ทะยานสู่ดวงดาว ด้วยระบบขับดันแห่งอนาคต (ตอนที่ 1)

บทความโดย รวิศ ทัศคร

บทความเมื่อตอนที่แล้วได้กล่าวถึงเครื่องยนต์ขับดันไอออน ซึ่งเป็นหนึ่งในเครื่องยนต์ขับดันยานสำรวจอวกาศในยุคสมัยใหม่ มีข้อดีเหนือกว่าจรวดขับดันที่ใช้การเผาไหม้เชื้อเพลิงทางเคมีในแง่ของระยะเวลาของพลังขับดันที่ยาวนาน ทำให้ปฏิบัติภารกิจได้นานกว่าและไกลกว่า ไทยเราวางแผนที่จะใช้ระบบเครื่องยนต์ขับดันแบบนี้ในยานสำรวจดวงจันทร์ที่มีแนวโน้มว่าจะพัฒนาขึ้นในอีก 7 ปีข้างหน้า

แต่อันที่จริงแล้วยังมีแนวคิดเกี่ยวกับระบบขับดันที่ใช้กับยานอวกาศ เพื่อให้ปฏิบัติภารกิจสำรวจระบบสุริยะรอบนอก อวกาศห้วงลึก หรือแม้แต่เดินทางระหว่างดาวฤกษ์ บ้างก็ยังเป็นเพียงแนวคิด ในขณะที่บางแบบมีการพิสูจน์การทำงานเบื้องต้นว่าใช้งานได้จริงแล้วในอดีตที่ผ่านมา เราไปดูกันครับว่ามีระบบขับดันแบบใดบ้างแล้วที่มนุษย์เราคิดค้นหลักการขึ้นมา

เครื่องยนต์ขับดันแบบนิวเคลียร์พัลส์ (Nuclear Pulse Propulsion)

แนวคิดแบบนี้อาศัยแรงจากการระเบิดของระเบิดนิวเคลียร์ขนาดเล็ก เพื่อส่งแรงกระทำให้ยานหรือจรวดมีการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า คนแรกที่คิดถึงแนวคิดแบบนี้ในปี พ.ศ. 2489 คือ ดร.สตานิสลาฟ อูลัม (Stanislaw Ulam) นักคณิตศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์สาขานิวเคลียร์ฟิสิกส์ เชื้อสายโปแลนด์-อเมริกัน เขาเข้าร่วมทำงานในโครงการแมนฮัตตัน และยังมีชื่อเสียงในฐานะนักคณิตศาสตร์ที่คิดค้นวิธีคำนวณแบบมอนติคาร์โลอีกด้วย โดยเขากับเพื่อนร่วมงานได้เขียนรายงานเสนอแนวคิดว่า หากมีแผ่นเหล็กกล้าที่เคลือบด้านหนึ่งเอาไว้อาจจะด้วยวัสดุอย่างกราไฟต์ ซึ่งเมื่อมีการระเบิดด้วยระเบิดนิวเคลียร์ฟิสชันหรือฟิวชันขนาดเล็กในอวกาศ ห่างออกไปจากแผ่นในระยะที่ปลอดภัยก็จะไม่ทำลายแผ่นเหล็กท้ายยาน แต่เศษซากของการระเบิดที่กลายเป็นไอจะกระทบและสะท้อนออกจากแผ่น ถ่ายเทโมเมนตัมให้แก่มันและผลักมันออกจากจุดที่เกิดการระเบิด ซึ่งหากแผ่นเหล็กกล้านี้ติดอยู่กับยานอวกาศด้วยอุปกรณ์รับแรงกระแทกบางชนิด การระเบิดอย่างต่อเนื่องของระเบิดขนาดจิ๋วที่มีการปล่อยออกมาจากท้ายยานก็จะสามารถขับเคลื่อนยานอวกาศไปข้างหน้าได้ดังรูป ซึ่งมีทั้งแบบระเบิดภายนอกที่หน้าแผ่นเหล็กกล้าที่อยู่ท้ายยาน (pusher plate) และแบบจุดระเบิดภายในห้องท้ายยาน

