우주 식량 – 인류의 차세대 개척자들을 어떻게 먹여 살릴 것인가?

새로운 유형의 우주 탐사

After several decades of stagnation following the Moon landing, a new space race is heating up. The trigger was SpaceX (SPCX ) 's extraordinary success in creating a reusable rocket, cutting the launch cost to orbit by an order of magnitude. With the latest launch vehicle, Starship, getting tested, the costs should decrease even more.

출처: Visual Capitalist

SpaceX가 가장 인상적인 우주 기업일 수 있지만, 그 뒤를 따르는 기업도 많이 있습니다—민간 및 국영을 막론한 여러 중국 로켓 회사들이 그 예입니다.

동시에 NASA와 그 파트너들은 달에 재귀하고 영구적인 기지를 설립할 계획이며, 중국과 러시아도 유사한 야망을 가지고 있습니다. 다음 10년 안에 SpaceX는 최초의 인간이 화성에 착륙하는 것을 목표로 하고 있습니다.

따라서 앞으로 수십 년 동안 우리는 우주 탐사의 황금기 이후보다 훨씬 더 많은 우주비행사를 보게 될 것이 거의 확실합니다. 1960년대와 달리, 그들은 몇 일간 달을 여행하거나 저궤도 우주정거장에 머무는 것이 아니라, 먼 거리에 있는 서식지에서 생활하게 될 것입니다.

이는 더 많은 인원이, 더 먼 거리에서, 특히 화성의 경우 몇 달에 걸친 여행을 의미합니다. 이 모든 것이 추가적인 고가 소모품을 공급해야 할 필요성을 낳습니다. 이는 우주비행사에게 필요한 물자를 현장에서 생산하는 방향으로 경제성을 왜곡시킵니다. 3D 프린팅은 예비 부품 제공에 큰 역할을 할 가능성이 높으며, 식량 역시 최소한 일부는 현장에서 재배되어야 합니다.

비용 외에도 현장에서 신선한 식량을 재배하면 고품질 비타민 C와 항산화 식품을 제공해 우주비행사의 건강을 유지하고, 우주선 및 태양 폭풍으로부터 오는 방사선 위험을 감소시키는 데 도움이 됩니다.

우주 식량 프로토타입

This is not a new concept, and NASA and other space agencies have been investigating the ideas for several decades. Still, the lack of space on the ISS means that for now, only the pilot project and prototype have been tested, and there are no current plans to produce a serious amount of food in space.

시험된 개념 #1: 에어로포닉스 식물 재배

By growing plants without soil or water, aeroponics is a method that seems uniquely fit for weightless conditions like space stations, where liquids and dust are serious issues that can cause shortcuts and fires. You can read more about how aeroponics works and how it is already used on Earth in our article “Aeroponics – Everything You Need to Know”.

에어로포닉스는 토양이나 물 없이 식물을 재배하는 방법으로, 액체와 먼지가 단락 및 화재를 일으킬 수 있는 심각한 문제를 방지하는 무중력 환경인 우주정거장에 적합합니다. 에어로포닉스가 어떻게 작동하고 지구에서 이미 어떻게 활용되고 있는지에 대해서는 저희 기사 “Aeroponics – Everything You Need to Know”를 참고하십시오.

에어로포닉스는 제한된 공간과 짧은 시간 안에 신선한 제품을 재배하는 데 특히 효율적이며, 화성으로 가는 우주선이나 궤도 우주정거장의 협소한 환경에 이상적입니다.

또한 감자와 같은 에너지 밀도가 높은 뿌리 작물을 재배할 수 있어, 곡물과 달리 복잡한 조리 없이도 쉽게 섭취할 수 있습니다.

프로토타입은 이미 ISS에서 eXposed Root On-Orbit Test System (XROOTS) 기술 시연 프로그램을 통해 테스트되었습니다.

