우주농업을 위한 확장 가능한 수경재배 시스템 = Scalable Hydroponics System for Deep Space Farming

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 수경재배 및 아쿠아포닉스에서 사용하는 시스템을 환경이 제약된 우주에서 작물을 재배할 수 있도록 확장 설계한 시스템이다. 제안된 시스템은 모듈식으로 확장 가능하며, 자율적으로 작물환경을 유지 할 수 있도록 설계하였다. 또한 NASA(National Aeronautics and the Space Administration)에서 정한 요구 사항 및 제약 조건을 충족할 수 있도록 고려하였다.
식량 안보의 중요성을 인지한 NASA는 혁신적인 해결책을 모색하기 위해 우주와 지구에 양질의 식량을 제공하는 백주년 도전 프로그램을 시작했다. 아이다호 대학의 연구팀과 공동으로 NASA의 1단계 경쟁에 참 여하였으며, 사물인터넷(IoT) 센서를 활용하여 우주 식량 생산 플랫폼(ASFP, Aero Space Food Production Platform)을 제안하여 통제된 환경에서 낮은 유지비용과 자동 환경제어로 작물을 재배하였다. 작물 생육을 위해 챔버, 바이오 필터 및 실시간 모니터링 시스템으로 구성되었다. 챔버는 우주선내 출입구 제약에 따라 123㎝×46㎝×183㎝(width×depth×height), 전력은 최대 3,000w이며, 평균 1,500w이하로 설정 되었으며, 생육환경은 온도 20∼24℃, 습도 48∼62%를 유지할 수 있도록 구성되었다. 바이오필터는 물의 재사용을 위한 구성요소로 질산화-탈질화 사이클을 할 수 있도록 하였고, 마지막으로 모니터링 시스템은 DO, EC, pH 및 수온 센서를 통해 데이터를 획득하고, 이를 무선통신으로 정보를 제공하여 시각화할 수 있 도록 구성하였다. 제안된 ASFP를 활용하여 바질의 생육을 관찰하였으며, NASA가 설정한 시스템 제약 조 건을 충족하며, 생육단계별 22 °C, EC 0.3~4.0 dS.m-1, pH 6의 설정환경을 유지하면서 작동 가능했다. 제안된 ASFP는 상업적 생산을 위해 다양한 작물(예를 들어, 감자, 토마토, 다른 잎이 많은 채소)을 재배하 는데 사용될 수 있다. 그러나, 제약 환경을 가진 우주에서는 완전 자율적인 식품 생산 시스템을 달성하기 위해, 광학 센서, 광 제어 및 비전 센서와 같은 추가 센서는 최적의 성장 단계를 더 잘 특성화하는 데 유 용할 수 있을 것이다. 또한 디지털 트윈 플랫폼을 갖춘 식품 생산은 미래의 농업 생산 시스템을 위한 차세 대 데이터, 모델 및 의사 결정 지원 도구를 구현하여 ASFP를 향상시키는 데 유용한 연구가 될 것이며, 제 안된 ASFP에서 디지털 트윈을 적용하는 것은 지속 가능한 농업으로 지구와 우주 공간에서 작물을 재배하 는 또 다른 방법이 될 것으로 기대한다.