“미래 우주 산업에서 식량 생산은

선택이 아니라 필수다.”

─일론 머스크, 테슬라·스페이스X CEO

다가올 우주 거주 시대,

지구 밖에서 '먹고사는' 문제를

어떻게 해결할 것인가?

 

★ 서울대 농업생명대학 강병철 교수 추천 ★

★ 경상국립대학교 김현태 소장 추천 ★

★ 월간 《과학동아》 이영혜 편집장 추천 ★

 

미국의 유인 우주선 아폴로 11호가 최초로 달 착륙에 성공한 이래, 인류는 우주 개척에 더욱 박차를 가하고 있다. 이제는 달을 넘어 화성 표면까지 무인 탐사선을 보냈고, 머지않아 사람도 보낼 계획을 세우고 있다. 스페이스X의 일론 머스크는 가까운 미래에 화성 이주 프로젝트를 실현하겠다는 '원대한' 꿈을 발표하기도 했다. 실제로 NASA를 비롯한 우주 연구자들도 장기적인 화성 거주 프로젝트를 구체적으로 검토하고 있다.

달이나 화성에서 인간이 살아가려면 우선 적절한 거주 환경이 조성되어야 한다. 수많은 조건을 고려해야 하겠지만 무엇보다 식량 생산과 공급이 원활하게 이루어져야 한다. 이 책 『우주 농업』에서는 인간이 우주 탐사선이나 행성 표면과 같은 우주 공간에서 식량 생산 문제를 어떻게 해결할 수 있을지 그 가능성을 고찰해 본다. 온실부터 수경 재배, 수직 농장까지 인류가 지금까지 쌓아 올린 농업 기술을 총동원해 우주에서 식량을 생산할 방법을 다각도로 모색한다. 특히 지구처럼 생명체가 살 수 있는 행성을 만드는 '테라포밍' 작업에도 우주 농업 기술이 적극적으로 활용될 것으로 보인다. 이 책은 앞으로 이루어질 우주 개발에 관심 있는 독자들은 물론이고, 농업의 미래를 고민하는 독자들에게도 유용한 로드맵을 제공해 줄 것이다.

 

“기발하다. '우주 농업'이라니, 화성에 감자를 심는 SF 이야기인가 싶을지도 모른다. 하지만 몇 장을 넘기다 보면 생각이 달라질 것이다. 우주 농업은 기발한 상상이 아니라, 인류가 우주로 나아가기로 마음먹은 이상 피할 수 없는 과제다.

지구 농업의 역사에서 출발해 온실, 수경 재배, 수직 농장으로 이어지는 책의 초반 흐름은 우리에게 그리 낯설지 않다. 흥미로운 지점은 익숙한 기술들이 우주라는 극한 환경에서 다시 불려 나오는 방식이다. 밀폐 생태계 실험과 테라포밍으로 이어지는 설명을 따라가다 보면, 우주 농업은 새로운 발상이라기보다 이미 지구에서 시작된 연구의 연장선이라는 점이 분명해진다.

우주를 향한 인류의 다음 단계를 궁금해하는 독자에게는 미래를 가늠해 볼 수 있는 지도를, 지구의 농업과 생태를 고민하는 독자에게는 생각의 범위를 넓혀주는 책이다.”

─이영혜, 《과학동아》 편집장

[목 차]
  

머리말

프롤로그: 우리는 어디로 가는가

 

1장　인류 문명을 개척한 농업의 역사

농업의 역사

온실의 설치와 발달

온실 내부 환경의 특성

수경 재배의 발달

수직 농장의 등장

수직 농장 내부 환경의 특성

수직 농장의 운영

극한 환경에서 만들어진 수직 농장

 

2장　우주 환경에서 식물은 어떻게 자라는가

우주 공간

달

화성

태양계 천체

태양계 외부 천체

 

3장　우주 농업, 우주 개척의 발판을 마련하다

생명지원시스템

물질의 순환

기체의 재활용

액체의 재활용

고체의 재활용

밀폐 생태계 생명지원시스템

바이오스피어 2

 

