떠오르는 수경재배
스마트팜에서 식물을 재배하는 방식
스마트팜을 이야기할 때 식물을 재배하는 방식은 노지농업과 실내농업 2가지로 구분합니다.
농지에 종자를 심고 재배하는 것을 노지농업이라고 합니다.
온실이나 건물 등 실내에서 식물을 재배하는 것을 실내농업이라고 합니다.
노지농업에 IoT기술, 로봇기술, 인공지능을 도입하는 것을 정밀농업 또는 스마트농업이라고 하고 온실이나 건물 들 실내에서 IoT기술, 로봇기술, 인공지능을 도입하는 것을 스마트팜이라고 구분합니다.
사실 이런 구분은 정밀농업, 스마트농업, 스마트팜의 범위를 어떤 식으로 정의하는가에 따라 다양하게 변할 수 있기 때문에 정확한 것은 아닙니다.
실내농업 즉 스마트팜에서는 대부분 땅 즉 흙에 종자를 심고 재배하기보다는 좀 더 관리가 편하고 기술의 도입이 편한 방식을 선호하는데 이것이 수경재배방식입니다.
1. 수경재배는 한마디로 흙을 사용하지 않고 물로 식물을 키운다는 의미입니다.
물론 식물의 뿌리나 줄기를 고정하는 고정재료가 있어야 하기 때문에 완전히 물로 키운다는 의미는 아닙니다.
수경재배에서 식물의 뿌리나 줄기를 고정하는 재료를 우리는 배지라고 합니다.
이 배지는 노지농업의 흙과 같이 식물의 뿌리나 줄기를 고정하는 역할을 하지만, 노지농업의 흙과 같이 식물에 영양분을 공급하는 역할을 하지는 않습니다.
수경재배에서 식물에 영양분을 공급하는 역할은 양액이 합니다.
양액이라는 것은 영양액 또는 배양액이라고도 하는데 식물 성장에 필요한 영양분을 물에 적절히 혼합한 것입니다.
결국 수경재배라는 것은 식물성장에 필요한 적절한 영양분을 물과 함께 공급하는 것이라고 할 수 있습니다.
스마트팜에서 대부분 수경재배 방식을 활용하는 이유는 수경재배가 가지는 여러 가지 장점 때문입니다.
첫 번째 장점은 식물 성장에 필요한 영양성분을 모두 포함한 양액이 똑 같이 동시에 공급되기 때문에 뿌리 쪽 즉 지하부의 환경이 거의 비슷해집니다.
이렇게 되면 재배하는 식물의 크기나 모양이 비슷하게 자라게 되죠. 즉 동일한 지하부 환경을 조성해 생육을 균일하게 하고 균질한 품질의 식물을 생산할 수 있는 것입니다.
두 번째는 영양액을 만들 때 재배하는 식물의 영양 흡수비율이나 산성도 등을 고려하기 때문에 식물이 영양분을 흡수하는 효율이 높아져 생산량이나 품질을 극대화할 수 있습니다.
세 번째는 배지나 영양액 모두 청결한 상태로 공급되어 전반적인 재배환경이 청결하고 오염원이 없어서 깨끗한 상품을 생산할 수 있습니다.
일본에서 운영되는 밀폐형 스마트팜 즉 식물공장 중 하나는 생산하는 제품의 깨끗함을 강조하기 위해 [ 씻지 마세요. 더러워집니다.]라는 말을 포장지에 표시할 정도입니다.
네 번째는 노지재배의 경우 한 장소에 똑같은 식물을 반복해서 재배하는 것은 흙에 포함된 영양성분의 고갈과 흙의 산성화 그리고 내성이 생긴 강한 병충해 발생 등으로 인해 매우 어렵습니다. 그러나 수경재배는 배지만 교환하면 되기 때문에 계속 반복생산을 해도 같은 품질의 제품을 생산할 수 있습니다.
마지막으로 수경재배는 땅에서 재배하는 노지농업과 달리 재배베드에서 영약액으로 식물을 재배하기 때문에 재배 중 이동이 가능하고 층층이 쌓을 수 있어 공간 효율을 극대화할 수 있습니다. 또한 자동화 비율을 높일 수 있어 재배에 들어가는 노동강도와 노동시간을 크게 줄이는 것이 가능합니다.
수경재배는 크게 고형배지경과 비고형배지경 2가지로 구분할 수 있습니다.
앞서 언급한 것과 같이 식물의 뿌리나 줄기를 고정하는 고정재료를 배지라고 합니다.
고형배지경은 줄기와 뿌리를 영양분이 포함되지 않은 무기질의 고체형태 재료로 된 배지로 고정하는 것입니다.
