[붙임] 사이언스 월든 파빌리온 과학예술 개요

1. 과학실험 파트 / 2. 디자인 파트 /3.  예술 파트 /4. 사이언스 월든 과학 예술 융합 연구의 의미

• 과학실험 : 윤동주 화장실, 똥본위화폐, 도시농업 신농사직설 조재원 교수
• 매일하는 배변활동으로부터 과학기술을 통해 개인에게 하나의 의미를 전해주는 경험을 제공함으로써 행동패턴 변화를 유도하는 연구, 똥, 오줌의 퇴비화, 도시농업용 부식토 전환, 건강한 미생물 군집 분포 연구, 오줌의 ORP, pH, 미량유해물질 등 모니터링 통한 건강모니터링 연구. 똥이 버려지지 않는 날, 과학예술은 시작된다!
• 1) 조재원 교수 (UNIST 도시환경공학부 교수, 사이언스월든 센터장)
• 매년 12월 세계적인 인문학자, 예술가, 과학자들에게 edge.org의 편집자인 John Brockmann은 그 다음 해의 질문을 던진다. 2016년 질문은 “What do you consider the most interesting scientific news?"이었다. 200여명의 석학들은 각자의 의견을 보냈고 2016년 1월 1일 홈페이지(edge.org)를 통해 발표되었는데 곧 책으로도 출판된다. 여기에 필자는 똥본위화폐(Feces Standard Money (FSM)라는 주제로 글을 기고했다. 우리가 매일 누는 ‘똥(Feces)'을 수세식 화장실을 통해 하수처리장으로 보내지 않고, 위생적이고 과학적인 기술을 이용하여 분말로 만들 수 있는 변기를 만들 수 있다면 과학기술혁신의 출발점이 될 수 있다. 분말로 만들어진 똥을 에너지로 만들어 주는 미생물 반응조에 음식물 쓰레기 분리 수거 하듯 넣는다. 만들어진 에너지 생산량에 따라 새로운 화폐인 ‘돈(똥본위화폐 FSM)’을 받아, 마을버스, 온수, 난방, 음료수, 문화공연 등에 활용하는 과학경제가 edge.org에 기고된 FSM의 기본 아이디어이다.
• 새로운 변기를 과학예술과 기술의 융합으로 개발, 완성한다는 것은 단순히 수세식 화장실 물을 아끼는 것 뿐만 아니라 하수처리장 건설, 운영비를 절감하고 에너지까지 만들어내는 과학기술의 새로운 지평을 여는 의미가 있다. 뿐만 아니라, 현재 우리가 쓰고 있는 돈과는 별도로 운영될 수 있는 새로운 화폐를 고안해 낸 것이 바로 ’똥본위화폐(FSM)'인 것이다. 이런 세상이 실현되기 위해서는, 화장실 변기기술(황금 가전제품 산업), 에너지 생산장치 등의 최첨단 과학기술개발이 필요함은 물론이고, 일반 시민들과의 과학적 소통이 필수 요소이다. 단순히 지금과는 다른 변기를 사용하는 것만으로도 사회 시스템 속에서 무엇인가 기여한다는 의미를 가질 수 있는 새로운 과학적 소통인 것이다. 물론 여러 장벽이 있겠지만 FSM이 실현될 수 있다면, 과학기술이 본격적으로 우리 생활, 삶 속으로 들어오게 되고, 시민들은 그들이 선택한 행위가 과학이라는 이름 하에서 과학적 소통이 되는 경험을 하게 된다. 개인의 행동이 사회를 구성하고 있는 요소의 일부가 되고, 환경과 교류하면서 살아가도록 유도하는 것, 바로 이것이 과학적 소통을 통한 과학기술의 혁신이 아닌가 한다. 현대사회가 안고 있는 소통의 부재, 경제적 어려움 등 다양한 문제들은 우리가 사는 사회, 우리가 매일 쓰는 에너지, 자연, 그리고 인간을 연결하는 본질을 이해하는 과학자들의 소통 노력을 통해 해결될 수 있을 것이다.