รูปแสดงแนวคิดพื้นฐานของระบบขับดันแบบนิวเคลียร์พัลส์

อันที่จริงแล้วที่อาคารศูนย์ทดสอบระเบิดนิวเคลียร์ที่เกาะเอเนเวตักอะทอลล์ (Enewetak Atol) ได้มีการทดลองที่ออกแบบโดยนักฟิสิกส์ชื่อ ลูว์ อัลเลน (Lew Allen) ซึ่งเขาได้เสนอวิธีการพิสูจน์โดยตรงว่าแนวคิดเรื่องนี้เป็นไปได้ การทดลองระเบิดครั้งนั้นมีชื่อรหัสว่า “Viper” ซึ่งมีพลังงานการระเบิดเทียบเท่าระเบิดทีเอ็นที 20 กิโลตัน มีความแรงโดยประมาณใกล้เคียงกับระเบิดที่ทำลายเมืองฮิโรชิมา โดยมีลูกทรงกลมเหล็กกล้าขนาดเท่าลูกฟักทองหุ้มด้วยกราไฟต์แขวนอยู่เหนือระเบิด 10 เมตร ซึ่งแม้ว่าลวดที่แขวนจะกลายเป็นไอไป แต่หลังจากการระเบิดก็พบว่าลูกเหล็กที่ถูกแรงระเบิดพาลอยขึ้นไปนั้นตกลงมาไม่บุบสลายแต่อย่างใด

ต่อมาในปี พ.ศ. 2498 คอร์เนลเลียส เอเวอเร็ตต์ (Cornelius Everett) และสตานิสลาฟ อูลัม ก็ได้ศึกษาวิเคราะห์แบบของเครื่องยนต์ขับดันนิวเคลียร์พัลส์แบบจุดระเบิดภายนอกเพิ่มเติม โดยออกแบบยานขนาด 12 ตันที่บรรทุกระเบิด 40–300 ตัน และสารขับดันชนิดแข็งที่มีสมบัติเฉื่อยต่อปฏิกิริยา ซึ่งคิดเป็นจำนวนลูกระเบิดนิวเคลียร์แรงระเบิดต่ำ 30–100 ลูก จะระเบิดห่างจากท้ายยาน 50 เมตร และสารขับดันชนิดแข็งจะถูกดีดออกไปพร้อมกับระเบิดด้วย การระเบิดจะไปให้ความร้อนกับมัน โดยแบบที่พวกเขาคิดจะมีค่าการดลจำเพาะ (specific impulse, I_sp) อยู่ที่ 1500–2000 วินาที (อ่านเรื่องการดลจำเพาะได้ที่ https://th.wikipedia.org/wiki/การดลจำเพาะ) แม้งานนี้จะยังไม่ได้สร้างจริง แต่คณะกรรมการพลังงานปรมาณูสหรัฐ (U.S. atomic energy commission) ก็ได้ยื่นขอและได้จดสิทธิบัตรสำหรับระบบขับดันนิวเคลียร์พัลส์แบบจุดระเบิดภายนอกในที่สุด

ปัญหาของการออกแบบให้จุดระเบิดภายนอกก็คือ พลังงานจากการระเบิดจำนวนมากในรูปแบบของชิ้นส่วนจากการระเบิดและสารขับดันที่ถูกทำให้ร้อนนั้นไม่ถูกรับเอาไว้ด้วยแผ่นเหล็กสำหรับผลักดันยาน(pusher plate) จึงสูญเสียไปอย่างเปล่าประโยชน์ และด้วยเทคโนโลยีปัจจุบันยังเป็นไปไม่ได้ที่จะออกแบบแผ่นผลักดันยานที่รองรับแรงกระทบได้มากกว่าไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของแรงระเบิด

โครงการโอไรออน (Project Orion)

โครงการโอไรออนนับเป็นยุคทองของระบบขับดันแบบนิวเคลียร์พัลส์โดยแท้จริง โครงการที่เริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2501 นี้ เกือบประสบความสำเร็จในการจุดกระแสยุคใหม่ของการขับดันยานอวกาศสำหรับเดินทางในระบบสุริยะ

ภาพโครงสร้างยานโอไรออน (ที่มา : https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Orion)

โครงการโอไรออนได้รับการทุ่มเทจากนักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียงหลายคน ได้แก่ ทีโอดอร์ เทเลอร์ (Theodore Taylor) นักออกแบบอาวุธผู้ทำงานในโครงการอาวุธนิวเคลียร์ ที่ลอสอะลามอส และฟรีแมน ไดสัน (Freeman Dyson) นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ ผู้ริเริ่มแนวคิดสำหรับการบุกเบิกอวกาศอีกหลายแนวคิด เช่น ทรงกลมไดสัน หรือ Dyson sphere และ Dyson tree (ไดสันเพิ่งเสียชีวิตไปเมื่อเดือนกุมภาพันธ์ ปี พ.ศ. 2563) รวมถึงนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำอีกหลายคน ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากหน่วยงาน Advanced Research Projects Administration (ARPA) ภายใต้กระทรวงกลาโหมสหรัฐ กองทัพอากาศสหรัฐ และรวมถึงองค์การนาซาในที่สุด แต่เป็นที่น่าเสียดายที่ในบั้นปลายโครงการกลับยุติลงเนื่องจากปัญหาการเมืองภายในเนื่องจากมีความขัดแย้งกันระหว่างหน่วยงาน ระหว่างคณะทำงานฝั่งพลเรือน และทหาร ซึ่งผู้สนใจสามารถอ่านได้จากลิงก์ (https://fau.digital.flvc.org/islandora/object/fau%3A9755)

