공기재배

NASA - Aeroponics
'''공기재배'''는 뿌리를 공기중에 노출하여 토양이 없이 매우 적은 물로 공기나 분무환경에서 식물을 키우는 방식이다. 영어로는 Aeroponics로 표기할 수 있다. 미항공우주국(NASA)에 따르면, 에어로포닉스 시스템은 물의 사용량을 98%, 비료를 60%, 농약을 100% 줄일 수 있는 방식으로 1990년대부터 본격적으로 우주정거장에서 식물 재배 실험을 시작했다.
''식물의 뿌리를 공기중에 노출하여 토양이 없이 분무 환경에서 매우 적은 물로 식물을 키우는 방식이다.''
Plants have been to space since 1960, but NASA's plant growth experiments began in earnest during the 1990s. Experiments aboard the space shuttle and International Space Station have exposed plants to the effects of microgravity. These experiments use the principles of aeroponics: growing plants in an air/mist environment with no soil and very little water.
Aeroponics systems can reduce water usage by 98 percent, fertilizer usage by 60 percent, and pesticide usage by 100 percent, all while maximizing crop yields. Plants grown in the aeroponic systems have also been shown to uptake more minerals and vitamins, making the plants healthier and potentially more nutritious.
Aeroponics 작동방식
식물은 뿌리를 통해 물과 그 속에 녹은 양분을 흡수하여 생장하는데, 전통적인 토양재배는 뿌리를 토양에 두고 양분을 흡수한다. 반면, 수경재배는 뿌리를 물에 두고 필요한 양분을 공급하여 생산성을 높이는 방식이다. 최근에는 과학기술의 발전에 따라 토양 및 수경과 달리 뿌리를 공기 중에 노출하여 산소 공급을 극대화하는 공기재배 방식도 도입되고 있다. 세부적으로 식물재배 방식을 다음과 같이 분류할 수 있다.
# 토양재배(Soil Culture, 토경재배, 土耕栽培):
#* 토양
#* 심지(Wick)
# 수경재배(Hydroponics, 양액재배, 水耕栽培):
#* 물
#** 담액식(Water)
#** 박막식(NFT; Nutrient Film)
#** 점적식(Drip Irrigation)
#** 밀물과 썰물(Ebb and Flow)
#** 물고기(Aqua)
#* 심지(Wick)
# 공기재배(Aeroponics, 공경재배, 空耕栽培):
#* 분무(Spray)
#* 심지(Wick)
분무(Spray) 방식은 흙이 없고 물이 거의 없는 우주왕복선과 국제우주정거장의 공기(Air) 환경에서 식물을 재배하기 위해 미항공우주국(NASA)에서 사용하고 있는 방식이다. 이 방식은 뿌리를 공기 중에 노출 시키고 뿌리에 수분과 영양분을 공급하는 방식인데 이때 NASA에서는 분무(Spray) 방식을 적용하였다.
분무(Spray) 방식은 식물의 뿌리에 효율적으로 산소와 영양분을 공급하여 작물의 빠른 성장 속도와 높은 생산량을 장점으로 한다. 또한, 토양재배와 비교하여 물 사용량을 98%, 비료 사용량을 60%, 살충제 사용량을 100% 줄이는 동시에 더 많은 미네랄과 비타민을 흡수하여 식물을 더 건강하고 더 영양가 있게 재배할 수 있다. 나아가 분무 방식으로 재배된 식물은 환경친화적으로 신선한 산소와 깨끗한 식수의 잠재적 공급원이다.
1998년 Stoner는 NASA로부터 자금을 지원받아 지구는 물론 우주에서도 사용하기에 적합한 고성능 에어로포닉 시스템을 개발했다. Stoner는 자신의 연구를 통해 다른 재배 기술에 비해 수기경 재배 시스템으로 재배한 상추 식물의 성장률이 크게 증가했음을 보여주었다. 이후 NASA는 Stoner가 개발한 많은 항공기 기술 발전을 채택했다.