4장　우주 농업의 핵심 기술, 테라포밍

골디락스 존

패러테라포밍

월면 유인 탐사 기지

화성 유인 탐사 기지

화성 테라포밍

 

에필로그: 우주 농업의 미래

참고 문헌

[본 문]
  

■요즘에도 물만 주면 식물이 자란다는 생각을 가진 사람들이 많다. 17세기까지 대부분의 사람들도 그렇게 생각했다. 영국의 지질학자 존 우드워드John Woodward, 1665~1728는 스피어민트에 여러 종류의 물을 주며 재배했다. 증류수와 같은 순수한 물만 공급했을 때보다 템스강의 물이나 생활 하수, 잘 가꾼 정원의 흙을 섞은 흙탕물을 공급했을 때 스피어민트가 더 잘 자랐다. 사람들은 식물이 물만 흡수하는 것이 아니라 물속에 들어 있는 다른 무언가를 흡수한다는 사실을 어렴풋하게나마 알게 되었다. 1929년 미국 캘리포니아 농업연구소의 윌리엄 게리크(William F. Gericke, 1882-1970) 박사는 물탱크에 비료가 섞인 물을 채우고 토마토를 길렀다. 식물의 뿌리에 물과 양분을 적절하게 공급하면 식물을 땅에 심지 않아도 된다는 것이 분명해졌다. 그는 그리스어로 '물'을 뜻하는 hydro와 '노동'을 뜻하는 ponos를 결합해 수경 재배(hydroponics)라는 용어를 만들었다. 수로에서 작업한다는 뜻을 지닌 수경 재배는 토양을 이용하지 않거나 대체품을 사용해 식물의 생육에 필요한 물과 양분을 공급하면서 식물을 기르는 행위를 의미하게 되었다. _55쪽

 

■인류는 농사를 짓기 위해 평평한 땅에서 긴 세월을 보냈다. 이제 인류는 잊고 지냈던 수직 방향으로 농업의 범위를 확장하려고 한다. 수직 방향으로 토지를 여러 층 쌓겠다는 개념은 1909년 잡지 《라이프》에 앨런슨 워커(Alanson Burton Walker, 1878~1947)가 만화를 그려 제안한 것이 최초라고 알려져 있다. 네덜란드의 유명한 건축가 렘 콜하스Remment Lucas Koolhaas, 1944~는 앨런슨 워커의 그림을 책에 실어 널리 알렸다. 문제는 개념의 제안만 이루어졌을 뿐 실제 농업을 수행할 수 있는 기술에 관해서는 논의하지 않았다는 것이다. 1915년 미국의 지질학자 길버트 베일리(Gilbert Ellis Bailey, 1852~1924)는 자신의 저서 『수직 농업(Vertical Farming)』에서 처음으로 수직 방향에 집중하는 농업의 의미를 언급했다. 그는 토양의 관리 측면에서 수직 방향에 집중해야 한다는 사실을 강조했다. 쟁기질과 같이 수직 방향으로 토양을 교란하는 기술은 토양 입자의 표면적을 넓혀 농업 생산성을 향상시킬 수 있다고 보았다. 조금 더 나아가 쟁기와 같은 농기구 대신 폭발물을 이용해 토양을 교란시킬 필요가 있다고 주장했다. 그는 지금보다 더 깊은 지하에서 농사를 지을 수 있기를 희망했다. 수직 방향의 농업이기는 했지만, 위쪽이 아닌 아래쪽 방향으로의 농업을 꿈꾼 것이다. 결국 그의 저서에서 여러 층으로 토지를 쌓는 개념은 등장하지 않았다. _61~62쪽

 