• 2) ‘분리막을 이용한 메탄/이산화탄소 분리’ 연구, 권영남 교수
• 생활수준이 향상되고 산업이 발전하면서 에너지 사용량의 중가에 따른 화석 연료의 고갈 및 온실가스 배출에 따른 환경오염 문제가 국제적으로나 국내적으로 큰 이슈로 부각되고 있다. 우리나라는 전체 에너지의 상당부분을 해외에 의존하고 있어 안정적인 에너지 수급에 문제가 있으며, 최근 고유가에 따라 국가 경쟁력이 둔화되고 있다. 또한 기후변화 협약 및 환경보존 규제로 대체 에너지 개발을 통한 새로운 자원 탐색 및 지속가능한 친환경 에너지 개발이 절실히 필요한 시점이다.
• 생활 속에서 버려지는 하수 슬러지 및 음식물 쓰레기 등은 소각, 매립, 해양 투기시 환경오염 유발하는 폐기물로 인식되어 왔으나, 최근에는 유기성 폐기물이 아닌 생물자원으로 인식하는 패러다임의 전환이 이루어지고 있다. 이러한 바이오매스를 자원화 할 수 있는 기술 개발은 기후 변화에 적극적으로 대응하는 동시에 안전하고 지속가능한 친환경 에너지를 확보할 수 있는 기술이라 할 수 있다.
• 바이오매스를 자원화 하는 공정에서는 유기물이 분해되어 유기산을 거쳐 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2) 가스로 전환하게 되는데, 생성되는 메탄과 이산화탄소가 반응기 내에 농축되면 유기산의 메탄/이산화탄소 기체 전환이 제한을 받게 된다. 기존의 메탄/이산화탄소 분리는, 반응액 상부에서 모아진 기체들을 외부의 포집탱크로 옮겨간 후 각 기체의 분리를 진행하게 되는데, 이때 반응기 외부에서의 기체 분리 공정은 반응기 내부의 반응에 영향을 미치지 못하게 된다. 반면, 반응기 내에서 생성되는 기체들 중에서 이산화탄소를 선택적 제거할 수 있게 되면, 유기산에서 메탄으로 전화되는 효율이 증대하게 될 수 있다. 이에, 사이언스 월든에서 진행중인 ‘분리막을 이용한 메탄/이산화 탄소 분리’ 연구에서는 혐기소화조 반응기 내에서 생성되는 이산화탄소를 선택적으로 제거하는 시스템을 소수성 중공사 형태의 분리막을 활용하여 적용하고 구현하고자 한다.
• 3) 빗물 집수 및 정화, 이창하 교수
• 파빌리온의 지붕 벽면을 통하여 빗물이 집수되는데 벽면에 태양광 패널을 설치하여 맑은 날에는 태양광 발전도 가능하다. 집수된 빗물은 저수조에 모아지고 일체형 여과/소독 모듈을 통해 정화된다. 빗물을 정화하기 위한 일체형 여과/소독 모듈은 정화재가 충진된 원통형 컬럼으로 빗물이 통과되면서 오염물질들이 정화된다. 정화재는 흡착능이 우수한 활성탄 등의 탄소계 흡착제에 살균능력이 우수한 바이메탈 금속이 담지된 소재로서, 수중 유무기 오염물질을 흡착하여 제거함과 동시에 병원성 미생물들을 살균하는 효과가 있다. 파빌리온에 설치될 일체형 여과/소독 모듈은 최대 하루 5톤(우리나라 평균 물 사용량 280리터 기준 18명분)의 빗물을 정화할 수 있도록 설계된다. 정화된 물의 수질은 기본적으로 사람이 접촉하여 사용할 수 있는 친수용수 수준이며, 궁극적으로는 음용수 수질기준의 만족을 목표로 한다.
