식물 공장과 스마트 농장: 기후 변화 대응을 위한 혁신적 농업 기술

식물 공장이란

‘식물 공장’은 기후의 영향을 받지 않는 인공적인 자연환경에서 외부와 완전히 차단된 환경에서 작물을 재배하는 방식입니다. 식물 공장은 기후 변화로 인한 식량 안정적 확보 및 집중 호우, 초대형 태풍, 가뭄 등 기상 이변으로 인한 농업 생산성 저하에 대비하기 위해 설계된 시설입니다.

 

햇빛은 LED를 이용한 인공 조명으로 대체하고, 공기는 CO2 주입으로 조절하며, 온도는 공기 조절기로 유지하고, 토양은 양분을 포함한 배양액으로 대체하는 방식으로, 공산품처럼 계획적으로 생산할 수 있는 시스템적 농업 형태입니다.

 

이 방식은 빛, 온도, 습도, 양분 등 식물이 자라기에 적합한 환경을 인공적으로 조성함으로써 외부 영향을 받지 않고 식물의 대량 증식이 가능합니다. 식물 공장이 보편화되면, 작물 재배가 어려운 도시, 사막 지역, 극지에서도 작물을 재배할 수 있게 됩니다.

 

엽채류 등을 재배하는 스마트팜 일민농원 첨단 식물공장 (사진 : 일민농원)

식물 공장의 환경

식물 공장 내 LED는 광합성에 가장 많이 관여하는 파장인 청색 LED(450나노미터, nm)와 적색 LED(660나노미터)를 많이 사용하며, 자연환경과 비슷한 환경을 조성하기 위해 백색 LED를 병행 사용합니다. 연중 온도는 22±0.5℃, 습도는 55%로 일정하게 유지되며, 광합성에 필수적인 이산화탄소는 사무실 직원들이 호흡을 통해 배출하는 것을 활용합니다.

 

식물 공장은 크게 세 가지 형태로 구분됩니다.

첫째, 태양광 병용형은 주로 태양광을 이용해 작물을 재배하며, 태양광이 약하거나 일조 시간이 짧은 계절에는 인공광을 사용합니다.

둘째, 밀폐형은 식물 생장에 필요한 환경을 인공적으로 제어하여 노지보다 2배 이상 빠른 재배 속도를 보입니다.

셋째, 완전 제어형은 전적으로 인공광에 의존하여 작물을 재배합니다.

 

밀폐형 식물 공장은 상추와 같은 채소를 연간 10~12회 수확할 수 있어 생산성이 월등히 높고, 폴리페놀이나 비타민 등 특정 성분을 증대시킬 수 있습니다. 또한, 외부 공기를 이중 필터를 통해 걸러 유입시켜 무균 상태를 유지하므로 농약과 화학 비료를 사용하지 않습니다. 따라서 생산된 채소는 무공해이며, 질감이 부드럽고 주로 샐러드용으로 사용됩니다.

도심형 식물 공장은 기존의 유리 온실이나 비닐하우스와 경쟁하기보다 도심 내에서 신선한 채소를 재배해 유통 비용을 절감하는 로컬 푸드 방식으로 각광받고 있습니다.

 

식물 공장의 변화

식물 공장은 기후 변화에 영향을 받지 않으며 좁은 면적에서도 많은 생산물을 얻을 수 있는 장점이 있지만, 생산 비용과 초기 설치 비용이 많이 드는 단점도 존재합니다. 그러나 미래에는 식량 생산의 주요 방법으로 활용될 것으로 예상됩니다.

 

수직농장업체 에어로팜 (이미지출처 : https://www.dongwon.com/post/731)

 

현재는 주로 도시 근교에서 잎채소 중심으로 생산이 이루어지고 있으나, 앞으로는 다양한 식량 자원을 생산하는 중요한 방법으로 발전할 것입니다. 또한, 최근 도시의 자투리 공간을 활용한 식량 생산 시도들이 활발히 이루어지고 있으며, 옥상 농장, 텃밭 가꾸기, 도시 농장 등 다양한 형태로 나타나고 있습니다. 이러한 시도들은 도시인의 정서 발달과 도시 생활의 스트레스 해소에도 긍정적인 영향을 미치고 있습니다.

 

스마트 농장

최근 식물 공장은 스마트 기기와 융합된 형태의 스마트 농장으로 진화하고 있습니다. 스마트 농장은 인공적인 생육 환경이 스마트 기기에 의해 자동으로 조정되는 시스템입니다.

 

이미지출처 : https://www.fic.com.tw/smart-city/smart-farming/

 

스마트 농장의 재배 환경과 원리

• 광합성 조절 : 햇빛이 부족하면 발광 다이오드(LED)와 형광등이 자동으로 켜져, 식물의 광합성에 가장 효과적인 파장의 빛을 제공합니다.
• 온도 조절 : 온실 온도가 과도하게 상승하면 에어포그 시스템이 작동해 시원한 물안개를 뿌려 온도를 낮춥니다.
• 이산화탄소 농도 유지 : 센서와 연결된 이산화탄소 발생기가 적정 농도를 유지합니다.
• 수경 재배 시스템 : 흙 대신 자동화된 수경 재배 시스템을 통해 물과 양분을 공급합니다.
• 온도 및 환경 조정 : 밤에는 다단식 이동식 식물 재배기를 이동시켜 커튼을 드리우고, 자동 온도 조절 시스템으로 부분적인 냉난방을 합니다.
• 원격 모니터링 : 무선 네트워크 모니터링 시스템을 통해 인터넷이나 스마트폰으로 실시간으로 온도, 습도, 이산화탄소 농도 등을 감시할 수 있습니다.

스마트 농장은 자동화된 시스템 덕분에 더욱 효율적이고 정밀하게 환경을 조정하여, 보다 안정적이고 생산적인 농업 환경을 제공합니다.