우주 식민지 건설의 가장 근본적인 질문은 단순하면서도 무겁다. “외부 보급 없이 인간은 얼마나 오래 생존할 수 있는가?” 지구에서는 대기, 해양, 토양, 미생물, 식물, 동물이 복잡하게 얽힌 거대한 생물권이 산소·물·영양소를 순환시키며 생명을 유지한다. 그러나 달, 화성, 심우주 기지에서는 이러한 자연적 순환이 존재하지 않는다. 따라서 인공적으로 설계된 폐쇄형 생태계 유지 시스템(Life Support System, LSS)이 필수적이다. 국제우주정거장(ISS)은 이미 수분의 약 90%를 재활용하고 있지만, 장기 우주 식민지에서는 95% 이상, 궁극적으로는 98%에 가까운 순환 효율이 요구될 가능성이 크다. 본 글은 산소 생성, 물 재활용, 식량 자급의 생물학적·공학적 원리를 통합적으로 분석하고, 완전 순환 생태계가 직면하는 균형 문제와 미래 설계 전략을 심층적으로 탐구한다.
외부 보급이 차단된 환경에서 완전 순환이 요구되는 이유: 우주 식민지의 생존 조건
지구 저궤도에서는 정기적인 화물선 보급이 가능하다. 그러나 화성까지의 평균 거리는 최소 약 5,500만 km, 최대 4억 km 이상으로 변동한다. 발사 창(window)은 약 26개월 주기로 제한되며, 긴급 보급은 사실상 불가능하다. 이러한 조건에서 식민지는 스스로 자원을 순환시켜야 한다. 필요한 기본 요소는 단 세 가지지만, 이 세 가지는 서로 깊이 연결되어 있다.
- 산소(O₂): 호흡과 연소, 생리 유지에 필수
- 물(H₂O): 생화학 반응의 매개체
- 식량: 에너지와 생체 구성 물질의 공급원
이 세 요소는 개별적으로 존재하지 않는다. 인간의 호흡은 CO₂를 생성하고, 식물은 이를 흡수하여 O₂를 방출한다. 인간의 배설물은 미생물에 의해 분해되어 다시 영양소로 전환된다. 즉, 폐쇄형 생태계는 생물학적 순환 고리를 설계하는 문제다.
산소 자급의 두 축: 전기분해 시스템과 광합성 기반 생물학적 순환의 통합
산소 공급은 LSS의 가장 직접적인 생존 요소다. 현재 ISS에서는 물 전기분해 기술을 사용해 산소를 생산한다. 전기분해는 H₂O를 O₂와 H₂로 분리하며, 생성된 산소는 기내로 공급된다. 그러나 이 방식은 높은 전력 소비가 필요하며, 수소의 처리 문제도 뒤따른다. 반면, 광합성은 생물학적 순환을 형성한다. 식물은 이산화탄소와 물을 이용해 산소와 유기물을 생성한다. 이는 단순한 산소 생산을 넘어 식량 생산과 탄소 순환을 동시에 수행한다. 광합성의 장점은 다음과 같다.
- CO₂ 제거와 O₂ 생산 동시 수행
- 식량 생산과 통합 가능
- 심리적 안정 효과 제공
그러나 광합성은 조명, 수분, 영양소, 온도 제어 등 복합적 관리가 필요하다. 따라서 전기분해와 광합성을 병행하는 하이브리드 구조가 현실적이다.
물 순환의 정밀 공학: 한 방울도 낭비하지 않는 재활용 시스템
우주 환경에서 물은 단순한 음용 자원이 아니라, 생명 유지와 열 제어, 식물 재배 등 다목적 자원이다. ISS의 물 회수 시스템은 응축수, 소변, 위생수 등을 정화해 재사용한다. 정화 과정은 다음과 같다.
1) 증류 및 응축
이 단계는 가장 기본적인 물 정화 방식입니다.
- 증류(Distillation)는 오염된 물을 가열하여 수증기로 만든 뒤,
- 그 수증기를 다시 냉각시켜 깨끗한 물로 응축(Condensation)시키는 과정입니다.
왜 이 방식이 중요한가?
물은 끓을 때 대부분의 염분, 중금속, 고형 오염물질을 남겨둡니다. 따라서 수증기로 변한 물은 상대적으로 매우 깨끗합니다.
우주 환경에서는 다음과 같은 이유로 증류 방식이 유리합니다.
- 무중력 환경에서도 제어 가능
- 소변·습기·생활수 등 다양한 수원 처리 가능
- 높은 정화 효율
ISS에서도 실제로 우주비행사의 소변을 증류 과정을 통해 재활용합니다.
2) 미세 여과
증류 이후에도 완전히 제거되지 않는 미세 입자나 박테리아가 존재할 수 있습니다.
미세 여과(Microfiltration)는 매우 작은 구멍을 가진 필터를 통해:
- 부유 입자
- 세균
- 미세 고형물
을 걸러내는 단계이다.
이 필터의 구멍 크기는 보통 0.1~10 마이크로미터(μm) 수준입니다.
