การสำรวจต่างดวงดาวเริ่มเด่นชัดตั้งแต่ปี ค.ศ.1969 ที่มนุษย์ได้เหยียบดวงจันทร์ครั้งแรก นับว่าเป็นจุดเริ่มต้นในการสำหรับต่างดวงดาว การท้าทายการลงจอดบนดาวอังคารที่ต้องใช้เวลานับสิบปีรวมถึงหลายความพยายามกับโอกาสความสำเร็จที่ 40 เปอร์เซ็นต์ เพื่อการค้นหาทรัพยากรและพิสูจน์สิ่งที่พบเห็นจากรูปถ่ายจากโลกและจากอวกาศยานใกล้เคียง กระทั่งมนุษยชาติได้พร้อมที่จะไปไกลกว่าอีกครั้งหนึ่ง คือดวงจันทร์ไททัน ของดาวเสาร์
ภาพที่ 1 ภาพถ่ายดวงจันทร์ไททันจากอวกาศยาน Cassini มีกระแสลม Vortex เมื่อเปลี่ยนฤดูกาล
(เครดิต: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)
ดวงจันทร์ไททันมีลักษณะพิเศษกว่าดวงจันทร์ที่ค้นพบทั้งหมด เพราะเป็นดวงจันทร์เดียวที่มีชั้นบรรยากาศ และหนามากคือ มีความหนาแน่นอากาศมากกว่าโลก 4.4 เท่า โดยขนาดของดวงจันทร์ประมาณครึ่งหนึ่งของโลก และค้นพบพื้นผิวที่เหลวคล้ายมหาสมุทร ซึ่งไม่ใช่น้ำ เพราะในอุณหภูมิพื้นผิวที่ -180 องศาเซลเซียส น้ำไม่สามารถอยู่ในสภาวะของเหลวได้ แต่ทาง Jet Propulsion Laboratory (JPL) ของ NASA สันนิษฐานว่าเป็นมีเทนเหลว ซึ่งเป็นสารไฮโดรคาร์บอนที่มีอยู่ในดาวเคราะห์ก๊าซหลายดวง และปรากฏได้ในสภาวะของแข็ง เหลว และก๊าซ[1] ดังนั้นการได้สำรวจดวงจันทร์ไททันจึงเป็นเป้าหมายของนักวิทยาศาสตร์ทั้งหลายแต่การไปถึงดวงจันทร์ไททันยากยิ่งกว่าการไปดาวอังคาร เนื่องจากระยะห่างจากโลกไปยังดวงจันทร์ไททัน 1.2 ล้านกิโลเมตร
ภาพที่ 2 ภาพประมวลผลจากภาพถ่ายบริเวณพื้นผิว Ligiea Mare ของไททัน เป็นพื้นที่มีของเหลวลำดับ 2 ของไททัน
(เครดิต: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)
แต่ก็มีการสำรวจดวงจันทร์ไททันถึงพื้นผิวแล้วครั้งหนึ่ง โดยในวันที่ 14 ม.ค. 2005 อวกาศยาน Cassini ซึ่งมีหน้าที่สำรวจวงแหวน และชั้นบรรยากาศดาวเสาร์ได้ทำการแยกอวกาศยานขนาดเล็กที่ชื่อ Huygens ออกมาลงจอด ณ ดวงจันทร์ไททัน โดยได้ถ่ายวิดิโอตลอดการลงจอด (วิดิโอการลงจอด) และทำการเก็บข้อมูลบนดาวตั้งแต่การหาช่วงเวลากลางวันกลางคืน ลักษณะทางกายภาพพื้นผิว อุณหภูมิ สารประกอบของเหลวและก๊าซบนดาวด้วยเช่นกัน เป็นเวลา 2 ชม.ครึ่งก่อนที่จะอวกาศยานจะดับตัวลง[2] ทำให้เห็นว่าดวงจันทร์ดวงนับว่าเป็นการลงจอดบนพื้นผิวที่ไกลที่สุดของมนุษยชาติ ซึ่งก็เป็นหนึ่งในภารกิจสำคัญอวกาศยาน Cassini ที่โดยหลังจากนั้น Cassini ก็สำรวจดาวเสาร์และเข้าใกล้จนเสียดสีกับชั้นบรรยากาศและหายไปในปี 2017[3]