ซึ่งแม้ว่าตัวโครงการจะมีปัญหาด้านการจัดการมากมาย แต่ในทางเทคนิคแล้วทีมทำงานได้แก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องหลักๆ ได้เกือบหมดแล้ว พวกเขาออกแบบระบบดูดซับแรงกระแทกที่ใช้ถุงแก๊สรูปทรงโดนัทและลูกสูบระบบนิวเมติกส์ และยังค้นพบด้วยว่าแผ่นผลักดันด้านท้ายยานควรมีความหนาตรงกลาง และค่อยๆ เรียวออกไปทางด้านริมจาน รวมถึงได้ทำการทดสอบการทำงานของแผ่นผลักยานด้วยเครื่องกำเนิดพลาสมาอุณหภูมิสูงอีกด้วย

โครงการโอไรออนคาดการณ์ค่าการดลจำเพาะเอาไว้ว่ามีค่าอยู่ในช่วง 2,000-6,000 วินาที โดยอาจจะทำไปได้ถึงช่วง 1,0000–2,0000 วินาที ในยานรุ่นหลังๆ ที่มีการออกแบบบนพื้นฐานเทคโนโลยีนี้

ภาพแนวคิดที่มีผู้เสนอให้ปรับปรุงแบบยานโอไรออนเพื่อการสำรวจดาวอังคารในอนาคต
(ที่มา : https://wherewillweallgo.blogspot.com/2016/01/nuclear-propulsion-why-arent-we-using-it.html)

โครงการเดดาลัส (Project Daedalus)

โครงการเดดาลัสเป็นโครงการในช่วงทศวรรษ 1970 (พ.ศ. 2513-2522) ที่มีการศึกษาความเป็นไปได้ในการสร้างยานสำรวจระหว่างดวงดาว โดยตั้งใจจะสร้างยานไปยังดาวเบอร์นาร์ดที่เป็นดาวแคระแดง และอาจมีระบบดาวเคราะห์ที่เหมาะสมต่อสิ่งมีชีวิตโคจรรอบ เนื่องจากมีการค้นพบในปี พ.ศ. 2561 ว่า มีดาวเคราะห์ที่มีมวลราว 3.2 เท่าของโลก โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ของระบบ ดาวเบอร์นาร์ดอยู่ห่างจากระบบสุริยะออกไป 5.9 ปีแสง และเป็นหนึ่งในดาวฤกษ์สี่ดวงที่อยู่ใกล้เรามากที่สุด โดยวางแผนให้ยานไปถึงภายในระยะเวลาเดินทาง 50 ปี มีมวลตั้งต้นอยู่ที่ 54,000 ตัน เป็นเชื้อเพลิง 50,000 ตัน และเครื่องมืออุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ 500 ตัน ยานจะแบ่งการทำงานออกเป็นสองระยะ ระยะแรกจะเดินเครื่องเป็นเวลา 2 ปี เพื่อทำความเร็วให้ได้ถึง 7.1 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง แล้วจากนั้นจะสละยานส่วนแรกออก เพื่อให้ระบบขับเคลื่อนระยะที่สองเดินเครื่องต่ออีก 1.8 ปีให้ได้ความเร็ว 12 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง เนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานที่แตกต่างกันสุดขั้ว จากเกือบศูนย์องศาสัมบูรณ์ในอวกาศห้วงลึกจนถึงอุณหภูมิ 1,600 เคลวิน (1,326.85 องศาสเซลเซียส) ของระบบขับดัน ทำให้โครงสร้างยานจะต้องทำด้วยโลหะผสมที่มีองค์ประกอบจากโมลิบดินัมกับไทเทเนียม เซอร์โคเนียม และคาร์บอน ซึ่งยังคงมีความแข็งแรงอยู่แม้ในอุณหภูมิเย็นจัดมากๆ

