[논문 리뷰] Numerical constraints on the size of generation ships from total energy expenditure on board, annual food production and space farming techniques

F. Marin, C. Beluffi외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 28.

Global Energy and Sustainability Research참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 500인의 다세대 우주선을 위한 식량 수요를 모델링하기 위해 개선된 HERITAGE 몬테카를로 시뮬레이션 코드를 사용한다. 연령에 따라 달라지는 칼로리 요구량과 농업 기술을 통합하여, 공기 농업을 통해 식물성 식량을, 전통 농업을 통해 가축 제품을 생산할 경우, 인공지반 0.45 km²만으로 균형 잡힌 올채식 식단을 유지할 수 있으며, 부패하는 저장 식량에 의존하지 않게 된다.

ABSTRACT

In the first papers of our series on interstellar generation ships we have demonstrated that the numerical code HERITAGE is able to calculate the success rate of multi-generational space missions. Thanks to the social and breeding constraints we examined, a multi-generational crew can safely reach an exoplanet after centuries of deep space travel without risks of consanguinity or genetic disorders. We now turn to addressing an equally important question : how to feed the crew? Dried food stocks are not a viable option due to the deterioration of vitamins with time and the tremendous quantities that would be required for long-term storage. The best option relies on farming aboard the spaceship. Using an updated version of HERITAGE that now accounts for age-dependent biological characteristics such as height and weight, and features related to the varying number of colonists, such as infertility, pregnancy and miscarriage rates, we can estimate the annual caloric requirements aboard using the Harris-Benedict principle. By comparing those numbers with conventional and modern farming techniques we are able to predict the size of artificial land to be allocated in the vessel for agricultural purposes. We find that, for an heterogeneous crew of 500 people living on an omnivorous, balanced diet, 0.45 km2 of artificial land would suffice in order to grow all the necessary food using a combination of aeroponics (for fruits, vegetables, starch, sugar, and oil) and conventional farming (for meat, fish, dairy, and honey).

연구 동기 및 목표

• 다세대 우주 비행을 위한 최소한의 인공 농지 면적을 결정하기 위해.
• 우주 거주지에서 현대 농업 기술을 활용한 폐쇄식 식량 생산의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 비타민 분해와 질량 제약 등의 문제로 인해 장기 저장 식량의 한계를 해결하기 위해.
• 식량 수요 모델링에 연령에 따른 칼로리 필요량과 생식 역학을 통합하기 위해.
• 농업 면적 요구량을 줄이기 위해 해충 단백질과 같은 대체 단백질 원천의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• HERITAGE 몬테카를로 시뮬레이션 코드를 개선하여 신장, 체중, 대사율과 같은 연령에 따라 달라지는 생물학적 파rameter를 포함시켰다.
• 칼로리 요구량은 성별, 연령, 활동 수준에 따라 조정된 Harris-Benedict 공식을 사용하여 계산하였다.
• 농업 땅 필요량은 가축 제품(육류, 유제품, 어류, 꿀)을 위한 전통 농업과 과일, 채소, 탄수화물, 당, 기름을 위한 공기 농업 시스템을 비교하여 모델링하였다.
• 장기적인 식량 수요를 예측하기 위해 출산율, 유산율, 임신율 등의 인구 역학을 고려한 시뮬레이션을 수행하였다.
• 기존 자료를 바탕으로 단백질 수확량과 공간 효율성에 따라 해충 기반 단백질이 농업 면적을 줄이는 데 기여할 수 있는지 평가하였다.
• 수질 및 영양소 재활용 문제는 정량화하지 않았지만, 시스템의 지속 가능성 평가를 위해 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 500인의 올채식 식단을 유지하는 데 필요한 최소한의 인공 농지 면적은 얼마인가? (다세기에 걸친 우주 비행 기간 동안)
• RQ2 특히 공기 농업과 전통 가축 농업을 포함한 다양한 농업 기술이 칼로리 및 영양 요구량을 얼마나 효과적으로 충족시키는가?
• RQ3 식량 면적 요구량을 줄이기 위해 해충과 같은 대체 단백질 원천을 얼마나 활용할 수 있는가?
• RQ4 연령 및 성별에 따른 칼로리 요구량은 장기적인 식량 생산 계획에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 수질 및 영양소 재활용의 비효율성은 생명 유지 시스템의 총 질량과 부피에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 500인의 승무원이 균형 잡힌 올채식 식단을 유지하기 위해 약 0.45 km²의 인공 농지를 필요로 한다.
• 공기 농업 시스템은 과일, 채소, 탄수화물, 당, 기름과 같은 식물성 식량을 생산하는 데 충분하다.
• 육류, 유제품, 어류, 꿀과 같은 동물성 식량을 생산하기 위해 전통 농업 방법이 필요하다.
• 메추리벌레와 같은 해충은 농업 면적 요구량을 크게 줄일 수 있으며, 160인의 승무원 팀의 단백질 요구량을 충족시키기 위해 매일 160,000마리의 메추리벌레가 필요하다.
• 비타민 분해와 막대한 질량 요구량으로 인해 장기 저장 식량은 실현 가능하지 않으며, 현지에서의 농업이 필수적이다.
• 수질 재활용 및 영양소 회수 시스템은 필수적이지만 이 연구에서는 정량화되지 않았으며, 향후 연구의 핵심 분야로 지목된다.