이 과정은 물의 탁도와 미생물 오염을 크게 줄여주며, 이후 화학적 정화 단계의 부담을 감소시킨다.
3) 촉매 산화 처리
이 단계는 화학적으로 남아 있는 유기 오염 물질을 분해하는 과정이다.
원리는 다음과 같습니다:
- 고온·고압 환경에서
- 산소와 촉매를 이용해
- 남은 유기 화합물을 산화 분해
즉, 눈에 보이지 않는 분자 수준의 오염 물질을 분해해 이산화탄소와 물로 전환하는 것이다.
이 과정은 특히 다음 물질 제거에 효과적이다.
- 잔류 약물 성분
- 유기 화합물
- 냄새 유발 물질
폐쇄형 생태계에서는 미량 오염도 장기적으로 누적될 수 있기 때문에 이 단계가 매우 중요하다.
4) 미생물 제거
마지막 단계는 병원성 미생물 제거입니다.
방법은 여러 가지가 있습니다:
- 자외선(UV) 살균
- 화학적 소독
- 고온 멸균
우주 식민지에서는 특히 UV 살균이 유력합니다. 이유는 다음과 같습니다:
- 화학 약품 잔류 문제없음
- 반복 사용 가능
- 에너지 효율적
미생물 제거는 단순히 위생 문제를 넘어 생태계 안정성과 직결된다. 폐쇄 환경에서 미생물 증식은 빠르게 시스템 전체에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
현재 약 90% 이상의 회수율을 달성했지만, 화성 식민지에서는 물 손실이 누적될 경우 생존에 치명적이다. 따라서 95~98% 이상의 재활용률을 목표로 하는 차세대 정화 시스템이 필요하다. 특히 미생물 기반 생물학적 여과 시스템은 에너지 소비를 줄이고 자연적 분해 과정을 모방할 수 있는 대안으로 연구되고 있다.
식량 자급의 생물학적 전략: 식물, 조류, 미생물의 다층적 활용
식량 생산은 단순한 칼로리 공급이 아니다. 심리적 안정과 장기 거주 의지에도 영향을 미친다. 우주 식민지에서 고려되는 식량 생산 전략은 다음과 같다.
- 수경 재배(hydroponics)
- 에어로포닉스(aeroponics)
- 조류 기반 단백질 생산
- 세포 배양 육류
조류(예: 스피룰리나)는 높은 단백질 함량과 빠른 성장 속도를 가진다. 또한 광합성을 통해 산소를 생성한다. 일부 연구는 조류가 폐쇄형 생태계의 핵심 요소가 될 가능성을 제시한다. 식물 재배는 영양 공급뿐 아니라 CO₂ 흡수와 습도 조절이라는 부가적 기능도 수행한다. 따라서 식량 생산 시스템은 단순한 농업이 아니라 환경 제어 시스템의 일부다.
폐쇄 생태계의 균형 문제: 작은 불균형이 시스템 붕괴로 이어지는 이유
완전한 폐쇄 환경에서는 작은 변화도 장기적으로 증폭될 수 있다. 특정 미생물이 과도하게 증식하면 전체 시스템이 교란될 수 있다. 또한 영양소 불균형은 식물 성장 저하로 이어질 수 있다. 따라서 다음 요소가 필수적이다.
- 실시간 환경 모니터링 센서
- AI 기반 자동 제어 시스템
- 다양한 종을 포함한 생물 다양성 확보
지구 생태계는 수십억 년의 진화 과정을 거쳐 안정화되었다. 우주 식민지에서는 이를 수년 내에 설계해야 한다.
하이브리드 LSS의 미래: 생물학과 기계공학의 통합 설계
완전 기계식 시스템은 에너지 의존도가 높고, 완전 생물학적 시스템은 불안정성이 존재한다. 따라서 미래 LSS는 두 접근을 통합한 하이브리드 구조가 될 가능성이 높다.
- 전기분해 + 광합성 병행
- 기계식 정화 + 생물학적 여과
- AI 기반 환경 자동 조절
이러한 통합 설계는 안정성과 효율성을 동시에 확보하는 방향이다.
결론: 인류, 스스로의 생태계를 설계하는 '행성 건축가'가 될 것인가
폐쇄형 생태계 유지 시스템(LSS)은 단순한 기술의 집합이 아닙니다. 그것은 수십억 년에 걸쳐 완성된 지구 생물권의 정수를 좁은 모듈 안에 압축해 놓은 '소형 행성 모델'이다.
산소는 순환하고, 물은 정화되어 돌아오며, 식량은 죽음에서 다시 생명으로 피어난다. 그러나 이 균형은 눈에 보이지 않는 미세한 오차 혹은 실수 하나에도 무너질 수 있는 유리그릇과 같다. 우리는 과연 인공적인 기술을 통해 지구의 생태계가 지닌 놀라운 회복력을 진정으로 재현할 수 있을까? LSS는 단순히 우주에서의 생존을 위한 도구를 넘어, 인류가 생태학과 공학의 완벽한 결합을 통해 '새로운 지구'를 창조할 수 있는지를 묻는 인류 문명의 거대한 시험대가 될 것이다.