오태광의 바이오 산책 <55> 우주 농업 (Space Agriculture) > News Insight

 리들리 스콧(Ridley Scott) 감독의 2015년 SF 영화 마션(The Martian)은 화성에서 살아남기 위해서 우주선에 온실을 만들고 감자를 키워서 살아남는 데 성공한 영화로 원시적인 우주 농업과 기술을 보여주고 있다. 우주 농업은 지구 밖의 우주 공간에서 식량 또는 산업 소재를 확보하기 위해 식물을 재배하는 농업 행위이다. 현재, 주로 적용하는 우주 농업기술 사례는 우주 정거장, 달 기지, 화성 기지 등이 대상이지만, 과학기술 발전으로 인간이 이용할 수 있는 우주 공간이 확장되면 적용 범위가 크게 확장될 것이다. 

한정된 지구공간에서 무한한 우주로 확장을 원하는 다가오고 있는 5차 산업혁명 시대는 우주 건설기술을 통한 우주 스마트 농장은 기본적인 먹거리를 해결하여 한없이 더 넓은 우주로 확장하는 근간 기술이 될 것이다. 화성이나 달과 같은 외계 천체에서 농사를 짓는 것은 우주 정거장이나 우리가 개발할 우주 식민지에서 농사짓는 것과 기본적인 틀은 거의 같고 유사점이 많다고 알려졌다. 하지만, 다른 행성의 경우는 크기에 따른 중력의 차이, 일주기 및 낮 길이의 차이, 토양의 화학적 차이 등 복잡한 차이점이 있어서 전문화되고 원하는 행성에 맞춤형 농업기술이 필요하다. 

우주 농업을 하기 위해서는 우선 2가지를 고려하여야 하는데, 첫 번째는 지구의 농작물을 우주 환경인 중력, 토양, 물, 빛, 공기(특히, CO2) 등에 적응하여 키우는 기술이고 2번째는 지구 농작물의 종자를 우주 환경에 적응할 수 있도록 육종(育種, Breeding)하는 우주육종(Space breeding)기술 이다. 사실 우주 개발이 시작되던 1960년대부터 미국과 소련이 우주 식물 종자 육종시험을 시작했었고, 현재는 많은 인공위성 발사와 우주 정거장 확보로 우주 농업을 부분적 실용화 단계에 들어서고 있다. 우주 육종기술은 우주에서만 사용되는 것이 아니라 현재는 식물 종자를 우주로 가져가서 우주방사선과 약한 중력 조건에 노출로 식물 종자의 유전자 돌연변이를 일으켜 고생산, 고기능의 새로운 특성의 종자를 얻어서, 지구로 가져와 경제성이 높은 작물을 생산하는 기술로 발전하였다. 

현재는 우주로 나가는 인공위성이 많이 늘어났고, 특히, 고고도 풍선을 이용한 새로운 방법이 개발(중국)되어서, 2,000종의 우주 식물과 과일 종자가 탄생하였고, 현재 200여 종은 재배 승인을 받았다. 우주 농업은 미래 우주로 진출할 수 있는 교두보를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 현재 지구에서 생산하는 농작물을 고생산성을 확보하는 중요한 기술이 될 것이다.

<우주 농업 실험>

우주 농업에 대한 지구상에서의 연구는 유럽(EU)이 남극을 야외 실험장소로 택하여 EDEN ISS(Ground Demonstration of Plant Cultivation Technology for Safe Food Production in Space) 연구과제(2015-2020)이다. 독일 DLR이 주도로 네덜란드, 이탈리아, 오스트리아, 아일랜드, 미국, 캐나다가 참여하여 남극에 컨테이너 방식의 식물공장을 제작하여 독일 남극기지인 노이마이어 III(Neumayer Station III)기지에 설치하였다. 주 연구는 우주 공간과 같은 이동이 가능한 MTF(Mobile Test Facility)형 온실(Greenhouse)을 해당 거주민(달, 화성 등)을 위한 식물배양 시스템을 만들 뿐만 아니라 식물배양실 간 미생물의 영향 등을 연구하였다. 현재 2차 시험(2020-2023)이 1차 시험을 보완하여 진행 중이다. 

