On-board International Space Station Verification of Autonomous Emulsification Lab-on-Chip Payload: TIGERS-X Project
본 논문은 국제우주정거장(ISS)에서 수동형 미세유체 테슬라 밸브를 활용하여 미세중력 환경에서의 자율적 유화 및 유체 혼합을 입증함으로써 향후 우주 기반 유체 및 생물학 연구를 위한 새로운 플랫폼을 구축한 저비용 원격 제어 랩온칩 탑재체인 TIGERS-X의 설계, 지상 검증 및 10일간의 성공적인 궤도 검증을 제시한다.
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심우주 여행은 미래의 우주비행사들에게 독특하고도 고집스러운 문제를 안겨줍니다. 바로 중력에 의존할 수 없는 상황에서 어떻게 의약품과 음식을 만들 것인가 하는 문제입니다. 지구에서 많은 액체 의약품과 영양 보충제는 물 속에 아주 작은 기름 방울들이 떠 있는 혼합물인 에멀션(emulsion) 형태입니다. 이러한 혼합물을 만들기 위해서는 보통 강력한 기계로 유체를 격렬하게 회전시키거나 흔들어야 하며, 이때 중력을 이용해 성분들을 분리한 후 다시 결합합니다. 하지만 무중력 상태인 우주에서는 중력이 사라집니다. 중력이 없으면 기름과 물은 제대로 섞이기를 거부하며, 이들을 강제로 결합하기 위해 필요한 무거운 기계 장치는 우주선에 싣기에 너무 크고 전력 소모가 많습니다. 화성 탐사와 같이 수년이 걸릴 수도 있는 임무를 수행하기 위해, 우주비행사들은 미리 만들어진 보급품을 충분히 실어 나갈 수 없습니다. 그들은 중력 없이 작동하는 작고 단순한 장치를 사용하여 이러한 필수 유체들을 필요할 때마다 즉석에서 만들어낼 방법이 필요합니다.
이를 해결하기 위해 태국의 연구진은 새로운 유체 혼합 방식을 테스트하기 위해 국제우주정거장으로 작은 실험 장치를 쏘아 올렸습니다. 그들은 커다란 신발 상자 크기 정도의 컴팩트한 정육면체 형태인 TIGERS-X라는 장치를 제작했으며, 이는 우주정거장의 표준 슬롯에 들어갈 수 있는 크기입니다. 이 큐브 내부에는 미세한 통로가 새겨진 아주 작은 플라스틱 판인 미세유체 칩(microfluidic chip)이 들어 있습니다. 회전 부품이나 고속 흔들기 장치 대신, 이 장치는 테슬라 밸브(Tesla valve)라고 알려진 수동적 설계를 활용합니다. 테슬라 밸브는 특정 곡선과 굴곡을 가진 통로로, 유체가 흐를 때 유체를 소용돌이치게 하고 충돌하게 만들어 순수하게 경로의 기하학적 구조만으로 혼합을 만들어냅니다. 연구팀은 이 단순하고 저에너지적인 방식이 지상 실험으로는 완벽하게 모사할 수 없는 조건인 궤도상의 지속적인 무중력 상태에서도 기름과 물을 성공적으로 혼합할 수 있는지 확인하고자 했습니다.
실험은 완전한 성공을 거두었으며, 방콕에 있는 팀의 완전한 원격 제어 하에 10일 동안 자율적으로 작동했습니다. 우주비행사가 큐브를 설치한 후에는 더 이상의 인간의 개입이 필요하지 않았습니다. 장치는 기름을 나타내는 주황색 액체와 물을 나타내는 청록색 액체 두 가지를 미세한 통로로 펌프질하여 주입했습니다. 큐브 내부의 고해상도 카메라가 두 유체가 만나 섞이는 과정을 기록했습니다. 연구진은 이 수동 혼합기가 놀라울 정도로 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 매우 짧은 거리 내에서 두 액체는 분해되고 섞이기 시작하며, 서로 뒤엉킨 복잡한 색상 패턴을 만들어냈습니다. 이는 통로의 특정한 모양이 중력이나 무거운 기계 장치의 도움 없이도 유체를 혼합하는 데 필요한 난류를 생성할 수 있음을 입증했습니다.
하지만 실험은 혼합 과정이 매우 섬세하며 유체의 정확한 흐로에 크게 의존한다는 사실도 밝혀냈습니다. 장치에는 네 개의 평행한 채널이 있었는데, 연구팀은 그중 두 개의 채널은 유체를 균형 있게 혼합한 반면, 나머지 두 개는 다르게 작동하는 것을 관찰했습니다. 한 쌍의 채널에서는 물과 기름이 고르게 섞였지만, 다른 한 쌍에서는 한 채널은 대부분 기름으로 채워지고 다른 채널은 대부분 물로 남았습니다. 이는 유체가 시스템에 들어오는 방식의 아주 미세한 차이가 매우 다른 결과를 초래할 수 있음을 보여주었습니다. 연구진은 모든 지점에서 유체의 색상을 측정하기 위해 컴퓨터 분석을 사용하였고, 혼합이 얼마나 잘 이루어졌는지에 대한 상세한 지도를 만들었습니다. 그들은 장치가 안정적인 혼합물을 생성할 수 있음을 확인했지만, 그 일관성은 유로의 정밀한 설계에 달려 있었습니다.
이 연구는 중요한 의미를 갖는데, 이는 단순히 짧은 시간 동안 무중력을 시뮬레이션하는 테스트를 넘어섰기 때문입니다. 약 20초간의 무중력만을 만들어내는 탄도 비행(parabolic flight) 실험들은 시간이 지남에 따라 혼합물이 어떻게 변하는지를 보여줄 수 없었습니다. 반면 TIGERS-X 실험은 며칠 동안 진행되어, 연구팀이 진정한 미세 중력 환경에서 유체가 가라앉고 상호작용하는 모습을 관찰할 수 있게 해주었습니다. 그들은 더 무거운 기름이나 물이 바닥으로 가라앉히는 중력이 없는 상태에서, 유체가 지구에서는 불가능한 방식으로 섞여 있는 상태를 유지한다는 것을 발견했습니다. 이 장치는 단순하고 전력 소모가 적은 칩이 필수 유체를 제조하기 위한 복잡하고 무거운 기계 장치를 대체할 수 있음을 증명했습니다. 연구 결과는 미래의 우주선이 이러한 작고 견고한 장치를 휴대하여 현장에서 의약품과 영양분을 제조할 수 있음을 시사하며, 이는 달과 화성으로 향하는 긴 여정에서 인류의 건강을 지키는 데 결정적인 단계가 될 것입니다. 연구진은 또한 이 기술이 향후 세포를 배양하거나 생물학적 샘в플을 만드는 것과 같은 더 복잡한 작업에도 응용될 수 있어, 자급자족이 가능한 새로운 우주 탐사 시대를 열 수 있을 것이라고 언급했습니다.
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