■2020년대에 들어서 세계 각국의 연구진은 인공 토양과 유기물의 비율을 조정해 작물 재배에 적합한 전략을 찾기 위해 노력하고 있다. 달의 토양과 함께 화성의 토양을 인공적으로 재현해 화성 토양에서 작물을 재배하는 것이 가능한지 여부를 확인하는 중이다. 현재까지 연구 결과들은 적어도 달과 화성의 토양에서는 유기물을 보충한다면 작물을 충분히 재배할 수 있다는 희망적인 소식을 전해준다. 그러나 토양을 제외한 다른 환경 요인들은 달에서 작물을 재배하는 일이 쉽지 않다는 것을 보여준다. 극히 낮은 대기압과 극단적인 밤과 낮의 온도 차, 낮은 표면 중력 등은 아직도 해결해야 할 과제로 남아 있다. 만약 달에서 작물을 재배하는 최초의 시도가 벌어진다면, 인공적으로 건설된 밀폐 시설 내부에서 달의 토양만을 이용해 재배하는 방식이 될 가능성이 높다. _122~123쪽

 

■먼지가 자욱한 화성의 대기로 인해 푸른빛이 많아지면, 화성에서 식물을 재배할 때 지구와는 조금 다르게 자랄 수 있다. 식물이 광합성에 사용하는 빛은 여러 파장대에 걸쳐 있지만, 가장 효과적인 것은 붉은빛이다. 엽록소는 붉은빛에 가장 민감하며, 광합성의 에너지원으로 많은 양을 사용한다. 붉은빛을 받으며 자란 식물은 얇고 넓은 잎 형태를 만들고 키가 커진다. 그러나 붉은빛만 받으면 힘없고 축 처진 식물로 자랄 수 있다. 지구에 도달하는 태양광을 모방해 약간의 푸른빛을 섞어주면 식물은 정상적인 모양으로 자란다. 푸른빛은 파장이 짧아 큰 에너지를 가지며, 조금만 있어도 식물의 생육에 큰 영향을 미친다. 푸른빛이 많아지면 많아질수록 식물은 점점 더 진한 색의 두꺼운 잎을 갖게 되고, 크기가 작아진다. 만약 화성에서 태양광을 이용해 상추를 기른다면 삼겹살을 싸 먹기에는 조금 작다고 느낄지도 모른다. 그러나 토마토 같은 작물은 오히려 푸른빛이 많을 때 키가 커진다. 어쩌면 화성에서 기르기에 적합한 작물은 우리가 평소에 먹는 종류가 아닐지도 모른다. 그러나 화성에서 작물을 재배하는 길은 아직도 멀다. 지구상에 쏟아지는 태양광은 제곱미터당 1,000W 정도의 에너지를 갖는다. 반면, 화성 표면에 쏟아지는 태양광은 바이킹 탐사선이 착륙한 지점에서 제곱미터당 300W 수준으로 나타났다. 화성은 지구에 비해 어두운 환경이라는 말이다. 만약 화성에서 작물을 재배하려면 빛이 조금 적더라도 잘 자랄 수 있는 종류를 선택해야 한다. _131~132쪽

 

■우주에서 장기간의 임무 수행을 위해 구축되는 생명지원시스템은 궁극적으로 밀폐 생태계의 원리를 이용해 안정된 상태를 만들고자 노력한다. 이 안에서는 탄소 순환과 수분 순환 등 다양한 물질의 순환이 완결된 형태의 고리 구조를 형성해야 한다. 이때, 최초로 공급한 것 이외에 임무 수행 중간에 재보급이 최대한 이루어지지 않는 것이 좋다. 지구에서 멀리 떨어진 천체로 나아갈수록 우주 공간의 항해에 많은 시간을 소비해 재보급이 어렵기 때문이다. 따라서 지구 외의 천체에 구축되어 장기간 유지되는 대부분의 우주 기지에는 밀폐 생태계 생명지원시스템(closed or controlled ecological life support system, CELSS)의 원리를 사용한다. 밀폐 생태계 생명지원시스템은 최대한 효율을 높이기 위해 물리화학적 재생 방식과 생물학적 재생 방식을 모두 사용하는 형태로 구성된다. 밀폐 생태계 생명지원시스템은 밀폐된 공간 안에서 생명을 지원하고자 하는 목적을 위해 내부 환경을 조절할 필요가 있기 때문에 환경 제어 생명지원시스템으로 불리기도 한다. 이 안에는 임무를 수행하는 사람을 포함해 동물, 식물, 미생물 등이 들어가게 되며, 특수한 물질의 재처리를 목적으로 물리화학적 재생 장치 등이 설치된다. _199~200쪽