모래나 자갈, 펄라이트, 버미큘라이트, 암면 등이 고형배지경의 소재로 활용됩니다.
고형배지경은 줄기가 크게 자라서 뿌리의 지지가 충분히 필요한 식물이나 뿌리 발달이 중요한 식물에 주로 사용하는데 온실 스마트팜에 주로 재배되는 토마토나 파프리카도 대부분 암면이나 코코피트와 같은 고형배지를 사용합니다.
비고형배지경은 줄기만 스펀지와 같은 배지로 고정하고 뿌리 쪽은 고정하지 않아 양액이 뿌리에 직접 공급되도록 하는 방식입니다.
식물의 뿌리에 양액을 어떤 방식으로 공급하느냐에 따라 분무경, 담액식수경, 박막식수경으로 나누어집니다.
사진에서 보시는 것이 고형배지 사진들입니다.
위쪽에 가장 왼쪽에 있는 것이 모래, 그 옆에 흰색이 자갈, 맨 오른쪽에 있는 것이 암면배지입니다.
암면 배지는 암석을 고온에서 녹인 후 섬유와 같이 뽑아서 뭉쳐 놓은 것인데 아래쪽에 Rockwool로 표시된 것이 겉면을 제거한 암면배지입니다.
온실 스마트팜에서 토마토나 파프리카 재배에 많이 사용되었습니다만 최근에는 폐기물 때문에 사용이 많이 줄었습니다. 암면을 다른 말로 하면 석면이고 석면의 문제에 대해서는 많이 들으셨으니 왜 폐기물 문제가 있는지 금방 이해하실 겁니다.
아래쪽에 가장 왼쪽에 있는 것은 버미큘라이트라는 것입니다.
버미큘라이트는 질석이라는 돌을 고온에서 처리한 것입니다.
버미큘라이트 옆에 있는 흰색이 펄라이트라는 것입니다.
펄라이트는 진주석이라는 돌을 고온에서 처리한 것입니다.
Rockwool로 표시된 암면은 앞서 설명을 드렸습니다.
마지막으로 아래쪽 가장 오른쪽에 있는 것은 피트모스라는 것입니다.
피트모스는 이끼 같은 종류가 오랜 시간 지층에 쌓여 만들어진 것으로 배지로도 사용되지만 토양개량제로도 많이 사용되는 것입니다.
지금까지 설명을 들으며 느끼셨겠지만 고형배지가 대부분 암석 종류가 많이 보이는 것은 고형배지의 기본적인 성질이 무기질 즉 영양성분을 가지고 있으면 안 되고 가능하면 쉽게 구할 수 있는 것이어야 하기 때문입니다.
고형배지는 1가지 단일로 사용하는 경우도 있지만 대부분 그 특성을 고려해서 몇 가지를 적절한 비율로 혼합하여 사용하기도 합니다.
암석에서 유래한 자갈이나 모래와 같이 영양성분을 가지고 있지 않고 쉽게 구할 수 있는 것이라면 다양하게 사용하는 것이 가능합니다. 보시는 것과 같이 벼를 도정하고 남은 껍질인 왕겨나 그것을 숯으로 만든 훈탄도 활용하는 것이 가능하죠.
이외에도 고형배지로 활용될 수 있는 것은 다양합니다.
식물의 뿌리를 고정할 수 있으며 무기질 즉 영양성분을 포함하지 않으며 저렴한 비용으로 쉽게 구할 수 있는 것은 모두 가능하니 여러분도 한번 생각해 보시면 좋을 것 같습니다.
비고형배지경에서 “비”라는 단어는 “아니다”라는 뜻의 한자어로 고형배지경이 아니라는 의미입니다.
이것은 다르게 순수수경이라고도 합니다.
고형배지경이 고체의 배지가 뿌리 전체를 감싸는 것이라면 비고형배지경은 식물의 줄기를 스펀지와 같은 배지로 고정을 하고 뿌리에 영양성분이 함유한 양액을 직접 공급하는 방식입니다.
즉 배지가 뿌리를 감싸지 않아 뿌리에 물을 직접 공급하는 방식을 비고형배지경, 순수수경이라고 합니다.
비고형 배지경은 크게 담액형, 박막수경, 분무경 3가지로 나눌 수 있습니다.
비고형배지경의 첫 번째인 담액식 수경은 DFT라고도 하는데 장표에서 보면 왼쪽 그림과 같은 방식입니다.
한마디로 설명하면 양액이 담긴 거대한 수조에 식물을 배처럼 뛰어 놓는 것입니다.
물론 식물이 뜰 수 있도록 베드와 식물체의 줄기를 스펀지로 고정은 했지만 뿌리는 물속에서 마음대로 영양분을 흡수하는 형태입니다.
