우주의 무중력 환경이 지구에서 발생하는 현상을 어떻게 바꾸어 놓을지에 대해 과학자들은 의문을 품기 시작했다. 낙하탑을 만들어 물체의 자유낙하를 시도해 무중력상태를 만들었는가 하면, 비행기를 이용해 더 무중력에 가까운 상태를 만들기도 했다. 하지만 장시간 무중력 상태를 지속할 수 없는 단점이 있었다.



1973년 5월, 미 항공 우주국(NASA)에서 스카이랩이 발사됐다. 스카이랩은 미국 최초의 우주정거장으로, 아폴로 우주선의 발사에 사용되었던 새턴V형 로켓으로 지구 궤도에 올려졌다. 1979년 7월까지 스카이랩에서는 세 차례에 걸쳐 여러 가지 실험이 행해졌다. 또한 1986년 2월, 러시아의 미르(Mir)가 발사되어 수많은 우주 실험들을 행하였으며, 한번 발사될 때 많은 비용이 발생하는 우주왕복선에서의 실험을 줄이고 다양한 연구를 할 수 있게 하기 위해 2006년 완공을 목표로 국제우주정거장(ISS)이 만들어지고 있다.



그렇다면 우주 실험이 지구에서의 실험과 다른 점은 무엇일까? 그리고 우주에서는 이런 점들을 이용해 어떤 실험들이 행해질까?
우주 실험과 지구에서의 실험의 가장 큰 차이는 우주실험이 ‘무중력 상태’에서 이루어진다는 것이다. 중력이 없어지면(정확히 말하면 중력 자체가 없어지는 것은 아니다) 지구에서 일어나는 현상인 열대류, 가라앉음, 떠오름 등이 발생하지 않는다. 무게의 개념이 없어진다고 볼 수 있다. 무거운 것은 가라앉고 가벼운 것은 뜬다는 지구에서의 상식이 통하지 않는 것이다. 이러한 무중력의 특성을 실험에 효과적으로 이용할 수 있다면, 생명과학이나 재료과학 분야에 새로운 길이 열릴 것이다.



초기 우주 실험의 주목적은 우주비행사 자신을 관찰하는 것이었다. 즉, 장기간 우주생활이 가져오는 인체의 변화를 관찰하고자 했다. 우주정거장에서도 식사를 할 수 있고, 화장실을 이용할 수 있으며, 샤워실, 침낭 등의 시설들도 갖추어지면서 사람이 무중력 공간에서 장기간 생활을 하는데 어려움이 없어졌다.
하지만 지금까지 우주비행사들이 우주비행을 하는 동안 건강 장애가 일어난다는 것이 알려져 있다. 특히 뼈의 밀도가 감소하는 골다공증이 심각한 문제로 떠올랐다. 이 골다공증은 지구에 돌아와서도 잘 회복되지 않는다. 짧은 우주생활 뒤에도 이러한 현상이 나타났다. 우주비행사들은 섭취한 칼슘보다 많은 양의 칼슘을 소비한 으로 밝혀졌다.



이는 뼈에 걸리는 부담이 적어지기 때문에 저절로 일어나는 생체반응으로, 여분의 칼슘은 뼈에서 녹아나온 것으로 여겨진다. 또한 뼈를 구성하는 물질(피리지노린)이 소변으로 배출된다는 사실도 밝혀졌다. 1년 정도의 우주비행을 끝내고 돌아온 우주비행사들은 귀환하면 제대로 서 있을 수조차 없으며 1주일 정도가 지난 후에도 피리지노린이라는 물질의 배출이 늘어났고, 1달이 지난 후에야 우주비행을 하기 전의 상태로 돌아왔다.



우주에서의 생활이 길어지면 칼슘의 소비나, 피리지노린이라는 물질의 배출이 점점 심화되는데 이는 우주에서의 장시간 체류를 막는 걸림돌이 되고 있다. 또한 ‘무중력 세상’에서 인체변화들로 인해 사람이 무중력 공간에서 1년 이상 지내기는 힘들다. 하지만 그러한 현상들에 대한 연구가 이루어지고 있기 때문에 머지않아 해결될 것으로 기대하고 있다.



우주에서 이뤄지는 재미있는 몇 가지 실험에 대해 알아보자.


