풍부하고 자유로운 태양과 바다는 식수와 농업용 담수를 생산할 수 있는 바다 위에 떠 있는 수직 바다 농장을 만드는 독특한 프로젝트에 활용되고 있다.

호주의 사우스오스트레일리아대학(University of South Australia, UniSA) 연구진은 세계 최초로 해수를 증발시켜 담수로 재활용하여 인간의 개입 없이 작물을 재배하는 자립형 태양열 구동 시스템을 설계했다.

이는 2050년까지 세계 인구가 100억 명에 이를 것으로 예상되는 가운데 앞으로 수십 년 동안 전 세계적으로 발생하는 담수 및 식량 부족 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다.

사우스오스트레일리아대학(UniSA) 미래산업연구소(Future Industries Institute)의 쉬 하오란(Haolan Xu) 교수와 게리 오웬스(Gary Owens) 박사는 온실과 비슷한 두 개의 방으로 구성된 수직 부유식 바다 농장을 개발했다.

오웬스(Owens) 박사는 “이 시스템은 정원사들이 익숙할 수 있는 마법의 침대처럼 작동한다”고 말했다.

오웬스(Owens) 박사는 이어 “그러나 이 경우 깨끗한 물은 바닷물을 흡수하고 증발기 본체에 염분을 가두어 태양광선 아래 깨끗한 수증기를 공기 중으로 방출하는 태양열 증발기 배열에 의해 공급되며, 이 증발기는 물에 응축된다. 벨트를 착용하고 상부 식물 성장실로 옮겨졌다”고 말했다.

연구원들은 현장 테스트에서 유지관리나 추가적인 깨끗한 물의 관개 없이 바닷물 표면에서 브로콜리, 양상추, 그리고 박초이(중국 배추)와 같은 세 가지 흔한 채소 작물들을 재배했다.

쉬 하오란(Haolan Xu) 교수에 따르면, 태양광만으로 구동되는 이 시스템은 현재 시험 중인 다른 태양광 바다 농장 설계에 비해 몇 가지 장점이 있다.

쉬 하오란 교수“다른 디자인에서는 성장실 내부에 증발기를 설치했는데, 이는 식물 성장에 사용될 수 있는 귀중한 공간을 차지한다. 또한 이러한 시스템은 과열되어 작물이 죽기 쉽다”라고 말했다.

전통적인 태양광 패널이 전기를 수확하여 기존 담수화 장치에 전력을 공급하는 수상 농장도 제안되었지만 이는 에너지 집약적이고 유지 관리비용이 많이 든다.

그는 “우리 설계에서는 증발기(evaporator)와 성장실(growth chamber)의 수직 분포가 장치의 전체 설치 공간을 줄여 식품 생산 공간을 최대화한다. 완전 자동화되고, 비용이 저렴하며, 운영이 매우 쉽다. 태양 에너지와 바닷물만 사용하여 깨끗한 물을 생산하고 작물을 재배한다”고 설명했다.

오웬스 박사의 말에 따르면, 현재 단계에서는 설계가 불과하지만, 그 다음 단계는 공장 생산을 늘리기 위해 소규모의 개별 장치를 사용하여 장치를 확장하는 것이라고 한다. 식량 공급 수요가 커지면 장치의 크기와 개수를 모두 늘릴 수 있다는 것이다.

“미래에는 거대한 농장 바이오돔(biodome)이 바다 위에 떠 있거나 넓은 해역에 여러 개의 작은 장치가 배치되는 것을 볼 수 있다는 것은 상상할 수 없는 일이 아니다”라고 오웬스 박사는 강조했다.

기존 프로토타입(prototype)은 폐 볏짚 섬유와 같은 저렴한 기판 재료(substrate material)를 사용하여 장치 작동 비용을 더욱 저렴하게 만드는 것을 포함하여 더 큰 바이오매스 생산량을 생산하도록 수정될 가능성이 높다.

연구자들은 이런 방식으로 생산된 재활용된 물이 마실 수 있을 만큼 순수하고 식수에 대한 세계 보건 지침보다 염도가 낮다는 것을 보여주었다.

UN은 오는 2050년까지 약 24억 명의 사람들이 물 부족을 경험할 것으로 추정하고 있다. 같은 기간 전 세계 농업용 관개용수 공급은 약 19% 감소할 것으로 예상된다.

오웬스 박사는 “담수는 전 세계 물의 2.5%에 불과하며 대부분 빙하나 만년설에 갇혀 있거나 깊은 지하에 있기 때문에 접근이 불가능하다”라면서 “담수도 줄어들고 있는 것은 아니지만, 인구 증가와 기후변화로 인해 소량이라도 존재하는 수요가 계속 증가하고 있다”고 말했다.