NASA aeroponic lettuce seed germination. Day 30.
연구 노력은 다양한 중력 환경에서 식물의 빠른 성장을 위한 기술을 식별하고 개발하는 데 중점을 두었다. 저중력 환경에서는 식물에 물과 영양분을 효율적으로 전달하고 폐기물을 회수하는 등의 과제가 있다. 우주에서 식량을 생산하려면 물 관리, 물 사용량 최소화, 시스템 무게 감소와 같은 문제도 해결해야 한다. 또한 달이나 화성과 같은 행성에서의 미래 식량 생산에는 감소된 중력 환경을 처리하는 것이 포함된다. 다양한 중력 수준에서 다양한 유체 역학을 고려할 때 영양분 전달 시스템을 최적화하는 것은 식물 성장 시스템을 개발하는 데 주요 초점이었다.
현재 지구와 저중력 환경 모두에서 다양한 영양분 전달 방법이 사용된다. 기질 의존적 방법에는 전통적인 토양 경작, 제오포닉, 한천 및 영양이 풍부한 이온 교환 수지가 포함된다. 기질에 의존하는 접근법 외에도 영양막 기술, 썰물과 흐름, 수기경법 등을 포함한 비토양 방법이 개발되었다. 높은 양분 용액 처리량을 갖춘 수경 시스템은 빠른 식물 성장을 달성할 수 있다. 그러나 이를 위해서는 대량의 물과 솔루션의 상당한 재활용이 필요하며, 이는 미세 중력 조건에서 솔루션을 제어하는 데 어려움을 겪는다.
Aeroponic 시스템은 수력분무 스프레이를 사용하여 영양분을 전달함으로써 물 사용량을 최소화하고 뿌리 산소 공급을 강화하며 식물 성장을 탁월하게 만든다. 수기경재배 시스템의 영양 용액 처리량은 저중력 환경용으로 설계된 다른 시스템에 비해 더 높다. Aeroponics는 기질이 필요하지 않으며 다른 생명 유지 시스템에서 관리해야 하는 폐기물의 양을 줄인다. 기질 요구 사항을 제거함으로써 파종 및 수확 과정이 단순화되고 자동화가 쉬워지며 소모성 재료의 무게와 부피가 줄어들고 병원균 전파의 잠재적 경로가 제거된다. 이러한 장점은 미세 중력 환경에서 항공기 생산의 잠재력과 우주 공간을 위한 식품 생산의 효율성을 강조한다.
1999년 NASA는 우주와 지구 모두에서 고성능 식품 생산을 위한 팽창식 저질량 에어로포닉 시스템(AIS) 개발을 지원하기 위해 자금을 할당했다. AIS는  경재배 환경에서 식물 뿌리에 영양분과 미스트를 전달하도록 설계된 자립형 자립형 시스템이다. 팽창식 구조는 경량이라는 장점을 제공하며 운송 및 보관 중에 부피를 덜 차지하도록 수축될 수 있다. AIS의 현재 버전은 제조 및 운송 비용이 더 많이 드는 경향이 있는 견고한 구조를 활용한 이전 설계에 비해 개선된 것이다.
지구상에서는 재료 및 운송 비용이 상업적 재배자를 위한 항공기 시스템의 경제적 생존 가능성에 도전을 제기할 수 있다. 그러나 이러한 문제는 우주 운송의 페이로드 질량에 따른 제한을 고려할 때 더욱 두드러진다.
이러한 한계를 극복하기 위해 NASA는 팽창식 서식지 및 구조물의 혹독한 우주 환경을 견딜 수 있는 특수 재료를 개발했다. 아라미드 섬유와 유사한 이러한 재료는 현재 Bigelow Aerospace의 확장 가능한 서식지 개발에 활용되고 있다. Bigelow의 확장형 활동 모듈 중 하나를 사용하여 우주에서 성공적인 테스트가 수행되었으며, 이는 우주 환경에서 이러한 팽창형 구조의 타당성을 입증했다.