결국 고등 식물 배양 시 바이오 자연 회생 유지 시스템(Bio-regenerative life support system(BLSS)) 확보로 식량 생산을 전제로 CO2 감소, O2 생산, 물 재활용, 폐기물처리로 인간의 물리적 건강과 우주 거주민의 wellbeing을 전제로 하고 있다. 남극에서 토양을 사용하지 않고 영양액으로 인공조명을 하면서 상당량의 과일과 채소를 생산하는 데 성공하였다. 이런 결과는 달이나 화성에서도 식량을 생산할 가능성을 입증하였다. 시험면적 12.5㎡(약 3.78평)란 작은 면적에서 9.5개월간 오이 67kg, 상추 117kg, 토마토 50kg으로 총 268kg을 생산할 수 있는 성공된 결과를 얻었다. 유럽 우주선 Falcon 9에는 적재할 30㎡의 재배공간으로 6명 우주비행사가 하루 일인 당 50kg 채소를 공급할 계획을 세우고 있다. 

최근, 우주 농업 시험은 우주 정거장에서 수행한 결과가 주를 이루고 있는데, 2009년부터 2014년까지 미국 NASA는 지상 우주 환경 시험장에서 100종 식물을 실험한 결과를 토대로 녹색 상추, 양배추, 겨자, 케일 등 8종의 잎채소를 포함한 15종의 식물을 우주 정거장에서 재배 실험을 하였다. 2015년 적 상추와 같은 잎채소를 우주 정거장에서 시험 재배를 성공한 이후 2020년 고도 400Km 상공에서 <그림 1>과 같은 장치에서 덩이 식물인 무를 재배하여 20개를 수확하였다.

대부분의 우주 농업 시험은 영양분과 수분을 배양액(培養液)으로 공급하고, 빛은 LED를 사용하였다. 하지만, 사실 우주 농업의 궁극목적은 언제 될지는 모르지만, 인류의 행성 이주를 전제하여 해당 행성의 토양(흙)에서 재배하는 것은 매우 중요하다. 흙은 인류가 지구에서 살아가는 데 가장 중요한 대기와 물과 함께 가장 중요한 요소이고, 인류의 지구상 농업의 발전은 흙이 있어서 가능하였다. 

달의 표면은 미세한 먼지로 뒤덮여있고, 이런 달의 미세먼지를 “레골리스(Regolith)”라고 부르고, 실제 아폴로 11호의 닐 암스트롱(Neil Alden Amstrong)이 인류 최초로 달에 첫발을 디뎠을 때 발자국이 찍힌 것은 달에 미세먼지인 레골리스 때문이다. 달의 토양 레골리스로 식물 재배는 대표적인 실험식물인 애기장대로 실험했을 때 <그림 2>에서와 같은 결과 (Communication Biology(2022.5))를 얻었다. 실험에서 지구상에 있는 화산재를 대조 구로 하고 레골리스를 시험 구로 하여 매일 영양분이 있는 양액(養液)을 투입했는데, 2일 후 화산재와 레골리스 모두 애기장대가 발아했지만, 6일 후, 달의 레골리스에 심은 애기장대는 심한 발육부전을 보이기 시작하였다. 레골리스에서 자란 애기장대는 염류나 중금속이 많은 가혹한 환경에서 자란 식물과 같은 스트레스를 많이 받은 것으로 추정하였다. 달에 농사하기 위해서는 식물이 레골리스 토양에 적응하는 유전자를 찾거나 레골리스에 특정 성분을 첨가하여 문제를 해결하는 방안이 제시되어야 한다.