출처: NASA

유사한 시스템은 화성까지 6~18개월(추진 시스템에 따라)과 같은 장거리 여행 중 우주비행자를 위한 신선한 식품을 재배할 수 있습니다. 여기에는 이전에 테스트된 Veggie(채소 생산 시스템), Veggie PONDS, Plant Habitat-04(PH-04)가 포함되며, 이들은 상추 3종, 청경채, 미즈나 겨자, 레드 러시안 케일, 지니아 꽃, 밀, 고추 등 다양한 식물을 성공적으로 재배했습니다.

시험된 개념 #2: 캔스터 내 미생물

The Biological Research in Canisters (BRIC) was a program to study the effects of space on organisms small enough to grow in petri dishes, such as yeast and microbes. But such a growing method would steal energy-rich substrates from Earth to be turned into anything edible.

업데이트된 버전, BRIC-LED, is the latest version, which uses added light-emitting diodes (LEDs) to support biology, such as plants, mosses, algae, and cyanobacteria that need light to make their food. Solar panels or nuclear reactors could power such LED lamps (similar to the ones used in aeroponics) and allow for on-site food cultivation.

시험된 개념 #3: 인플레이터블 우주 온실

NASA has also developed the concept of inflatable hydroponics greenhouses, with an 18-foot-long, 7-foot-wide, 3-inch-diameter prototype tested by the University of Arizona’s Controlled Environment Agriculture Center.

출처: Inside Hook

인플레이터블 온실은 수경 재배 원리를 따르며, 이에 대해서는 저희 전용 기사 “Hydroponics – Everything You Need to Know”에서 배울 수 있습니다.

식민지 초기 단계에서는 접이식 또는 인플레이터블 온실이 운송선의 질량과 공간을 절약하는 좋은 옵션이 될 것입니다.

미래 우주 식량 시스템

There is a need to distinguish the question of growing food in space depending on the environment, with the 3 main possible situations being space stations/spaceships, Moon Bases, and Mars bases.

이는 각 환경에서 식량 시스템의 가능성을 다르게 형성하는 고유한 제약을 만들어냅니다.

궤도 및 심우주

Because of the space, but also weight constraints (a heavier ship would waste fuel), spaceships and space stations are unlikely to grow all their food. More likely, the crew will resupply when in the orbit of Earth. They could, however, be growing a limited amount of fresh food like leafy greens or microalgae.

우주선과 우주정거장은 공간과 무게 제약(무거운 선박은 연료를 낭비함) 때문에 모든 식량을 재배하기는 어려울 것입니다. 보다 현실적인 시나리오는 지구 궤도에 있을 때 보급을 받는 것이며, 그럼에도 잎채소나 미세조류와 같은 제한된 양의 신선한 식량을 재배할 수 있습니다.

미세조류는 특히 화성으로 이동하는 선원들을 보호하기 위해 두꺼운 물층이 최선의 방법이라는 것이 밝혀질 경우 흥미로울 것입니다(일부 추정에 따르면 우주선 승무원을 우주선 및 일시적인 태양 폭풍으로부터 보호하려면 1미터 깊이의 물층이 필요하다고 판단됩니다).

따라서 화궤도를 도는 모든 우주선과 우주정거장은 많은 물을 이용한 방사선 보호실을 갖추게 될 것이며, 그 물을 식량 재배에 활용하는 것이 타당합니다.

이러한 시스템은 이미 실험실 실험에 널리 활용되고 있으며, BRIC-LED와 같은 프로젝트는 이를 우주 및 무중력 환경에 적용하는 방법을 보여줍니다.

출처: MDPI

추가로, 제한된 공기량은 광범위한 재활용을 필요로 하며, 산소를 생산하는 식물이나 조류가 이에 기여할 수 있습니다.

달 기지

Thanks to the possibility of bringing prefab modules or material for 3D printing from nearby Earth, space is much less of a concern. The Moon is also expected to have some water available on site, so cultivation would not require bringing tons of heavy liquids on top of fertilizers to start the cultivation in orbit.

