| จากไอเดียสู่ความริเริ่มจากปัญหาเฉพาะหน้า |
| รู้หรือไม่ว่าการขับเคลื่อนด้วยแสงอาทิตย์ (Solar sail) เคยเป็นสิ่งที่ไกลเกินความเป็นจริงและเป็นเพียงนิยายวิทยาศาสตร์ (Science Fiction, Sci-fi) เรื่องหนึ่งที่ตีพิมพ์ในนิตยสาร Astounding Science Fiction ฉบับเดือนพฤษภาคม ปี 2494 ตรงกับช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ผู้แต่งเป็นวิศวกรไฟฟ้าชื่อ Carl Wiley ได้จำลองโดยการนำร่มขนาดใหญ่ไปติดกับอวกาศยานทำให้เกิดแรงดันอวกาศยานไปข้างหน้าโดยใช้หลักฟิสิกส์กควันตัม (Quantum Physics)[1] แต่สภาวะเทคโนโลยีในขณะนั้นทำให้เขาไม่เชื่อว่าสิ่งเหล่านี้จะเกิดขึ้นจริงในปัจจุบัน แต่สามารถเกิดขึ้นจริงจนได้หลังจากนั้น 23 ปี |
 |
| ต่อมาในยุคสงครามเย็น เดือน มีนาคม พ.ศ.2517 ยานมารีเนอร์ 10 (Mariner 10) ได้บินผ่านจากดาวศุกร์โดยได้ใช้แรงโน้มถ่วงช่วย (Gravity Assisted) เพิ่มความเร็วเป็นครั้งแรกของมนุษยชาติในการเดินทางต่างดวงดาว และได้บินผ่านดาวพุธ ซึ่งเป็นครั้งแรกอีกเช่นกันในการเดินทางข้ามดาวเคราะห์ 2 ดวงในภารกิจเดียว[2] โดยภารกิจนี้ได้ตรวจพบรังสีดวงอาทิตย์ (Solar radiation) ความเข้มสูง เป็นเหตุหนึ่งทำให้ภารกิจนี้มีความพยายามในการรักษาเส้นทางจากสภาวะที่เกิดขึ้นนั้น แต่มีปัจจัยทำให้ภารกิจนี้ไม่สามารถไปต่อได้ง่ายๆ |
|
เหตุเกิดจากการที่ตรวจพบฝุ่นบริเวณผิวอวกาศยานและบดบังเซนเซอร์ดวงดาว (Star Sensor) ใช้การตรวจจับดาวที่อ้างอิงโดยจะล็อกตำแหน่งที่ดาวคาโนปัสในกลุ่มดาวกระดูกงูเรือ ทำให้เซนเซอร์ที่ติดอยู่กับอวกาศยานจึงพยายามหาแสงสว่างโดยการหมุนตัวของอวกาศยาน จนกระทั่งเซ็นเซอร์หันหน้าไปพบแสงอาทิตย์ รังสีเข้มข้นนี้ทำให้เซนเซอร์เกิดความเสียหาย ซ้ำร้ายกว่านั้นในแผนการเดินทางข้ามดวงดาวไปบินผ่านดาวศุกร์และดาวพุธนั้น ใช้เครื่องยนต์แก๊สเย็น (Cold Gas propulsion) ด้วยเชื้อเพลิงไนโตรเจน จนไม่พอใช้งานอย่างแน่นอน |
| ความคิดอันชาญฉลาดของนักวิทยาศาสตร์ในการแก้ปัญหา โดยใช้วิธีการหมุนแผงโซลาร์เซลล์ปรับเข้าหาดวงอาทิตย์เกิดแรงดันแสงอาทิตย์ (Solar pressure) คล้ายแรงดันลมที่ทำให้อวกาศยานหมุนเล็กน้อยเพื่อรักษาท่าทางของยานตำแหน่ง และเส้นทางที่ต้องการ นับว่าเป็นครั้งแรกเช่นเดียวกันในการใช้รังสีดวงอาทิตย์เป็นแรงขับเคลื่อน[3] |
|
ทฤษฎีและการออกแบบ |
|
หลักการของแรงดันแสงอาทิตย์เกิดจากอนุภาคแสงเรียกว่า โฟตอน (Photon) ปล่อยจากดวงอาทิตย์ชนกับพื้นผิวของอวกาศยานบนอวกาศ ทำให้มีการถ่ายเทโมเมนตัมตามกฎอนุรักษ์โมเมนตัม (Conservation of Momentum) เช่นเดียวกับการวัตถุทั้งสองชนกันทำให้เปลี่ยนแปลงความเร็วของวัตถุทั้งสองโดยหลักการคำนวณโมเมนตัมของโฟตอนจะแตกต่างกับวัตถุทั่วไปจากสมการ |
 |
|
โดยที่ p คือ โมเมนตัมของโฟตอน หน่วยเป็นกิโลกรัม เมตรต่อวินาที (kg m/s) h คือ ค่าคงที่ของพลังค์ (Plank’s Constant) มีค่า 6.62607004 × 10-34 m2 kg/s λ คือ ความยาวคลื่น หน่วยเป็นเมตร m[4] |