โครงการนี้ดำเนินการในปี พ.ศ. 2513-2521 โดยทีมของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของสมาคม British Interplanetary Society ซึ่งนำโดย อลัน บอนด์ (Alan Bond) ซึ่งเป็นวิศวกรเครื่องกลและวิศวกรการบินและอวกาศชาวอังกฤษ ยานที่ออกแบบนี้เป็นยานที่ใช้การระเบิดด้วยระเบิดนิวเคลียร์ฟิวชันขนาดจิ๋ว โดยอาศัยเม็ดเชื้อเพลิงที่ภายในเป็นส่วนผสมของไอโซโทป ดิวเทอเรียม และฮีเลียม-3 ซึ่งจะถูกจุดระเบิดในห้องปฏิกรณ์ โดยการยิงด้วยลำอิเล็กตรอนที่มีการจ่ายกำลังจากชุดของขดลวดเหนี่ยวนำที่ดักพลังงานเอามาจากกระแสของพลาสมาที่ยานขับดันออกไป โดยจะทำการจุดระเบิดเม็ดเชื้อเพลิง 250 หน่วยต่อวินาที ซึ่งจะก่อให้เกิดพลาสมาซึ่งมีการควบคุมทิศทางโดยหัวพ่นขับดัน (magnetic nozzle) ที่มีการใช้สนามแม่เหล็กควบคุมทิศทาง และเร่งความเร็วของพลาสมาที่ขับดันออกจากตัวยาน ซึ่งจะให้ความเร็วของพลาสมาเจ็ตที่ขับดันออกมาถึง 10,600 กิโลเมตรต่อวินาที เนื่องจากก๊าซฮีเลียม-3 นั้นหาได้ยากยิ่งบนโลก จึงต้องมีการเก็บเกี่ยวเอาจากบรรยากาศของดาวพฤหัส โดยอาศัยบอลลูนลมร้อนขนาดยักษ์ที่พยุงเอาโรงงานหุ่นยนต์แบบอัตโนมัติเอาไว้ ต้องใช้เวลาเก็บเกี่ยวถึง 20 ปี หรือมิฉะนั้นก็อาจหาจากแหล่งที่ใกล้กว่า ได้แก่ ดวงจันทร์ของโลก ซึ่งมีการค้นพบฮีเลียม-3 เมื่อไม่นานมานี้

ในการทำงานระยะที่สองของยาน จะมีกล้องโทรทรรศน์ขนาด 5 เมตร สองเครื่อง และกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาด 20 เมตร สองเครื่อง โดยภายหลังปล่อยยาน 25 ปี กล้องเหล่านี้จะเริ่มตรวจพื้นที่รอบๆ ดาวเบอร์นาร์ดเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบ และส่งข้อมูลกลับมายังโลก โดยใช้พวยเครื่องยนต์รูประฆังของยานในระยะที่สองนั่นเองเป็นจานส่งสัญญาณสื่อสารไปในตัว จากนั้นโลกจะเลือกเป้าหมายที่จะสำรวจ แล้วด้วยเหตุที่ยานจะไม่ลดความเร็วลง ยานแม่จะปล่อยยานหุ่นยนต์อัตโนมัติ 18 ลำ ที่ปล่อยออกในช่วง 7.2–1.8 ปี ก่อนถึงดาวเบอร์นาร์ด ยานเล็กเหล่านี้จะมีเครื่องยนต์ขับดันไอออนแบบที่กล่าวไปในบทความตอนก่อนหน้านี้ ซึ่งให้พลังงานด้วยเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ยานหุ่นยนต์เหล่านี้จะมีกล้องสเปกโตรมิเตอร์และอุปกรณ์ตรวจวัดอื่นๆ โดยจะบินผ่านดาวเคราะห์เป้าหมายในขณะยังวิ่งที่ความเร็ว 12 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง และส่งข้อมูลการค้นพบกลับไปยังยานแม่เดดาลัสที่เป็นตัวยานที่ทำงานระยะที่สอง ซึ่งจะส่งข้อมูลเหล่านั้นต่อมายังโลกอีกต่อหนึ่ง ยานและอุปกรณ์ทั้งหมดนี้จะมีแผ่นโล่ที่ทำจากโลหะเบริลเลียมหนา 7 มิลลิเมตร หนัก 50 ตัน เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและมีความร้อนแฝงในการระเหยสูง นอกจากนี้จะมีหุ่นยนต์ที่คอยบำรุงรักษาและซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดกับตัวยานโดยอัตโนมัติอีกด้วย

