중학교 학생용 교재

In document 미래 사회와 식물 (Page 53-66)

식물공장 운영

2014 융합인재교육(STEAM) 중학교

식물공장 운영하기

시 작 하 기

다음 두 이야기를 읽고 공통적으로 연결할 수 있는 키워드를 찾아봅시다.

화성에서 인류가 살수 있을지는 앞으로 10년이 지나면 자연스럽게 알 수 있다. 2025~2030년에 인류를 화성에 보내는 ‘마스원(Mars One)’ 프로젝트가 진행되고 있다. 미국 항공우주국(NASA)은 차세대 우주 선 ‘오리온(Orion -그림 참고) 을 차근차근 준비 중이다.

화성에는 현재 착륙 탐사선이 두 개 있다. 큐리오시티와 오퍼튜니티가 주인공들이다. 이들은 화성 지표 면을 조금씩 움직이면서 다양한 자료를 보내오고 있다. 물과 생명체 존재 여부를 두고 가능성이 가장 많은 화성에 최초로 인류는 ‘우주식민지’를 건설한다.

인류가 화성에 도착하기 전에 각종 물자를 실은 화물 우주선이 화성에 먼저 도착한다. 이 화물선에는 캡 슐 형태의 주거지는 물론 우주에서 재배가 가능한 식물, 각종 의료장비 등 일상생활에 필요한 물품이 모두 포함된다. 인류가 화성에 도착하면 이 물품을 특정 지역에 건설하기 시작한다. 캡슐 형태의 집을 만들고 척 박한 화성에서의 삶을 시작한다.

미국 항공우주국은 이미 하와이에서 우주 물자와 인력을 운송할 우주선에 대한 모의착륙 실험 등을 진행 하고 있다. 비행접시 형태의 착륙 우주선은 5.4㎞(1만8000피트) 상공에서 떨어뜨려 속도를 낮추면서 최 종 낙하산을 펼쳐 안전하게 지상에 도착하게 하는 실험이다.

우주 공간에서 식물 재배에 대한 연구 작업도 조금씩 진척을 보이고 있다. 최근 민간우주업체 스페이스X 가 만든 ‘드래건(Dragon)’ 화물선에 각종 채소가 실려 우주공간으로 옮겨졌다. 국제우주정거장(ISS)에 서 재배를 한다. 화성에서 인류가 오랫동안 버텨내고 살기 위해서는 정기적이고 안정적 식량 공급시스템 확보가 중요하다.

우주선도 준비 중에 있다. 오리온 우주선이다. 화성에 인류를 보내기 전에 오리온 우주선은 소행성에 착륙 하는 과정을 거칠 계획이다. 오리온의 첫 시험발사는 2017년에 예정돼 있다. 화성에 대한 추가 탐구를 위 해 착륙 탐사로봇을 보내고, 우주에서 식물을 재배하고, 먼 거리까지 갈 수 있는 우주선까지 예정된 일정 에 따라 착착 진행되고 있다.

이런 장비와 시스템에 앞서 가장 중요한 것은 인류의 적응력이다. 화성의 하루는 약 24시간50분이다. 지 구보다 40~50분 정도 길다. 중력도 지구의 3분의1 정도이다. 극미량의 중력에서 인류가 버텨내기 위해서

Prologue 1

{화성(火星)에서 인류는 어떻게 살 수 있을까}

1

는 적응이 필요하다. 하루가 24시간 보다 길다는 것도 생체 리듬에 끼치는 영향이 적지 않다. 잠을 이룰 수 없다. 나사는 이를 위해 하와이우주탐험시물레이션(HISEAS)을 구축했다. 하와이에 만들어진 HISEAS 는 식량 보급은 물론 철저하게 단절된 상태에서 인간에게 미치는 영향, 지구와 다른 곳에서 먹고 자고 입 는 모든 것을 실험한다. 하와이의 토양이 화성과 비슷해 실제 우주 비행사들의 적응에 많은 도움이 될 것 으로 예상된다.

{그림}

미국 항공우주국(NASA)의 차세대 우주선 ‘오리온(Orion)’

