무중량상태
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1. 개요
무중력 상태는 물체가 중력을 느끼지 않는 상태를 의미하며, 중력과 반대 방향으로 작용하는 힘의 균형으로 인해 발생한다. 엘리베이터 자유 낙하나 우주 공간과 같이 중력이 상쇄되거나 미미한 환경에서 나타나며, 겉보기 무게가 0이 되는 특징을 보인다. 무중력은 미소 중력과 같은 의미로 사용되기도 하며, 대류, 정압, 부력 등의 현상이 사라지는 특징을 이용하여 약품, 합금 제조 등 다양한 과학 연구에 활용된다.
무중력 상태는 우주 비행사에게 우주적응증후군(SAS), 근골격계 변화, 체액 이동 및 심혈관계 변화 등 다양한 생리적 변화를 유발하며, 장기간 노출 시 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 무중력 상태는 우주선, 우주 정거장, 포물선 비행, 낙하 튜브, 클리노스타트 등을 통해 인공적으로 재현할 수 있으며, 과학 연구와 신약 개발 등 다양한 분야에서 활용된다.
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- 중력 - 중력 가속도
중력 가속도는 물체가 중력에 의해 가속되는 정도를 나타내는 값으로, 자유 낙하하는 물체의 가속도와 같으며, 지구의 경우 자전에 의한 원심력으로 인해 적도에서 가장 작고 극에서 가장 크게 나타난다. - 중력 - 만유인력의 법칙
만유인력의 법칙은 모든 질량을 가진 물체들이 서로를 끌어당기는 힘에 대한 법칙으로, 뉴턴은 질량에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 제시했으며, 케플러의 행성 운동 법칙을 설명하고 뉴턴 역학의 기초가 되었으나, 일반 상대성 이론이 등장하면서 저중력 한계로 여겨진다. - 표시 이름과 문서 제목이 같은 위키공용분류 - 라우토카
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2. 무중력의 개념 및 원리
균일한 중력장 내에서는 물체에 작용하는 힘이 서로 반대방향이고 크기가 균일하여 물체는 중력을 느끼지 못하게 된다. 예를 들어
- 바닥에 서 있거나, 의자에 앉는 것과 같이 중력과 반대방향으로 작용되는 수직항력
- 비행기의 날개에 중력과 반대방향으로 작용되는 양력(lift force)
- 낙하산을 펼쳤을 때 중력과 반대방향으로 작용되는 공기의 저항력
등을 살펴보면 중력과 동일한 크기이면서 가지고 반대 방향인 힘(수직항력, 양력, 저항력)의 존재로 인해 물체는 중력을 느끼지 못하게 된다. 여기서 엘리베이터를 지탱하는 케이블이 끊어져서 엘리베이터가 자유낙하하는 것을 생각해 보자. 엘리베이터 안의 사람은 떠받들고 있던 바닥 때문에 중력의 영향을 받게 된다는 것을 알 수 있다. 하지만 엘리베이터가 자유낙하를 하게 되면 사람도 같이 자유낙하를 하게 되고 사람을 떠받들고 있던 바닥 역시 엘리베이터와 함께 자유낙하해서 중력에 의해 몸이 힘을 받는다는 것을 느낄 수가 없게 된다. 즉, 사람의 몸은 떠있는 셈이 된다. 바로 그러한 상태가 무중력 상태인 것이다.
뉴턴 물리학에서 우주 비행사가 경험하는 무중력 감각은 지구에서 볼 때 중력 가속도가 0이기 때문이 아니라, 자유 낙하 조건으로 인해 우주 비행사가 느낄 수 있는 g-force가 없고, 우주선의 가속도와 우주 비행사의 가속도 사이에 차이가 없기 때문이다. 우주 저널리스트 제임스 오버그는 이 현상을 다음과 같이 설명한다:[2]
물체와 함께 움직이지 않는 관찰자(즉, 관성 기준틀)의 관점에서 자유 낙하하는 물체에 작용하는 중력의 힘은 평상시와 정확히 같다.[20] 고전적인 예는 케이블이 끊어져 초당 9.81미터의 가속도로 지구를 향해 떨어지는 엘리베이터이다. 이 시나리오에서 중력은 대부분, 완전히는 아니지만 감소한다. 엘리베이터 안에 있는 사람은 평소의 중력 인력이 없는 것을 경험하지만, 힘이 ''정확히'' 0은 아닙니다. 중력은 지구 중심을 향하는 힘이므로 수평 거리가 떨어진 두 개의 공은 약간 다른 방향으로 당겨져 엘리베이터가 떨어지면서 서로 가까워집니다. 또한, 수직 거리가 약간 떨어져 있다면 아래쪽 공은 역제곱 법칙에 따라 중력이 감소하기 때문에 위쪽 공보다 더 높은 중력을 경험하게 된다. 이러한 두 가지 2차 효과는 미세 중력의 예이다.[20]
무게를 재는 저울로 측정되는 종류의 무게(즉, 무게)가 0이 된 상태이므로 무중량 상태라고 불린다.
유사어 또는 동의어로서 '''무중력'''이라는 단어가 사용된다. 최근에는 '''미소 중력'''이라는 말도 사용된다[83]。
무중량 환경의 특징은 무대류, 무정압, 무부력, 무침강, 무접촉 부유 등이 있으며, 약품이나 합금의 제조 등에서 지표면과 같은 중력 하에서는 실현 불가능한 현상을 관찰·이용할 수 있다.
2. 1. 겉보기 무게
무게는 물체에 작용하는 중력의 크기로 정의된다. 지표면에서는 물체에 작용하는 중력과 반대 방향으로 작용하는 수직항력 때문에 무게를 느낄 수 있다. 그러나 자유 낙하하는 경우에는 수직항력이 없으므로 겉보기 무게가 0이 된다.뉴턴 물리학에서 우주 비행사가 경험하는 무중력 감각은 지구에서 볼 때 중력 가속도가 0이기 때문이 아니라, 자유 낙하 조건으로 인해 우주 비행사가 느낄 수 있는 g-force가 없고, 우주선의 가속도와 우주 비행사의 가속도 사이에 차이가 없기 때문이다. 우주 저널리스트 제임스 오버그는 이 현상을 다음과 같이 설명한다:[2]
인공위성이 "지구의 중력에서 벗어났다"는 이유로 궤도에 머물러 있다는 신화는 "무중력"이라는 단어를 거의 보편적으로 오용함으로써 영속화된다. 중력은 여전히 우주에 존재하며, 인공위성이 성간의 허공으로 곧바로 날아가는 것을 막아준다. 없는 것은 "무게"인데, 이는 고정된 구조물이나 반대력에 의한 중력 인력에 대한 저항이다. 인공위성은 엄청난 수평 속도 때문에 우주에 머물러 있으며, 이는 중력에 의해 지구로 끌려가면서 "수평선 너머"로 떨어질 수 있게 한다. 지구의 둥근 표면을 따라 땅이 곡선으로 물러나는 현상은 인공위성의 땅을 향한 낙하를 상쇄한다. 중력이 없거나 위치가 아니라 속도가 인공위성을 지구 주위의 궤도에 유지한다.