การสร้างยานขนาดใหญ่และโครงการยักษ์ขนาดนี้ มีความเป็นไปได้ในทางทฤษฎีและในทางเทคโนโลยี แต่ด้วยเวลาและงบประมาณมหาศาล โครงการนี้ก็ยังเป็นโครงการที่ยังไม่เกิดขึ้นจริงในปัจจุบัน

ภาพแนวคิดยานเดดาลัส

ภาพยานเดดาลัสเทียบขนาดกับจรวด Saturn V
ที่มา https://www.daviddarling.info/images2/Daedalus_Saturn_V_comparison.jpg

ระบบขับดันแบบใช้ลำแสง (Beam Propulsion System)

ระบบขับดันแบบนี้มีชื่อเรียกอีกชื่อว่าระบบขับดันแบบ direct energy propulsion ที่ใช้ลำพลังงานยิงไปที่ยานอวกาศจากโรงกำเนิดพลังงานที่อยู่ห่างไกลออกไปเพื่อให้พลังงานแก่ยาน ลำพลังงานที่ใช้อาจเป็นลำคลื่นไมโครเวฟหรือลำแสงเลเซอร์ และอาจจะจ่ายเป็นพัลส์ หรือจ่ายพลังงานแบบต่อเนื่องก็ได้ ลำแสงต่อเนื่องจะใช้กับ thermal rockets, photonic thrusters และ light sails แต่หากเป็นแบบพัลส์จะใช้กับระบบไอพ่นชนิด ablative thrusters และเครื่องยนต์จุดระเบิดแบบ pulse detonation engine อย่างไรก็ดี การที่จะให้ยานไปถึงวงโคจรโลกระดับต่ำได้ จะต้องใช้พลังงานถึงในระดับเมกะวัตต์ต่อสัมภาระ 1 กิโลกรัม

เรือใบสุริยะ (Solar Sails)

เรือใบสุริยะ หรือเรียกอีกชื่อว่า เรือใบพลังแสง (light sails) เป็นวิธีการขับดันยานอวกาศโดยใช้ความดันจากการแผ่รังสีจากแสงอาทิตย์บนพื้นผิวที่มีคุณสมบัติเป็นกระจกสะท้อนแสง เนื่องจากแสงมีแรงกระทำต่อพื้นผิวของวัตถุที่มันตกกระทบ แม้จะเป็นแรงดันที่น้อยนิดเอามากๆ แต่ในอวกาศที่ไม่มีแรงเสียดทาน ยานจะค่อยๆ เคลื่อนที่เร็วขึ้นได้เมื่อลำแสงตกกระทบ ยานอวกาศชนิดนี้จึงอาศัยแรงดันที่ได้จากการกางใบรับแสงที่ยิงมาจากสถานีบนโลกหรือบนวงโคจร หรือความดันต่อใบรับแสงที่ได้จากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ เพื่อขับเคลื่อนไปข้างหน้าในอวกาศ คล้ายกับหลักการที่เรือใบสมัยโบราณในทะเลบนโลกกางใบเพื่อรับลมในการแล่นเรือนั่นเอง จึงเป็นที่มาของชื่อยานที่ใช้การขับเคลื่อนชนิดนี้

จากหลักการนี้ จึงมีการเสนอโครงการเรือใบอวกาศเอาไว้หลายโครงการในยุค 1980s (พ.ศ. 2523-2532) มีองค์กรเอกชนที่ไม่หวังผลกำไรองค์กรหนึ่งในอเมริกาคือ สมาคม The Planetary Society ที่เป็นการรวมตัวของคนทั่วไปที่สนใจด้านอวกาศในตอนแรก จนสมาคมขยายตัวมีสมาชิกกว่าหกหมื่นคนจากประเทศต่างๆ มากกว่าหนึ่งร้อยประเทศในปัจจุบัน ทำให้มีกำลังพอที่จะริเริ่มโครงการอวกาศขนาดย่อมของตนเอง สมาคมนี้จึงได้พยายามส่งยาน Cosmos 1 ซึ่งเป็นดาวเทียมที่ใช้หลักการเรือใบสุริยะออกไปในอวกาศตั้งแต่ปี พ.ศ. 2548 แล้ว แต่น่าเสียดายที่จรวด Volna ของรัสเซียที่ใช้ปล่อยยานนี้ ยิงขึ้นไปไม่ถึงวงโคจร หลังจากนั้นสมาคมฯ ก็ยังไม่ละความพยายาม ร่วมกับองค์การนาซาปล่อยดาวเทียมจิ๋วที่อยู่ในรูปแบบมาตรฐานของดาวเทียมลูกบาศก์ CubeSat ซึ่งใช้หลักการของเรือใบสุริยะในโครงการ NanoSail-D ในปี พ.ศ. 2551 ดาวเทียมนี้ต้องสูญเสียไปจากความล้มเหลวของจรวด Falcon 1 ที่ใช้ส่ง แต่ NanoSail-D2 ก็ส่งออกไปได้สำเร็จในช่วงต้นปี พ.ศ. 2554 ในปีเดียวกันนั้นเอง โครงการอีกโครงการหนึ่งของทางสมาคมฯ คือ LightSail Project ก็ได้ผ่านการประเมินการออกแบบจากทีมงานของผู้เชี่ยวชาญจากห้องปฏิบัติการขับดันไอพ่นของนาซา (JPL) ในที่สุด

