마션: 화성에서 농사 짓기는 SF가 아니다

*이 글은 우주 과학자 브루스 벅비의 블로그를 번역한 글입니다.

1982년에 나는 지적인 중력권 탈출 속도에 꽤 근접했다. 장기 우주 미션을 떠난 우주인들을 부양할 수 있도록, 어떻게 하면 식량을 키울 수 있을지 연구할 기금을 NASA에서 받기로 선정되었다. 이건 시시한 일이 아니다. 33년이 지난 지금도 나와 내 학생들은 우주 농장에 투입할 것들을 붙들고 씨름한다.

우리는 지구 밖에서 생명을 부양하는 가능성에 오래 전부터 흥미를 느껴왔다. 앤디 위어가 창조한 '마션'의 캐릭터 마크 와트니처럼, 우리는 우주 식민지를 유지하는데 필요한 질량과 에너지의 밸런스를 계산한다.

아래 사진은 우리 연구실에서 LED 조명으로 키우는 무와 양상추이다. 이 식물들은 국제 우주 정거장의 '궤도 광주기'를 경험하고 있다. 60분 동안 밝은 빛을 받았다가 30분 동안 어두워지는 90분짜리 사이클이다. 흙 없이 점적 관개 수경 재배로 키우고 있다. 예비 연구에서는 이 작물들은 이런 환경을 견뎠고, 16시간 낮/8시간 밤인 지구 환경으로 재배한 통제 집단에 비해 성장이 조금밖에 저하되지 않았다.

화성에서 식량을 재배하는 데에는 많은 어려움과 장점이 함께 존재한다. 장기 미션이라면, 화성에서 식량을 재배할 수 있는데 화성까지 식량을 나르는 것은 비용 대비 효과적이지 않다. 로컬 푸드를 먹자.

로컬 푸드를 먹을 수 있다는 것 외에도 장점이 있다. 농작물은 식량 공급 이상의 일을 한다. 만약 식량 100%를 닫힌 계에서 재배한다면, 작물의 광합성이 산소와 이산화탄소의 밸런스를 완벽하게 유지한다. 하지만 이런 중요한 기체들은 매일매일 언제나 균형이 맞는 것은 아니다. 우리가 트레드밀 위에서 달릴 경우, 식물들이 더 빨리 자라서 추가로 필요한 산소를 공급해주지는 않는다. 산소 농도를 안정화할 수 있는 완충 장치가 필요하다.

이 완충 장치를 최적화하는 것이 아주 어려운 일이다. 불안정한 시기에도 생명을 유지할 수 있을 만큼 커야 하지만, 경제적일 수 있을 정도의 작은 크기여야 한다. 발생할 수 있는 불안정함을 예측하고 그 영향을 계산할 수는 있지만, 생명 유지 장치에서 '작고 안정적'이란 말은 모순이다. 수 세기 동안 우리의 거대한 바다들이 완충 장치 역할을 해왔다. 유감스럽게도 화성에는 바다가 없다.

화성 식량 재배의 두 번째 어려움은 담수의 충분한 공급이다. 식물은 식량 1kg을 생산하는데 물을 최소 200리터 사용한다. 식물이 공짜로 물을 재활용하고 걸러준다는 건 장점이다. 중수도 용수를 식물 뿌리에 공급하면 식물은 기공에서 '내쉬는' 수증기로 최고의 병입 생수보다도 더 순수한 물을 배출한다. 우리가 닫힌 계에서 식량을 재배하는 한 우리는 깨끗한 물을 충분히 가질 수 있다. 고성능 필터링 시스템은 필요없다. 그리고 화성에 소금물이 있다는 걸 발견했으니, 우리는 화성에 있는 물에서 소금을 걸러내 생물학적 생명 유지 시스템을 시작할 수 있다. 지구에서 물이 부족한 도시들에서는 이미 해수 역삼투성 여과장치를 사용하고 있다. 화성에서도 이 기술을 사용할 수 있다.

