탐구이유: 영어 교과서 본문 5과를 공부하다 “Plants grow more slowly, but as long as they have a light source above them, they are able to grow in the right direction.”[식물은 더 느리게 자란다, 그러나 식물들이 그것들 위에 적절한 광원을 가진다면, 식물들은 올바른 방향으로 자랄 수 있다.] 라는 문장에서 중력에 상관없이 식물의 뿌리가 올바른 방향으로 성장할 수 있다는 내용은 이해가 갔지만, [Plants grow more slowly] 부분에서 왜 식물의 성장이 (지구에 비해) 느려질까라는 궁금함이 생겨 이 주제를 선정하게 되었다.
탐구목적: 우주농업의 활성화를 위해 식물의 성장에 방해되는 요인을 분석하고 나의 합리적인 가설을 세워 이를 해결할 시스템을 제안하고자 한다.
Ⅰ.서론
1. 먼저 이 지문에서 쉽게 오해할 수 있는 부분에 대해 바로잡고자 한다. 지문에서는 2010년 국제우주정거장에서 행해진 연구 결과를 말하며, 일반적 예상과 달리 광원만 존재한다면 중력은 뿌리가 올바르게 성장하는데 크게 영향을 미치지 않는다고 말한다. 그리고 이를 토대로 중력은 식물 성장에 크게 중요한 요소가 아니며 오히려 광원에 집중해야 한다고 주장한다.
하지만 우주농업과 관련된 비교적 최근 자료인 『우주농업의 필요성과 기술개발 동향』 오영민 교수, 2023.04.20.의 pdf를 읽어보면, 미세중력(Microgravity), 감압환경(Low pressure), 전리방사선(Ionizing radiation), 미세자기장(Low magnetic field)의 4가지가 우주환경에서 작물 생산의 주요 해결 요인임을 제시하고 있다. 본문대로라면 식물에 광원이 지속적으로 비춰지지 않음을 지적할 것 같은데 오히려 본문에도 나왔던 미세중력(Microgravity)을 지적한 것이다.
2. 다소 모순되는 지점을 발견하고 이를 정정하기 위해 실제 연구에 대한 자료를 찾아보기로 하였다. 실제 연구는 BMC Plant Biology에서 진행한 『Plant growth strategies are remodeled by spaceflight』 Paul et al, 2012.12. 이며 결과와 결론의 내용의 일부에는 이렇게 써져 있다. Results: In the absence of gravity, but the presence of directional light, spaceflight roots remained strongly
negatively phototropic and grew in the opposite direction of the shoot growth. 즉 본문처럼 중력이 부재해도 직접적인 광원이 있다면 빛의 반대 방향으로 자라는 성질(음의 광굴성)을 가지며 줄기와 반대 방향으로 자라난다는 것이다. 결론에는 Conclusions: Skewing and waving, thought to be gravity dependent phenomena, occur in spaceflight plants. In the presence of an orienting light source, phenotypic trends in skewing are gravity independent, and the general patterns of directional root growth typified by a given genotype in unit gravity are recapitulated on orbit, although overall growth patterns on orbit are less uniform. Skewing appears independent of axial orientation on the ISS suggesting that other tropisms (such as for oxygen and temperature) do not influence skewing. An aspect of the spaceflight environment also retards the rate of early Arabidopsis growth. 라고 정리되어 있는데 이 또한 중력이 뿌리의 방향성 성장 패턴과 중력은 무관하다는 의미를 정리해 놓은 것이다. 마지막에 우주 비행 환경의 특정 요소(aspect)가 초기 식물의 성장을 지연(retard)시키기도 한다고 언급하였는데, 이는 중력이 뿌리 성장에 영향을 주지 않으며 다른 어떤 요소가 식물의 성장을 지연시킬 수 있다는 것이다. 그러나 이는 절대 중력이 식물 성장에 있어 사소한 요소라는 것을 말하고 있는 것은 아니다. 오히려 ‘다른 측면’에서는 중력은 매우 중요한 요소가 될 수 있는데, 본문의 작성자는 아마 원문에서 중력의 역할에 대한 내용을 살펴보고, 이 내용을 단순화시켜 중력이 중요한 요소가 아니라고 판단한 것이 아닐까 조심스레 추측해 본다.
Ⅱ.본론
- 이제 중력에 대한 오해가 풀렸으니 우리는 더 넓은 시각으로 문제를 바라볼 수 있을 것이다. ‘식물이 더 천천히 자라는 원인’은 다양하게 존재할 수 있지만 이번 탐구에서는 단순 자원 부족이 아닌 ‘우주라서’ 더 천천히 자라는 원인을 찾아보고자 한다. 우선 식물의 성장은 식물이 에너지를 얻는 광합성(photosynthesis)과 관련이 있다. 이 광합성에 필수적인 요소는 1.이산화탄소, 2.물, 3.빛에너지인데 물, 토양, 빛의 공급은 단순 자원 공급 문제이므로 우주 산업이 번성하여 자본과 공급의 증가로 해결될 수 있다고 생각한다. 그럼 당연하게도 ‘1.이산화탄소가 잘 공급되고 있는가?’로 시선이 갈 수 밖에 없는데 여기서 재밌는 사실이 떠오른다. 통합과학 시간에서 배웠듯이 우주의 약 98%는 수소와 헬륨이다. 그럼 이산화탄소는 이미 압도적으로 극소량에 불과한 것이다. 이를 생각하고 탄소 공급 방안을 모색하려고 하였으나 현실은 정반대였다. 지구의 이산화탄소 농도가 400ppm(0.04%) 수준이라면, ISS에서는 평균 2000~5000ppm(0.2%~0.5%)라고 한다. 즉 이산화탄소 농도가 5배에서 10배 이상 높은 상태이니 방금 주장은 모순이다.