물체와 함께 움직이지 않는 관찰자(관성 기준틀)의 관점에서 자유 낙하하는 물체에 작용하는 중력의 힘은 평상시와 정확히 같다.[20] 케이블이 끊어져 초당 9.81미터의 가속도로 지구를 향해 떨어지는 엘리베이터를 예로 들 수 있다. 이 시나리오에서 중력은 대부분 감소하지만 완전히 감소하지는 않는다. 엘리베이터 안에 있는 사람은 평소의 중력 인력이 없는 것을 경험하지만, 힘이 ''정확히'' 0은 아니다. 중력은 지구 중심을 향하는 힘이므로 수평 거리가 떨어진 두 개의 공은 약간 다른 방향으로 당겨져 엘리베이터가 떨어지면서 서로 가까워진다. 또한, 수직 거리가 약간 떨어져 있다면 아래쪽 공은 역제곱 법칙에 따라 중력이 감소하기 때문에 위쪽 공보다 더 높은 중력을 경험하게 된다. 이러한 두 가지 2차 효과는 미세 중력의 예이다.[20]
2. 2. 미소 중력 (마이크로 중력)
뉴턴 역학에 따르면 모든 질량을 가진 물체는 만유 인력을 지닌다. 지구에서의 중력은 ‘만유 인력+지구 자전에 의한 원심력’을 의미한다. 우주 공간에서는 지구 자전에 의한 원심력이 존재하지 않으므로, 주변에 존재하는 질량을 가진 물체로 인한 만유인력만이 중력을 형성한다. 만약 주변에 질량을 가진 물체가 없거나, 항성, 행성 등 질량을 가진 물체로부터 매우 멀리 떨어져 만유인력의 법칙에 의한 힘의 크기가 매우 작을 경우, 무중력을 경험할 수 있게 된다. 이때와 같이 중력이 존재하기는 하나 그 크기가 무시해도 좋을 정도로 매우 미약할 때 미소중력을 지닌다고 표현하고 무중력과 같은 상황으로 가정할 수 있다.2. 3. 무중력 상태의 조건
균일한 중력장 내에서 물체에 작용하는 힘이 서로 반대 방향이고 크기가 균일하면 물체는 중력을 느끼지 못하게 된다. 예를 들어, 바닥에 서 있거나 의자에 앉아 있을 때는 중력과 반대 방향으로 작용하는 수직항력 때문에 무중력을 느끼지 못한다. 비행기 날개에 작용하는 양력, 낙하산을 펼쳤을 때 작용하는 공기의 저항력도 마찬가지로 중력과 반대 방향으로 작용하여 무중력을 느끼지 못하게 한다.엘리베이터를 지탱하는 케이블이 끊어져 자유낙하하는 경우를 생각해보자. 엘리베이터 안의 사람은 중력과 같은 크기이면서 반대 방향인 힘이 없으므로 무중력을 경험하게 된다. 즉, 자유 낙하하는 엘리베이터 안에서는 중력이 상쇄되어 무중량 상태가 된다.
뉴턴 물리학에서 우주 비행사가 경험하는 무중력 감각은 지구에서 볼 때 중력 가속도가 0이기 때문이 아니라, 자유 낙하 조건으로 인해 우주 비행사가 느낄 수 있는 g-force가 없기 때문이다.[2] 우주 저널리스트 제임스 오버그는 다음과 같이 설명한다.[2]
물체와 함께 움직이지 않는 관찰자(관성 기준틀)의 관점에서 자유 낙하하는 물체에 작용하는 중력의 힘은 평상시와 같다.[20] 케이블이 끊어져 초당 9.81미터의 가속도로 지구를 향해 떨어지는 엘리베이터를 예로 들 수 있다. 이 시나리오에서 중력은 대부분 감소하지만 완전히는 아니다. 엘리베이터 안에 있는 사람은 평소의 중력 인력이 없는 것을 경험하지만, 힘이 정확히 0은 아니다. 중력은 지구 중심을 향하는 힘이므로 수평 거리가 떨어진 두 개의 공은 약간 다른 방향으로 당겨져 엘리베이터가 떨어지면서 서로 가까워진다. 또한, 수직 거리가 약간 떨어져 있다면 아래쪽 공은 역제곱 법칙에 따라 위쪽 공보다 더 높은 중력을 경험하게 된다. 이러한 두 가지 2차 효과는 미세 중력의 예이다.[20]
2. 4. 인공위성에서의 무중력
인공위성은 지구 주변의 궤도를 도는 원운동을 한다. 이 원운동은 속력은 일정하지만 방향이 끊임없이 변하는 가속도 운동이다. 따라서 끊임없이 힘을 받고 있다는 의미이며, 이 원운동을 하도록 만들어주는 힘을 구심력이라 부른다. 즉, 인공위성이 지구의 주변의 궤도를 돌기 위해서는(=원운동하기 위해서는) 구심력이 필요하다. 이때의 구심력 역할은 지구에 의한 중력(만유인력)이 될 것이다.여기서 인공위성 내부에 있는 조종사들을 생각해보면 우주선 안에 있는 조종사들은 인공위성과 같이 방향이 바뀌는 가속도 운동을 하게 되므로, 인공위성에 대한 상대속도는 항상 영(zero)이 된다. 따라서 우주선 안에 있는 조종사들은 중력을 느끼지 못하는 무중력 상태가 된다.
궤도 운동은 자유 낙하의 한 형태이다.[20] 궤도에 있는 물체는 몇 가지 요인으로 인해 완벽하게 무중력 상태가 아니다. 중력은 거리에 따라 감소하기 때문에, 크기가 0이 아닌 물체는 지구에서 가장 가깝고 가장 먼 물체 끝단 사이에서 조석력을 받게 된다.[19][20] 또한, 매우 얇지만, 185~1,000km 궤도 고도에는 약간의 공기가 존재하여 마찰로 인해 미세한 감속을 유발한다. 이러한 대기의 효과와는 달리 태양풍과 복사압의 효과는 고도가 높아져도 줄어들지 않는다. 그 외에도 일상적인 승무원 활동, 우주선과 그 안의 물체 사이의 중력, 구조 진동등도 무중력 상태에 영향을 주는 요인이다.
