화성 이주 식민지(colony)를 목표로 우주에서 식량을 얻기 위해 NASA가 시도하는 최첨단 연구

화성 이주 식민지(colony)를 목표로 우주에서 식량을 얻기 위해 NASA가 시도하는 최첨단 연구

테크놀로지계 뉴스 사이트 MOTHERBOARD의 라이터가 NASA 케네디 우주센터 연구실을 방문해 현재 진행 중인 '우주에서 식량을 얻는 연구'에 대해 취재를 하였다. 그곳에서는 인류의 장대한 꿈인 '화성이주계획'의 실현을 목표로 다양한 연구가 이루어지고 있었다.

국제우주정거장(ISS)에서 근무하는 우주인의 식량은 화물보급 미션에서 보충되는 동결건조(freeze-dry) 식품이다. 이들 식품은 맛이 없을 뿐만 아니라 로켓 발사 비용으로 어림잡아 1파운드(약 450그램)당 1만달러나 드는 비용 문제가 있어 보다 오랜 시간 우주체류를 하고 궁극적인 목적인 다른 별에서의 생활을 위해서는 우주공간에서 식량을 만들어내는 것이 필수적인 과제가 되어 2015년 8월에 ISS에서 신선한 양상추를 재배하는 성과로 이어진 바 있다. 이 우주에서 처음으로 채소를 재배한 「Veggie」프로젝트에 대해서 설명한 내용이다.

이후에도 우주에서의 식량 생산기술에 대해 NASA는 연구를 계속하고 있으며 케네디우주센터의 연구실에서는 다양한 실험이 행해지고 있다. 브라이언 오네이트 박사의 연구실에서는 'Advanced Plant Habitat(APH)'이라고 하는 식량생산장치 개발이 진행되고 있다. 언뜻 보면 전자레인지와 같은 장치가 APH로 ISS의 거주공간에 맞게 디자인되었다는 것이다.

APH 안에서는 Arabidopsis라는 양배추의 일종인 채소가 LED 조명 아래에서 길러지고 있다. 연구자들은 APH 내 산소와 영양소 수치를 제어할 수 있으며, 한 장 한 장의 잎 온도까지 측정해 제어할 수 있다. 그리고, 이러한 환경컨트롤은 PHARMER라고 하는 컴퓨터 시스템에 의해서 자동화되고 있다고 한다.

APH는 아직 실험단계이지만 이미 실용화된 Veggie의 '형제'와 같은 시스템으로 다양한 종류의 채소의 최적의 육성조건을 탐색하기 위해 사용한다. 오네이트 박사에 따르면 ISS에 물자를 전달하는 보급 미션을 두 번 활용함으로써 Veggie를 계승할 예정이라고 한다. APH의 주된 연구는 우주에서 식물을 육성하고 그 일부를 회수해 지구로 가져가고, 그 종자를 채취해 NASA 케네디우주센터에서 키워, 다시 ISS로 식물을 가져감으로써 지구상과 미소중력 환경 사이를 식물이 이동해도 성장할 수 있는지를 확인하는 것이라고 한다.

그 밖에도 케네디우주센터에서는 '워크 인 타입 멸균 냉동고'라고 부를 수 있는 대형환경 제어장치도 있다. 이 거대 장치에서는 무려 ISS에서 사용되고 있는 모든 환경 변수를 재현할 수 있다고 한다. 유일하게 재현할 수 없는 것은 미세중력뿐이라는 수준의 정밀장치로 되어 있다.

이 대규모 장치 덕분에 Veggie 프로그램으로 ISS 환경에서 재배한 채소의 토양상태를 관리할 수 있고, 지구상에 비해 미세중력 환경이 식물의 성장에 어떤 영향을 미치는지 알아낼 수 있다는 것이다. 실험은 지금까지 매우 순조로워 ISS 비행사들은 이전에 재배하던 붉은색 양상추보다 훨씬 풍미가 풍부한 양상추를 키울 수 있게 될 것으로 생각됐으며, 연구자들은 샐러드를 만들기에 충분한 양의 양상추를 ISS로 만들 수 있게 되면 우주인들의 대환영을 받을 것이라고 말했다.