인근 지구에서 프리패브 모듈이나 3D 프린팅용 재료를 가져올 수 있기 때문에 공간 제약이 크게 감소합니다. 또한 달에는 현장에서 이용 가능한 물이 일부 존재할 것으로 예상되어, 재배를 시작하기 위해 무거운 액체와 비료를 대량으로 운반할 필요가 없습니다.

이는 인구가 수백에서 수천 명 수준인 경우, 완전 자율 달 기지라는 아이디어를 실현 가능하게 합니다.

이는 또한 화성에서 나중에 필요하게 될 모든 식량 생산 방법을 시험할 수 있는 훌륭한 시험장이 될 것입니다. 만약 전체 작물이 실패하더라도, 지구에서 3일 거리의 긴급 식량 보급은 문제가 되지 않을 것입니다.

하지만 달은 몇 가지 면에서 독특합니다. 밤이 매우 오래 지속되기 때문에 자연광에 의존하는 돔형 온실은 불가능합니다. 같은 이유로, 태양광 패널 대신 핵반응로가 전력을 공급해야 할 가능성이 높습니다.

또한 달은 대기가 전혀 없어 자유로운 CO2를 얻거나 과잉 산소를 균형 맞추는 것이 불가능합니다. 따라서 달의 모든 식량 시스템은 완전한 폐쇄 루프가 되어야 합니다.

하지만 달은 중력(지구의 1/6)을 가지고 있어, 수경재배나 심지어 아쿠아포닉스도 에어로포닉스보다 노동 집약도가 낮은 방식으로 작물과 고기를 제공하는 실현 가능한 옵션이 됩니다. 아쿠아포닉스가 양식과 수경재배를 동일 시스템에 결합하는 방법에 대해서는 저희 기사 “Aquaponics—Everything You Need to Know”를 참고하십시오.

달 농업 시나리오

Fresh products will likely be cultivated locally to provide a vitamin and moral boost to the astronauts.

신선한 제품은 현지에서 재배되어 우주비행사에게 비타민과 정신적 활력을 제공할 가능성이 높습니다.

칼로리(단백질 및 탄수화물)의 대부분이 무엇이 될지는 아직 명확하지 않습니다. 궁극적으로는 경제성이 달 주민들의 식량을 현지에서 부분적으로 혹은 전부 생산할지 결정할 것입니다.

• 만약 대량으로 지구에서 운반하는 것이 거대한 재배 시설을 건설하는 것보다 저렴하다면, 달에서는 신선한 제품만 재배될 것입니다.
• 반대로, 비용이 과도하게 비싸다면 반자동 에어로포닉스 감자, 콩, 곡물 농장이 달 기지의 운영 비용을 절감하는 방안이 될 수 있습니다.

화성 기지

Mars is tremendously far from Earth. Producing food locally will be both an economic necessity and a security risk solution.

화성은 지구에서 매우 멀리 떨어져 있습니다. 현지에서 식량을 생산하는 것은 경제적 필수조건이자 보안 위험 해결책이 될 것입니다.

이는 앤디 위어의 소설 The Martian에서 훌륭히 보여졌으며, 이후 매트 데이먼이 주연한 영화로도 제작되었습니다. 그 영화에서 고립된 우주비행자는 생존을 위해 즉석에서 감자 재배에 의존합니다. 그가 직면한 가장 큰 위험은 방사선, 공기 부족, 혹은 추위가 아니라 굶주림입니다.

출처: Modern Farmer

화성 기지의 목표는 달과도 다릅니다. 궁극적인 목표는 본격적인 식민화이며, 수십에서 수백 명의 우주비행자를 지구에서 큰 비용을 들여 유지할 수 있더라도 수만 명 혹은 수백만 명을 유지하는 것은 불가능합니다.

즉, 화성은 식량 생산에서 완전한 자율성을 확보해야 합니다.

달과 동일한 재배 방식, 즉 대규모 수경재배나 아쿠아포닉스가 가능합니다. 그러나 화성은 대기가 존재하고 하루가 거의 정확히 24시간이므로, 표면 온실을 건설하고 얇은 대기에서 식물이 필요로 하는 CO2를 수집하며, 얼음을 채굴해 물을 확보하는 것이 가능합니다.

