 쉽게 운송할 수 있게 해주었다.

1890년대까지 Whitbeck은 "칠레산 질산염은 세계에서 사용되는 무기 질소의 약 4/5를 공급했다."라고 보고한다. 칠레 정부는 빠르게 이 단일 산업에 위험할 정도로 의존하게 되었다. 질산염 광업은 1880년 정부 수입의 10% 미만을 차지했지만 불과 10년 후인 1890년에는 50%를 넘어섰다. 불과 몇 년 후 70%에 육박했고 1차 세계대전이 발발할 때까지 50% 이상을 유지했다.

이것은 세계 산업 식품생산의 급속한 확장에 중요한 역할을 했다. 그러나 질산나트륨 광상을 채굴하는 시대는 오래 가지 않을 것이다. 수출은 1929년에 최고조에 달한 후 다음 4년 동안 85% 폭락했으며 다시는 1920년대의 최저 수준을 되찾지 못했다.

질소 파괴는 간단히 말해 질소를 얻는 새로운 방법의 발명에 의해 중단되었다. 질소를 채굴하는 것보다 저렴하고 지구상 어디에서나 거의 무제한으로 수행할 수 있는 방법이다. 

합성 비료로 '공기에서 빵' 가능

1909년 화학자 Fritz Haber는 공기와 메탄(천연 가스)을 결합하여 질소 함유 암모니아를 생성할 수 있음을 입증했으며, The Alchemy of Air 의 저자인 Thomas Hager는 이를 "지금까지 이루어진 가장 중요한 발견"이라고 불렀다. 1860년대에 인공 염료를 생산하기 위해 설립된 BASF 회사는 Haber의 공정에 대한 권리를 구입했고 BASF 화학자 Carl Bosch는 산업 규모의 생산을 개발하기 시작했다.

사이먼 핸슨(Simon Hanson)은 1951년 자신의 저서 중남미 경제 발전에서 "1918년까지 독일은 자급자족했고 다른 선진국들은 자급자족을 향해 나아가고 있었으며 독일은 전쟁이 끝나면 수출 시장에 진출할 준비가 되어 있었다. 1920년부터 1933년까지 질소산업에서 진정한 혁명이 일어났다. 주요 산업국가들은 공중에서 합성 암모니아의 대량생산을 서두르고 있다. 세계 질소 생산 능력은 160만 톤에서 거의 500만 톤으로 3배 이상 증가했다. 세계 소비량도 같은 기간 두 배 이상 증가한 것은 사실이지만 칠레 생산량은 연간 430,000톤에서 76,000톤으로 감소했다.”

우리의 '파괴 패턴'에서 여러 번 보았듯이 기존 칠레 질산염 생산업체는 처음에는 합성 암모니아가 비즈니스에 미치는 위협을 경시했다.

RH Whitbeck은 1931년에 "한동안 질산염 생산자와 정부 관리들은 합성 질소로 인한 위험이 전혀 없다고 주장했다.  그러나 [제1차] 세계 대전 이후 상황은 점점 달라졌다. 전쟁 전 가장 큰 구매자인 독일은 필요한 모든 질소를 스스로 만들고 잉여분을 수출하고 있다.”

칠레의 질산염 수출을 위협하는 것은 독일만이 최대 고객에서 주요 경쟁자로 변한 것이 아니다. 내연기관으로 작동하는 기계로 인한 농업의 기계화도 마찬가지였다.

칠레 광부들은 '천연' 질산염이 합성 질소원보다 우수하다고 생각했다. 실제로는 그 반대였다. 기계화된 농기계에는 균일한 입력이 필요했기 때문이다.

Shippensburg University의 Paul Marr는 2007년 'Ghosts of the Atacama'라는 기사에서 "미국 농업은 기계화되었으며 20세기로 접어들면서 기계화 농업에 천연 질산염비료를 사용하는 것은 비실용적이었다."라고 썼다.