해외의 온실 스마트팜에서 양상추와 같은 엽채류를 키울 때 가장 많이 활용하는 방식이 이 방식입니다.
다만 이 방식은 과도한 수분 공급에 스트레스를 받는 식물의 경우에는 재배하기 어려운 단점이 있고 한쪽이 오염되면 그 수조 안에 있는 식물 전체가 오염되는 문제가 있습니다.
오른쪽에 보시는 드립방식은 앞서 보여 드렸던 고형배지경에 양액을 공급하는 방식으로 뿌리가 꼽혀 있는 고형배지에 핀을 꼽아서 핀을 통해 영양액을 공급하는 방식입니다.
이 두 방식을 비교해 보시면 비고형배지경과 고형배지경의 차이를 알 수 있을 것입니다.
고형배지경은 식물이 성장해도 배지를 벗어나지 않지만 비고형배지경은 뿌리가 물속에 많이 있는 것을 알 수 있을 것입니다.
비고형 배지경의 두 번째 방식인 박막수경입니다.
이것은 NFT라고도 하는데 현재 국내외의 밀폐형 스마트팜 즉 식물공장에서 가장 많이 활용되고 있는 방식입니다.
박막수경의 기본방식은 먼저 육묘를 통해 일정 수준 이상으로 뿌리가 발달한 식물을 재배베드에 올려놓습니다. 그리고 식물의 성장단계에 따라 필요할 때 필요한 만큼 영양액을 재배베드를 통해 흘립니다.
이때 물을 흘리는 주기나 높이는 필요에 따라 조절합니다.
그러면 식물이 뿌리를 물과 영양분을 필요할 때 필요한 만큼 흡수하도록 할 수 있습니다.
이것은 앞서 언급한 담액형 보다 과도한 수분공급으로 인한 스트레스를 줄일 수 있어 수경재배할 수 있는 식물의 범위를 넓힐 수 있습니다.
비고형 배지경의 마지막 세 번째 방식인 분무수경입니다.
분무수경은 Aeroponic이라고 하는데 사진에서 보시는 것과 같이 스펀지로 줄기를 고정하고 비어 있는 공간에 뿌리가 허공에 떠 있도록 합니다. 그러면 아래쪽에 미스트 노즐이 아주 작은 물입자를 분사해서 양분이 함유된 물을 필요할 때 필요한 만큼 공급하게 되는 것입니다.
이 분무수경 방식은 뿌리에 산소 공급이 원활한 것을 포함해서 여러 가지 장점이 많은 방식입니다만 일정 시간 이상 분무를 통한 물 입자 공급이 끊어지면 뿌리가 수분부족으로 스트레스를 받아 생육에 문제가 생기기 때문에 정밀한 관리가 필요한 방식입니다.
분무수경은 NFT와 마찬가지고 필요할 때 필요한 만큼 양액을 공급하기 때문에 과도한 수분공급으로 인한 스트레스를 줄이는 것은 물론 뿌리 쪽에 공간이 충분히 비어 있어서 NFT로 재배할 수 없는 뿌리식물을 재배할 수 있는 장점이 있습니다.
개인적으로 IoT센서나 제어기로 자동화 관리를 하는 스마트팜에서 향후 활용도가 가장 높은 재배방식 중 하나가 분무수경 방식입니다.
이제까지 수경재배가 무엇이고 수경재배의 방식에는 어떤 것이 있는지 말씀드렸습니다.
그럼 마지막으로 이 수경재배에서 계속 이야기되는 양액은 스마트팜에서 어떤 식으로 공급되는지 알아보겠습니다.
스마트팜에서는 그림에서 보시는 양액시스템의 구조와 비슷한 방식으로 양액이 공급하게 됩니다.
물론 현재 운영되고 있는 스마트팜 들은 각자의 현장 상황에 따라 다양한 방식을 채택하고 있습니다만 큰 흐름에서는 비슷한 방식이라고 이야기드릴 수 있습니다.
시작은 먼저 양액을 만들어야겠죠.
양액이라는 것은 식물에 필요한 영양성분을 물에 녹인 것을 말합니다.
이것은 영양성분의 화학적 성질을 고려해서 A액과 B액으로 구성합니다.
양액을 A액과 B액으로 나누는 이유는 식물에 필요한 영양성분을 정리하다 보면 고농도에서 만나면 화학반응을 일으켜 석고나 다른 형태로 변하는 성분이 있기 때문입니다.
A액과 B액외 양액의 산성, 알칼리 정도를 조절하는 PH조절제가 있는데 염산이나 황산과 같이 산이나 석회와 같은 알칼리가 들어가게 됩니다.