 

■적지 않은 시간을 들여 인류가 지구 근처의 행성에 도달하더라도 근본적인 문제는 해결되지 않는다. 금성이나 화성은 가까스로 골디락스 존 안에 들어오지만, 실제로 행성의 표면은 생명체가 살기에 적합한 환경이 아니다. 지구의 위성인 달도 마찬가지다. 이러한 불모의 행성에 도착한 인류는 살아남기 위해 여러 대책을 강구해야 한다. 테라포밍(terraforming)은 골디락스 존 외부에 존재하는 행성 또는 위성의 대기와 온도, 지형, 생태계 등을 변화시켜 인간을 포함한 여러 생명체가 살 수 있도록 만드는 기술을 의미한다. (중략) 천문학자 칼 세이건은 1961년 과학 잡지 《사이언스》에 게재한 논문을 통해 학술적인 의미의 테라포밍 개념을 제안했다. 그는 물과 질소, 이산화탄소를 유기화합물로 전환시킬 수 있는 미생물을 이용해 금성의 대기에서 이산화탄소를 제거할 수 있으리라 전망했다. 그는 당시에 행성 공학(planetary engineering)이라는 용어를 사용했고, NASA에서는 행성 생태합성(planetary ecosynthesis)이라는 용어를 사용했다. 이후 1981년이 되어서야 테라포밍이라는 용어가 학계에도 정착했다. 테라포밍은 아직까지도 많은 논의를 거쳐 발전하고 있는 개념이며, 우주로 나아가려는 인류가 언젠가는 갖춰야 할 기술이라고 할 수 있다. _242~243쪽

이영혜 (《과학동아》 편집장)

이 책의 첫인상은 ‘기발하다’일 것이다. 우주 농업이라니, 화성에 감자를 심는 SF 이야기인가 싶을지도 모른다. 하지만 몇 장을 넘기다 보면 생각이 달라진다. 우주 농업은 기발한 상상이 아니라, 인류가 우주로 나아가기로 마음먹은 이상 피할 수 없는 과제라는 사실을 말이다.

지구 농업의 역사에서 출발해 온실, 수경 재배, 수직 농장으로 이어지는 책의 초반 흐름은 우리에게 그리 낯설지 않다. 흥미로운 지점은, 그런 익숙한 기술들이 우주라는 극한 환경에서 다시 불려 나오는 방식이다. 밀폐 생태계 실험과 테라포밍으로 이어지는 설명을 따라가다 보면, 우주 농업은 새로운 발상이라기보다 이미 지구에서 시작된 연구의 연장선이라는 점이 분명해진다.

우주를 향한 인류의 다음 단계를 궁금해하는 독자에게는 미래를 가늠해 볼 수 있는 지도를, 지구의 농업과 생태를 고민하는 독자에게는 생각의 범위를 넓혀주는 책이다. 무엇보다 과학이 어디까지 갈 수 있는지를 끝까지 묻는 과학 ‘덕후’ 독자라면, 이 책을 읽는 과정 자체가 큰 즐거움일 것이다.

 

강병철 (서울대학교 농업생명과학대학 교수)

우리는 지금 급변하는 시대에 살고 있다. 농생명과학은 단순히 식량을 생산하는 학문을 넘어 인류의 지속 가능성을 책임지는 중요한 분야다. 이런 시대를 살아가는 사람들에게 인류가 곧 우주로 나아갈 것이라 언급하는 정대호, 손정익 교수의 저서는 중요한 의미를 갖는다.