가뭄이나 홍수가 나면 농사 피해를 걱정하는 뉴스가 끊임없이 흘러나온다. 시장에 가면 곡식과 야채, 과일 의 가격은 엄청나게 올라 있다. 인간이 어떻게 해볼 수 없는 자연 재해라 매번 농부들은 한숨만 쉬어야 하 는 것일까? 우리 미래 세계는 꼭 그렇지만도 않을 듯하다. 농산물도 공산품처럼 공장에서 나올 수 있게 될 것이기 때문이다. 인위적인 태양광과 땅을 대신한 양분공급, 병해충으로부터 차단돼 있고, 태풍에도 끄떡 없는 공장에서 우리가 즐겨먹는 상추와 토마토 등이 수확된다는 것이다. 우리가 농업에 쓰는 용어인 ‘재 배’(식물을 키워 가꿈, 기른다는 말)도 ‘생산’(생활에 직 간접으로 필요한 물자나 용역을 만들어 내는 행 위)이란 말로 바뀔 듯하다. 그런데 정말 SF 영화에서나 가능할 법한 일들이 현실에서 벌어질 수 있는 것인 가? 사실 식물공장 연구는 1950년대 유럽에서 시작됐다. 식물공장의 시작은 1957년 덴마크 크리스텐센 (농장주 이름을 따서 지음) 농장에서 태양광을 이용해 온실에서의 새싹 채소(cress)를 재배한 것이다. 이 채소는 새싹으로 먹는 탓에 파종 1주일 후 수확했다. 당시 이 공장의 특징은 평면 시설에 컨베이어 시스템 으로 작물을 운반했고, 태양광의 보조 광원으로 고압나트륨램프를 사용했다. 미국은 우주 탐사선에서 사 용할 클로렐라 등 미생물을 생산하기 위해 식물공장 개념을 최초로 도입 했다. 이후 소련과 우주를 향한 치 열한 경쟁에서 우주인들에게 공급될 식량 목적으로 식물공장 개발에 뛰어들었다. 당시 미국에서는 우주 인들의 장기간 거주를 위해 식물 공장을 연구 했었다. 1960~1970년대에는 미국의 대표적 GE(General Electric), GM(General Motors)과 같은 기업체에서 완전 제어형 식물공장 연구를 했다. 그러나 수익성 이 맞지 않아 실용화까지 이루어지지 않았다. 그러나 1980년대 들어 미국에서 상용화되어 최근에는 도시 내에 고층 수직 농장 개념으로 발전하였고, 국내에도 남극 기지 등 인공적인 식물 재배가 필요한 곳에 실제 로 사용되기 시작했다.

Prologue 2 {미래 시대의 농사}

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위의 두 글을 읽고 공통 키워드를 두 가지 골라보세요. 또 그렇게 생각한 이유를 설명하고 모둠별로 하나의 키워드 를 선정하여 발표해봅시다.

키워드

선정 이유

키워드

선정 이유

생 각 열 기

◦ 애완동물을 키워본 적이 있나요? 강아지, 고양이 같은 친숙한 동물들부터 금붕어, 이구아나, 햄스터, 앵무새, 장수 풍뎅이 같은 독특한 친구들까지... 이렇게 다양한 동물을 키울 때는 종류에 따라 먹이도 다르게 준비해야 하고, 동 물의 보금자리도 습성에 맞추어 꾸며 주어야 합니다. 또한 쉬지 않고 먹이를 주어야 하는 친구, 햇빛을 직접 쬐면 안 되는 친구, 끊임없이 움직이는 친구 등등 각각의 특성이 매우 다양하답니다. 애완동물을 키우며 시간 맞춰 먹이와 물주기, 배설물 치우기, 보금자리 청소해주기 등을 해주다보면, “아, 누가 때맞춰 밥 좀 줬으면 좋겠다!” “배설물 이 알아서 치워질 수는 없나?” 하고 생각한 적이 있었을 거예요. 한 마리의 애완동물을 키우기도 이렇게 어려운데, 여러 마리를 건강하게 효과적으로 키워야 한다면 어떻게 해야 할까요? 물건을 만들어내는 ‘공장’이란 단어는 모두 알고 있죠? 예전에는 사람이 직접 부품들을 끼우고 하나하나 조립하는 모습을 공장에서 쉽게 볼 수 있었지만 요즘 은 대부분의 공장에서 사람이 직접 하는 작업이 별로 없답니다. 자동화 시스템이 되어 있어서 중앙 통제실에서 컴 퓨터로 지시만 내리면 기계들이 알아서 자동으로 작업이 이루어지죠. 이제부터 생각해 볼 식물공장도 마찬가지예 요. 앞의 단원에서 식물공장이 무엇인지 알아보았지만, 애완동물을 키울 때처럼 식물에게도 때에 맞춰 밥을 주고, 보금자리를 유지시켜주는 손길이 필요해요. 특히, 환경에 민감한 식물을 대량으로 효과적이고 안정적으로 재배하 려면 한 치의 오차 없이 자동화 된 시스템이 더욱 필요하지요.

{ } 식물공장의 자동화 시스템 이해하기

주제

1784년 제임스 와트가 증기기관을 실용화하였을 때, 원심력을 이용해서 속도를 제어하는 장치를 사용하 여 기관의 회전수를 제어한 것이 자동화의 시작이라고 한다. 일설에 의하면, 팬테일기어(fantail gear) 에 의한 풍차의 방향제어가 그 최초라고도 한다. 어쨌든 그 시작은 18세기이지만, 그 후 별로 큰 진보가 없 다가 본격적인 실용단계에 도달한 것은 제2차 세계대전 후이다. 그 이유는 통일된 이론이 없었고 공학 전 반에 걸친 기술이 빈약하였기 때문이다. 제 2차 세계대전 전후에는 전쟁 중에 병기개발을 통해 얻은 각종 의 기술이 일반 공업에 응용되어 광범위하게 보급되었다. 점차 반도체를 비롯하여 새로운 전자부품이 개 발되어 각종 공업에서 자동화의 응용이 한층 높아졌으며, 제어대상도 종래의 설정 값에 소정의 점의 온도 나 압력을 유지하는 제어에서, 시스템 전체의 최적운전을 노리는 최적제어나 최적화제어로 진전하였다.