Aeroponics는 식물 재배 방법으로서의 효과성과 효율성에 기여하는 다양한 특성을 가지고 있다.
Modern aeroponics allows high density companion planting of many food and horticultural crops without the use of pesticides - due to unique discoveries aboard the space shuttle
=== 전체적으로 영양분이 적은 용액 ===
에어로포닉을 사용하여 자란 식물은 공기 중에서 99.98%의 시간을 보내고, 수분 원자화된 영양 용액과 직접 접촉하는 시간은 0.02%에 불과하다. 물과의 최소한의 접촉으로 인해 뿌리는 효율적으로 산소를 포착할 수 있다. 또한, 수소화 미스트는 뿌리에 효과적으로 산소를 공급하는 데 중요한 역할을 한다. 에어로포닉과 NFT(Nutrient Film Technique)를 비교하면 NFT의 분당 1리터에 비해 에어로포닉의 영양소 처리량이 분당 1.5밀리리터로 더 낮은 것으로 나타났다.
수경재배에서 양분 처리량의 감소는 식물 발달에 필요한 양분의 전체 양을 감소시킨다.
특히 우주 응용 분야와 관련된 처리량 감소의 또 다른 이점은 사용되는 물의 양이 감소한다는 것이다. 물의 양이 줄어들면 식물 성장을 유지하는 데 필요한 무게가 가벼워질 뿐만 아니라 완충 부피도 줄어든다. 또한, 식물에서 생산되는 폐수의 양은 수경재배에서 최소화되므로 재사용을 위해 처리해야 하는 물의 양이 줄어든다.
수경재배에서 상대적으로 적은 양의 용액을 사용하고 뿌리가 수소화 미스트에 노출되는 것을 제한함으로써 뿌리 간 접촉을 최소화하고 식물 사이에 병원균이 퍼지는 것을 줄인다.
=== 공장 환경에 대한 통제력 강화 ===
Aeroponics는 수경법과 같은 다른 식물 성장 시스템에 비해 뿌리 영역 주변 환경에 대한 더 큰 제어 기능을 제공한다. 수기경재배에서 식물 뿌리는 어떠한 매체에도 지속적으로 둘러싸여 있지 않는다.
=== 영양공급 개선 ===
Aeroponics는 이전 용액이나 매트릭스를 씻어낼 필요 없이 뿌리 영역에 다양한 영양 용액을 투여할 수 있는 유연성을 제공한다. 이러한 높은 수준의 제어는 특정 식물 종에 대한 다양한 영양 요법의 영향을 연구하는 데 특히 유용한다. 더욱이, 수기경재배는 다른 영양분 공급 시스템에 비해 더 넓은 범위의 성장 조건을 가능하게 한다. 예를 들어, 식물 종의 특정 요구 사항을 충족하도록 영양분 스프레이의 간격과 기간을 미세하게 조정할 수 있다. 이는 지상 조직이 뿌리 조직과 다른 환경을 경험할 수 있음을 의미한다.
=== 더욱 사용자 친화적 ===
수기경재배 시스템의 설계로 식물을 편리하게 다룰 수 있다. 이는 식물이 개별적으로 분리되어 있고 뿌리를 가둘 수 있는 매트릭스가 없어 공기 중에 부유하기 때문이다. 결과적으로, 각 식물을 수확하는 것은 간단한 작업이 된다. 마찬가지로, 감염된 식물을 제거하는 것은 인근 식물을 뿌리 뽑거나 오염시킬 위험 없이 쉽게 수행된다.
=== 더 비용 효율적 ===
Aeroponic 시스템은 다른 시스템에 비해 비용 효율적인 이점을 제공한다. 앞서 언급한 바와 같이 용액 처리량의 감소는 시스템의 물 및 영양분 요구량을 낮추는 것으로 해석된다. 또한 기판이 필요 없고 움직이는 부품이 많이 필요하므로 비용 절감에 기여한다.