อย่างไรก็ตาม ยานอวกาศลำแรกที่ถือว่าได้ใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อนำมาใช้การได้จริง คือ ยานอิคารอส (IKAROS) ขององค์การสำรวจอวกาศญี่ปุ่น (JAXA)) ซึ่งถูกปล่อยออกไปพร้อมๆ กับยานอาคัทสึกิ (Akatsuki) ที่ทำภารกิจสำรวจชั้นบรรยากาศดาวศุกร์ ด้วยจรวด H-IIA 202 เมื่อวันที่ 21 พฤษภาคม พ.ศ. 2553 ซึ่งหลังจากทำภารกิจเดิมแล้ว ยานก็ยังสามารถทำงานต่อไปได้ถึงปี พ.ศ. 2558 หลังจากนั้นสัญญาณก็หายไป ยานสามารถเดินทางออกห่างจากโลกไปได้ด้วยระยะทางถึง 110 ล้านกิโลเมตร

ภาพถ่ายจริงของยาน IKAROS ที่ถ่ายโดยกล้องที่ปล่อยจากตัวยาน เครดิตภาพ องค์การสำรวจอวกาศญี่ปุ่น (JAXA)

และในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2558 ยาน LightSail 1 ของสมาคม The Planetary Society ปล่อยออกไปอย่างประสบความสำเร็จ และตกกลับสู่บรรยากาศโลกตามที่วางแผนไว้ จากนั้น LightSail 2 ก็ได้ปล่อยออกสู่วงโคจรในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2562 และได้ถ่ายภาพส่งลงมายังพื้นโลกได้สำเร็จดังภาพประกอบ

ภาพที่ LightSail 2 ส่งกลับมายังโลก
(ที่มา https://en.wikipedia.org/wiki/LightSail#/media)

เรือใบสุริยะหรือเรือใบพลังแสงมีข้อดีเหนือกว่าเครื่องยนต์ที่อาศัยการเผาไหม้ด้วยเชื้อเพลิงเคมีมหาศาลคล้ายเครื่องยนต์ขับดันไอออน กล่าวคือมันสามารถขับเคลื่อนไปได้เรื่อยๆ ตราบเท่าที่ยังมีแรงกระทำกับตัวใบจากแสงเลเซอร์ หรือการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ที่ส่งแรงมากระทำกับใบเรือ ถึงแม้จะน้อยนิดก็ตาม (นักวิทยาศาสตร์จาก JAXA แถลงว่าสามารถวัดความดันเนื่องจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ที่กระทำกับใบยานพื้นที่ 196 ตารางเมตรได้ 1.12 มิลลินิวตันเท่านั้น)

คุณสมบัติและวัสดุการทำใบเรือพลังแสง

วัสดุที่ใช้ทำใบเรืออวกาศนั้นจะต้องพับเก็บ กาง หรือจัดการได้สะดวก ฟิล์มที่ใช้ทำจะต้องไม่ฉีกขาดภายใต้ความเครียดจากแรงดึงในตอนที่กางใบออกเต็มที่ ซึ่งหากเกิดขึ้นแล้วก็จะฉีกกว้างต่อไปได้ และนอกจากนี้เนื่องจากสารเคลือบผิวเพื่อให้เกิดการสะท้อนอาจไม่สามารถสะท้อนได้หมด เศษเสี้ยวของพลังงานการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ที่ถูกดูดซับไว้จะต้องถูกกระจายออกไปโดยพื้นผิวด้านหลังของใบ ที่ทำหน้าที่แผ่กระจายรังสีความร้อนทิ้งออกไปในอวกาศ และเนื่องจากวัสดุทำใบมีความบางมากทำให้เกือบไม่มีค่าความจุความร้อน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะเกิดขึ้นอย่างทันทีทันใด จึงต้องมีเสถียรภาพด้านรูปร่าง และมีค่าการขยายตัวของวัสดุเนื่องจากความร้อน (thermal expansion) และเมื่อกางออกมาขึงใบจะต้องมีรอยยับน้อยมากๆ หรือไม่มีเลย เพราะจะก่อให้เกิดการสะท้อนในหลายจุด และมีจุดต่างๆ ที่มีความร้อนขึ้นสูงได้ [3]