우주에서 채소를 재배하는 Veggie 프로젝트를 성공시킨 NASA에서는, 다음의 스텝으로서 보다 장기적인 식물 재배의 시험을 실시하고 있다.이 연구에서는 ISS 우주인의 식생활을 콘스탄트하고 지속적으로 보충할 수 있는 수준에서의 식물 재배가 목표로 되어 있다.

케네디우주센터의 식량 생산 프로젝트 매니저 랄프 프리체는 ISS에서의 양상추 소규모 재배는 대단한 성과라고 인정한 뒤 아직까지 우주인의 배를 채울 만한 양의 채소를 재배하지 못하는 상황에서 보다 장기적인 측면에서의 연구를 하고 있다고 말한다. 즉 우주에서의 식물의 대량생산을 위한 연구가 진행되고 있다는 것이다.

하지만 우주공간에서 식물의 대량생산은 기술적인 어려움의 수준이 매우 높다고 할 수 있다. 그 큰 원인은 미세중력에 있다. 지구상에서는 중력에 의해 축적된 물은 식물의 뿌리에서 빨아올려지지만 우주에서는 물은 구형(球形)으로 모여들어 식물의 뿌리에 균등하게 골고루 미치지 못하고 결과적으로 수분에 포함된 산소의 공급도 방해받게 된다.

이 우주공간 특유의 문제해결을 위해 두 가지 방법이 고안되어 있다. 하나는 식물의 성장에 필요한 물을 원하는 뿌리 부분에 강제로 물을 보내는 능동적인 시스템이다. 압력을 가해 물을 순환시킴으로써 물을 공급한다.

다른 하나는 3D 프린팅된 나일론 기판을 활용한 「수동적인 시스템」이다. 이 시스템에서는 단면이 삼각형인 나일론 튜브가 밀집한 큐브의 중앙에 종자가 뿌려진다. 나일론은 친수성이 있어 물을 끌어당기지만 표면장력에 의해 삼각형 모양의 단면으로 물이 퍼지면서 물이 분산되어 유지되는 구조로 식물 뿌리에 균일하게 수분을 공급할 수 있도록 설계되었다. 또 튜브 내부에서 공기를 보낼 수도 있다고 한다.

프리체는 준궤도 비행시험에 이 수동적인 시스템을 가지고 갈 예정이며 좋은 결과가 나오면 ISS에 보내는 것을 고려하고 있다고 한다. 그리고 프리체에 따르면, 화성에서 채소를 재배하는 것은 ISS등의 궤도상에서 식물을 기르는 것보다 훨씬 문제가 적을 것으로 예상하고 있다는 것이다. 그 이유는, 지구의 3분의 1 크기라고는 하지만 화성에도 중력이 있기 때문에, 지구상에서 하는 농업과 같은 시스템이 화성에서 응용될 수 있기 때문이다.

그러나 ISS 내부나 화성에 만들어 낼 온실 등 한정된 범위에서 최대한의 식물을 재배하는 방법을 개발하기 위해 최적의 조건을 찾고 있다. 씨를 뿌린 지 불과 몇 주 만에 먹을 수 있는 수준으로 성장하는데다 영양소가 높고 풍미가 풍부한 '마이크로그린'이라 하는 우주비행사에게 최적의 식물을 기르기 위한 탐구가 NASA에서는 이루어지고 있다.

추가로 ISS에서 식량을 자급하는 프로젝트를 수행하는 독일팀은 '인간의 소변'을 활용한 식품생산 시스템을 연구 중이다.

BBC-Future-Why a German lab is growing tomatoes in urine
http://www.bbc.com/future/story/20170308-why-a-german-lab-is-growing-tomatoes-in-urine

독일항공우주센터의 식물생리학자인 젠스 하우스레이지 박사에 따르면 "지구의 식물은 산소와 식량을 제조하는 폐쇄적인 생물체다. 또한 동물과 박테리아가 토양의 분해 프로세스를 맡고 있다. 이들 생물계 시스템 없이는 지속적이고 장기적인 식량생산 시스템 구현이 불가능하다"라며 인간의 소변 속에 포함된 미생물을 활용해 비료를 생산하고 토마토를 수확하는 시스템을 연구하고 있다.

Inside NASA's Space Farming Labs-Motherboard
https://motherboard.vice.com/en_us/article/inside-nasas-space-farming-labs

Inside NASA’s Space Farming Labs