- 그럼 왜 식물의 성장이 느려지는 것일까? 교과서에서 제시한 핵심 요소(물,토양,중력, 빛) 외에 식물의 성장에 영향을 미치는 요소가 존재하는 것일까? 열이 전달되는 방식에 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation)가 있듯이 기체 분자가 전달되는 방식에도 확산(Diffusion)과 대류(Convection)가 있다. 확산은 농도가 낮은 곳으로 분자가 스스로 이동하는 현상으로 향수를 예로 들 수 있다. 반면 (자연)대류는 공기 덩어리들의 밀도 차이에 의해 기체 분자들이 이동하게 되는 현상이다. 확산은 환경 조건에 큰 영향 없이 발생하지만 (자연)대류는 부력이라는 힘에 의존한다. 이 부력은 기체의 밀도와 중력가속도, 그리고 기체의 부피에 의존하는데 벌써 눈치를 챘을 것이다. 우주는 중력이 거의 없기 때문에 중력가속도(g)가 ‘0에 수렴한다.’ 그럼 부력이 0에 근접하기 때문에 대류가 발생하지 않는다. 거의 다 왔다. (고등학교 수준에서 보여줄 수 없지만)대류로 공급할 수 있는 기체의 양이 확산보다 수천~수만 배 더 크기 때문에 식물의 잎에 존재하는 이산화탄소의 농도는 이론상 지구에서의 1/10 이하도 떨어질 수도 있다. 이렇게 하여 광합성이 잘 일어나지 않게 되고 성장이 천천히 일어났던 것이다!
- 이러한 탐구 결과를 보았을 때 식물의 성장 저하는 지구와 비교해 그 세기가 미미한 미세중력으로 인해 발생함을 추측할 수 있다. 미세중력에 의한 자연대류(Natural convection)의 부재 때문에, ISS 내 이산화탄소 농도가 지구보다 5~10배 이상 높을지라도 식물의 잎 주위에 이산화탄소가 제대로 공급되지 않을 수 있다. 이러한 상황이 발생하면 광합성에 필요한 요소인 이산화탄소가 제때 공급되지 않아 광합성 자체가 일어나기 어려운 환경이 되어 버린다. 나는 중력의 부재(또는 미세중력)로 인한 이산화탄소의 불균질성이 식물 성장의 저해를 일으키는 요소라고 나의 가설을 설정하려고 한다.
2. 이제 이를 해결할 시스템을 계획해보겠다. 공간이 한정적인 ISS에서는 식물을 다양한 곳에 배치하기 어려울 것이다. 설령 가능하다 할지라도 ‘우주농업’이라는 목적을 고려하였을 때 재배식물이 한곳에 모아져 있는 것이 훨씬 유리하다. 가장 중요한 것은 식물에게 이산화탄소를 효과적으로 제공할 수 있도록 하는 것이므로 강제적인 대류를 발생시켜야 할 것이다. 식물이 있는 방은 온도와 습도 조절을 위해 문이 닫혀 있어야 하므로 팬을 이용하여 난류를 만들어 대류를 일으킬건데 우선 식물방에서 이산화탄소 농도가 높은 구역을 선성하여 파이프로 연결한다. 여기서 파이프를 연결하여 소중한 에너지 자원인 전기에너지만을 사용해 식물이 있는 방까지 이산화탄소 농도가 높은 공기를 끌고오는건 비효율적이다. 그러므로 파이프가 좁아지면 유체(여기서는 기체)의 속도가 빨라지고 압력이 낮아지는 벤투리 효과(Venturi effect)를 활용하여 적은 에너지 사용만으로 해당 공기를 빠르게 가져올 수 있게 하고 NASA가 구현해놓은 APH(Advanced Plant Habitat)이라는 자동화 식물 재배 연구 시스템과 연동하여 농도가 높은 방만을 상시 설정하여 팬을 돌리게 함으로써 효과적인 에너지 절약과 목적 달성률을 보여줄 것이다.
Ⅲ.결론
- 본문에서 중요한 요인이 아니라고 치부받던 미세중력이 사실 식물의 성장이 늦춰지는 데에 큰 영향을 주고 있었으며, 이를 해결하기 위해 대류를 지구와 같은 수준으로 일으켜야 된다고 판단하여 효과적으로 와류를 생성할 방안으로 벤투리 효과와 효과적인 시스템(APH)을 구상하였다. 이번 탐구를 통해 교과서에 나오는 검증된 자료라도 무심코 넘어가지 않고 다시 한 번 생각해보는 습관을 갖게 된 것 같다. 범람하는 지식과 미디어에 무지하게 순응하지 않는 비판적인 시각의 중요성을 보고서를 쓰면서 알 수 있었다. 평소 영어 공부를 열심히 해 둔 덕분에 다소 난해할 수 있는 영어 논문과 pdf에 나 자신을 적극적으로 몰입시킬 수 있었다. 보고서를 마치며 앞으로 더 많은 노력을 통해 영어 능력을 향상시켜 더 넓고 깊은 지식의 바다로 항해를 떠나고 싶어졌다.
<말하기 수행평가>
말하기 수행평가로 기계공학과를 희망하는 이유와 앞으로의 포부에 대해 친구들 앞에서 영어로 자신있게 발표하였다. 보통 전기·전자공학과를 단순히 취업 난이도나 연봉 면에서 좋다고 말하며 강요하는 분위기가 강하지만, 나는 나의 적성과 사회 공헌, 그리고 자아 실현이라는 기준에 맞춰 기계공학과를 선정하였음을 밝히며 꾸준한 기사 탐구와 공학자로서의 능력(학교 밖 교육 이수 등)을 통해 넓은 세상에서 활동할 수 있는 인재가 되길 희망함.