2. 5. 우주 한복판에서의 무중력
우주 한복판에서는 주변 행성이나 항성의 영향이 거의 없어 만유인력이 극히 작아지므로 무중력을 경험한다.[22] 뉴턴의 만유인력 이론에 따르면, 질량을 가진 두 물체 사이에는 서로 끌어당기는 힘이 작용하는데, 이 힘이 바로 중력이다. 그러나 주변에 큰 질량을 가진 물체가 없는 우주 한복판에서는 이 힘이 거의 영(0)에 가깝게 된다.[22]"정지된" 미세 중력 환경[22]은 감쇠에 의한 중력의 영향을 거의 0으로 줄이기 위해 충분히 멀리 심우주로 이동해야 한다. 예를 들어 지구 중력을 100만분의 1로 줄이려면 지구로부터 600만 킬로미터, 태양 중력을 줄이려면 37억 킬로미터 떨어져야 한다.[22] 보이저 1호와 보이저 2호, 파이오니어 10호와 파이오니어 11호와 같은 성간 탐사선만이 이 정도 거리에 도달했다.[22]
| 위치 | 중력(영향) | 총 | ||
|---|---|---|---|---|
| 지구 | 태양 | 나머지 은하 | ||
| 지구로부터 20만 km | 10 mm/s2 | 6 mm/s2 | 200 pm/s2 | 최대 12 mm/s2 |
| 지구로부터 600만 km | 10 μm/s2 | 6 mm/s2 | 200 pm/s2 | 6 mm/s2 |
| 지구로부터 37억 km | 29 pm/s2 | 10 μm/s2 | 200 pm/s2 | 10 μm/s2 |
| 보이저 1호 (지구로부터 170억 km) | 1 pm/s2 | 500 nm/s2 | 200 pm/s2 | 500 nm/s2 |
| 지구로부터 0.1 광년 | 400 am/s2 | 200 pm/s2 | 200 pm/s2 | 최대 400 pm/s2 |
2. 6. 행성 중심에서의 무중력
행성의 중심에서는 추가적인 조건 없이 무중력 상태를 경험할 수 있다. 이는 행성 외부에 있는 행성에 의한 중력이 모든 방향으로 균일하게 위치하고 있기 때문이다. 따라서 사람에게 작용하는 알짜힘은 0이 되고, 무중력 상태가 된다.[21]어떤 물체가 행성의 물질에 방해받지 않고 구형 행성의 중심부로 이동한다면, 행성 핵의 중심에 도달했을 때 무중력 상태가 된다. 이는 주변 행성의 질량이 중심으로부터 모든 방향으로 동일한 중력적 인력을 행사하여 어느 한 방향으로의 인력을 상쇄시키고, 중력적 인력이 없는 공간을 만들기 때문이다.[21]
3. 무중력 상태와 인체 변화
우주정거장에서 오랫동안 무중력상태를 경험한 사람을 조사한 결과, 무중력이 인간의 건강에 해롭다는 것이 밝혀졌다.[44] 사람은 지표면에서 사는 데 가장 적합하도록 신체가 구성되어 있기 때문에 무중력상태가 오랫동안 지속된다면, 인간의 다양한 생리시스템에 문제가 발생한다. 가장 보편적으로 인간이 무중력 상태를 경험할 때의 문제는 바로 우주적응증후군으로 알려져 있다. SAS의 증후는 구토, 두통, 현기증, 불안감 등이 있다.[47] SAS의 첫 번째 사례는 1961년 게르만 티토프가 보스토크 2에 탑승하여 멀미와 일치하는 신체적 불만을 느끼면서 방향 감각을 상실했다고 묘사하면서 처음 기술되었다.[46] 그 이후로 우주 경험을 한 사람의 45퍼센트 이상이 이 증후군을 경험하였다. 우주 멀미(SMS)는 우주로 모험을 떠나는 우주 비행사의 거의 절반을 괴롭히는 멀미의 하위 유형으로 여겨진다.[44]
SMS는 시각 시스템(시력)과 고유수용성 시스템(자세, 신체 위치)의 감각 정보가 내이 내 반고리관과 이석에서 잘못 인식된 정보와 충돌할 때 발생하는 전정 시스템의 장애로 가장 일반적으로 생각된다. 이것은 '신경 불일치 이론'으로 알려져 있으며, 1975년 Reason과 Brand에 의해 처음 제안되었다.[52] 또는, 체액 이동 가설은 무중력이 하체에 가해지는 정수압을 감소시켜 체액이 신체의 나머지 부분에서 머리로 이동하게 한다고 제안한다. 이러한 체액 이동은 뇌척수액 압력(요통 유발), 두개내압(두통 유발), 내이 체액 압력(전정 기능 장애 유발)을 증가시키는 것으로 생각된다.[53]
SMS 문제에 대한 해결책을 찾기 위한 수많은 연구에도 불구하고, SMS는 우주 여행에서 지속적인 문제로 남아있다. 훈련 및 기타 신체 기동과 같은 대부분의 비약물적 대처법은 최소한의 이점을 제공했다. Thornton과 Bonato는 "사전 및 비행 중 적응 노력은, 일부는 의무적이고 대부분은 어렵지만, 대부분 작전 실패였다"고 언급했다.[54] 현재까지 가장 일반적인 중재는 프로메타진으로, 항구토제 특성을 가진 주사 가능한 항히스타민제이지만, 진정 작용은 문제가 되는 부작용이 될 수 있다.[55] 다른 일반적인 약물학적 선택으로는 메토클로프라미드뿐만 아니라 스코폴라민의 경구 및 경피 적용이 있지만, 졸음과 진정 작용은 이러한 약물에서도 흔한 부작용이다.[53]
3. 1. 우주적응증후군 (SAS)
