On-board International Space Station Verification of Autonomous Emulsification Lab-on-Chip Payload: TIGERS-X Project
Cet article présente la conception, la vérification au sol et la validation réussie de 10 jours en orbite de TIGERS-X, une charge utile de type laboratoire sur puce téléopérée à faible coût sur la Station spatiale internationale qui a utilisé des valves de Tesla microfluidiques passives pour démontrer l'émulsification autonome et le mélange de fluides en microgravité, établissant ainsi une nouvelle plateforme pour la future recherche spatiale sur les fluides et la biologie.
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Le voyage dans l'espace lointain présente un problème unique et tenace pour les futurs astronautes : comment fabriquer des médicaments et de la nourriture lorsqu'on ne peut pas compter sur la gravité. Sur Terre, de nombreux médicaments liquides et suppléments nutritionnels sont des émulsions, des mélanges où de minuscules gouttelettes d'huile sont suspendues dans de l'eau. La fabrication de ces mélanges nécessite généralement des machines puissantes qui font tourner ou secouent violemment les fluides, utilisant la gravité pour aider à séparer puis à recombiner les ingrédients. Dans l'environnement de pesanteur zéro de l'espace, la gravité disparaît. Sans elle, l'huile et l'eau refusent simplement de se mélanger correctement, et la machinerie lourde nécessaire pour les forcer à s'unir est trop encombrante et gourmande en énergie pour un vaisseau spatial. Pour des missions qui pourraient durer des années, comme un voyage vers Mars, les astronautes ne peuvent pas emporter suffisamment de fournitures pré-fabriquées. Ils ont besoin d'un moyen de créer ces fluides essentiels à la demande, en utilisant de petits dispositifs simples qui fonctionnent sans gravité.
Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs de Thaïlande a lancé une petite expérience dans la Station spatiale internationale pour tester une nouvelle façon de mélanger des fluides. Ils ont construit un dispositif appelé TIGERS-X, un cube compact d'environ la taille d'une grande boîte à chaussures, qui s'insère dans un emplacement standard de la station. À l'intérieur de ce cube, ils ont placé une puce microfluidique, une minuscule plaque en plastique dotée de canaux microscopiques sculptés en son sein. Au lieu d'utiliser des pièces rotatives ou des secoueurs à haute vitesse, le dispositif repose sur une conception passive appelée valve de Tesla. Il s'agit d'un canal dont la forme, composée de courbes et de virages spécifiques, force les fluides à tourbillonner et à entrer en collision lors de leur écoulement, créant ainsi un mélange uniquement grâce à la géométrie du chemin. L'équipe voulait voir si cette approche simple et à faible consommation d'énergie pouvait réussir à mélanger l'huile et l'eau dans la microgravité soutenue de l'orbite, une condition que les expériences au sol ne peuvent pas parfaitement imiter.
L'expérience fut un succès total, fonctionnant de manière autonome pendant dix jours sous le contrôle exclusif d'une équipe basée à Bangkok. Une fois que les astronautes ont installé le cube, aucune autre interaction humaine n'a été nécessaire. Le dispositif a pompé deux liquides différents — l'un de couleur orange pour représenter l'huile et l'autre de couleur sarcelle pour représenter l'eau — dans les canaux microscopiques. Des caméras haute définition à l'intérieur du cube ont enregistré les fluides lorsqu'ils se rencontrent et se mélangent. Les chercheurs ont constaté que le mélangeur passif fonctionnait remarquablement bien. Sur une très courte distance, les deux liquides ont commencé à se fragmenter et à se mélanger, créant un motif complexe de couleurs entremêlées. Cela a prouvé que la forme spécifique du canal pouvait générer la turbulence nécessaire pour mélanger les fluides, même sans l'aide de la gravité ou de machinerie lourde.
Cependant, l'expérience a également révélé que le processus de mélange est délicat et dépend fortement du flux exact des liquides. Le dispositif possédait quatre canaux parallèles, et l'équipe a observé que deux d'entre eux mélangeaient les fluides de manière équilibrée, tandis que les deux autres se comportaient différemment. Dans une paire, l'eau et l'huile se mélangeaient uniformément, mais dans l'autre, un canal se retrouvait principalement rempli d'huile tandis que l'autre restait principalement composé d'eau. Cela a montré que de minuscules différences dans la manière dont les fluides entraient dans le système pouvaient conduire à des résultats très différents. Les chercheurs ont utilisé l'analyse informatique pour mesurer la couleur des fluides à chaque point, créant une carte détaillée de la qualité du mélange. Ils ont confirmé que le dispositif pouvait produire un mélange stable, mais que la régularité dépendait d'une ingénierie précise des voies d'écoulement.
Ce travail est significatif car il va au-delà des tests courts et simulés de l'impesanteur. Les expériences précédentes sur vols paraboliques, qui ne créent qu'environ vingt secondes d'impesanteur, ne pouvaient pas montrer ce qui se passe pour un mélange sur une longue période. L'expérience TIGERS-X a duré plusieurs jours, permettant à l'équipe d'observer comment les fluides se déposent et interagissent dans un véritable environnement de microgravité. Ils ont découvert que sans la gravité pour tirer l'huile ou l'eau plus lourde vers le bas, les fluides restaient mélangés d'une manière impossible à obtenir sur Terre. Le dispositif a prouvé qu'une puce simple et à faible puissance pouvait remplacer les machines complexes et lourdes pour la fabrication de fluides essentiels dans l'espace. Les résultats suggèrent que les futurs vaisseaux spatiaux pourraient transporter ces petits dispositifs robustes pour fabriquer des médicaments et de la nutrition à la demande, une étape cruciale pour maintenir la santé humaine lors de longs voyages vers la Lune et Mars. L'équipe a également noté que cette technologie pourrait éventuellement être adaptée à des tâches plus complexes, telles que la culture de cellules ou la création d'échantillons biologiques dans l'espace, ouvrant la voie à une nouvelle ère d'exploration spatiale autosuffisante.
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