그는 특히, “전세계 물의 97.5%가 우리의 바다에 있고 자유롭게 이용할 수 있다는 사실은 점점 증가하는 전세계적인 물, 식량, 농경지 부족을 해결하기 위해 바다와 태양을 이용하는 명백한 해결책으로, 이 기술을 채택하면 전세계 수십억 명의 사람들의 건강과 복지를 향상시킬 수 있다”고 강조했다.

이 설계 실험은 국제적인 학술지인 『화학공학저널(Chemical Engineering Journal)』 최신호(10월 1일자)에 ‘계면 태양광 증발을 이용한 2중 수직 부유식 태양열 바다 양식장(An interfacial solar evaporation enabled autonomous double-layered vertical floating solar sea farm)’라는 제목으로 온라인 선공개되었다.

[원문보기]

Floating sea farms: a solution to feed the world and ensure freshwater by 2050

The sun and the sea - both abundant and free - are being harnessed in a unique project to create vertical sea farms floating on the ocean that can produce fresh water for drinking and agriculture.

In what is believed to be a world first, University of South Australia researchers have designed a self-sustaining solar-driven system that evaporates seawater and recycles it into freshwater, growing crops without any human involvement.

It could help address looming global shortages of freshwater and food in the decades ahead, with the world’s population expected to reach 10 billion by 2050.

Professor Haolan Xu and Dr Gary Owens from UniSA’s Future Industries Institute have developed the vertical floating sea farm which is made up of two chambers: an upper layer similar to a glasshouse and a lower water harvest chamber.

“The system works much like a wicking bed that household gardeners might be familiar with,” Dr Owen says.

“However, in this case, clean water is supplied by an array of solar evaporators that soak up the seawater, trap the salts in the evaporator body and, under the sun’s rays, release clean water vapour into the air which is then condensed on water belts and transferred to the upper plant growth chamber.”

In a field test, the researchers grew three common vegetable crops - broccoli, lettuce, and pak choi - on seawater surfaces without maintenance or additional clean water irrigation.

The system, which is powered only by solar light, has several advantages over other solar sea farm designs currently being trialled, according to Professor Xu.

 “Other designs have installed evaporators inside the growth chamber which takes up valuable space that could otherwise be used for plant growth. Also, these systems are prone to overheating and crop death,” Professor Xu says.

Floating farms, where traditional photovoltaic panels harvest electricity to power conventional desalination units, have also been proposed but these are energy intensive and costly to maintain.

“In our design, the vertical distribution of evaporator and growth chambers decreases the device’s overall footprint, maximising the area for food production. It is fully automated, low cost, and extremely easy to operate, using only solar energy and seawater to produce clean water and grow crops.”

Dr Owens says their design is only proof-of-concept at this stage, but the next step is to scale it up, using a small array of individual devices to increase plant production. Meeting larger food supply needs will mean increasing both the size and number of devices.

“It is not inconceivable that sometime in the future, you might see huge farm biodomes floating on the ocean, or multiple smaller devices deployed over a large sea area.”

Their existing prototype is likely to be modified to produce a greater biomass output, including using low-cost substrate materials such as waste rice straw fibre, to make the device even cheaper to run.

The researchers have shown that the recycled water produced in this way is pure enough to drink and has less salinity than the World Health Guidelines for drinking water.

The United Nations estimates that by 2050, approximately 2.4 billion people are likely to experience water shortages. In the same period, global supply of water for agricultural irrigation is expected to decline by around 19%.

“Freshwater accounts for just 2.5% of the world’s water and most of this is not accessible because it’s trapped in glaciers, ice caps or is deep underground,” Dr Owens says. “It’s not that freshwater is dwindling either, but the small amount that exists is in ever increasing demand due to population growth and climate change.

“The fact that 97.5% of the world’s water is in our oceans - and freely available - it is an obvious solution to harness the sea and sun to address growing global shortages of water, food, and agricultural land. Adopting this technology could improve the health and welfare of billions of people globally.”

The design experiment is published in the Chemical Engineering Journal.

[출처=사우스오스트레일리아대학(UniSA)(https://www.unisa.edu.au/media-centre/Releases/2023/floating-sea-farms-a—solution-to-feed-the-world-and-ensure-freshwater-by-2050/) / 2023년 9월 11일]

[논문출처=『화학공학저널(Chemical Engineering Journal)』(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723041839#f0025) / 2023년 10월 1일자]

[번역 = 배철민 편집국장 겸 글로벌물산업정보센터장]