우주정거장에서 오랫동안 무중력상태를 경험한 사람을 조사한 결과, 무중력이 인간의 건강에 해롭다는 것이 밝혀졌다.[44] 사람은 지표면에서 사는 데 가장 적합하도록 신체가 구성되어 있기 때문에 무중력상태가 오랫동안 지속된다면, 인간의 다양한 생리시스템에 문제가 발생한다. 가장 보편적으로 인간이 무중력 상태를 경험할 때의 문제는 바로 우주적응증후군으로 알려져 있다. SAS의 증후는 구토, 두통, 현기증, 불안감 등이 있다.[47] SAS의 첫 번째 사례는 1961년 게르만 티토프가 보스토크 2에 탑승하여 멀미와 일치하는 신체적 불만을 느끼면서 방향 감각을 상실했다고 묘사하면서 처음 기술되었다.[46] 그 이후로 우주 경험을 한 사람의 45퍼센트 이상이 이 증후군을 경험하였다. 우주 멀미(SMS)는 우주로 모험을 떠나는 우주 비행사의 거의 절반을 괴롭히는 멀미의 하위 유형으로 여겨진다.[44]SMS는 시각 시스템(시력)과 고유수용성 시스템(자세, 신체 위치)의 감각 정보가 내이 내 반고리관과 이석에서 잘못 인식된 정보와 충돌할 때 발생하는 전정 시스템의 장애로 가장 일반적으로 생각된다. 이것은 '신경 불일치 이론'으로 알려져 있으며, 1975년 Reason과 Brand에 의해 처음 제안되었다.[52] 또는, 체액 이동 가설은 무중력이 하체에 가해지는 정수압을 감소시켜 체액이 신체의 나머지 부분에서 머리로 이동하게 한다고 제안한다. 이러한 체액 이동은 뇌척수액 압력(요통 유발), 두개내압(두통 유발), 내이 체액 압력(전정 기능 장애 유발)을 증가시키는 것으로 생각된다.[53]
SMS 문제에 대한 해결책을 찾기 위한 수많은 연구에도 불구하고, SMS는 우주 여행에서 지속적인 문제로 남아있다. 훈련 및 기타 신체 기동과 같은 대부분의 비약물적 대처법은 최소한의 이점을 제공했다. Thornton과 Bonato는 "사전 및 비행 중 적응 노력은, 일부는 의무적이고 대부분은 어렵지만, 대부분 작전 실패였다"고 언급했다.[54] 현재까지 가장 일반적인 중재는 프로메타진으로, 항구토제 특성을 가진 주사 가능한 항히스타민제이지만, 진정 작용은 문제가 되는 부작용이 될 수 있다.[55] 다른 일반적인 약물학적 선택으로는 메토클로프라미드뿐만 아니라 스코폴라민의 경구 및 경피 적용이 있지만, 졸음과 진정 작용은 이러한 약물에서도 흔한 부작용이다.[53]
3. 2. 근골격계 변화
사람은 지표면에서 사는 데 가장 적합하도록 신체가 구성되어 있어, 우주정거장 등에서 장기간 무중력 상태를 경험하면 근육과 뼈는 중력을 통해 단단해지는 본래 기능과는 달리, 칼슘과 미네랄이 한 달에 1.5% 이상씩 빠져나가 쉽게 분해된다. 이 때문에 우주 비행사들은 꾸준한 운동을 해야 한다. 지구 귀환 후에도 1년 이상 우주에 머물렀던 우주비행사들은 휠체어 신세를 지기도 한다.무중력 상태에서는 무게를 지탱하는 근육에 하중이 가해지지 않아 처음 2주 동안 전체 근육 위축이 시작된다.[57] 자세 유지 근육은 더 많은 지근 섬유를 포함하여 자세 유지 이외의 근육보다 위축되기 쉽다.[57] 근육량 손실은 단백질 합성 및 분해 불균형으로 발생하며, 근력 손실을 동반한다.[57] 소유즈-3 및 소유즈-8 임무 중 우주 비행 2~5일 만에 근력 손실이 관찰되었다.[57]
무중력 상태는 골 흡수 증가, 골밀도 감소, 골절 위험 증가를 초래한다.[58] 골 흡수는 칼슘의 요중 수치를 증가시켜 신장 결석증의 위험을 증가시킬 수 있다.[58] 뼈는 압력을 받을수록 두꺼워지고 부하가 줄면 가늘어지는 성질을 가지고 있어, 무중력 상태에서는 한 달에 약 1%의 비율로 뼈 질량이 감소한다. 10개월을 우주에서 보내면 지상에서 30세부터 75세까지 나이를 먹은 것에 상당하는 뼈의 무기 성분이 손실된다. 칼슘 부족은 골다공증을 유발할 수 있다.
이러한 근골격계 변화를 완화하기 위해 유산소 운동, 저항 운동, 펭귄 슈트 착용[57], 원심 분리, 진동[58] 등이 권장된다. 원심 분리는 근육 위축을 방지하기 위해 우주 정거장에서 지구의 중력을 재현하며, 전신 진동은 골 흡수를 감소시키는 것으로 밝혀졌다.[57][59] 베타-2 아드레날린성 작용제와 필수 아미노산 사용도 근육 위축을 막는 약리학적 수단으로 제안되었다.[57] 우주 비행사 후루카와 사토시는 "우주는 노화의 가속 모델"이라고 언급했다.[84]
3. 3. 체액 이동 및 심혈관계 변화
무중력 상태에서는 체액이 상체로 이동하여 얼굴이 붓고, 목과 얼굴의 혈관이 드러나 보이며, 코가 막혀 후각과 미각을 잃게 된다.[84] 소변량이 늘고, 체내에서 흡수되는 액체가 감소하므로 혈액과 체액의 양도 그에 맞춰 감소한다. 지구상에서는 중력 때문에 하체에서 흐르는 혈액이 상체로 이동하는 데 어려움을 느끼지만, 무중력 상태에서는 혈액의 이동이 매우 느리고, 판막 때문에 혈액이 상체에 집중되는 현상이 발생한다. 따라서 상반신의 혈압이 상승하게 되고, 조직세포로의 물질이동이 잦아져서 조직세포 사이 간격이 벌어지게 된다.[84]미세 중력 환경에서는 정수압 기울기가 손실되면서 일부 체액이 가슴과 상체로 빠르게 재분배되어 순환 혈액량의 '과부하'로 느껴진다.[61] 이러한 체액 이동은 일반 중력 환경으로 돌아갈 때 더 위험해지는데, 신체가 중력의 재도입에 적응하려고 하기 때문이다. 중력이 다시 도입되면 체액이 아래로 당겨지지만, 순환 체액과 적혈구 모두에 결핍이 생긴다. 혈액량 감소로 인한 기립성 스트레스 중 심장 충만 압력과 1회 박출량의 감소는 기립성 불내증을 유발한다.[63]