|
ถ้าเรามาคำนวณค่าโมเมนตัมของโฟตอน โดยกำหนดค่าความยาวคลื่นแสงสีส้มจากดวงอาทิตย์ สมมติว่ามีความยาวคลื่นประมาณ 600 นาโนเมตร จะได้โมเมนตัมเท่ากับ 1.104 x 10-27 กิโลกรัมเมตรต่อวินาทีซึ่งน้อยมากเทียบกับอวกาศยานขนาดเป็นหลายกิโลกรัม อย่างไรก็ตามโฟตอนที่ออกจากดวงอาทิตย์มีปริมาณมหาศาลที่ชนเข้าสู่อวกาศยาน เปรียบเหมือนกับลมที่ผ่านเข้ามาในตัวเรืออยู่กลางทะเล ทำให้เพิ่มความเร็วได้มากขึ้นเช่นเดียวกัน ดังนั้นถ้าเราออกแบบอวกาศยานที่มีพื้นที่รับแสงอาทิตย์มากเท่าไร ก็สามารถรับโฟตอนได้มากขึ้นเท่านั้น |
|
ถึงกระนั้นระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์กับอวกาศยานก็มีส่วนสำคัญ ซึ่งปริมาณแสงอาทิตย์ที่ได้รับมีความแปรผกผันกับระยะห่างทั้งระหว่างดวงอาทิตย์กับอวกาศยานกำลังสอง เรียกว่า กฎผกผันกำลังสอง (Inverse Square Law) ตัวอย่างเช่นถ้าระยะห่างระหว่างทั้งสองมากขึ้น 3 เท่า จะได้รับแสงอาทิตย์เป็น 1/9 เท่าจากเดิม[5] ดังนั้นวิธีการใช้แรงดันแสงอาทิตย์จะมีข้อจำกัดเมื่ออยู่ไกลจากดวงอาทิตย์ไปยังนอกระบบสุริยะ |
|
นอกจากพื้นที่รับแสงแล้ว การออกแบบอวกาศยานต้องคำนึงถึงองศาการรับแสงก็สำคัญเพื่อให้แรงดันที่เกิดจากการชนของโฟตอนได้ประสิทธิภาพมากที่สุด ให้เห็นภาพได้ง่ายว่าการชนกันของลูกสนุ๊กเกอร์ ถ้าการเข้าของลูกสีขาวจะกำหนดทิศทางของการเคลื่อนที่ของลูกอื่นๆ ซึ่งโฟตอนชนกับผิวของอวกาศยานในทิศทางตั้งฉากกับผิวจะได้แรงดันที่ดีที่สุดและไปในทิศทางเดียวกัน ซึ่งเราสามารถปรับได้โดยการหมุนพื้นที่รับแสงให้ได้ตั้งฉากกับทิศทางของแสงนั่นเอง |
|
Lightsail 2 ตัวอย่างความท้าทายเชิงวิศวกรรม |
|
อวกาศยาน Lightsail 2 เกิดจากความร่วมมือและระดมทุนจากสมาชิก Planet Society เพื่อที่จะสร้างอวกาศยานที่ใช้แรงดันแสงอาทิตย์ขับเคลื่อนเป็นอวกาศยาน CubeSat ขนาด 3U (10x10x30 ซม.) ติดแผงรับแสงอาทิตย์ขนาด 32 ตารางเมตรในได้ปล่อยออกเข้าสู่วงโคจร เมื่อเดือน กรกฎาคม พ.ศ.2562 ปรากฏว่าสิ่งได้ค้นพบคือรูปแบบวงโคจรที่เขาออกแบบไว้ทั้งที่ความสูง 720 กิโลเมตรเหนือพื้นโลก และความเอียงของระนาบวงโคจร (Inclination) ที่ 24 องศา ทำให้ดาวเทียมนี้โคจรรอบโลก 1 รอบใช้เวลากว่า 100 นาที แต่ทว่าวงโคจรมีช่วงที่โลกบดบังรวมถึงการหมุนเตรียมเข้าหาแสง จะมีเวลารับแสงเต็มที่ในการขับเคลื่อนประมาณ 28 นาที เวลาเล็กน้อยนี้ถือว่าเป็นนาทีทองในแต่ละรอบวงโคจร |
|
ผลที่ได้จากการภารกิจครั้งนั้นจะวัดความเปลี่ยนแปลงของความสูงของดาวเทียมเมื่อกางแผงรับแสงอาทิตย์ออกและบังคับทิศทางเข้าหาแสง เทียบกับตอนที่เก็บแผงเอาไว้ในตัวดาวเทียม ปรากฏว่าได้แค่ช่วยชะลอการลดลงของความเร็วของดาวเทียม ซึ่งเกี่ยวข้องกับการลดลงความสูงในวงโคจรได้ระดับหนึ่ง (จากลดลง 34.5 เมตรต่อวันเป็น 19.9 เมตรต่อวัน) เพราะข้อจำกัดที่ว่าแผงรับแสงอาทิตย์ยังสัมผัสกับชั้นบรรยากาศ ณ ความสูง 720 เมตร ยังสามารถเกิดแรงต้านบรรยากาศ (Atmosphere Drag) อย่างมีนัยยะซึ่งลดประสิทธิภาพของการขับเคลื่อนอย่างชัดเจน แต่ภารกิจนี้นับว่าพิสูจน์แนวคิดสำเร็จ |