또한 화성에도 지구와 마찬가지로 인, 질소, 칼륨 등의 현지 매장량이 존재하여 채굴이 가능하고, 집중적인 농업에 필요합니다.

이러한 온실은 난방, 비료 공급, 그리고 밀폐가 필요하지만, 훨씬 효율적이고 회복력 있으며 에너지 소모가 적은 농업 방식을 제공할 것입니다.

화성을 비옥하게 만들기

It might also benefit Martian agriculture to cultivate directly in the soil, requiring less machinery than hydroponics. This would free equipment, labor, and resources for other uses.

화성 농업에 토양 직접 재배가 도움이 될 수 있으며, 이는 수경재배보다 기계가 덜 필요해 장비, 인력, 자원을 다른 용도로 전환할 수 있습니다.

해결해야 할 문제 중 하나는 화성 토양(레골리스)에 과산화수소(H2O2)가 풍부하다는 점입니다. 이 고산화성 화학물질은 특히 화성에서 발견되는 농도에서 식물과 박테리아를 죽일 수 있습니다.

다행히도 과산화수소는 산소 생산에도 활용될 수 있습니다. 이는 Perseverance 로버에서 테스트된 화성 산소 현장 자원 활용 실험(MOXIE) 덕분에 입증되었습니다. 따라서 향후 임무에서 레골리스를 ‘채굴’해 우주비행자를 위한 산소와 로켓 연료를 생산하는 것이 쉽게 상상됩니다.

그 후, 과산화물 제거된 레골리스를 활용해 온실용 비옥한 토양으로 전환할 수 있습니다.

또 다른 옵션은 작은 분화구 위에 인공 연못을 만들고, 알게와 담수 조개, 물고기를 최소한의 유지보수로 ‘야생’처럼 성장시키는 것으로, 온실 돔을 따뜻하고 밀폐된 상태로 유지하면 됩니다.

기타 우주 식량 기술

So far, we have mostly discussed growing food through aeroponics, hydroponics, and aquaponics, as well as sealed greenhouses. But other options might also be explored. One of these is synthetic food.

지금까지 우리는 주로 에어로포닉스, 수경재배, 아쿠아포닉스 및 밀폐 온실을 통한 식량 재배에 대해 논의했습니다. 그러나 다른 옵션도 탐구될 수 있습니다. 그 중 하나가 합성 식품입니다.

2021년, 중국 과학자들이 CO2로부터 인공적으로, 세포 없이 전분(C6H10O5)을 합성하는 최초의 방법을 개발했습니다. 전분은 쌀, 옥수수, 밀과 같은 곡물의 주요 열량 성분이므로 주목할 만합니다. 또한 화성 대기는 95%가 CO2입니다.

출처: Science.org

이 시스템은 지르코늄 기반 촉매를 사용했으며, 옥수수에서의 전분 합성보다 약 8.5배 높은 합성 속도를 달성했습니다.

따라서, 얇은 공기에서 지속적으로 전분을 합성하는 통합 자동화 모듈을 상상할 수 있습니다. 이는 동물 사료나 인간 주식에 필요한 대다수의 칼로리를 제공하고, 전통 농업은 고품질 및 비타민이 풍부한 식품에만 집중할 수 있게 됩니다.

어쨌든, 이러한 시스템이 우주비행사가 화성에 착륙하기 전에도 자율적으로 운영되어, 착륙 전에 현장에서 대량의 칼로리를 비축함으로써 The Martian과 같은 상황을 피할 수 있다고 상상할 수 있습니다.

또 다른 옵션으로는 단백질을 포함한 다양한 합성 식품(아래 Solar Foods의 Solein 참고), 실험실에서 배양한 고기, 혹은 2022년 ISS에서 테스트된 균류 기반 고기와 같이 고기 대체품이 있습니다. 이는 Nature’s Fynd가 생산했습니다.