경제적으로 남아메리카에서 채굴되어 전 세계로 운송되는 질소는 공기에서 직접 채취한 질소와 경쟁할 수 없었다. 예를 들어, 1926년에 질산나트륨은 20파운드에 3.27달러에 팔렸지만 이 무게의 일부만이 원하는 질소이다. 합성 암모니아는 20파운드에 1.75달러에 팔렸는데, 이는 5배 더 많은 질소를 함유한 제품의 파운드당 가격의 절반도 안 되는 가격이다. 즉, 달러당 달러 기준으로 구매자는 질산나트륨보다 합성 암모니아에서 약 10배 많은 질소를 얻었다.

이것 역시 우리의 '파괴 패턴'의 일부이다. RethinkX의 공동 창립자 Tony Seba는 “ 10X는 항상 혼란을 야기했다. 이는 반복한다. 동일한 제품이나 서비스에 대한 비용의 10배 차이는 항상 혼란을 야기했다.

합성 암모니아 산업의 성장은 엄청났다. 위의 그래프는 미국 생산량만을 나타낸 것이지만, 이러한 통계를 집계하는 정부기관인 미국지질조사국에 따르면 세계 생산량은 미국 생산량의 3~5배였다. 제2차 세계 대전 당시 전 세계적으로 질소 생산량은 광산에서 생산된 것보다 많았으며 계속해서 극적으로 증가할 것이다.

전 세계 인구에 대한 합성 암모니아 생산의 영향은 심오했다. 오늘날 살아있는 대다수의 사람들이 값싼 합성비료 덕분에 존재한다고 말하는 것이 타당하다. 세계 인구는 이제 80억 명에 육박하고 있다.

극적으로 증가한 것은 인간 인구만이 아니라 축산업 동물도 마찬가지이다. 과학자들은 이제 지구상에 있는 포유류의 97%(무게 기준)가 인간과 포유류 가축이라고 추정한다. 그리고 그것은 현재 지구상 새의 약 70%인 닭과 기타 양식 가금류를 포함하지도 않는다.

이 모든 것에는 정치적, 환경적 비용이 수반되었다. 우크라이나와 같은 곳을 외부인에게 유혹하게 만든 것은 바로 우리의 농업 성공이다. 우크라이나는 경작지 면적과 암모니아 생산 모두에서 유럽 최초이며 보리, 옥수수(옥수수), 감자, 호밀, 밀, 닭고기, 치즈를 생산했다.

질소 함유 폐기물의 관리는 그 자체로 중요한 환경문제가 되었다. 과도한 비료로 인한 유출수는 위험에 처한 종을 지원하기에 충분한 식량을 생성하지 못 하거나 '바다 '데드 존'을 만들었다.

그러나 이제 우리는 식품 생산의 새로운 혁명의 첨단에 서 있다. PF(Precision Fermentation)는 소 없이 우유를 만들고 닭 없이 계란 흰자를 만들 수 있게 해준다. 닭을 죽이지 않고 기른 닭고기는 이미 판매되고 있다. 우리의 이전 작업 중 일부는 정밀발효 및 세포 농업이 훨씬 적은 양의 곡물 투입으로 육류, 유제품 및 기타 제품을 생산할 수 있으므로 비료 사용이 훨씬 적다는 것을 보여주었다.

전 세계적 으로 우리가 재배하는 곡물의 절반 미만이 인간이 식량으로 사용한다. 우리가 재배하는 대부분의 곡물은 육류 생산에서 동물사료로 사용되며 연료 첨가제로 에탄올을 만드는 데 사용된다.

100년 전에 우리는 질소를 저렴하고 대량으로 얻는 방법에 대한 문제를 해결했다. 그러나 이를 중심으로 발전한 식량 체계는 한계에 다다랐다. 이제 우리는 방정식의 나머지 절반을 해결해야 한다. 가능한 최소한의 입력으로 우리가 필요로 하고 원하는 식품을 생산해야 한다. PF 생산을 가속화하면 이를 수행하는 데 도움이 될 수 있다.