대부분의 양액시스템은 알칼리 쪽은 제외하고 산만을 관리하는 시스템으로 구성됩니다만 상황에 따라 다릅니다.
PH조절이 필요한 이유는 식물이 영양분을 흡수하기 위해서는 적절한 산성도가 필요하기 때문입니다.
이렇게 A액, B액, PH조절제는 양액기의 신호에 따라 원수탱크의 물이 혼합탱크로 들어오면 그에 따른 비율만큼 혼합탱크로 들어가 혼합이 됩니다. 그리고 양액기에 달려 있는 산성도를 측정하는 PH 측정기와 농도를 측정하는 EC 측정기에 설정한 기준에 따라 식물에 양액을 공급하게 되는 것이죠.
이때 한번 공급된 양액을 식물이 흡수하는 비율은 아주 작습니다. 만약 이 양액을 한번 공급하고 버리면 현재 노지농업에서 사용되는 물의 량보다 더 많은 양의 물을 사용해야 합니다.
우리가 스마트팜에서 노지농업에 비해 물의 사용량을 90% 이상 줄이는 것이 가능하다고 하는 이유는 이렇게 한번 공급된 양액을 다시 수집해서 여과기를 통해 거르고 배액탱크에서 살균을 해서 다시 재활용하기 때문에 가능한 것입니다.
양액시스템에서 가장 중요한 것 중의 하나가 바로 이 양액의 재활용이라고 할 수 있습니다.
특히 재활용되는 양액을 살균하는 방법은 매우 중요합니다.
왜냐하면 양액이 식물에 공급되면서 식물에 가지고 있는 오염원들이 양액에 혼입 될 수 있고 이 것을 완벽하게 살균하지 않으면 재배하고 있는 전체 식물로 오염이 번질 수 있기 때문입니다.
그래서 스마트팜에서는 상당히 많은 종류의 양액 살균 방법이 만들어졌습니다.
살균방법 중 가장 완벽한 방법은 첫 번째 나와 있는 열처리 법입니다.
물을 끓이는 방식이죠.
이렇게 하면 물속에 있는 모든 균이나 미생물을 완벽하게 죽일 수 있고 양액에 포함되어 있는 화학성분 즉 영양성분에 어떤 영향도 주지 않습니다. 다만 물을 끓이고 원래대로 식히는데 들어가는 에너지비용과 시간이 도저히 감당할 수 없기 때문에 거의 활용되지 않는 방법입니다.
두 번째 방법은 자외선처리법입니다.
국내외의 온실 스마트팜에서 대부분 채용하고 있는 방식으로 요즘은 이산화티타늄의 광촉매 반응을 활용하는 광촉매살균방식과 같이 활용되고 있습니다.
워낙 많은 곳에서 활용을 하고 있고 설계하기에 따라 살균력도 높습니다만 양액에 포함된 미량요소인 철분이 자외선과 반응해서 침전이 일어나는 문제나 양액의 혼탁도에 따라서 살균력이 떨어지는 현상 등이 문제로 제시되고 있습니다.
세 번째 오존 처리법은 오존의 살균력을 활용하는 방법입니다만 높은 수준의 살균력을 가진 오존은 인체에 해로운 영향을 미치고 시설의 부식을 가져올 수 있기 때문에 많이 활용되고 있지 않습니다.
네 번째 모래여과법은 모래를 필터로 활용하는 방식인데 국내외의 온실 스마트팜에서 자외선 처리법과 병행해서 양액의 물리적 부산물을 걸러내는데 활용되고 있습니다.
다섯 번째 박막여과법은 역삼투압을 이용해 순수한 물과 그 외 것으로 분리하는 방식인데 필요한 에너지 비용이 높아 많이 활용되지 않는 방식입니다.
여섯 번째 마이크로 버블방법은 아주 미세한 기포를 물속에 발생시켜 기포가 터지며 발생하는 에너지가 주변을 살균하도록 하는 방식인데 아직 스마트팜이나 식물공장에서는 검증이 되지 않아 활용이 많이 되고 있지 않는 방식입니다.
마지막으로 과산화수소수나 차아염소산수와 같은 무독성 살균제를 활용하는 방식은 기존의 온실 스마트팜이나 밀폐형 스마트팜 식물공장에서도 사용되고 있지만 대부분 대규모보다는 소규모에서 많이 활용되고 있습니다.
스마트팜에서 가장 많이 활용되고 있는 재배방식이 수경재배입니다. 물론 스마트팜에서 수경재배만 하는 것은 아니겠습니다만 수경재배방식을 충분히 이해하신다면 스마트팜이 어떤 식으로 운영되고 발전할지 이해하는데 큰 도움이 되실 겁니다.