• 4/5) 유기성폐기물 바이오가스화 장치 / 소화 탈리액을 이용한 미세조류 배양 장치 (이창수 교수)
• -혐기소화조: 공동체에서 발생한 '사람똥 및 음식물 쓰레기'를 혐기소화조(anaerobic digester; 산소가 들어갈 수 없도록 만든 밀폐된 통 입니다)에 투입. 혐기소화조 안에서 '산소를 싫어하는 미생물(microbes)이 투입된 내용물을 먹이로 이용하여 바이오에너지 형태인 메탄(CH4)을 발생시킴. 즉 해당 혐기소화조 안에서 'waste-to-energy' 현상 발생
• -미세조류 배양조: 혐기소화조에서 흘러나오는 소화여액(찌꺼기중 액체부분) 및 이산화탄소(CO2)를 미세조류 반응조에 투입. 투입된 내용물(소화여액 속의 영양분, 이산화탄소) 및 햇빛(또는 LED 등의 광원)을 이용하여 미세조류 배양조에서 미세조류 배양, 배양된 미세조류를 회수하여 oil 추출, 바이오디젤(biodiesel)로 전환하여 자동차 연료로 이용
• 6) 세미 클러스레이트 (Semi-clathrate)를 이용한 이산화탄소 회수 공정, 서용원 교수
• 세미 클러스레이트 (semiclathrate)는 상온×상압 상태에서 4차 암모늄 염 (quaternary ammonium salt, QAS) 등의 물질이 물과 결합하여 만드는 고체의 함유 화합물 (inclusion compound)이다. 4차 암모늄 염으로는 tetra-n-butyl ammonium 염 계열이 대표적이며, 기초 실험 결과 tetra-n-butyl ammonium chloride (TBAC)가 열역학적 안정성과 기체의 포집 특성을 고려할 경우 가장 우수한 것으로 판명되었다. 이러한 물질로 형성된 세미 클러스레이트에는 빈 동공이 존재하고, 이 곳에 작은 기체 분자가 포집될 수 있으며, 기체별로 서로 다른 포집 특성을 활용하면 혼합기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 회수할 수 있다. 일반적으로 세미 클러스레이트에 기체를 포집하기 위해서는 세미 클러스레이트 안정 영역에 맞는 온도와 압력 조건을 설정해 주어야 하며, 상온보다 조금 낮은 온도와 상압보다 조금 높은 압력을 가해 주면 세미 클러스레이트 결정이 형성되면서 이산화탄소를 선택적으로 포집할 수 있다. 이 후, 세미 클러스레이트의 온도를 높이고 압력을 대기압으로 낮추어 주면 동공에 포집되어 있던 기체가 다시 외부로 나오게 되어 고농도의 이산화탄소를 얻게 되는 원리이다. 이 공정은 염과 물만으로 구성되는 단순한 공정이며, 염의 비휘발성과 무변성 (non-degradation) 특성으로 인하여 무한 반복사용이 가능하여 환경 친화적 공정이라고 할 수 있다.
• 7) greenroof를 통한 빗물처리 장치, 조경화 교수
• 옥상녹화란 기존의 콘크리트, 시멘트로 만든 지붕과 달리 옥상에 나무와 풀을 심어 홍수의 피해를 줄 일수 있을 뿐만 아니라, 도시의 오염물질을 저감 할 수 있는 기술이다. 특히 계속적인 도시화로 인하여, 점점 녹지의 감소의 대안으로 옥상녹화가 대두되고 있다.
• 옥상녹화는 도시의 열섬현상을 완화시켜 건물의 에너지를 저감 할 수 있으며, 도심 생태환경 조성 및 미 환경을 개선하여 휴식공간으로 활용이 가능하며, 최근에는 도시농업의 대상지로 주목을 받고 있다. 최근 세종 신도시 이 기법을 적극 활용 되고 있으며, 점차 옥상녹화의 기술이 확산이 될 것으로 생각되어진다.
• 디자인 파트: 미래 변기(윤동주 화장실 옆에 선보일 미래 변기), 이현경 교수
• 이 디자인 연구는 인분(人糞)을 가루로 만드는 기술을 사용자에게 거부감없이 긍정적으로 받아들일 수 있게 하는 과학기술디자인융합 사례이다.