달에 2025년까지 유인 착륙을 하는 아르테미스 계획(Artemis program)은 달에 루나 게이트웨이(Lunar Gateway)라는 우주 정거장을 최초로 만들어 달을 화성이나 외행성 탐사에 발판으로 삼고자 하는 협약인데 우리나라도 2021년 5월 24일 서명하여 10번째 참여국이 되었다. 이런 아르테미스 계획에 참여한 일본의 “오바야시” 와 “토잉(Towing)”의 2개 회사는 레골리스를 본뜬 모래를 유기질 비료로 잎채소인 “소송채”를 키우는 데 성공하였다. 일본의 2개 회사와 일본우주항공연구개발기구(JAXA)가 공동으로 달의 레골리스를 마이크로파나 레이저로 건축 재료 화하였고, “토인(Towing)”사는 무기 다공체(多孔體)하여 인공 토양화하여 인공 토양 재배도 가능하게 연구하고 있다. 

다공체가 되면 미생물이 살 수 있는 공간이 생기고 미생물이 식물이 흡수하기 쉬운 식물 양분을 만들도록 하는 방법이다. 지상 400m 고도에서 떠 있는 국제우주정거장(International Space Station, ISS)에서 4종의 박테리아가 발견되었는데, 3종은 전혀 알려지지 않은 신종(Frontiers in Microbiology(2021))이 발견되었고 ISS와 같은 혹독한 조건에서 살아가고 식물 생장을 촉진한다고 알려져서, 우주 농업에 사용될 수도 있을 것으로 추정하였다. 

미국과 대조적으로 중국은 식량 자급이 절실하여 주로 식량자원인 벼와 밀에 관한 연구가 많이 수행되고 있다. 벼의 경우는 2021년 6월 볍씨를 “선저우 12호” 우주비행사가 우주 정거장 톈궁(天宮)으로 가져가서 우주선으로 돌연변이를 만들어 재배한 결과 기후 변화로 인한 고온, 가뭄으로 병충해가 극성이지만 우주 육종된 벼는 고온, 가뭄, 병충해에 훨씬 덜 영향을 받아서 이상기후에 효과가 있다고 한다. 중국은 2023년 5월 10일 “톈저우(天柱) 6호”를 우주 정거장에 도킹(Docking)에 성공하여 계속 우주 농업 연구가 수행되는 것으로 추정된다.

 이외에 중국민항 과학기술연구원(CASTC)에 의하면 1987년부터 위성, 유인우주선 및 고고도 풍선 등을 이용하여 식물의 종자를 돌연 변이시킨 품종을 2,000종 이상 개발하였고, 이중, 쌀, 밀, 옥수수, 대두, 목화, 토마토 등 200여 종은 재배 승인을 받았다고 한다. 대표적인 예로 고도 340Km 저궤도에서 돌연변이 한 밀 품종 “루유안 502”란 밀은 수확량이 11% 더 많고 가뭄과 해충에도 잘 견딘다. 중국의 우주 육종 실험은 2000년대 이후 더욱 활발해져서 2006년엔 아예 우주 육종 전용 위성인 “시지안 8호”를 띄워 15일간 152종 250kg의 종자와 미생물을 저궤도에 올려보내기도 했다. 2022년 4월엔 “선저우 13호” 우주비행사들이 톈궁에서 6개월간 우주 육종 실험을 진행한 잔디, 귀리, 알팔파, 버섯 등 1만2천 개의 종자를 갖고 돌아왔다. 특히, 저궤도의 1,000배가 넘는 먼 거리의 달에서도 우주 육종이 이뤄졌다.

중국의 달 표본 수집-귀환선 “창어 5호”가 2020년 11~12월 볍씨 40g(낟알 1,500개)을 포함한 여러 식물 종자를 싣고 23일간 달 왕복 여행하고 돌아왔다. 중국 과학자들은 광저우의 남중국농업대에서 이 볍씨를 심어 2021년 7월 첫 번째 쌀을 수확했는데, 수확한 우주 쌀은 일반 쌀보다 향이 더 좋고, 식감도 더 부드럽고 찰지다고 한다. 2022년 12월 우주 정거장 톈궁에서 돌아온 “선저우 14호” 우주비행사들은 4개월간 우주에서 실험 재배한 벼를 <그림 3>과 같이 가져왔다. 이번 실험은 처음으로 발아에서부터 개화, 결실에 이르기까지 약 4개월에 걸친 벼의 생육 과정 전체를 직접 우주에서 진행했다는 점에서 의미가 있다. 중국 우주비행사들은 톈궁 내 원톈 실험실에서 2022년 7월 29일 영양제 주입과 함께 볍씨 재배를 시작해 120일 후 새 볍씨를 수확했다. 우주비행사들은 이 기간에 발아기(9월 21일), 개화기(10월 12일), 결실기(11월 25일) 세 차례에 걸쳐 시료를 채취한 뒤 발아기와 개화기의 시료는 영하 80도 초저온에, 결실기 시료는 영상 4도의 저온에 보관했다. 

