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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.