무중력 상태에서는 체내에서 생성되는 적혈구의 수도 크게 감소한다. 원인으로는 두 가지 설이 있는데, 하나는 무중력 상태에서는 혈액량이 줄어들기 때문에 동시에 적혈구도 줄어든다는 것이다. 다른 하나는 혈액이 상반신으로 이동하면서 혈액이 과다하다고 몸이 오인하여 적혈구를 줄인다는 것이다.[84]
심장은 미세 중력 환경에서 위축될 수 있다. 약해진 심장은 낮은 혈액량, 낮은 혈압을 초래하고 개인이 어지러움을 느끼지 않고도 신체가 뇌에 산소를 보낼 수 있는 능력에 영향을 미칠 수 있다.[69] 심장 부정맥도 우주 비행사에게서 관찰되었지만, 이것이 기존 질환의 결과인지 미세 중력 환경의 영향인지는 불분명하다.[70]
현재의 대응책 중 하나는 소금 용액을 마시는 것인데, 이는 혈액의 점도를 높여 혈압을 증가시키고, 그 결과 미세 중력 환경 이후의 기립성 불내증을 완화한다. 또 다른 대응책으로는 선택적 알파-1 아드레날린 효능제인 미도드린 투여가 있다. 미도드린은 압력 수용체 반사에 의해 동맥 및 정맥 수축을 유발하여 혈압을 상승시킨다.[71]
3. 4. 기타 영향
무중력 상태는 다양한 생리적 시스템에 문제를 일으킨다.[72][73][74][75][76][77][78] 가장 흔한 문제는 우주적응증후군(SAS)으로, 구토, 두통, 현기증, 불안감 등의 증상을 동반한다. 1961년 체먼 티토프가 최초로 경험한 이후, 우주 비행사의 45% 이상이 이 증후군을 겪었다.무중력 상태에서는 관절 연골에 하중이 가해지지 않아 키가 커지지만, 관절이 약해진다. 근육과 뼈는 중력을 통해 단단해지는데, 무중력 상태에서는 칼슘과 미네랄이 빠져나가 쉽게 분해된다. 우주 비행사들은 이를 방지하기 위해 꾸준히 운동해야 하며, 지구 귀환 후에도 휠체어 신세를 지는 경우가 있다.
지구에서는 중력 때문에 하체 혈액이 상체로 이동하기 어렵지만, 무중력 상태에서는 혈액 이동이 느려지고 상체에 혈액이 집중된다. 이로 인해 상반신 혈압이 상승하고 얼굴이 붓는다. 체액의 혈액 순환 변화로 인해 얼굴이 붓고, 목과 얼굴의 혈관이 드러나 보이며, 코가 막혀 후각과 미각을 잃게 된다. 소변량이 늘고, 체내에서 흡수되는 액체가 감소하므로 혈액과 체액의 양도 감소한다.
척추의 척추뼈와 추간판이 압박받지 않아 키가 1~2cm 정도 늘어나기도 한다. 체내에서 생성되는 적혈구의 수도 크게 감소하는데, 이는 혈액량 감소 또는 혈액 과다 오인으로 인한 신체의 반응으로 설명된다.
장기간 무중력 상태는 뼈를 약화시킨다. 뼈는 압력을 받을수록 두꺼워지는데, 무중력 상태에서는 부하가 줄어 뼈가 가늘어지고 칼슘이 소변으로 배출되어 신장결석 및 골다공증 위험이 높아진다. 한 달에 약 1%의 뼈 질량이 감소하며, 10개월이면 지상에서 30세부터 75세까지 뼈의 무기 성분이 손실되는 것과 같다.
근육도 위축되고 결합 조직이 퇴화하며, 심장 근육도 약해진다. 우주 비행사들은 이를 막기 위해 하루 3~4시간 운동을 한다. 우주 비행사 후루카와 사토시는 "우주는 노화의 가속 모델"이라고 언급했다.[84]
무중력 상태에서는 공기 대류가 없어 호흡 시 이산화탄소가 얼굴 주변에 정체되어 질식 위험이 있으나, 우주선 내 공조로 해결 가능하다. 또한, 밀폐된 공간에서는 감염증, 특히 비말 감염 위험이 높다. 재채기나 기침으로 인한 병원체가 무중력 상태에서는 확산된 채로 있기 때문이다. 초기 우주 탐사에서는 절반 이상의 우주 비행사가 감염증을 겪었으나, 현재는 공조 필터 개량 등으로 대응하고 있다.
이화학연구소와 히로시마 대학 등의 동물 실험 결과, 포유류는 무중력에서 성교해도 수정이 어려울 수 있다는 가능성이 제기되었다. 이는 우주 정거장, 달, 화성 등에서 아이가 생기기 어려울 수 있음을 시사하며, 우주 이주 구상에 영향을 줄 수 있다.[85]
이 외에도 혈액순환 문제, 심장 혈관 계통 둔화, 균형 성장 장애, 면역 체계 약화, 수면 방해 등이 나타날 수 있다. 최근에는 무중력 상태에서의 신체 변화를 참고하여 무중력 감압치료기 등 다양한 의료기기가 개발되고 있다.
4. 무중력 상태의 재현
무중력 상태는 우주 왕복선과 같은 우주선이나 우주 정거장 내, 비행기의 포물선 비행(파라볼릭 비행)에 의한 것, 드롭 튜브/Drop tube영어나 탑에서의 자유 낙하, 샘플을 회전시켜 미소 중력 환경을 만들어내는 크리노스타트/Clinostat영어[86]・랜덤 포지셔닝 머신/Random positioning machine영어 등을 통해 인공적으로 만들 수 있다.
미이 스나가와 탄광 부지에는 탄광의 구멍을 이용한 무중력 실험 시설이 존재했다.