무중력 상태에서의 촛불은 어떤 모양일까? 먼저 지상에서의 촛불 연소에 대해 살펴보자. 지상에서는 초에 불을 붙이면 촛불에서 발생하는 열에 의해 기체로 바뀐 초의 성분과 초 주변의 공기가 위로 올라간다. 즉, 열에 의한 대류가 일어나는 것이다. 그래서 초는 뾰족한 모양으로 타게 된다.
무중력 상태에서는 뜨거워졌다고 하더라도 가볍고 무겁다는 개념이 없기 때문에 열대류가 발생하지 않는다. 때문에 상승기류가 발생하지 않으며 기체로 바뀐 초와 주변의 공기가 심지 주위에 모여 있게 된다. 이러한 이유로 촛불은 둥근 모양이 된다. 그러다 시간이 지나면 초 주변의 산소가 다 소모되고 곧 촛불은 꺼진다.



또 우주에서는 비누방울이 터지지 않는다. 비누방울에 작용하는 중력이 없기 때문에 비누방울에는 비누물의 표면 장력(표면적을 최소화하려는 성질)만이 작용하게 된다. 지구에서는 비누방울을 불었을 때 비누물이 비누방울을 타고 흘러내리는 것을 볼 수 있다.
이렇게 되면 비누방울의 윗벽이 얇아져서 곧 터져버리는 것이다. 우주에서 사이다를 마신다고 생각해보자. 사이다를 빨대로 저으면 거품이 많이 발생하는데 우주에서는 이 거품들이 터지지 않고 뭉쳐지기만 한다. 그래서 더 큰 거품을 형성하고 그 거품들이 사이다를 밀어내서 사이다 방울이 공중에 둥둥 떠다니는 일이 발생할 것이다.



또한 끓는 물을 생각해보자. 지상처럼 기포들이 물의 표면으로 올라오진 않을 것이다. 하지만 물 속에서 거품들이 뭉쳐지면 곧 용기 밖으로 기포와 물방울들이 튀어나오게 될 것이다. 이러한 고온의 기포와 물방울들은 위험할 수 있다.



우주에서 거품이 터지지 않는 것은 무중력 상태에서 얻을 수 있는 장점을 반감시킨다. 우주에서 균일하고 순수한 물질을 만든다고 하자. 무중력 상태에서는 중력이 작용하지 않기 때문에 섞으려는 물질들의 침강이 일어나지 않고, 그릇이 필요없어서 그릇의 표면에 묻은 불순물이 함유될 걱정이 없기 때문에 더욱 순수한 물질을 합성시킬 수 있다. 또한 열대류가 없기 때문에 원하는 성분들이 균일하게 섞여서 그 상태를 유지할 수 있다. 지상에서와 같은 고온의 상태가 아니라도 가능한 일이다.



하지만 합성하려는 물질에 기포가 생기게 되면 기포는 가만히 놔둔 상태에서는 사라지지 않는다. 이를 해소하기 위해서는 재료에 온도 차이를 주어야 하는데 이는 무중력 상태에서 얻을 수 있는, 열대류가 없다는 이점을 반감시키는 효과를 내는 것이다.



우주에서는 완전한 구를 만들 수 있다. 중력으로부터 해방된 우주에서는 액체 방울이 표면 장력에 의해 완전히 둥근 형태로 바뀐다. 1982년에서 1984년에 걸쳐 우주왕복선에서는 완전한 구형 입자를 만들어냈는데 이는 미국 규격 표준국(NBS)에서 표준시료로 인정받았다.
이는 공업적으로 뿐만 아니라 의학적으로도 획기적인 발견이었다. 이 작은 구 안에 약을 넣어 혈관을 통해 원하는 곳까지 운반하는 일이 가능했기 때문이다. 만약 우주실험시설이 상용화되면 아주 정밀한 베어링을 만드는데도 이용될 것이다.



이러한 실험들 뿐 아니라 다른 흥미로운 실험들도 많이 행해졌다.



① 우리가 흔히 알고 있는 방사선으로는 알파선, 감마선, X선 등이 있다. 하지만 우주방사선에는 이러한 방사선외에도 ‘고 에너지 중입자선’이라는 방사선이 포함되어있다. 이 고에너지 중입자선이 생물체의 세포를 통과하게 되면 세포가 죽거나 돌연변이를 일으킨다.