우주에서 수확한 볍씨는 곧바로 베이징에 있는 중국과학원에서 지구상에서 키운 벼와의 차이점을 조사한 결과, 이삭이 패는 기간은 10일 길었고 이삭을 감싸는 포영은 완전히 닫히지 않았고, 줄기와 잎 사이 각도가 크고 단립종은 벼의 키가 더 짧아졌다. 앞서 2019년에 중국은 달에 착륙한 “창어 4호”에선 배양기에서 목화씨를 싹 틔우는 데 성공한 바가 있다. 중국은 톈궁 우주 정거장에 2개의 실험 모듈을 완성하여 10년 이상 고도 400Km에서 우주 작물 재배 실험을 할 수 있는 인프라가 완성되었다.

<지구 농업이나 식품 기술에 영향을 준 우주 농업 기술>

우주 농업기술 덕분에 지구 육상농업을 혁신시킨 두 가지 대표적인 기술은 수직 농업과 LED를 사용한 농업이고, 식품 제조 분야는 현재 가장 많이 사용하고 있는 HACCP 기술이다. 지구는 기후 변화로 인한 이상기후/이변으로 인하여 매년 농업에 사용하는 1,200만 헥타르의 농지가 손실되고 있어 생산 농지는 줄어들고 있다. 세계 인구는 가파르게 증가하여 농업 생산성이 70% 이상은 증가시켜야 식량 수급이 가능한데, 현재 여전히 식량 수급에는 문제점이 많다. 근래에 스마트 팜(Smart farm)에 사용하고 있는 수직 농업은 같은 면적으로 높아지는 층수만큼 면적대비 생산성을 가지게 되었고, 햇빛을 대처할 수 있는 LED를 사용한 농업은 수직 농업에 꼭 필요한 요소이다. 즉, NASA에서 개발한 LED 조명은 육상 수직 농업의 판도를 바꾸는 역할을 했으며, 각개 작물에 특정하고 선호하는 빛 파장을 전달하고, 주요 재배 조건을 제공하도록 쉽게 컴퓨터 프로그래밍할 수 있게 하였다. 

수직 농업은 크게 3가지 장점이 있다. 첫째, 수직 농장은 전통적인 농장보다 수확량이 훨씬 많다. 수직으로 경작된 1에이커는 작물에 따라 4~6에이커의 토양으로 생산할 수 있는 양이다. 둘째, 수직 농업은 날씨나 해충과 관계없이 연중 재배가 가능하다. 셋째, 수직 농업은 훨씬 더 지속가능성을 크게 할 수 있다. 즉, 살충제나 제초제를 사용하지 않고도 생산성을 높이고 기계화된 농기구가 필요하지 않기 때문에 최소한의 화석연료를 사용한다. 또한, 오늘날 식품을 제조하는 공정에 사용되어 안전성을 보장하는 방식인 HACCP 기술도 최초의 달 착륙 시 우주비행사 식품 품질에 영향을 미치는 기준을 설정한 데서 시작되었다. 포장된 슈퍼마켓 식품으로 인한 식중독 발병은 업계에서 거의 보편적으로 일어나고 있었는데, NASA에서 개발된 HACCP(위해 요소 중점 관리 기준) 시스템을 채택한 덕분에 이제는 식중독은 극히 드물다. HACCP 시스템은 아폴로 프로그램 초기에 우주비행사 음식을 위해 만들어졌으며 위험 분석 수행, 중요한 지점 식별, 위험 요소를 예방, 제어 또는 제거하는 방법 결정, 빈번한 측정을 통해 해당 지점모니터링이라는 세 가지 지침 원칙을 따른다. 이제 같은 시스템을 통해 식품 회사는 안전하고 품질 좋은 식품을 소비자에게 지속해서 제공할 수 있게 된 것도 NASA의 우주 개발 덕분이다. 