ภาพที่ 4 จำลองอวกาศยาน Dragonfly บนดวงจันทร์ไททัน (เครดิต: Johns Hopkins APL)
ต่อมาทาง JPL ของ NASA จึงได้วางแผนสำรวจดวงจันทร์ไททันอีกครั้งในภารกิจ Dragonfly ซึ่งวางแผนการเดินทางในปี 2025 โดยอวกาศยาน Dragonfly จะพัฒนาตามข้อมูลที่ได้จากอวกาศยาน Huygens และอุปกรณ์ Payload ที่ใช้ศึกษาพื้นผิวจะคล้ายกับยาน Curiosity ที่ใช้สำรวจดาวอังคาร โดยจะใช้การขุดเจาะพื้นผิวส่งวัตถุผ่านระบบการขนส่งด้วยลม (Pneumatic Transfer System) ผ่านเข้าสู่เครื่องสแกน Neutron-activated Gamma-ray Spectrometer เพื่อทำการจำแนกสารว่ามีองค์ประกอบทางเคมีอะไรบ้าง มีเครื่องวัดแผ่นดินไหว (Seismometer) วัดความสั่นสะเทือนของพื้นผิวน้ำแข็ง รวมถึงเซนเซอร์อื่นๆ ที่จำเป็นในการอยู่รอดบนดวงจันทร์ไททัน และกล้องที่จะถ่ายภาพกลับสู่โลกเหมือนกับที่ได้ถ่ายภาพดาวอังคาร[4] แต่ยังไม่รวมถึงการบินซึ่งรวมแล้วปัญหาแรกที่ต้องคิดคือพลังงาน
สิ่งแรกที่ต้องคิดคือพลังงานที่ได้จากแสงอาทิตย์น้อยกว่าโลกถึงประมาณ 1000 เท่า[5] หมายความว่าการใช้แผงโซลาร์เซลล์ไม่มีประโยชน์ในการสร้างพลังงานให้ใช้แน่นอน แต่อย่างไรก็ตามทาง JPL ได้เคยทดลองการสร้างพลังงานที่ไม่ต้องใช้แสงอาทิตย์ในดาวอังคารเช่น ยาน Curiosity ได้ใช้สิ่งที่เรียกว่า Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG) ในการสร้างพลังงานโดยใช้หลักการ Seeback Effect
ภาพที่ 5 วงจรการไหลของกระแสไฟฟ้าด้วยหลักการ Seeback Effect (ที่มา: Wikipedia)
Seeback Effect เป็นวิธีการสร้างความต่างศักย์โดยใช้ผลต่างของอุณหภูมิโดยใช้เพื่อให้ประจุไหลจากอุณหภูมิมากไปเย็น จึงเกิดการไหลของกระแสเกิดขึ้น ในอวกาศยานบนดาวอังคารใช้การให้ความร้อนจากการสลายสารกัมมันตภาพรังสี แต่ระบบจัดการสารกัมมันตรังสีต้องมีน้ำหนักที่เบา และมีครึ่งชีวิตที่ยาวนาน เพื่อให้มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน โดยปัจจุบันนิยมใช้ พลูโตเนียม-238 (Pu-238) และ สตรอนเทียม-90 (Sr-90) เป็นสารให้ความร้อน[6] ซึ่งจะให้กำลังไฟ 110W สำหรับอวกาศยาน Curiosity ซึ่ง Dragonfly ทาง JPL ได้ใช้หลักการนี้ที่จะให้พลังงานในภารกิจ Dragonfly แต่สิ่งที่แตกต่างของ Dragonfly คือ ปัจจัยการเดินทางซึ่งต้องใช้ระยะเวลา 8 ปี ทำให้การกัมมันตภาพรังสีสลายตัวไปเรื่อยๆ และต้องให้ความร้อนออกมาสู่อวกาศตลอดเวลาไม่ให้อวกาศยานร้อนเกินไปรวมถึงอุณหภูมิ -180ºc ทำให้คาดการณ์ว่าจะสามารถสร้างกำลังไฟฟ้าได้ 75W[5] ซึ่งมีความหมายมากในการออกแบบ