=== 종자 ===
Aeroponics는 종자에 병원균이 미치는 부정적인 영향을 최소화하는 솔루션을 제공한다. 앞서 언급한 바와 같이, 식물의 분리와 공유 성장 매트릭스의 부재가 이러한 이점에 기여한다. 또한, 에어로포닉은 밀폐되고 통제된 환경을 제공하므로 병원균이 없는 종자를 재배하는 데 이상적인 시스템이다. 식물을 서로 격리하는 밀폐된 성장 챔버는 외부 병원체로부터의 초기 오염을 방지하고 식물 사이에 기존 병원균이 퍼지는 것을 제한하는 역할을 한다.
1911년  는 "Experienced Agronomy" 저널에 "On Air Plant Cultures"라는 제목의 기사를 게재했다. 이 기사에서 그는 현재 에어로포닉 방법으로 알려진 다양한 물질을 주변 공기에 분사하여 뿌리 시스템에 대한 생리학적 연구를 수행하는 방법을 소개했다. Artsikhovski는 최초의 수경재배 시스템을 설계하고 식물 재배에 대한 효율성을 입증했다.
1942년에 W. Carter는 공기 배양 재배에 대한 선구적인 연구를 수행하고 뿌리 검사를 용이하게 하기 위해 수증기에서 식물을 재배하는 방법을 설명했다.
1944년 LJ Klotz는 감귤류 식물에 분무하여 중요한 발견을 했으며, 이는 감귤류와 아보카도 뿌리에 영향을 미치는 질병에 대한 연구를 촉진했다. 1952년 GF Trowel은 스프레이 배양 기술을 사용하여 사과나무를 성공적으로 재배했다.
1957년에 FW Went는 공기 재배 과정을 설명하기 위해 "에어로포닉(aeroponics)"이라는 용어를 만들었다. 그는 공기에 매달린 뿌리를 가진 커피 식물과 토마토를 재배하고 뿌리 부분에 영양 미스트를 적용하여 영양을 공급했다.
독립형 상업용 에어로포닉스 시스템의 3D 다이어그램, 2020
상업적으로 이용 가능한 최초의 에어로포닉 장치는 1983년 GTi에 의해 제조되어 시장에 출시되었다. 당시 이 장치의 이름은 영화 Star Trek II: The Wrath of Khan 에서 영감을 받아 ''Genesis Machine'' 으로 명명되었다. Genesis ''Machine은'' "Genesis Rooting System"으로 판매되었다.
GTi의 장치는 마이크로칩 으로 제어되는 개방 루프 물 구동 시스템을 특징으로 한다. 수기경재배실 내에서 고압의 수력분무 영양분 스프레이를 전달했다. 제네시스 ''머신은'' 수도꼭지 와 콘센트 에 연결되어 작동에 필요한 자원을 제공하도록 설계되었다.
수경재배는 식물의 복제(영양번식)에 혁명을 가져왔다. 이전에는 어렵거나 불가능하다고 여겨졌던 수많은 식물의 번식을 에어로포닉의 줄기 절단을 통해 훨씬 쉽게 만들었다. 절단을 통해 전파될 때 박테리아 감염에 민감한 섬세한 활엽수와 선인장이 이제 수경재배 시스템에서 성공적으로 전파될 수 있다. 에어로포닉에서 성공적인 번식은 뿌리 주변의 공기가 잘 통하는 환경으로 인해 뿌리털 발달이 촉진되고(Soffer and Burger, 1988),  에어로포닉 시스템을 통한 영양분 공급으로 인해 뿌리와 전반적인 성장이 강화되었기 때문일 수 있다. 산토스와 피셔, 2009).  또한, 뿌리 뿌리 매체가 없으면 뿌리 질병의 위험이 줄어든다(Mehandru et al., 2014).