농업 분야는 우리나라 역사를 거치며 식량난 극복이라는 시대적 소명에서부터 지속 가능한 농산물 생산과 국민 삶의 질 향상에 이르기까지, 국가의 핵심 동력을 창출해 왔다. 하지만 오늘날 우리는 기후변화와 식량안보, 생물다양성 보존, 지속 가능한 농업 시스템과 같은 난제에 직면해 있다. 이에 맞서 농업의 여러 하위 분야는 발전을 거듭해 어려운 상황을 타개할 해답을 제시한다.

탄소 중립 농축 산업 기술은 산림 분야에서 적극적으로 연구되고 있으며, 작물 보호와 신작물 도입 기술은 기후변화 시대 이후에도 지속 가능한 농업을 가능하게 한다. 농업 바깥에서 도입된 공학 분야의 신기술들은 빅데이터를 기반으로 한 디지털 트랜스포메이션과 그 이상의 세계로 도약하려는 AI 트랜스포메이션을 이끌고 있다. 또한 유전자 교정을 포함한 첨단 생명공학 기술과 친환경 바이오 소재 기술은 농업 생산성을 극대화하고 새로운 부가가치를 창출할 것이다.

미래에 우주로 나아갈 인류는 여러 분야의 농업 신기술을 든든하게 장착한 상태일 것이다. 우주 개척을 비롯해 급변하는 시대적 흐름에 발맞추어 우주 농업 기술이 논의되기에 적절한 순간이라는 생각이 든다. 다시 한번 새로운 농업 분야의 신기술을 소개하는 저서 『우주 농업』의 출간을 반긴다.

 

김현태 (경상국립대학교 스마트팜·우주농업연구소장)

우리나라는 좁은 국토 면적을 가지고 있어 농업 강대국으로 발전하기 어려운 환경에 놓여 있다. 그러나 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 스마트팜 분야의 여러 기술을 발전시켜 눈부신 성장을 이루어 냈다. 스마트팜 분야의 기술은 미래의 여러 산업 분야에 영향을 끼치며, 우리나라의 농산업 발전에 기여할 것이다.

최근 기후변화로 인해 일상생활은 물론 전 세계 산업 전반에 막대한 부담이 가중되고 있다. 특히 농업 분야에서는 환경의 변화로 인해 안정적인 농작물 생산에 위협이 일어나고 있다. 앞으로도 지구 여러 지역의 환경은 상황이 더욱 나빠질 것으로 예측된다. 그러나 우리는 농업 분야의 기술을 발전시켜 부적절한 환경에서도 충분한 식량을 생산할 수 있는 기술을 확보하기 시작했다. 사막과 극지방 등 여러 극한의 환경에서도 농작물이 자라고 있다. 앞으로는 이러한 기술이 쌓여 지구와는 완전히 다른 환경 조건인 우주 공간에서도 농사를 지을 수 있게 될 것이다. 우리는 우주 시대를 앞두고 우주 농업에 관한 기술을 선제적으로 확보해야 한다.

국립경상대학교는 사천 지역에 신설된 우주항공청과의 긴밀한 협조를 바탕으로 미래의 우주 산업을 선도할 청사진을 그리고 있다. 학내에는 스마트팜·우주농업연구소를 설치해 미래를 준비하기 시작했다. 이런 배경에서 연구소는 우주 농업 분야의 전문가를 양성하려는 목표를 가지고 인력 양성과 연구를 통한 기술 확보에 주력하고 있다. 그러나 우주 기술의 연구개발에 관해 활발한 논의를 주도하고자 산업계와 학계 등의 교류를 추진하는 과정에서, 우주 농업에 관한 소개가 부족하다는 점을 느꼈다. 이러한 시점에 정대호, 손정익 교수님이 집필한 『우주 농업』은 가뭄에 단비 같은 느낌을 준다. 앞으로 농산업계와 과학기술을 이용해 미래를 개척하려는 여러 신진 연구자에게 이 책이 귀감이 될 것이라 생각한다.