มีวัสดุอยู่สามชนิดที่มีคุณสมบัติใช้ได้กับข้อกำหนดความต้องการพื้นฐานดังกล่าว ได้แก่ Kapton, Mylar และ Lexan ซึ่งมีสมบัติตามตาราง

เพื่อให้เห็นภาพชัดว่า วัสดุที่มีความหนาเพียง 5 ไมครอน หนาแค่ไหน ผู้อ่านลองชมภาพเส้นใยคาร์บอนขนาด 6 ไมครอน เมื่อเทียบกับเส้นผมมนุษย์ขนาด 50 ไมครอนได้ดังภาพ

ภาพ เส้นใยคาร์บอน เทียบขนาดกับเส้นผมมนุษย์ ที่มา: วิกิพีเดีย
(https://th.wikipedia.org/wiki/ไมโครเมตร#/media/ไฟล์:Cfaser_haarrp.jpg)

จะเห็นได้ว่า KaptonÒ เป็นหนึ่งในวัสดุทำใบเรืออวกาศที่มีศักยภาพมากที่สุด เพราะมีความหนาแน่นต่ำที่สุด 1.42 กรัมต่อตารางเซนติเมตร ต่อความหนา 1 ไมครอน แม้ว่าจะไม่เคลือบ ซึ่งถึงแม้ว่า LexanÒ จะมีค่านี้ต่ำกว่า แต่ KaptonÒ มีความเฉื่อยทางเคมี มีความทนทานต่อการแผ่รังสีสูง และสามารถรักษาสมบัติทางกายภาพและสมบัติเชิงกลของมันได้ในอุณหภูมิช่วงกว้าง นอกจากนี้ยังเกาะติดกับฟิล์มโลหะ เทป และกาวได้ดีอีกด้วย แม้ว่ามันไม่มีจุดหลอมเหลวอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่ใช้งาน แต่มันอาจถูกผลกระทบของการเปลี่ยนเฟสในช่วงอุณหภูมิการกลายสภาพแก้ว (glass transition temperature) ซึ่งของ KaptonÒ จะอยู่ที่ 680 เคลวิน (406.85 องศาเซลเซียส) ในบางงานอาจใช้ KaptonÒ ที่ 670 เคลวิน (396.85 องศาเซลเซียส) แต่มันก็อาจเสื่อมสภาพได้ ดังนั้นอุณหภูมิการใช้งานระยะยาวควรอยู่ที่ระหว่าง 520–570 เคลวิน (246.85- 296.85 องศาเซลเซียส) ส่วนฟิล์มไมลาร์ MylarÒ นั้นไม่ทนทานต่อรังสี UV ในอวกาศ จึงใช้งานในช่วงสั้นๆ ได้ แต่ไม่เหมาะสำหรับภารกิจในระยะยาวหากไม่มีการเคลือบสารป้องกันทั้งสองด้านของฟิล์ม

เพื่อให้พื้นผิวของฟิล์มสะท้อนแสง วัสดุเนื้อฟิล์มจึงต้องเคลือบด้วยโลหะโดยกระบวนการระเหยโลหะให้เป็นไอ เพื่อให้มาสะสมตัวบนเนื้อฟิล์มด้วยกระบวนการ vapour deposition ชั้นเคลือบจะต้องมีค่าการสะท้อนที่ดีในช่วงสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ และมีจุดหลอมเหลวที่สูงในค่าที่เหมาะสม จุดหลอมเหลวที่ต้องการนั้นขึ้นกับว่าจะออกแบบให้ยานวิ่งไปตามเส้นทางโคจรใด มีจุดใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดที่ตำแหน่งใด ซึ่งในแง่ของค่าการสะท้อนแสง โลหะเงินมีประสิทธิภาพสูงที่แสงในช่วงความยาวคลื่นปกติ แต่มีช่วงที่ยอมให้รังสี UV ผ่านได้ในค่าความยาวคลื่นช่วงแคบๆ ช่วงหนึ่ง ซึ่งอาจทำให้วัสดุที่ทำเนื้อฟิล์มเสื่อมสภาพได้ นอกจากนี้ยังมีความหนาแน่นสูงที่สุดในหมู่โลหะสามชนิดที่อาจใช้เป็นสารเคลือบได้ ได้แก่ เงิน ลิเทียม และอะลูมิเนียม