우주 개발 기관, 기업 외에도 현대에는 항공 회사가 연구자를 위한 서비스로 무중력 상태를 포함한 비행을 제공하기도 하며, 프랑스의 노바스페이스/Novespace프랑스어나 일본의 다이아몬드 에어 서비스 등이 실험 지원 장치를 탑재한 항공기(구토 혜성)를 운행하고 있다[87]。
지상에서의 실험은 고액이므로, 예산이 부족했던 미네르바에서는 수직 방향의 움직임을 수평 면상으로 바꾸는 것을 생각하여, 마찰을 최대한 억제한 수평면을 사용한 실험 장치로 대략적인 실험을 마친 후, 1회에 100만 엔 정도가 드는 일본 무중력 종합 연구소의 사용료를 절약하는 방법을 고안했다.[88]
항공기를 이용한 포물선 비행(Parabolic flight)은 짧은 시간 동안 무중력 상태를 만들 수 있는 방법이다.[3] 이 방법은 우주 비행사 훈련, 과학 실험, 영화 촬영 등에 활용된다. 1959년부터 이러한 목적으로 사용된 항공기는 일반적으로 "구토 혜성"이라는 별명으로 불린다.[3]
무중력 환경을 만들기 위해 항공기는 약 10km의 포물선 호를 그리며 비행한다. 먼저 상승한 다음 동력 강하를 시작하며, 이 호를 그리는 동안 항공기의 추진력과 조향은 항공기의 항력 (공기 저항)을 상쇄하도록 제어되어 항공기가 진공 상태에서 자유 낙하하는 것처럼 작동하게 된다.[3]
1973년부터 NASA는 이러한 종류의 항공기를 감속 중력 연구 프로그램에 사용해왔다.[3] NASA는 이후 공식적으로 '무중력 경이'라는 별칭을 채택했다.[4] NASA의 현재 감속 중력 항공기인 "무중력 경이 VI"는 맥도넬 더글러스 C-9이며, 린든 B. 존슨 우주 센터 근처의 엘링턴 비행장(KEFD)에 배치되어 있다.
NASA의 미세 중력 대학교 프로그램은 학부생 팀이 미세 중력 실험 제안서를 제출하고, 선정된 팀은 NASA의 구토 혜성에 탑승하여 실험을 수행할 수 있는 기회를 제공한다.
유럽 우주국(ESA)은 미세 중력 연구를 위해 특별히 개조된 에어버스 A310-300 항공기를 이용하여 포물선 비행을 한다.[5] 프랑스 국립 우주 연구 센터(CNES) 및 독일 항공 우주 센터(DLR)와 함께 3일 연속으로 3번의 비행을 하는 '캠페인'을 수행하며, 각 비행에는 약 30개의 포물선이 포함되어 총 10분 정도의 무중력 상태를 경험한다.[5] 이러한 캠페인은 현재 보르도-메리냑 공항에서 CNES의 자회사인 [https://www.challenges.fr/entreprise/comment-des-compagnies-blacklistees-continuent-a-desservir-l-europe_324589 Novespace]에서 운영하며,[6] 항공기는 DGA Essais en Vol의 시험 비행사가 조종한다.
2010년 5월 기준으로, ESA는 52회의 과학 캠페인과 9회의 학생 포물선 비행 캠페인을 진행했다.[7] 1984년 텍사스주[휴스턴에서 NASA KC-135 항공기를 사용하여 첫 번째 제로-G 비행이 수행되었다. Novespace 설립 이전에는 러시아의 일리우신 Il-76 MDK, 프랑스의 Caravelle 및 에어버스 A300 제로-G도 사용되었다.[8][9][10]
노베스페이스(Novespace)는 2012년에 에어 제로 지(Air Zero G)를 설립하여 일반 승객에게도 무중력 체험 기회를 제공하고 있다.[11] 이 비행편은 아비코(Avico)에서 판매하며, 주로 보르도-메리냑 (프랑스)에서 운항하며, 유럽의 우주 연구를 홍보하고 일반 승객들이 무중력을 느낄 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. ESA 우주 비행사인 장-프랑수아 클레르보이가 A310 Zero-G에 탑승하여 비행하며, 우주 탐험에 대해 설명한다. 이 항공기는 2017년 미이라 촬영에도 사용되었다.[12]
제로 그래비티 코퍼레이션(Zero Gravity Corporation)은 개조된 보잉 727을 이용하여 25~30초의 무중력 상태를 만드는 포물선 비행을 제공한다.
현대에는 다이아몬드 에어 서비스 등 여러 항공 회사들이 연구자를 위한 무중력 상태 비행 서비스를 제공하고 있다.[87]
연구 목적으로 무중력 상태를 생성하는 지상 시설은 일반적으로 낙하 튜브영어 또는 낙하 타워라고 불린다.[86]
미국 항공우주국(NASA)의 무중력 연구 시설은 클리블랜드, 오하이오에 있는 글렌 연구 센터에 위치해 있으며, 145m 높이의 수직 샤프트로, 대부분이 지하에 있고 진공 낙하 챔버가 통합되어 있어 실험 차량이 5.18초 동안 자유 낙하하여 132m를 낙하할 수 있다. 실험 차량은 약 4.5m 높이의 팽창된 폴리스티렌 펠릿에 정지하며, 최대 감속률은 65 ''g''이다.
NASA 글렌에는 2.2초 낙하 타워도 있는데, 낙하 거리는 24.1m이다. 실험은 공기 저항의 영향을 줄이기 위해 드래그 실드에 떨어뜨린다. 전체 패키지는 3.3m 높이의 에어백에 정지하며, 최대 감속률은 약 20 ''g''이다. 무중력 연구 시설은 하루에 한두 번 낙하 실험을 진행하는 반면, 2.2초 낙하 타워는 하루에 최대 12번의 낙하 실험을 진행할 수 있다.
NASA의 마샬 우주 비행 센터는 105m 높이의 또 다른 낙하 튜브 시설을 운영하며, 거의 진공 상태에서 4.6초 동안 자유 낙하를 제공한다.
전 세계의 다른 낙하 시설은 다음과 같다.
- 일본 미세 중력 연구소(MGLAB) – 4.5초 자유 낙하
- 그르노블 금속 공학과 실험 낙하 튜브 – 3.1초 자유 낙하
- 브레멘에 위치한 브레멘 대학교의 폴투름 브레멘 – 4.74초 자유 낙하
- 퀸즐랜드 공과 대학교 낙하 타워 – 2.0초 자유 낙하
- IIT-M의 국립 연소 연구 개발 센터 – 2.5초 자유 낙하
클리노스타트(Clinostat)와 랜덤 포지셔닝 머신(Random positioning machine)은 샘플을 회전시켜 미소 중력 환경을 만들어내는 장치이다.[86] 3D-클리노스타트는 랜덤 위치 지정 머신이라고도 불리는데, 일반적인 클리노스타트와 달리 두 축에서 동시에 회전하며, 중력 벡터 평균화 원리를 통해 미세 중력과 유사한 조건을 점진적으로 형성한다.
