1. 수행배경

  작년 7월 사하공화국에서의 포럼을 기회로 야쿠츠크를 다녀올 수 있었습니다.

저희가 방문한 야쿠츠크는 혹독하게 추운 날씨로 인해 많은 어려움이 있는 곳이었습니다. 이에 야쿠츠크의 열악한 환경에 관심이 생겨 공학도로써 기술적으로 도움을 줄 수 있는 연구를 고민하게 되었습니다.

2. 수행기간

◇ 2016년 3월 : 적정기술 개발을 목표로 야쿠츠크의 취약점 분석

◇ 2016년 4월 : 자료 조사 및 다양한 아이디어 도출

◇ 2016년 5월 : 시제품 설계 및 제작

◇ 2016년 6월~8월 : 시제품 Test 및 각종 수정사항 보완

3. 개​발작품 설명

  야쿠츠크는 영구동토대에 위치하고 있어 혹독한 추위라는 환경적 문제점이 있는 도시입니다. 따라서 농경작물 재배가 거의 불가능 하고 대부분의 식량을 수입에 의존하고 있습니다. 이에 환경적 문제점을 고려한 농경물 생산방법을 고민한 결과 실내 수경재배가 적합하다고 생각하였습니다.
 

  육지 식물은 오직 미네랄 배양액 또는 페라이트, 자갈과 같은 무기물 안에서 그들의 뿌리를 이용해 길러지는 반면에, 수경재배는 토양 없이 물과 배양액, LED를 이용하여 식물을 재배하는 하나의 수경배양의 일종입니다. 수경재배의 장점은 아래와 같습니다.

 장점: 1. 토양의 제한을 받지 않아 오염되지 않은 깨끗한 채소나 작물을 생산해낼  수 있다.
         2. 집안에서 손쉽게 재배가 가능하며, 심미적인 효과 또한 얻을 수 있다.

※ 하지만 야쿠츠크에서의 수경재배는 상수도관에서 녹물이 발생한다는 문제점으로 인해 적용이 쉽지 않았습니다.

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▶야쿠츠크에서의 실내 수경재배시스템 적용의 어려움.

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  수경재배는 상기의 “한랭 기후”와 “풍부한 전기”로 인해 야쿠츠크에선 맞춤형 농업 방식이라고 할 수 있습니다. 하지만, 수경 재배를 야쿠츠크에 적용하는 것에는 한가지 어려움이 있습니다. 야쿠츠크에서는 낮은 온도 때문에 온수를 자주 사용하고, 그러다보니 배관이 쉽게 녹슬고 노후화된다는 것입니다. 게다가 노후화된 배관 교체 시 비용이 상당히 많이 든다는 문제점이 있었습니다. 이로 인해 ‘녹물’을 일반 가정집에서도 쉽게 볼 수 있습니다. 또한 이러한 녹물로 실내 수경재배를 하게 된다면 농경물에 포함된 중금속이 체내에 축적되어 심각한 문제를 야기 할 수 있습니다. 하지만, 이러한 녹물을 해결하고자 일반적으로 통용되는 활성탄소계열의 필터를 사용한다면 수경재배 시 식물의 성장에 좋지 못한 영향을 미치게 된다는 점을 고려해야 했습니다. 식물의 성장에 유익한 성분인 마그네슘, 칼륨, 철분 등이 녹과 함께 여과되기 때문에, 우리는 어떻게 녹 성분만을 제거 할 수 있을 것인가에 대해서 고민을 하였습니다. 그 결과, “녹의 주요성분인 철은 자성에 반응하는 재료이므로 자석의 자성을 이용해서 철 성분만 골라내면 되지 않을까?”라는 생각을 하였고 이를 해결하고자 연구하였습니다.

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※ 기술적 측면

▶​전자석

=> 필터 재료를 선정하기에 앞서 자석을 먼저 결정해야 했고, 이에 제품에 이용할 자석 조사 결과 여러 자석들 중 전자석이 가장 적합하다고 생각했습니다. 전자석의 특성상 자력의 ON/OFF를 원격 조정할 수 있으므로 필터로 이용하는 재료에 손쉽게 자성을 가해줄 수 있습니다. 또한 필터역할이 끝난 뒤에는 OFF버튼은 이용해 필터로부터 자성을 제거하여, 걸러진 철 성분의 물질들을 쉽게 떼어 낼 수 있습니다. 이는 자성필터가 반영구적으로 사용될 수 있도록 하는 장점이 있습니다.

▶​다공성 금속 (Porous Nickel 선정)

   => 효율적인 필터재료를 선정하기 위해 고려한 것들은 다음과 같습니다.

      1) 필터가 물의 흐름을 최대한 방해하지 않도록 하여야 한다.

      2) 필터의 표면적이 넓어 효율적으로 녹물을 제거 할 수 있어야 한다.

      3) 필터가 자성체 이어야 한다.​

  위와 같은 사항을 주안점으로 하여 조사해 본 결과, 다공성 금속(porous metal)이 가장 적합하였습니다.

다공성 금속은 물의 흐름을 타 재료에 비해 적게 방해 하였고, 구멍이 많이 뚫린 구조이므로 표면적이 넓어 효율적으로 녹물을 제거 할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 활성탄소계열 필터와는 다르게 물 안의 유익한 성분 등은 여과 시키지 않고, 식물 생장에 유해한 중금속을 걸러낼 수 있다는 장점도 가지고 있습니다. 녹물에 녹아있는 중금속의 주성분은 크롬, 망간 등이며 크롬은 호흡곤란, 발열의 증세를 보이고 망간은 권태감, 탈력감, 정서장애의 증세를 보이며, 과다한 중금속 섭취는 어린 아이의 경우 알레르기성 접촉 피부염을 일으킬 수 있다는 점 등으로 보아 꼭 해결해야 하는 문제점이라고 생각하였습니다.​

=>이에 니켈이라는 금속이 강자성체이기에 쉽게 자화될 수 있고, 식물의 생장에 꼭 필요한 니켈성분

  함유를 고려하여 다공성 니켈(Porous Nickel)을 필터재료로 선정하였습니다. 

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4. 활용방안

  저희가 개발한 수경재배시스템이 열악한 기후환경의 지역에서 사용된다면 여러 분야에서 큰 기대효과를 얻을 수 있을 것으로 판단됩니다. 추운 기후환경으로 인해 농경이 어려운 야쿠츠크에서도 자급자족 뿐 아니라 도시 농업과 고부가 가치 산업인 원예농업의 기틀을 다질 수 있을 것이며, 곧 농업 소비는 수경재배를 통해 식자재 자급자족으로 충당될 수 있을 것입니다. 또한 현재는 농경물을 수입에 의존할 수밖에 없는 야쿠츠크이지만, 먼 훗날 야쿠츠크의 수경재배 농법과 농산물이 해외로 수출되는 것을 기대할 수도 있을 것입니다.

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