โลหะที่มีค่าความหนาแน่นต่ำที่สุดคือลิเทียม แต่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ดังนั้นทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดคืออะลูมิเนียมที่มีค่าการสะท้อนอยู่ที่ 0.88-0.90 แต่การนำไปใช้อาจจะต้องการการเคลือบสารซิลิคอนออกไซด์เพิ่มอีกหนึ่งชั้นเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันก่อนการปล่อยยาน ซึ่งจะทำให้พื้นผิวใบยานเสียสมบัติการสะท้อนแสงได้

พื้นผิวด้านหลังของใบเรือจะต้องมีสารเคลือบที่มีค่าการเปล่งรังสี (emissivity) สูง เพื่อกระจายความร้อนที่สะสมบนใบเรือตรงพื้นผิวด้านหน้าซึ่งเป็นด้านที่แสงเลเซอร์หรือรังสีดวงอาทิตย์แสงตกกระทบออกสู่อวกาศ เพื่อรักษาอุณหภูมิไว้ให้ไม่สูงเกินไป ในที่นี้โลหะโครเมียมที่มีค่า emissivity ที่ 0.64 จึงได้เลือกมาใช้งาน

โครงสร้างของใบเรืออวกาศเมื่อดูตามภาคตัดขวางจะเป็นดังรูป คือมีวัสดุพลาสติก KaptonÒ ที่มีความหนา 2 ไมครอน มีชั้นของอะลูมิเนียมเคลือบหนา 0.1 ไมครอน โดยด้านหลังมีชั้นเคลือบโครเมียมหนา 0.0125 ไมครอน เพื่อควบคุมอุณหภูมิของใบเรือ นอกจากนี้จะมีแถบ grounding strap เพื่อช่วยให้มีทางเดินของกระแสไฟฟ้า ป้องกันการปล่อยประจุไฟฟ้าอีกด้วย

ภาพภาคตัดขวางของใบเรือพลังแสง ที่มา [3]

ปัจจุบันเรือใบพลังแสงหรือเรือใบสุริยะได้พิสูจน์ตัวเองแล้วว่า ทำงานได้จริงในฐานะยานสำรวจขนาดเล็ก แต่การพัฒนาไม่ได้หยุดอยู่เพียงเท่านั้น ยังมีความเคลื่อนไหวในการขยายขนาดใบเรือขนาดยักษ์ให้มีแรงขับมากขึ้น เพื่อจะนำส่งสัมภาระที่อาจมีน้ำหนักถึง 100 กิโลกรัม อย่างยานหุ่นยนต์สำรวจ ที่อาจส่งไปสำรวจดาวเคราะห์รอบนอกและอาจไปได้ถึงดาวฤกษ์ดวงอื่นด้วย เนื่องจากยานประเภทนี้สามารถเร่งความเร็วได้นานเท่าที่มีลำแสงยิงไปสู่ใบเรือ และในอวกาศที่มีแรงเสียดทานน้อยมากๆ จนแทบไม่มีนั้น หลังจากเร่งความเร็วโดยการยิงด้วยแสงเลเซอร์เป็นเวลานาน ยานอาจทำความเร็วได้ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสงทีเดียว

ในบทความตอนหน้า เราจะกล่าวถึงระบบเครื่องยนต์ขับดันอื่นๆ ที่อาจเป็นอนาคตของการเดินทางในอวกาศได้ในลำดับต่อไป รวมถึงการนำทางในการเดินทางในอวกาศ ติดตามอ่านกันนะครับ

แหล่งข้อมูลประกอบบทความ
1. Czysz, P.A., Bruno, C., and Chudoba, B. 2018. 3rd ed. Future Spacecraft Propulsion Systems and Integration: Enabling Technologies for Space Exploration. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
2. Long, K.F. 2012. Deep Space Propulsion: A Roadmap to Interstellar Flight. Springer Science+Business Media, LLC.
3. McInnes, C.R. 1999. Solar Sailing: Technology, dynamics, and mission applications. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
4. Mallove, E., and Matloff, G. 1989. The Starflight Handbook. John Wiley & Sons, Inc.

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติมออนไลน์
https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Daedalus
https://www.planetary.org/articles/ls2-deploys-sail
https://en.wikipedia.org/wiki/Beam-powered_propulsion
https://en.wikipedia.org/wiki/LightSail
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail
https://en.wikipedia.org/wiki/IKAROS
https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_propulsion