ภาพที่ 5 พลูโตเนียม-238 ของ NASA ที่ผลิตเพื่อใช้ในการให้ความร้อนของ RTG (เครดิต: NASA)
ภารกิจ Dragonfly จะเหมือนกับอวกาศยานบนดาวอังคาร คือจะทำงานตอนกลางวันและจะสร้างพลังงานตอนกลางคืน ดังนั้นการออกแบบจะต้องสามารเก็บประจุให้ได้ครบตลอดทั้งคืน 1 คืนของดวงจันทร์ไททันจะเฉลี่ยที่ 192 ชม. ซึ่งนำมาคูณกับกำลังไฟฟ้าที่คาดว่าจะสร้างได้ จะได้ความจุที่ 14.4 kWh เทียบกับแบตเตอรีที่ใช้ในรถยนต์ปลั๊กอินไฮบริด (Plug-in Hybrid) ในรถยนต์ปี 2020 ดังนั้นเทียบกับขนาดแบตเตอรี่ Li-ion ที่มีค่าความจุต่อหนึ่งหน่วยกิโลกรัมที่ 100 Wh/kg จะได้น้ำหนักแบตเตอรี่ที่ 144 kg ถ้าทาง JPL ได้คัดเลือกแบตเตอรี่ใหม่ในอนาคต จะสามารถลดน้ำหนักนี้ได้ ซึ่งแบตเตอรี่นี้จะมีส่วนในการบินของอวกาศยาน[5]
การบินของ Dragonfly ที่ต้องแบกรับ Payload ทุกอย่างที่รับมา ใช้การออกแบบเดียวกับ Quad drone ซึ่งจะใช้ปีกหมุน 4 คู่ในการบังคับทิศทาง ซึ่งมีความเสถียรกว่าเฮลิคอบเตอร์ ซึ่งมีปีกหมุนคู่เดียวใช้ความเร็วการหมุนคงที่ แต่ Quad drone จะปรับความเร็วของปีกหมุนแต่ละคู่ ทำให้เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ได้ และสามารถทำให้อยู่ในระดับได้ง่าย แต่ความท้าทายของภารกิจนี้คือ การออกแบบทางอากาศพลหศาสตร์ (Aerodynamics)
ภาพที่ 6 Quad drone (ที่มา: Oscar Liang)
การออกแบบทางอากาศพลหศาสตร์ จะอาศัยการคำนวณค่า Reynolds number ซึ่งมีความสำคัญในการบ่งบอกคุณภาพของความสามารถการเกิดการไหลแบบ Laminar หรือ แบบ Turbulence (เพิ่มเติม) ซึ่งมีผลต่อการสร้างแรงยก (Lift) ของการบินอย่างยิ่ง สามารถอธิบายจากสมการการไหลของอากาศผ่านท่อได้
ภาพที่ 7 การไหลของอากาศระหว่าง Luminar flow กับ Turbulent flow กับค่า Reynolds number (เครดิต: nuclear-power.net)
ชั้นบรรยากาศของดวงจันทร์ไททันมีความท้าทายอย่างยิ่งที่อุณหภูมิ -188ºc จะมีค่าความหนืด (Viscosity) ของอากาศต่ำ และความหนาแน่นอากาศสูง (5×10-6 Pa) ทำให้ยานลำนี้ต้องทำการบินด้วย Reynolds number ที่สูงกว่าโลกมาก ดังนั้นการออกแบบเพื่อให้ค่า Reynolds number ที่เหมาะสม ต้องเพิ่มขนาดของปีกหมุนเพื่อเพิ่มพื้นที่ในการรับกระแสอากาศและ/หรือ เพิ่มความเร็วการหมุนของปีก ปีกที่ออกแบบไว้ขนาดใบละ 1 เมตร แสดงว่าต้องมีขนาดของมอเตอร์และขนาดของ Dragonfly จึงใหญ่ตามขนาดของปีก[5]