우주 식량 기업

1. Aleph Farms

Aleph Farm은 Rakia 미션 중 ISS에서 무중력 상태에서 최초로 배양육(스테이크) 실험을 성공했습니다. 초기 우주 식민화 단계에서는 어떤 형태의 사육도 불가능할 수 있으므로, 고기는 아마도 이와 같은 방식으로만 생산될 것입니다.

이미 무중력에서 과정을 테스트한 Aleph Farms는 우주 식량 시장에서 대부분의 다른 실험실 배양 고기 기업보다 앞서 있습니다. 이스라엘은 2024년에 그들의 고기 제품을 상업화하도록 승인했습니다.

회사는 또한 도축 없는 콜라겐을 생산하기 위해 작업하고 있으며, 이는 많은 식품, 화장품 및 의료 제품의 핵심 성분입니다.

2. Solar Foods

This company is looking to “produce food out of thin air”. 2023년 말에 €8백만을 모금하여 이 목표를 추구하고 있습니다.

이 개념은 전기를 사용해 물을 산소와 수소로 분해하고, 수소와 대기 중 CO2 및 무기 영양소를 이용해 미생물을 사육해 70% 단백질로 구성된 건조 분말을 생산하는 것입니다.

Solein 브랜드로 상용화된 이 단백질원은 9가지 필수 아미노산을 모두 포함하고 있어 다른 재료에 혼합해 매우 고밀도 영양원을 만들 수 있습니다.

출처: Solar Foods

이 회사는 명확히 우주 탐사 시장을 목표로 하고 있습니다. 그러나 장기적으로는 에너지를 매우 효율적으로 단백질로 전환하는 단백질원을 제공함으로써 지구의 식량 생산을 혁신할 수도 있다고 전망합니다.

우리는 미생물을 식물에 먹이를 주듯이 먹이지만, 물을 주고 비료를 주는 대신 단순히 공기와 전기를 사용합니다. 현재 공정으로는 광합성보다 20배, 고기보다 200배 효율적입니다.

Solar Foods는 2022년 9월 싱가포르 식품청(SFA)으로부터 Solein에 대한 최초의 신식품 규제 승인을 받았습니다.

우주 식량에 적응하기

Throughout history, food cultivation and nutrition have been forced to adapt to their environment. This was true for the farmers cultivating rice on terraces in Asia to the Inuit people relying almost exclusively on a meat-based diet.

역사 전반에 걸쳐 식량 재배와 영양은 환경에 맞게 적응해 왔습니다. 이는 아시아의 계단식 논에서 쌀을 재배하는 농부들부터 거의 전적으로 육류 기반 식단에 의존하는 이누이트 사람들까지 모두 해당됩니다.

우주도 마찬가지이지만, 자연적인 비옥함이나 야생 생태계가 전혀 없다는 독특한 특징을 가집니다. 이는 우주 기반 식량 생산이 전적으로 인간이 처음부터 설계한 기계나 인공 생태계에 의존한다는 것을 의미합니다.

합성 식품이나 에어로포닉스와 같은 고도로 컴팩트하고 효율적인 시스템이 가장 혹독한 환경, 예를 들어 우주선이나 무공기 달에서 주도할 가능성이 높습니다.

화성 같은 행성에서는 일반 농업에 가까운 방식이 가능할 수 있습니다. 자연 햇빛은 LED 조명 및 초고효율 농업 시스템과 결합해 밀폐되고 가열된 온실 내부에서 작동할 것입니다.

우주 기술과 마찬가지로, 이 개념은 지구에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 우리 일상은 이미 우주에서 처음 개발된 기술을 사용하고 있습니다. 예를 들어 수처리 필터, 마이크로칩, 무선 공구, 스크래치 방지 렌즈, 연기 감지기 등이 있습니다.

몇십 년 안에 합성 전분과 단백질, 자동화된 에어로포닉스 농장, 그리고 사막 지역 및 북극에 설치할 초고효율 온실이 이 목록에 추가될 가능성이 있습니다.