<맺 는 말>

  다가올 5차 산업혁명에는 가장 중심이 되는 기술이 생물 화와 우주로 확장개발이라는 말하고 있지만, 아직 우주 개발은 아직은 선뜻 다가오지 않았다. 우주 농업을 정리하면서 우주 개발은 그냥 군사적으로 또는 영역을 넓히는 단순한 생각에서 바로 우리의 삶의 질과 풍요로운 삶을 기약하는 기술임을 실감하였다. 그동안 많이 발사한 인공위성도 단순한 발사체가 아닌 종합 과학기술 실험실이었고, 바이오 분야도 우주에서 지구상에서 문제점을 뛰어넘는 기술개발을 할 수 있음을 알았다. 영화 마션(The Martian)이 480만 명 이상 관객이 동원되었고 2016년 새턴 상에서 감독상(42회) 수상과 골든 글로브에서는 작품상 및 남우주연상을 받은 것은 화성이라는 SF 상황만은 아니다. 오히려 악착같이 살아남기 위해 화성에서 자신에게 주어진 모든 자원을 활용하여 우주 농업으로 감자를 생산하여 식량문제를 해결한 아이디어는 영화 속 주인공이 식물학자이기 때문에 가능하였다. 

지금 지구인도 기후 변화, 인구증가로 절대 부족한 식량 사항은 영화 마션과 비슷할 수도 있다고 생각해 보았다. 자동차가 에너지가 떨어지면 폐품이 되듯이 지속되는 환경오염으로 발생하는 심각한 기후 변화로 농업 생산성이 떨어지고 있다. 세계 인구는 2011년 70억 명에서 11년이 지난 2023년 5월 15일을 기점으로 80억 명을 돌파(일본 닛폰 게이자 신문)하였고 인구증가율은 점차 둔화하고 있지만, 2038년에 90억으로 늘어나고 2060년에 100억이 넘어간다고 한다. 인간에게 필요한 에너지인 식량이 떨어질 수 있다는 상황은 영화 마션에서 황량한 화성에 혼자 남은 주인공과 비슷한 상황일 수도 있다. 

미래 5차 산업혁명의 주요 기술에 우주로의 확장이 포함된 것도 지구에서 부족한 자원을 더 넓은 우주에서 찾는 것은 당연하다. 아폴로 11호가 달에 착륙하고 인간의 발자국을 처음 달에 남기고, 돌아왔을 때 많은 비평가는 달에 있는 분진과 같은 흙(레골리스)을 가져오는데 그렇게 막대한 비용이 사용하였는지 비평을 하였다. 하지만, 실제로 지금 사용하고 GPS, 통신기술, LED 등을 비롯한 많은 기술이 상용화되었을 뿐만 아니라 심지어, 식품 제조 및 관리를 HACCP 기술 기원도 우주인의 건강을 위해 개발되었다고 하니, 경제적 가치는 이미 비교 대상은 아니다. 

현재 우리나라도 아르테미스 계획(Artemis program)에 이미 참여하였고, 우리 위성이 달을 공전하고 있는 사실은 아주 긍정적이다. 하지만, 더 많은 미래시장 확보를 위해 일본이나 중국처럼 발사체나 우주 정거장 기술뿐만 아니라 우주 육종기술이나 우주 농업기술과 같은 우주 바이오 기술과 레골리스를 이용한 건축자재 화 기술과 더불어 식물 재배용 토양화 및 제조된 토양에 생명력을 불어넣는 microbiome 기술개발에는 적극적으로 참여할 필요가 있다. 

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