4. 1. 포물선 비행
항공기를 이용한 포물선 비행(Parabolic flight)은 짧은 시간 동안 무중력 상태를 만들 수 있는 방법이다.[3] 이 방법은 우주 비행사 훈련, 과학 실험, 영화 촬영 등에 활용된다. 1959년부터 이러한 목적으로 사용된 항공기는 일반적으로 "구토 혜성"이라는 별명으로 불린다.[3]
무중력 환경을 만들기 위해 항공기는 약 10km의 포물선 호를 그리며 비행한다. 먼저 상승한 다음 동력 강하를 시작하며, 이 호를 그리는 동안 항공기의 추진력과 조향은 항공기의 항력 (공기 저항)을 상쇄하도록 제어되어 항공기가 진공 상태에서 자유 낙하하는 것처럼 작동하게 된다.[3]
1973년부터 NASA는 이러한 종류의 항공기를 감속 중력 연구 프로그램에 사용해왔다.[3] NASA는 이후 공식적으로 '무중력 경이'라는 별칭을 채택했다.[4] NASA의 현재 감속 중력 항공기인 "무중력 경이 VI"는 맥도넬 더글러스 C-9이며, 린든 B. 존슨 우주 센터 근처의 엘링턴 비행장(KEFD)에 배치되어 있다.
NASA의 미세 중력 대학교 프로그램은 학부생 팀이 미세 중력 실험 제안서를 제출하고, 선정된 팀은 NASA의 구토 혜성에 탑승하여 실험을 수행할 수 있는 기회를 제공한다.
유럽 우주국(ESA)은 미세 중력 연구를 위해 특별히 개조된 에어버스 A310-300 항공기를 이용하여 포물선 비행을 한다.[5] 프랑스 국립 우주 연구 센터(CNES) 및 독일 항공 우주 센터(DLR)와 함께 3일 연속으로 3번의 비행을 하는 '캠페인'을 수행하며, 각 비행에는 약 30개의 포물선이 포함되어 총 10분 정도의 무중력 상태를 경험한다.[5] 이러한 캠페인은 현재 보르도-메리냑 공항에서 CNES의 자회사인 [https://www.challenges.fr/entreprise/comment-des-compagnies-blacklistees-continuent-a-desservir-l-europe_324589 Novespace]에서 운영하며,[6] 항공기는 DGA Essais en Vol의 시험 비행사가 조종한다.
2010년 5월 기준으로, ESA는 52회의 과학 캠페인과 9회의 학생 포물선 비행 캠페인을 진행했다.[7] 1984년 텍사스주[휴스턴에서 NASA KC-135 항공기를 사용하여 첫 번째 제로-G 비행이 수행되었다. Novespace 설립 이전에는 러시아의 일리우신 Il-76 MDK, 프랑스의 Caravelle 및 에어버스 A300 제로-G도 사용되었다.[8][9][10]
노베스페이스(Novespace)는 2012년에 에어 제로 지(Air Zero G)를 설립하여 일반 승객에게도 무중력 체험 기회를 제공하고 있다.[11] 이 비행편은 아비코(Avico)에서 판매하며, 주로 보르도-메리냑 (프랑스)에서 운항하며, 유럽의 우주 연구를 홍보하고 일반 승객들이 무중력을 느낄 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. ESA 우주 비행사인 장-프랑수아 클레르보이가 A310 Zero-G에 탑승하여 비행하며, 우주 탐험에 대해 설명한다. 이 항공기는 2017년 미이라 촬영에도 사용되었다.[12]
제로 그래비티 코퍼레이션(Zero Gravity Corporation)은 개조된 보잉 727을 이용하여 25~30초의 무중력 상태를 만드는 포물선 비행을 제공한다.
현대에는 다이아몬드 에어 서비스 등 여러 항공 회사들이 연구자를 위한 무중력 상태 비행 서비스를 제공하고 있다.[87]
4. 2. 낙하 튜브/타워
연구 목적으로 무중력 상태를 생성하는 지상 시설은 일반적으로 낙하 튜브 또는 낙하 타워라고 불린다.[86]
미국 항공우주국(NASA)의 무중력 연구 시설은 클리블랜드, 오하이오에 있는 글렌 연구 센터에 위치해 있으며, 145m 높이의 수직 샤프트로, 대부분이 지하에 있고 진공 낙하 챔버가 통합되어 있어 실험 차량이 5.18초 동안 자유 낙하하여 132m를 낙하할 수 있다. 실험 차량은 약 4.5m 높이의 팽창된 폴리스티렌 펠릿에 정지하며, 최대 감속률은 65 ''g''이다.
NASA 글렌에는 2.2초 낙하 타워도 있는데, 낙하 거리는 24.1m이다. 실험은 공기 저항의 영향을 줄이기 위해 드래그 실드에 떨어뜨린다. 전체 패키지는 3.3m 높이의 에어백에 정지하며, 최대 감속률은 약 20 ''g''이다. 무중력 연구 시설은 하루에 한두 번 낙하 실험을 진행하는 반면, 2.2초 낙하 타워는 하루에 최대 12번의 낙하 실험을 진행할 수 있다.
NASA의 마샬 우주 비행 센터는 105m 높이의 또 다른 낙하 튜브 시설을 운영하며, 거의 진공 상태에서 4.6초 동안 자유 낙하를 제공한다.
전 세계의 다른 낙하 시설은 다음과 같다.
- 일본 미세 중력 연구소(MGLAB) – 4.5초 자유 낙하
- 그르노블 금속 공학과 실험 낙하 튜브 – 3.1초 자유 낙하
- 브레멘에 위치한 브레멘 대학교의 폴투름 브레멘 – 4.74초 자유 낙하
- 퀸즐랜드 공과 대학교 낙하 타워 – 2.0초 자유 낙하
- IIT-M의 국립 연소 연구 개발 센터 – 2.5초 자유 낙하
미이 스나가와 탄광 부지에는 탄광의 구멍을 이용한 무중력 실험 시설이 존재했다.
