미래를 위한 식량 공급: 수직 농업이 식량 생산을 변화시킨다.

수직 농업은 특히 전기 비용과 식물의 필요에 맞춰 조절되는 스마트 조명을 통해 식물 성장을 최적화함으로써 도시와 극한 환경에서 식량을 생산하는 방식을 혁신할 것을 약속한다. 연구자들은 이러한 시스템이 에너지 사용을 줄이는 동시에 식품 품질과 지속 가능성을 향상시킬 수 있는 잠재력을 강조한다.

지속 가능한 농업에 대한 혁신적인 접근 방식

점점 더 붐비는 세상에서 모든 사람이 충분히 먹을 수 있도록 하려면 혁신적인 접근 방식이 필요하다. 실내에서 식물을 집중적으로 재배하는 방법을 갖춘 수직 농업은 실행 가능한 옵션을 제공한다. 널리 채택되기 위한 주요 장애물은 식물 성장에 필요한 조명의 높은 비용과 에너지 수요를 해결하는 데 있다. 과학자들은 이제 각 작물의 고유한 요구 사항에 맞게 조명을 조정하면 더 강하고 건강한 성장을 촉진하고 동시에 에너지 사용을 줄일 수 있다는 것을 발견하고 있다.

"수직 농장 시스템의 가장 큰 이점은 건강한 음식을 그렇지 않으면 불가능한 곳, 즉 대도시, 사막, 일년 중 대부분 동안 춥고 어두운 곳에서 소비자에게 훨씬 더 가까이서 재배할 수 있다는 것이다." Frontiers in Science에 실린 이 기사의 첫 번째 저자인 엘리아스 카이저 박사의 말이다. "가장 큰 과제는 전기 사용과 관련된 비용이다."

동적 환경 제어는 수직 농업 시스템을 변형할 수 있다. 출처: Kaiser et al/Frontiers

수직 농업의 에너지 효율성

많은 수직 농업 시스템은 지속적인 환경 조건을 사용하여 운영되며, 유지 관리를 위해 많은 고가의 전기가 필요하다. 과학자들의 분석에 따르면 이러한 까다로운 조건은 불필요하다. 그들은 동적 환경 제어를 사용하면 비용 효율적이고 건강한 식물을 재배하는 수직 농업을 달성할 수 있다고 제안한다.

"식물이 주간 및 발달 시간 척도에서 보이는 리듬에 동기를 부여 받았다. 식물의 성장을 완벽하게 조정하려면 성장 환경을 정기적으로 조정해야 한다."라고 수석 저자인 바게닝겐 대학교의 레오 마르셀리스 교수가 말했다. "식물 생리학 지식, 새로운 감지 및 모델링 기술, 수직 농업 시스템을 위해 특별히 개발된 새로운 품종을 활용하는 전략을 설명한다."

식물 성장을 위한 기술 활용

식물의 생물학적 기능은 온도 변화, 빛의 파장, 대기 중 CO₂ 양과 같은 환경 조건에 크게 영향을 받기 때문에 환경을 조작하면 수직 농업 시스템에서 식물 발달을 조작할 수 있다. 조명은 중요한 변수이다. 모든 식물은 광합성을 위해 전기가 필요하며, 다른 파장의 빛은 다른 식물에 다른 효과를 미친다. 이 변수는 또한 전기 가격에 특히 민감하므로 효율성을 높일 수 있는 기회를 제공한다.

"전기 가격 변동은 더 싼 시간에 더 많은 전기를 사용함으로써 수직 농업 시스템에 이롭게 활용할 수 있다."라고 마르셀리스는 설명했다.

저자는 식물의 광합성 능력을 하루 종일 일정하게 유지하면서도 전기 비용을 낮추는 것을 목표로 하는 스마트 조명을 테스트하기 위한 모델을 만들었다. 그들은 최적화 알고리즘이 빛의 강도를 변화시키는 것만으로 식물의 탄소 고정을 손상시키지 않고 전기 비용을 12%까지 절감할 수 있다는 것을 발견했다.

그런 다음 그들은 다양한 빛의 강도가 수직 농장에서 종종 재배되는 시금치와 같은 잎이 많은 식물의 성장에 영향을 미치는지 테스트했고, 부정적인 영향이 없다는 것을 발견했다. 식물이 예측 가능하고 규칙적인 패턴이 아닌 불규칙하게 변화하는 빛의 강도에 노출되었을 때에도 이는 사실이었다.

농업의 미래를 준비하다

수직 농업이 세계를 먹이기 전에 해결해야 할 다른 중요한 문제가 남아 있다.

"제안된 솔루션 중 다수는 수직 농장이 대표하는 대규모에서 테스트되지 않았다. 단일 식물 수준에서는 보여졌을 수 있지만 전체 작물 재배 수준에서는 아직 보여지지 않았다."라고 카이저는 주의를 주었다.

식물의 필요에 따라 공기 흐름 속도, 온도 및 CO₂를 동적으로 조정하면 전기 비용을 최소화할 수 있는 기회가 생길 수 있다. 농부는 환경을 모니터링하고 조정하는 데 도움이 되는 적절한 센서와 모델, 수직 농업을 위해 육종된 새로운 품종이 필요하다. 이러한 품종은 보호된 환경에서 현지 생산의 잠재력을 활용하여 견고성이나 유통기한보다는 더 나은 영양과 감각적 품질에 집중할 수 있다. 이러한 모든 변수를 보정하고 고품질과 고수확 작물 간의 적절한 균형을 맞추려면 더 많은 연구가 필요하다.

"수직 농장에서는 모든 성장 조건을 정확하게 제어할 수 있으며, 이는 수확량, 품질 및 자원 사용 효율성을 최적화하는 데 매우 중요하다."라고 마르셀리스는 말했다. "그러나 이를 일정하게 유지할 수 있는 기술적 가능성이 있다고 해서 이를 일정하게 유지하는 것이 최선의 해결책이라는 것은 아니다. 동적 환경 제어가 확립되면 에너지 사용과 사용된 에너지 비용을 모두 상당히 줄일 수 있어 수직 농장의 수익성과 지속 가능성을 높일 수 있다."