우주방사선이 수컷 파리의 생식세포에 미치는 영향을 알아보기위해 수컷 초파리를 이용한 실험이 행해졌다. 8일간의 우주비행을 마치고 돌아온 초파리의 생식세포를 관찰한 결과 2~3배나 많은 돌연변이가 나타난 것으로 밝혀졌다. 초파리가 쬔 우주방사선은 우주비행사가 쬔 양과 같은 양으로 지구에서는 돌연변이가 일어나기 힘들 정도로 적은 양이었지만 무중력과 우주방사선이 서로 상승 작용을 만들어낸 건 아닌지 추측하고 있다.



② 미르(Mir)에서는 몇 가지 생물체의 무중력 공간에서의 활동에 대해 조사했다. 새는 앞으로 나아가지 못하고 제자리에서 맴돌기만 했다. 또 나무를 잘 타는 개구리는 목을 뒤로 젖히고 토할 때의 자세를 취하며 네 발을 쫙 펴고 있었다. 하지만 나무 생활을 하지 않은 개구리는 바로 한 상태에서도 자꾸 몸을 뒤집는 행동을 보였다. 이는 중력이 작용하지 않기 때문에 자신의 몸이 뒤집힌 걸로 착각해 행하는 행동으로, 이 개구리는 계속적으로 몸을 뒤집어 뱅글뱅글 회전을 했다.
도마뱀은 무언가를 잡으려다 결국 뒷다리로 자신의 꼬리를 잡았으며, 거북이는 나무를 잘 타는 개구리와 같이 목을 젖히고 다리를 모두 뻗고 있었다. 뱀 역시 무중력에 적응하지 못하고 자신의 꼬리를 입으로 물고 있었다. 또한 지구에서는 유유히 헤엄을 치던 물고기도 우주에 나가자 앞돌기와 맴돌기를 했다. 이러한 모든 무중력 상태에서의 행동들은 평형기관과 감각신경 등에서 얻은 정보를 종합적으로 판단해 이루어지는 것인데, 더 많은 실험을 통해서 자세한 인과관계를 밝힐 수 있을 것이다.



③ 우주에서도 지구에서와 같이 멀미를 한다. 우주비행사 중 50% 정도는 차멀미와 비슷한 증상을 보이며 3~4일 동안 고통을 호소한다. 차멀미와 비슷한 증상이기 때문에 멀미약을 복용하기도 한다. 하지만 이는 작업능력을 떨어뜨리고 부작용이 있을 수 있기 때문에 자제한다. 때문에 부작용이 없는 약을 개발하고 있으며, 특별한 훈련을 받는 등 방법을 찾고 있다.많은 사람들이 우주여행을 즐기기 위해서는 멀미약의 개발이 시급할 것으로 보인다.



④ 우주에서도 물고기들의 산란행동과 발생이 가능하다. 우주에서 무중력에 강한 송사리(시력이 좋은 송사리도 새로운 환경에 적응하기 위해서는 평형기관, 감각기관이 발달해야 한다)를 이용해 번식실험을 했다. 무중력에서의 산란이 힘들기는 하지만 개체수가 증가했다. 이는 달이나 우주공간에서의 양식이 가능하다는 것을 보여주었다. 하지만 지구로 귀환한 송사리들은 헤엄치는 능력을 잃어버렸다. 그 이유는 무중력 상태에서는 부레를 이용할 필요가 없기 때문에 그 사용법을 잊었기 때문이라고 분석하고 있다.



이렇게 스카이랩과 미르 등의 우주정거장과 현재는 엔데버호 등의 우주왕복선 등에서 많은 실험이 이루어져 왔다. 2006년 완공 예정인 국제 우주정거장(ISS : International Space Station)에서는 더 많은 국가들이 더욱 다양한 분야에 대한 실험을 계획하고 있다.



무중력 환경에서의 실험과 생산, 연구는 생명과학, 재료과학뿐만 아니라 다른 여러 분야에서 인간 생활의 편리와 우주생활에 많은 도움을 주고 있다. 미래 언젠가 우주 공장, 우주 제약소, 우주 실험실, 우주 병원, 우주 도시, 우주 군사기지 등이 건설될지 모른다. 먼 미래의 우주 생활을 위해 지금부터 차근차근 준비가 필요하며 실험을 토대로 확실한 대책을 세워 우주 개발을 해나가야 할 것이다.



또한 우주 개발 측면 뿐만 아니라 무중력 상태를 이용해 불치병을 치료하고, 약품을 개발하여 인류의 건강을 도모할 수도 있을 것이다. 그리고 자원을 효과적으로 사용할 수 있는 방법을 찾아 한정된 자원을 효율적으로 사용할 수 있을 것이다.
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