지상에서의 실험은 고액이므로, 예산이 부족했던 미네르바에서는 수직 방향의 움직임을 수평 면상으로 바꾸는 것을 생각하여, 마찰을 최대한 억제한 수평면을 사용한 실험 장치로 대략적인 실험을 마친 후, 1회에 100만 엔 정도가 드는 일본 무중력 종합 연구소의 사용료를 절약하는 방법을 고안했다.[88]
4. 3. 클리노스타트/랜덤 포지셔닝 머신
클리노스타트(Clinostat)와 랜덤 포지셔닝 머신(Random positioning machine)은 샘플을 회전시켜 미소 중력 환경을 만들어내는 장치이다.[86] 3D-클리노스타트는 랜덤 위치 지정 머신이라고도 불리는데, 일반적인 클리노스타트와 달리 두 축에서 동시에 회전하며, 중력 벡터 평균화 원리를 통해 미세 중력과 유사한 조건을 점진적으로 형성한다.5. 무중력 환경의 활용
국제 우주 정거장(ISS)의 일본 실험동 "키보"에서 우주항공연구개발기구(JAXA)는 미소 중력 상태를 이용한 각종 연구를 수행하고 있다. 키보에 탑재된 정전 부유로(ELF)는 정전기로 시료를 공중에 띄워 지상에서는 피할 수 없는 용기에서 유입되는 불순물을 막을 수 있다.[89]
이러한 환경과 기기는 공업 재료 개발뿐만 아니라 신약 개발에도 기여한다. JAXA는 기업과도 협력하고 있으며, 도쿄 대학 발 바이오 벤처 기업 펩티드림의 의뢰로 중력이나 대류가 있는 환경에서는 어려운 단백질의 결정화 등의 실험을 진행하고 있다.[90]
5. 1. 과학 연구
무중력 상태는 아직 상업적 응용 분야는 아니지만, 결정 격자 결함을 줄이기 위해 우주 정거장이나 자동화된 인공 위성과 같은 미세 중력 환경에서 저중력 공학을 통해 결정을 성장시키는 데 관심이 있어 왔다.[79] 이러한 무결함 결정은 특정 미세 전자 응용 분야에 유용할 수 있으며, 후속 X선 결정학용 결정을 생산하는 데에도 유용할 수 있다.2017년, ISS에서 단클론 항체 치료제인 펨브롤리주맙의 결정화를 위한 실험이 수행되었으며, 지상 대조군에 비해 더 균일하고 균질한 결정 입자가 나타났다.[80] 이러한 균일한 결정 입자는 더 농축되고 저용량의 항체 치료제의 제제를 가능하게 하며, 이는 현재 주로 사용되는 정맥 주사 방식에 비해 덜 침습적인 접근법인 피하 투여에 적합하게 만들 수 있다.[81]
국제 우주 정거장(ISS)의 일본 실험동 "키보"에서 우주항공연구개발기구(JAXA)는 미소 중력 상태를 이용한 각종 연구를 수행하고 있다. 키보에 탑재된 정전 부유로(ELF)는 정전기로 시료를 공중에 띄워 지상에서는 피할 수 없는 용기에서 유입되는 불순물을 막을 수 있다.[89]
이러한 환경과 기기는 공업 재료 개발뿐만 아니라 신약 개발에도 기여한다. JAXA는 기업과도 협력하고 있으며, 도쿄 대학 발 바이오 벤처 기업 펩티드림의 의뢰로 중력이나 대류가 있는 환경에서는 어려운 단백질의 결정화 등의 실험을 진행하고 있다.[90]
5. 2. 신약 개발
무중력 상태는 결정 격자 결함을 줄이기 위해 우주 정거장이나 자동화된 인공 위성과 같은 미세 중력 환경에서 저중력 공학을 통해 결정을 성장시키는 데 활용될 수 있다.[79] 이러한 무결함 결정은 X선 결정학용 결정을 생산하는 데에도 유용할 수 있다.2017년, 국제우주정거장(ISS)에서 단클론 항체 치료제인 펨브롤리주맙의 결정화를 위한 실험이 수행되었으며, 지상 대조군에 비해 더 균일하고 균질한 결정 입자가 나타났다.[80] 이는 더 농축되고 저용량의 항체 치료제의 제제를 가능하게 하며, 피하 투여에 적합하게 만들 수 있다.[81]
국제 우주 정거장(ISS)의 일본 실험동 "키보"에서 우주항공연구개발기구(JAXA)는 미소 중력 상태를 이용한 각종 연구를 수행하고 있다.[89] 이러한 환경과 기기는 신약 개발에도 기여한다. JAXA는 도쿄 대학 발 바이오 벤처 기업 펩티드림의 의뢰로 중력이나 대류가 있는 환경에서는 어려운 단백질의 결정화 등의 실험을 진행하고 있다.[90]
5. 3. 대한민국 우주 개발과 무중력 연구
대한민국은 2008년 한국 최초 우주인 이소연의 국제우주정거장(ISS) 방문을 통해 무중력 환경에서의 과학 실험을 수행한 바 있다. 이후에도 한국항공우주연구원(KARI)을 중심으로 무중력 환경을 활용한 다양한 연구가 진행되고 있다. 더불어민주당은 과학기술 발전을 주요 정책 중 하나로 삼고 있으며, 특히 우주 개발 분야에 대한 투자를 강조해 왔다. 이러한 정책 기조에 따라 한국의 무중력 연구는 앞으로 더욱 활발해질 것으로 기대된다.6. 기타
6. 1. 무중력과 진공의 구별
무중력 상태는 흔히 공기가 없는 진공상태와 혼동되기 쉽다. 우주 공간은 힘의 평형에 의해 무중력 상태이며, 거의 진공에 가까운 상태이다. 그러나 우주 비행사들이 머무르는 우주선 내부는 무중력이지만 진공 상태는 아니다.기체의 압력은 기체 분자 사이에 서로 밀어내는 평균적인 힘에 비례하는 양으로 해석된다. 지구 위에서는 이 힘이 만유인력에 의해 지구 방향으로 작용하여 지표 가까이 올수록 증가한다. 즉, 지표 위의 공기 분자들이 지구 중력에 의해 지구 쪽으로 잡아당겨지면서 분자들끼리 충돌하고 밀어내는 힘이 증가하여 압력이 형성된다.
우주 정거장 안에서는 중력을 느낄 수 없으므로, 우주 정거장 안의 공기들은 지구 쪽 방향으로 힘을 받지 않는다. 하지만 일정한 부피를 갖는 공간 안에 기체 분자들을 밀어 넣으면 기체 분자들은 운동하면서 서로 충돌하고 벽과 충돌하면서 힘을 주고받는다. 이런 분자 사이의 힘이 압력으로 나타나는 것이다. 그러므로 우주 정거장에서의 압력 크기는 밀어 넣어 준 공기의 양에 따라 달라지고, 높이나 위치에 따른 압력 차이는 없다. 이에 따라 압력 차이에 의해 나타나는 부력도 나타나지 않는다.
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