에어로포닉스는 영양 번식에서 성공률이 낮은 식물, 약용 용도가 중요한 식물, 수요가 높은 식물을 번식하고 특정 식물 종의 새로운 품종을 만드는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 종자와 꺾꽂이를 통해 번식률이 낮은 중요한 약용 식물인 Leptadenia reticulata  는 에어로포닉을 통해 더 쉽게 번식할 수 있는 것으로 나타났다(Mehandru et al., 2014).  Aeroponics는 또한 네덜란드 느릅나무 병에 의해 심각한 영향을 받은 Ulmus Americana 품종을 포함하여 느릅나무의 가용성에 기여했다(Oakes et al., 2012).
Aeroponics는 오버헤드 미스터를 사용하는 전통적인 방법에 대한 보다 유리한 대안으로 사용된다(Peterson et al., 2018). 이는 많은 양의 물이 필요하고 잠재적인 비위생적 조건, 불균일한 분무 적용 범위 및 잎 영양분의 침출 가능성과 같은 단점이 있는 오버헤드 미스터에 비해 더 높은 성공률을 자랑한다(Peterson et al., 2018). 으로, 수경재배 장치를 사용하면 무균, 영양이 풍부하고 산소가 풍부하며 습한 환경을 통해 더 빠르고 깨끗한 뿌리 발달이 시작되므로 복제가 더 쉬워졌다(Hughes, 1983).
Aeroponics는 조직 배양 기술에서 상당한 발전을 이루어 식물 복제 속도를 높이고 기존 조직 배양 기술과 관련된 노동 집약적 단계를 줄였다. 수기경재배의 주목할만한 이점 중 하나는 조직 배양 재배자에게 어려운 과제였던 토양에 대한 1단계 및 2단계 식재의 필요성을 제거하는 능력이다. 조직 배양에서 식물은 처음에 무균 배지에 심은 다음(1단계) 무균 토양으로 옮긴 다음(2단계) 최종적으로 포장 토양에 이식된다. 이 전체 과정은 노동 집약적일 뿐만 아니라 질병, 감염, 실패가 발생하기 쉽다.
에어로포닉을 활용함으로써 재배자는 공기 뿌리 식물을 밭 토양에 직접 복제하고 이식할 수 있다. 수경재배 뿌리는 수경재배와 같은 전통적인 방법에 비해 시들음, 잎 손실 및 이식 충격에 더 강한다. 더욱이 공기뿌리 식물은 더 건강하고 병원균 감염에 덜 취약한 경향이 있다. 그러나 곰팡이, 조류, 혐기성 박테리아와 같은 문제의 발생을 방지하려면 뿌리실의 상대 습도(RH)를 70°F(21°C) 미만으로 유지하는 것이 중요하다.
마이크로프로세서에 의해 제어되는 완전 플라스틱 수경재배 방법 및 장치를 개발하려는 GTi의 노력은 식물이 토양이나 전통적인 수경재배를 사용하지 않고도 자연적으로 자랄 수 있도록 하는 인공 생명 유지의 새로운 시대를 열었다. 실제로 GTi는 1985년에 혁신적인 에어로포닉 시스템에 대한 특허를 획득했다.
Aeroponics는 시간과 비용을 절약하는 기술로 인정을 받았다. 농업에서 에어로포닉의 경제적 이점 은 업계에 대한 잠재적인 기여를 보여주면서 명백해지기 시작했다.
1985년에 GTi는 "Genesis Growing System"으로 알려진 2세대 항공기 공학 하드웨어를 공개했다. 이 새로운 장치는 폐쇄 루프 시스템을 도입함으로써 항공기 기술의 상당한 발전을 나타냈다. Genesis Growing System은 마이크로프로세서에 의해 정밀하게 제어되는 재활용 폐수를 활용했다. 이러한 혁신을 통해 aeroponics는 종자 발아 지원을 포함하도록 기능을 확장하여 GTi 시스템을 세계 최초의 식물 및 수확 aeroponic 시스템으로 만들었다.
이러한 초기 개방 루프 및 폐쇄 루프 에어로포닉 시스템 중 다수가 오늘날까지 계속해서 성공적으로 작동하고 있다는 점은 주목할 가치가 있다.