• 한국은 눈으로 보기엔 물이 많아 보이지만, 실제로는 높은 인구 밀도로 인해 유엔이 경고하고 있는 물부족 국가이다. 이러한 한국의 현실과 더불어 물의 오염 원인에 해당하는 인분(人糞)의 경우, 정화가 미진한 상태로 강과 하류에 유입이 되고 이는 느려진 유속이 물 속 미생물의 먹이가 되어 오염을 유발하고 있다. 특히 4인 가족 기준으로 하루에 225리터의 물이 화장실용으로 쓰이는데 이는 가정에 27% 쓰는 생활 용수에 해당하며 여기서 쓰는 물을 아낄 수 있다면 물이 절약된다.
• 이에 대응하기 위해서 물을 쓰지 않는 변기이자 인분을 에너지로 변환시킬 수 있는 윤동주 화장실을 연구하게 되었다. 그러나 문제는 이러한 급진적 접근 방식의 변기 제품은 사용자들로 하여금 반감을 살 수 있으므로, 연구 초기에 사용자들의 인식을 연구하여 변기 디자인 및 개발을 하기로 하였다. 아무리 좋은 제품이나 서비스도 사람들이 받아들일 수 있어야 하기 때문이다. 그리하여 54명의 사용자들을 9 그룹으로 나누어 포커스 인터뷰 결과: 1) 물 부족 국가란 인식부족 및 믿지 않음, 2) 물을 아껴야 한다는 동기부여 필요함, 3) 물 없는 변기를 체험 필요 및 요구사항: 청결성, 깨끗하게 보여질 것, 편안함 과 따뜻한 느낌, 더러운 냄새 나지 않을 것
• 초기 연구의 결과는 다음과 같다. 1) 사용자들이 프로토타입 (mock-up) 체험 하게 할 것, 2) 새로운 아이디어 를 받아 들인 한국 사례 연구, 2-2) 사람들의 인식 변화를 가져온 사례 및 전문가 인터뷰 필요, 3) 냄새 나지 않고 청결함을 가질 수 있는 변기 디자인 및 개발 필요.
•  이러한 연구결과에 의해 여러 사례연구 및 디자인 및 서비스 전문가 인터뷰 진행, 그리고 과학자들과 변기 개발에 관한 미팅을 한 후, 프로토타입 개발은PSS (Product Service System)방향으로 진행된다. 1) 미디어보드: 물 부족 인식 및 윤동주 화장실을 쓸 수 있게 보여주는 방법 제시, 2) 사용자가 해당 변기를 써서 이익을 볼 수 있는 체험 필요 (FSM 개발) 3) 변기 외관: 남들이 보기에도 멋지고, 아늑하고, 깨끗하며, 쓰고 싶은 변기 디자인 필요
• 미래 변기는 ‘toilet’의 프랑스어 본래 뜻인 ‘본인을 다듬고 꾸밀 수 있는 가구로서의 의미’를 반영하였고 편안함 및 청결성을 보여줄 수 있도록 외관 디자인을 하였다. 편안히 쉴 수 있는 의자처럼 만들고 변기 커버에는 가죽을 씌웠으며 이것은 의자로써도 기능을 하게 한 것이다. 또한, 청결성을 위해 변기 덮개에 UV light 기능을 삽입하여 상시 청결성을 유지하게 하였으며 외관에서도 청결이 유지되고 있음을 확인할 수 있다. 외관은 깔끔함을 강조하기 위한 세라믹을 재질로 하였다. 
• 추후 윤동주 화장실에서는 건강을 대변을 통해서 체크하는 기능이 개발될 것이다. 이에 맞게 올바른 배변 자세를 위한 좌변 파트를 인체공학적으로 디자인 하였다. 이번 프로토타입에서는 사람의 직장이 변기에 앉았을 때 변기와 직각이 될 수 있도록 하였으며, 후속 연구를 통해 사람들에게 올바른 배변자세가 되는 좌변파트를 디자인 및 개발하게 된다. 그리하여 편안한 의자이며, 청결한 변기 및 대장건강 증진 및 건강을 수시로 체크할 수 있는 변기이자 각자의 인분을 에너지화 시킬 수 있는 윤동주 화장실로 프로토타입 디자인을 한 것이다. 이번에는 두 가지 컨셉 중 하나의 모델로 프로토타입을 만들어 보았으며, 추후에는 두 가지 모델을 같이 개발하여 테스트 해볼 예정이다.
