특정 공간에 선반을 수직으로 쌓아 작물을 다량 생산하는 이른바 수직농장은 밀폐된 환경에서 작물을 고밀도로 재배할 때 이산화탄소 농도가 낮아져 생장이 저하될 수 있다.
이 문제를 해결하기 위해 천연가스나 LPG 등 연료를 연소해 이산화탄소를 공급하는 방법이 활용되고 있으나, 환경과 비용 문제를 수반한다.
연소 과정에서 질소산화물 등 유해가스가 부득이하게 발생하기 때문이다. 이에 따라 정화를 위한 후처리 장치가 필요하다는 치명적인 약점이 있다.
수직농장과 같은 밀폐 공간에서도 식물이 잘 자랄 수 있도록 돕는 플라즈마 기반 친환경 스마트팜 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 관심을 끌고 있다.
이 기술이 활성화하면 식량안보 해결은 물론 기아에 시달리는 지구촌 곳곳의 다양한 먹거리 부족 문제 해소에 크게 기여할 것으로 기대된다.
한국핵융합에너지연구원(원장 오영국) 플라즈마기술연구소는 플라즈마 기술을 활용해 식물 생장에 필요한 이산화탄소를 공급하고, 대기 중 질소를 비료로 전환해 활용하는 첨단 스마트팜 시스템 개발에 성공했다고 밝혔다.
연구팀은 식물 광합성에 필요한 이산화탄소를 친환경적으로 농축·공급하는 '플라즈마 버너 연소식 탄산시비' 기술을 개발했다. 이는 작물 광합성에 필요한 이산화탄소를 인위적으로 공급하는 첨단 농법이다.
플라즈마 버너 연소식 탄산시비 기술은 플라즈마로 연료를 연소하는 방식으로, 기존 연소 반응 대비 연료와의 반응 속도가 빨라 완전 연소를 유도할 수 있다. 유해가스 배출을 최소화할 수 있는 친환경 공법이다. 추가 정화시설이 불필요하기 때문에 경제성도 높고 그 자체로 친환경성을 동시에 갖췄다.
연구팀은 수직농장의 생산성 향상을 위하여 플라즈마로 대기 중 질소를 비료로 전환하는 '대기질소 비료화 기술'도 확보했다. 이 기술은 플라즈마 방전으로 대기 중 공기와 질소를 반응시켜 활성종을 생성하는 것으로 물, 공기, 플라즈마만으로 비료를 생산할 수 있어 매우 효율적이다.
식물 생장에 필요한 영양소가 약 50~100배로 고농축된 비료를 생성하고 이를 물에 녹여 사용함으로써 운송과 보관 효율성을 높이고, 적은 양으로도 많은 농작물에 효과적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 장점 덕분에 수직농장 외에도 전력 인프라와 비료 수급이 어려운 지역에서 태양광 시설 등을 활용해 효과적으로 활용할 수 있을 전망이다.
연구팀은 해당 기술을 실제 수직농장에 적용하여 실증 평가를 수행한 결과 기존의 탄산시비 및 질소 비료 기술과 유사한 수준으로 작물의 생장률과 품질을 향상시키는 효과를 확인해 상용화 가능성을 입증했다.
홍용철 박사는 “플라즈마 기반 스마트팜 기술이 실제 농업 현장에서도 유용성이 입증되어 큰 보람을 느낀다”며 “현재 산업체 기술 이전을 통해 상용화를 준비하고 있으며, 향후 국내외 식량 문제 해결에 기여할 수 있길 바란다”고 덧붙였다.
오영국 핵융합연 원장은 “이번 연구 성과는 플라즈마 기술이 인류의 식량 문제 해결에 새로운 가능성을 보여주었다는 점에서 큰 의미가 있다”며, “앞으로도 플라즈마와 핵융합 기술을 바탕으로 신산업 창출과 글로벌 시장 개척에 최선을 다하겠다”고 밝혔다.
이번 연구는 농림축산식품부 및 과학기술정보통신부, 농촌진흥청의 재원으로 농림식품기술기획평가원과 재단법인 스마트팜 연구개발 사업단의 스마트팜 다부처 패키지 혁신기술 개발사업 지원을 받아 수행됐다.
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