세 번째 어려움은 광합성을 위한 충분한 빛을 얻는 일이다. 실내용 화초와는 달리, 농작물은 밝은 빛이 없으면 생존할 수 없다. 농작물은 광합성을 많이 한다. 밝은 사무실의 빛에서 외부 태양빛의 비중은 1% 미만이며, 감자 등의 작물을 재배하는데 필요한 최소 광량의 3% 미만이다. 게다가 화성은 지구보다 태양에서 1.5배 더 멀고, 대기가 옅어 태양 복사가 거의 걸러지지 않지만 표면의 빛의 세기는 지구의 60%에 불과하다. 그래서 전기력도 약하고, 광합성도 약하다. 두 과정 모두 스타크-아인슈타인 법칙을 따른다. 광자 하나는 전자 하나를 방출한다. 마법 같은 지름길은 없다.

예외는 아마 SF에만 존재할 것이다.

'마션'에서 마크 와트니는 태양의 전자기 방사선을 모두 차단하도록 설계된 거주지 안에서 사무실 조명으로 마법처럼 감자를 키운다.

화성 온실 설계에는 어마어마한 어려움들이 따른다. 운석에 맞아도 견딜 수 있는 엄청나게 강하고 투명한 절대 새지 않는 막이 필요하다. 광합성에 필요한 복사는 거르지 않으면서 우주선(線)은 전부 걸러야 한다. 농작물이 잘 자라게 하려면 우리는 2015년의 첨단 기술을 사용하게 될 것이다. 지붕에는 빛을 집중시키는 포물선 모양의 방사판을 달고 태양빛을 광섬유로 전달할 것이다. 태양빛을 집중시키고 최적의 환경 조건을 갖추면, 우리의 계산에 따르면 한 사람이 큰 거실 넓이(25제곱미터)의 식량을 재배할 수 있을 것이다.

SF에서 한 가지 더 지적할 점은 마크 와트니가 단백질 바, 비타민 알약, 감자의 탄수화물만 먹고 거의 2년을 살았다는 점이다. 우리는 그렇게 제한적인 식단의 장기적 문제에 대해서는 아직 모른다. 보통 우리는 일주일에 수백 종의 식물을 먹는다. 그걸 50종으로 줄일 수 있을까? 10종으로? 가능할 수 있지만, 식단 다양성 감소의 영향을 알아보려면 지구에서 닫힌 계를 만들어 사람들을 넣고 장기간 연구해야 할 것이다. 재배 영역을 작게 유지하기 위해, 효율적인 화성의 식단은 철저히 비건이 될 것이고 나무에서 자라는 과일과 견과류는 포함되지 않을 것이다.

우리의 초기 연구에서 식물들이 엄청난 심리적 가치를 가질 것으로 예측한 바 있다. 마크 와트니는 감자와 함께 살았던 것을 추억한다. 그는 감자들이 사라지자 그리워한다. 산전수전을 겪은 우주인들이 지구로 돌아오면 그들은 우주에서 키우던 식물들과 쌓았던 유대감에 대해 계속 이야기한다. 10년 전 우주에서 거의 1년을 보낸 우주 비행사는 기자 회견에서 자신의 심리적 경험을 이렇게 요약했다. "식물 없는 장기 우주 여행은 불가능하다."

지구는 우주 속을 돌진하는 닫힌 계다. 미미해 보이는 한 가지 변화의 의미를 이해하는데 세계 최고의 지성들 중 일부가 집중하고 있다. 우리 대기의 이산화탄소는 지난 100년 동안 0.03~0.04% 증가했다. 우리는 이 미묘한 변화의 영향을 이제 겨우 연구하기 시작했다.

변화가 빨리 일어나는 소규모 생물학적 생명 유지 장치에서 배울 수 있는 것이 많다. 마크 와트니의 모험이 자극이 되어 우리 젊은이들이 우리의 일을 이어받게 될지도 모르겠다.