• 예술파트
• 파빌리온을 통한 과학과 예술의 접목 사례로 과학과 예술이 인간의 삶에 작용하는 지점에서 절묘한 접점을 만들어내는 프로젝트이다.
• <1층 작품> 제목: 황금 보리 Golden Barley / 컨셉: 철재 화분에서 사이언스월든 연구원 20명의 손 모양으로 보리가 자란다. 연구원들은 자신의 대변으로 만든 퇴비에서 자란 보리 싹을 잘라 먹고 다시 자신의 똥으로 만든 퇴비를 화분에 담고 보리를 파종한다. 
• 작품 ‘황금 보리’는 인간이 음식물을 섭취하고 배설하는 과정을 단순한 처리중심이 아니라 순환적 생산의 과정으로 바꾸려는 사이언스월든 프로젝트의 정신을 생태미술적인 아이디어로 표현한다. 인간의 배설물로 작품을 자라게 하며 그 결과물을 먹음으로서 작품이 진행되는 이 작업은 현실공간 속에서 생태적, 시각적, 기능적으로 생생하게 작용한다.
• - 재료: 철, 흙, 보리 /  규격: 30cm x 4460cm x 82cm(h)
• 예술 작품을 통해서 과학과 예술이 상호작용하는 과정: 이 작업에서 과학은 세 가지 방식으로 참여 한다. 첫째는 보리가 필요로 하는 가장 적정한 영양분을 이 작업에 참여하는 연구원들의 인분을 활용해서 만드는 것이다. 20여명의 연구원들은 보리가 자라는 속도와 상태를 고려하여 자신만의 퇴비를 만들어 다른 연구원들의 보리와 비교하면서 건강한 보리를 위한 최상의 퇴비를 개발하게 될 것이다. 두 번째는 작품에 공급되는 물을 빗물 정화 시스템을 통해 중금속등의 유해물질이 정화된 물을 사용하도록 함으로서 건강한 토양에서 보리가 자라도록 하는 것이다. 세 번째는 흙의 적정한 습도를 유지하기위한 센서를 개발하여 필요한 시기에 적당량의 수분을 공급할 수 있도록 하는 것이다.
• 이 작품에는 관찰자의 생리적 소산(便)인 대변이 투입되고 과학적 정화시스템이 작동하고 지속적인 관찰이 이루어짐으로서 작품과 보는 사람 간에 생태적 연결과 과학과 예술작품 간에 상호작용 구조를 갖게 된다.
• <2층 작업>: 작품 제목 : 백색 정원 White Garden / 컨셉 : 콘크리트로 덮여진 철재 화분에서 풀들이 자란다. 콘크리트는 현대문명을 상징한다. 비좁은 구멍에서 자라는 풀들은 인간계에 밀려 황폐해진 자연계의 상징이다. 작가의 손가락으로 만든 일정한 패턴의 구멍을 통해서 흙속의 알 수 없는 풀들의 씨앗들이 자라 오른다. 구멍을 통해 수분을 공급받고 자라 오르지만 인간의 지속적인 관심이 없이는 생존 할 수 없는 위태로운 소자연계이다.
• 전시공간의 지붕으로부터 정화되어 제공되는 물은 투명한 관을 통해 흘러내려온다. 건물의 구조에 따라 자연스럽게 꺾이는 투명관은 물의 흐름에 변화를 만들어 낸다. 작품에 담겨진 흙은 사이언스월든 파빌리언에서 연구하는 연구원들이 수집한 흙이다. 산과 들 그리고 자신의 고향집 앞마당에서 채취한 흙 속에는 이름 모를 풀들의 씨앗이 담겨있다.
• 백색 콘크리트 사이로 자라 오르는 풀들은 생태적 회화로서 시간의 흐름에 따라 변화를 만들어 내며 아름다운 형태와 색을 뽐낸다. 그리고 작품을 마주하는 사람들에게 자연과 환경 그리고 우리들의 삶의 관계에 대하여 묻는다.