1960년대에 들어와서는 다른 분야에서 급속히 발전하여 온 컴퓨터 기술이 제어분야에 적극적으로 파고 들어, 자동화 시스템은 더욱 그 진전에 박차를 가하게 되었다. 식물분야에서도 자동화시스템이 도입되기 시작하여 식물공장의 모식도가 구성되기 시작하였다.

{자동화 시스템의 역사}

식물 공장에서 식물을 키우려면?

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2)

3)

식물이 공장 안에서 제대로 자라려면 어떤 점을 고려해야 할지 생각나는 요소들을 자유롭게 적어봅시다.

다음 동영상을 보고 여러분이 식물 공장에서 식물을 재배할 때 식물이 자라는데 있어, 특히 신경 써야 할 요소 세 가지를 정해봅시다. * 핸드폰의 네이버, 다음 앱에서 코드 검색을 선택하여 동영상을 확인하세요.

위의 2)번에서 뽑은 요소 중에 모둠별로 하나를 선정해봅시다. 인터넷 포털 사이트와 동영상 사이트에서 이를 설명할 수 자료를 찾아봅시다. 신문기사, 뉴스, 사진, 동영상, 백과사전, 웹사이트 등 다양한 자료를 찾을 수 있 습니다. 그 후 자료를 종합하여 QR 코드로 만들어 연결해주세요. (동영상의 경우 필요한 부분의 시간을 몇 분 몇 초부터 몇 분 몇 초인지 QR코드 소개글에 적어주세요.)

생 각 펼 치 기

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QR 코드는 사진, 동영상, 링크 등의 정보를 담아 코드를 생성하여 여러 사람들과 공유할 수 있도록 해주는 서비스입니다. QR 코드를 제공하는 곳은 여러 곳이 있지만, 가장 접근성이 뛰어나고 만들기 쉬운 사이트 는 ‘네이버 QR 코드’와 ‘다음 QR 코드’입니다.

빨간 동그라미 부분을 누르면 코드를 생성할 수 있는 단계가 나타납니다. 제목을 입력하고 코드 디자인을 선택합니다. 다음단계로 이동하면, 내가 공유하고 싶은 웹사이트 URL 링크 뿐 만 아니라, 연락처, 사진, 동영상, 지도, 이런 내용들에 대한 설명까지 다양한 정보를 첨부할 수 있습니다. 마지막 단계로 넘어가면 QR 코드 저장, 복사, 인쇄, 링크를 제공하여 어디에나 QR 코드를 이용하여 정보를 공유할 수 있습니다.

다른 모둠의 QR코드를 확인하여 비교해보고 각 요소에 대해 중요한 점을 정리해봅시다.

네이버 QR 코드 다음 QR 코드

{QR 코드 만들기}

참고 자료

제목 입력하기 세부 내용 담기

링크

연락처 지도 동영상 이미지 소개글

생 각 다 지 기

식물을 키워 식량을 얻으려는 인간의 노력은 끊임없이 발전해 왔습니다. 단순히 자연에 있는 것을 채취 하는 것이 노력의 시작이었습니다. 문명이 시작되며 직접 씨를 뿌리기 시작하였고, 비료를 개발하여 생 산량을 늘리게 되었습니다. 비닐하우스 등 시설을 이용하여 자연 환경의 제약을 이겨내기 시작하였으며 수경 재배의 성공을 통해 식물 생산의 고정관념이 변하였습니다. 이런 발전 단계를 거쳐 현재의 식물 공 장의 도전에 이르게 되었습니다.

제어항목 온도 양분 빛 노동력 재배능력

단순 재배 화학 비료 사용 시설 이용 재배 수경 재배 식물 공장 지난 시간에 알아본 식물공장의 기본 개념을 먼저 확인해보겠습니다.

다음 표는 각 발전 단계를 나타낸 것입니다. 모둠별로 토론을 통해 제어가 가능하다고 생각되면 ○, 상황에 따라 부 분적으로 가능하면 △, 불가능하면 × 를 표시하여 다음 표를 완성해봅시다.

식물 공장을 효율적으로 운영하려면?

1) 여러분이 식물 공장의 주인이 되었다고 생각해봅시다. 식물 공장을 운영하려면 AT(농업), IT(정보통신), ET(

환경제어), BT(바이오) 관련 기술이 복합적으로 작용합니다. 식물 공장을 효율적으로 운영하려면 어떤 능력을 가진 전문가가 필요할지 다음 모식도를 참고하여 분야별로 생각나는 대로 구체화하여 적어봅시다.

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