Aeroponics는 실험실에서 상업용 재배 부문으로 전환했다. 1966년 상업용 에어로포닉의 선구자인 B. Briggs는 에어루팅을 통해 활엽수 절단에 뿌리를 유도하는 데 성공했다. 그는 공기뿌리 절단이 토양에서 형성된 절단에 비해 더 견고하고 단단하다는 것을 발견하고 공기 뿌리 절단이 건전한 원리라고 결론지었다. Briggs는 또한 수경 재배 에서 종종 관찰되는 이식 충격을 겪지 않고 공기 뿌리 나무가 토양에 이식될 수 있음을 발견했다.
1982년 이스라엘의 L. Nir는 압축된 저압 공기를 활용하여 대형 금속 용기 내부의 스티로폼에 의해 매달린 식물에 영양 용액을 전달하는 수경재배 장치에 대한 특허를 개발했다.
1976년 영국 연구자 존 프리워(John Prewer)는 영국에서 폴리에틸렌 필름 튜브를 사용하여 양상추를 종자부터 성숙까지 22일 만에 재배하는 일련의 수기경 재배 실험을 수행했다. 이 실험에 사용된 안개 방울은 Mee Industries of California에서 공급한 장비에 의해 생성되었다. John Prewer와 협력하여 Isle of Wight의 Kings Nurseries라는 상업 재배자는 1984년에 딸기 식물을 재배하기 위해 다른 디자인의 에어로포닉 시스템을 사용했다. 딸기가 무성하게 자라서 풍성한 열매를 맺었고, 특히 과일의 청결함과 품질, 맛은 물론, 허리를 굽히지 않고 따기의 편리함을 중시하는 어르신 들로부터 높은 평가를 받았다.
1983년에 R. Stoner는 플라스틱으로 만들어진 밀폐된 수기경 챔버에 수돗물과 영양분을 전달하도록 설계된 최초의 마이크로프로세서 인터페이스 에 대한 특허를 출원했다. 이후 Stoner는 상업용 곡식 작물 생산을 위한 수기경 하드웨어, 인터페이스, 생물학적 제어 및 구성 요소를 연구하고 발전시키는 데 전념하는 여러 회사를 설립했다.
Stoner의 회사인 GTi는 상업용 작물 생산을 위한 온실에서 대규모 폐쇄 루프 수경재배 시스템을 제조, 마케팅 및 적용하는 데 선구적인 역할을 했다.
1986년 Stoner는 공중에서 재배한 신선한 식품을 전국 식료품 체인점에 성공적으로 판매한 최초의 사람이 됨으로써 중요한 이정표를 달성했다. 그의 업적은 주목을 받았고 NPR 인터뷰에 초대되어 현대 농업과 우주 탐사 모두에서 물 절약 측면에서 수기재배의 중요성을 강조했다.
1990년대에 General Hydroponics Europe(GHE)은 '''''취미용 수경재배 시장에 에어로포닉을 도입하려고 시도하고 Aerogarden 시스템을 도입'''''했다. Aerogarden은 미세한 안개 대신 물방울을 생성하기 때문에 "진정한" 에어로포닉의 기준을 충족하지 못했지만 취미 시장에서 에어로포닉 재배에 대한 수요를 창출했다. 많은 사람들의 눈에는 미스트 에어로포닉과 액적 에어로포닉의 구분이 모호해졌다. 그러나 Nutriculture라는 영국 회사는 진정한 미스트 에어로포닉을 시험했는데, 이는 Nutrient Film Technique(NFT) 및 Ebb & Flood와 같은 전통적인 재배 기술에 비해 긍정적인 결과를 보여주었다. 비용과 유지 관리의 단점에도 불구하고 Nutriculture는 Amazon이라는 확장 가능하고 사용하기 쉬운 물방울-에어로포닉 시스템을 개발했다. 이는 자사 브랜드의 X-stream 에어로포닉 번식기에서 식물을 번식시킨 다음 이를 시스템으로 옮기면 더 나은 결과를 얻을 수 있다는 점을 인정한 것이다.
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