|
ความเป็นไปได้ในอนาคต |
|
อนาคตการพัฒนาต่อไปของดาวเทียมนี้มีประโยชน์แก่มนุษยชาติ โดยจะใช้ประโยชน์จากดาวเทียมนี้ในการแจ้งเตือนพายุสุริยะ โดยสัญนิษฐานว่าถ้าออกแบบแผงรับแสงอาทิตย์ได้พื้นที่ 67x67 ตารางเมตร ดาวเทียมจะสามารถเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ได้ในระยะสองเท่าจากโลกไปจุดรากรานจ์ที่ 1 (Lagrange point 1, L1) ของโลกกับดวงอาทิตย์ ซึ่งจุดรากรานจ์ที่ 1 เป็นระยะการโคจรรอบดวงอาทิตย์ที่แรงโน้มถ่วงโลกทำกับอวกาศยานกับ แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์ทำกับอวกาศยานมีค่าเท่ากัน แทนที่การไปถึงระยะวงโคจรรอดวงอาทิตย์นี้ได้ต้องใช้เชื้อเพลิงในปริมาณมหาศาล ซึ่งในจุดนี้จะทำให้ได้รับข้อมูลการแจ้งเตือนพายุสุริยะเป็นสองเท่า และสามารถทำนายได้ล่วงหน้ามากกว่า 2 ชม. เพื่อให้โลกได้เตรียมตัวในการรับมือป้องกันระบบไฟฟ้าของดาวเทียมทั้งหมดที่โคจรรอบโลก รวมถึงระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่ทั่วโลก |
| ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อการออกแบบและพัฒนาวัสดุที่เหมาะสมใช้สร้างแผงรับแสงของดาวเทียมมีน้ำหนักเบาลง บางลงมากๆ พื้นที่รับแสงมากขึ้น และความสามารถในการสะท้อนสูงขึ้น ทำให้อวกาศยานมีประสิทธิภาพมากขึ้น สามารถโคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้น เพื่อทำการขับเคลื่อนจากแรงดันแสงอาทิตย์ที่สูงจากความเข้มข้นของแสงเกิดแรงดันทำให้ความเร็วของวงโคจรมากขึ้น และขนาดวงโคจรใหญ่มากขึ้นจนถึงออกนอกระบบสุริยะได้แทนที่การใช้เชื้อเพลิงจำนวนมาก แต่ในขณะที่แผงรับแสงสามารถทนความร้อนได้ดีมากจากการสะท้อนแสงใช้ในการปกป้องดาวเทียม มีประโยชน์ในการศึกษาดวงอาทิตย์ระยะใกล้มากๆ ด้วยเช่นกัน[6] |
|
แนวคิดทั้งหมดนี้ยังเป็นเพื่องแค่ส่วนหนึ่งของเทคโนโลยีที่นับไม่ถ้วนที่จะเกิดขึ้นในอนาคต เพราะความเพ้อฝันในอดีตของนักวิทยาศาสตร์ประทุไอเดียให้คนรุ่นหลังพิสูจน์ อย่างเช่นเกือบ 70 ปีมาแล้วที่เกิดเรื่องเพ้อฝันในหนังสือเล่มหนึ่ง ต่อมายานมารินา 10 ก็เอาเรื่องนี้มาแก้ปัญหา และ Lightsail 2 ได้สร้างเพื่อทำให้พิสูจน์หลักการการขับเคลื่อนนี้เ ด้วยความสงสัยของนักวิทยาศาสตร์ ทำให้คำถามในเรื่องนี้กระจ่างและพร้อมที่จะต่อยอดเพื่อผลประโยชน์ของมนุษยชาติรวมทั้งก้าวข้ามขีดจำกัดในเรื่องเทคโนโลยีอย่างไม่สิ้นสุด |
|
เพิ่มเติม: [1] https://www.planetary.org/sci-tech/the-story-of-lightsail-part-1 เรียบเรียงโดย: ร.ต.กันต์ จุลทะกาญจน์ |
การขับเคลื่อนด้วยแสงอาทิตย์ อนาคตของการเดินทางในอวกาศ
- รายละเอียด
- หมวดหลัก: กองลาดตระเวนและเฝ้าตรวจทางอวกาศ
- หมวด: บทความเทคโนโลยีอวกาศ