แต่อีกประการหนึ่งคือความเร็วของการหมุนมีข้อจำกัดอย่างมาก ในอุณหภูมิที่ต่ำขนาดนั้นจะมีความเร็วเสียง 194 เมตรต่อวินาที (เทียบกับโลกที่ 340 เมตรต่อวินาที) [5] ซึ่งมีผลเมื่อปีกหมุนความเร็วเข้าสู่ย่านความเร็วเหนือเสียง (Supersonic) จะทำให้เกิดคลื่นกระแทกที่ตัวปีก ซึ่งความเร็วที่เกิดขึ้นขึ้นกับอากาศยานก่อนคือ ความเร็วเมื่อปลายปีกหมุน (Wing Tip) ตามการเคลื่อนที่เชิงมุม กล่าวคือเมื่อเกิดการหมุนความเร็วหนึ่ง ความเร็ว ณ แต่ละจุดที่หมุนจะแตกต่างกัน ยิ่งไกลจากจุดศูนย์กลางยิ่งมีความเร็ว ณ จุดนั้นมากขึ้น (อ่านเพิ่มเติม) ทำให้เกิดความเสียหายต่อปีกได้ และจะมีการซ่อมแซมในระยะที่ห่างจากโลกมากๆ ไม่มีทางเป็นไปได้ง่ายแน่นอน
ภาพที่ 8 การเข้าสู่ย่านความเร็วเหนือเสียง (Supersonic) ของเครื่องบินซึ่งเกิดการกระแทกของอากาศยานกับคลื่นที่กระแทกเข้ามา
(ที่มา: Wikipedia)
แต่สิ่งที่ Dragonfly ได้เปรียบคือ แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ไททันน้อยกว่าโลก 7 เท่า แสดงว่าการที่จะสร้างแรงยกตัวของอวกาศยานจะต้องใช้ลดลง 7 เท่า หมายความว่าการใช้พลังงานในการเดินทางจะน้อยกว่า ซึ่งยิ่งไปกว่านั้น ทาง JPL ได้คำนวณการเดินทางจากแบตเตอรี่และน้ำหนักของ Dragonfly สามารถได้ถึง 60 กม. ใน 1 เที่ยวบิน[5] เทียบกับอวกาศยาน Curiosity ที่ใช้เวลานับเกือบสิบปีเดินทางได้เพียง 25 กิโลเมตรถือว่าคุ้มค่าในมุมมองของปริมาณ
ภาพที่ 8 เส้นทางของ Curiosity rover ตั้งแต่ปี 2012 ถึงปี 2021 ได้ระยะทาง 25 กม. (Sol 3088) (เครดิต: NASA)
ยุคการสำรวจอวกาศจะสามารถเป็นไปได้อย่างรวดเร็วเนื่องจากเทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นด้วยความอยู่รอดของภารกิจในสภาวะ อยากรู้อยากเห็นของมนุษย์ และการตั้งคำถามในสิ่งที่อยู่รอบตัวหรือสิ่งที่สงสัย ทำให้เทคโนโลยีนี้ได้พัฒนาขึ้นและก้าวข้ามขีดจำกัดหรือตัวเลขเดิมๆ จากสิ่งที่ไม่คาดฝันของมนุษย์ตั้งแต่การบินเมื่อเพียง 100 กว่าปีที่แล้วเหนือพื้นโลก จนไปถึงการบินต่างดวงดาวไกลจากมนุษย์นับนาทีแสง ซึ่งเป็นความน่าเหลือเชื่อและการสร้างประวัติศาสตร์ใหม่ในมนุษยชาติที่จะเกิดขึ้นเร็วๆ นี้
เรียบเรียงโดย: ร.ต.กันต์ จุลทะกาญจน์
อ้างอิง:
[1] https://www.space.com/7103-titan-world-earth.html
[2] https://www.space.com/38153-cassini-huygens-saturn-mission-titan.html
[3] https://www.nytimes.com/2017/09/14/science/cassini-grand-finale-saturn.html
[4] https://dragonfly.jhuapl.edu/News-and-Resources/news/20190109.php
[5] https://dragonfly.jhuapl.edu/News-and-Resources/docs/34_03-Lorenz.pdf
