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허블 우주 망원경을 수리하기 위해 우주를 탐사하던 라이언 스톤 박사는 폭파된 인공위성의 잔해와 부딪히면서 우주 공간에 홀로 남겨진다. 탑승했던 왕복선은 파괴됐고 산소는 희박해져간다. 홀로 남겨졌다는 공포가 그녀를 휘감아 가던 순간, 그녀의 앞에 베테랑 동료 우주비행사인 매트 코왈스키가 구세주처럼 나타난다. 인공위성의 잔해가 지구를 한 바퀴 돌아 다시 덮쳐오기까지 걸리는 시간은 단 90분. 그 전에 그들은 우주 왕복선과 가까이 있는 ISS로 이동해서 소유즈를 활용해 지구로 귀환하기로 하는데...
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가까운 미래, 지구는 에너지 고갈 문제를 해결하기 위해 머나먼 행성 판도라에서 대체 자원을 채굴하기 시작한다. 하지만 판도라의 독성을 지닌 대기로 인해 자원 획득에 어려움을 겪게 된 인류는 판도라의 토착민 나비의 외형에 인간의 의식을 주입, 원격 조종이 가능한 새로운 생명체를 탄생시키는 프로그램을 개발한다. 한편 하반신이 마비된 전직 해병대원 제이크 설리는 아바타 프로그램에 참가할 것을 제안받는다. 그 곳에서 자신의 아바타를 통해 자유롭게 걸을 수 있게 된 제이크는 자원 채굴을 막으려는 나비의 무리에 침투하라는 임무를 부여받는데...