• - 재료: 철, 흙, 콘크리트 / 규격: 40cm x 3900cm x 57cm(h)
• 예술 작품을 통해서 과학과 예술이 상호작용하는 과정: 이 작업에 과학은 세 가지 방식으로 참여 한다. 첫째는 식물이 필요로 하는 가장 적정한 영양분을 이 작업에 참여하는 연구원들의 인분을 활용해서 만드는 것이다. 두 번째는 작품에 공급되는 물을 빗물 정화 시스템을 통해 중금속등의 유해물질이 정화된 물을 사용하도록 함으로서 건강한 토양에서 보리가 자라도록 하는 것이다. 세 번째는 흙의 적정한 습도를 유지하기위한 센서를 개발하여 필요한 시기에 적당량의 수분을 공급할 수 있도록 하는 것이다. 이 작품은 인간의 생리적 소산(便)인 대변이 투입되고, 과학적 정화시스템이 작동하고 지속적인 관찰이 이루어짐으로서 작품과 보는 사람 간에 생태적 연결과 과학과 예술작품 간에 상호작용하는 구조를 갖게 된다.
• 사이언스 월든 과학 예술 융합 연구의 의미
• 캠퍼스 중간에 위치한 사월당思越堂은, (i) 과학자와 예술가 실험하고 연구할 공간을 처음부터 함께 기획, 디자인, 건설했다는 것이 융합연구의 출발이고, (ii) 어떤 실험장비가 어떤 위치에 왜 그곳에 놓이게 되는지 과학자만이 아니라 예술, 건축예술가가 함께 고민하면서 공간, 장소의 의미를 만들어 왔으며, (iii) 이곳에서 실험을 하면서, 과학이 예술로 흘러가고, 예술이 다시 과학으로 흘러오는 과학예술 순환경험이 이루어지는 과학예술 소통의 "장"이 될 것으로 기대한다. 끝으로, (iv) 일반 시민, 캠퍼스 학생이 참여하는 과학예술 융복합 모델의 완성이다. 이를 위하여 똥본위화폐 FSM이 매개역할을 할 수 있다. 왜냐하면, 실험실, 전시장 만이라면 한번 방문하면 다시 오기 힘들 수도 있지만, FSM을 통해 학생과 시민들이 직접 연구에 참여하고 있다는 경험을 줄 수 있기 때문에 참여자의 향후 행동, 판단의 환경과 조건으로 작용하게 된다. 이는 결국 사회시스템과 삶 속으로 사이언스 월든의 여러 작동원리가 스며드는 것이다.
• 사월당에는 3가지 예술이 있는데, 건축물은 공공예술(public art), 나비의 미디어아트, 그리고 야투의 생태예술이 그것이다. 과학이 예술로 간 사례는 많고 또한 상상하기 어렵지 않지만(백남준 작품, 미디어아트 등), 예술이 과학의 변수로 작용한, 영향을 준 예는 찾기 어렵다. 만약, 과학기술의 연구결과가 예술로 표현되는 일방향만 존재한다면 사이언스월든 프로젝트는 미완성으로 끝나버릴 것이다. 예술이 과학속으로 들어오는 '사례 혹은 실증'을 만들어낼 때만이 비로소 과학예술의 융합이 시작되는 것이다.
• 사월당 내의 도시농업 구현 YATOO 전원길 작가의 황금보리, 백색정원 작품과 아트센터 나비의 미디어아트 구현(6월 중순 완료 예정)은 과학기술의 결과가 예술로 흘러들어간 가장 대표적인 예이며, 연구성과라고 할 수 있다. 즉, 과학기술에 대해 예술작품이 동기부여가 되고 반응한 결과물인 것이다. 윤동주화장실과 미생물 소화조에서 만들어지는 퇴비, 빗물 정화된 물을 이용하여 도시농업 모델을 예술적으로 실체화하되고, 소화조에서 메탄가스가 발생되는 결과가 실시간으로 미디어아트로 표현되어 사월당의 심장과 같이 표현된다면, 예술로써 과학기술의 결과가 소통을 시도하고 있는 것이다. 순수예술과 과학예술 행위의 근본적인 차이가 여기에 존재한다. 과학예술에서의 성공은 커뮤니티 시민의 행위 자체인 것이다.