“เทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำ” คือหนึ่งใน “เทคโนโลยี” ที่ปฏิวัติโลก ซึ่งทุกวันเราสามารถพบ “สารกึ่งตัวนำ” (Semiconductor) ได้ในแทบทุกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องมือวัดสนามแม่เหล็กของ “ยานอวกาศ” คืออีกหนึ่งในเครื่องมือที่กำลังถูกปฏิวัติโดยเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำ ซึ่งจะทำให้อุปกรณ์ตรวจวัดนี้เล็กลงและแม่นยำมากขึ้น พร้อมสำหรับภารกิจใหม่ ๆ ในอนาคต

สนามแม่เหล็กสามารถพบได้ในทุกพื้นที่และเป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่ใช้ในการทำความเข้าใจดาวเคราะห์และดาวฤกษ์ต่าง ๆ เครื่องมือวัดสนามแม่เหล็กจึงถูกติดตั้งบนยานอวกาศแทบทุกลำที่ออกเดินทางไปสำรวจดาวเคราะห์และดวงจันทร์ดวงต่าง ๆ เพื่อศึกษาพลวัตของดาวเคราะห์ การตรวจวัดความเค็มของน้ำทะเลบนโลก จนไปถึงศึกษามหาสมุทรใต้ดวงจันทร์น้ำแข็ง

ภาพถ่ายชิป SiCMag ที่มีขนาดเล็กจิ๋ว เทียบกับบรรจุภัณฑ์ที่พันด้วยขดลวดทองแดงและขนาดของเหรียญหนึ่งเพนนี

ฟลักซ์เกต (Fluxgate) คือเครื่องมือวัดสนามแม่เหล็กที่ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับยานสำรวจอวกาศ เนื่องจากเป็นอุปกรณ์ที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพสูง เชื่อถือได้ อย่างไรก็ตามน้ำหนัก ขนาด รูปทรง และพลังงานไฟฟ้าที่มันต้องใช้ อาจจะไม่เหมาะสมกับแพลตฟอร์มของยานหรือดาวเทียมขนาดเล็กอย่าง CubeSat นอกจากนี้จำนวนของอุปกรณ์ตรวจวัด (Sensor) และระบบไฟฟ้าภายในยานก็ส่งผลต่อผลลัพธ์ของข้อมูลที่ได้จากเครื่องมือ ยานอวกาศที่ออกไปสำรวจอวกาศลึกหลาย ๆ ลำจึงมีการติดตั้งฟลักซ์เกตบนเสาที่ยื่นออกไปห่างจากตัวยานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อป้องกันสัญญาณสนามแม่เหล็กที่รบกวนจากสายไฟฟ้าและอุปกรณ์ตรวจวัดของยานอวกาศ เช่น ยานวอยเอเจอร์ (Voyager) มีแขนที่ติดตั้งเครื่องมือวัดสนามแม่เหล็กที่ยื่นออกห่างจากตัวยานถึง 13 เมตร อีกทั้งข้อมูลที่ได้จากฟลักซ์เกตยังไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์ นั่นแปลว่าจะต้องมีการเปรียบเทียบค่าที่ได้กับพื้นที่โดยรอบเพื่อให้ได้ค่าที่สัมบูรณ์ของพื้นที่นั้น ๆ ซึ่งใช้ระยะเวลาและทรัพยากรสำหรับการเทียบค่าเหล่านี้เป็นอย่างมาก

ทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการเครื่องยนต์ไอพ่น (Jet Propulsion Laboratory หรือ JPL) และศูนย์วิจัยเกลนน์ (Glenn Research Center) ของ NASA ได้สร้างต้นแบบเครื่องมือวัดสนามแม่เหล็กชนิดใหม่ที่เรียกว่า เครื่องวัดสนามแม่เหล็กที่ทำมาจากซิลิคอนคาร์ไบด์ หรือ Silicon Carbide Magnetometer (SiCMag) ซึ่งอาจปฏิวัติวิธีการวัดสนามแม่เหล็กสำหรับยานอวกาศในอนาคต

SiCMag ใช้อุปกรณ์ตรวจวัดประเภทซอลิดสเตต (Solid State) ที่ทำมาซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ภายในของชิ้นอุปกรณ์ตรวจวัดมีการทำให้เกิดข้อบกพร่องในระดับควอนตัมที่ก่อให้เกิดปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงสภาพความต้านทานไฟฟ้าเมื่อสารนั้นอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็ก (Magnetoresistance) หมายถึงว่า ความเข้มและทิศทางของสนามแม่เหล็กจะทำให้ตัวตรวจวัดมีค่าความต้านทานไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไป การตรวจจับการเปลี่ยนแปลงระดับกระแสไฟฟ้าภายในตัวตรวจวัดจึงสะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงความเข้มและทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอกตัวอุปกรณ์ได้

เทคโนโลยีใหม่นี้มีศักยภาพที่จะตรวจวัดความเข้มของสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงในระดับที่เล็กและละเอียดอ่อนมาก ๆ ได้ และยังทนทานต่อพื้นที่ที่มีสนามแม่เหล็กที่เข้มข้นและรุนแรงได้อีกด้วย ด้วยขนาดที่เล็กลงแต่สามารถทำงานในพื้นที่ที่ทนทานได้นั้น มันหมายถึงความสามารถในการทำงานในสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายได้ดียิ่งขึ้น เช่น การติดตั้งไว้บนหุ่นยนต์สำรวจพื้นผิวดาวศุกร์ที่มีอุณหภูมิร้อนจัดถึง 460 องศาเซลเซียส

ภาพถ่าย SiCMag เครื่องมือวัดความเข้มสนามแม่เหล็กขนาดเล็กที่ถูกพัฒนาโดย NASA ซึ่งมีขนาดที่เล็กกว่าเหรียญหนึ่งเพนนี

SiCMag มีขนาดที่เล็กมาก มันมีขนาดเพียงแค่ 0.1 x 0.1 มิลลิเมตร และเมื่อนำมาติดตั้งบนบรรจุภัณฑ์ที่สร้างขึ้นเพื่อต่อต้านสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจากภายในยาน มันก็ยังมีขนาดที่เล็กมากกว่าขนาดของเหรียญหนึ่งเพนนีของสหรัฐอเมริกาเสียอีก ดังนั้นเราจึงสามารถติดตั้งเซนเซอร์ตัวนี้ในยานอวกาศเป็นจำนวนมากเพื่อเป็นการเทียบค่าสนามแม่เหล็กที่ปลดปล่อยออกมาจากตัวยาน แทนการติดตั้งไว้ให้ห่างจากตัวยานเหมือนดังเดิม

SiCMag มีข้อดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์วัดสนามแม่เหล็กแบบเดิม ๆ มันสามารถติดตั้งไว้บน CubeSat ได้ นั่นหมายถึงอาจจะมีภารกิจที่ออกแบบใช้ CubeSat หลายดวงมาสำรวจสนามแม่เหล็กของโลกหรือดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ต่างพื้นที่ในเวลาที่พร้อมเพรียงกันได้อย่างง่ายดาย แตกต่างจากการใช้ยานอวกาศขนาดใหญ่เพียงลำเดียวที่ไม่สามารถเก็บข้อมูลครอบคลุมทุกพื้นที่ในแต่ละช่วงเวลา

อีกทั้งตัว SiCMag ก็สามารถที่จะตรวจจับสนามแม่เหล็กและมอบค่าสัมบูรณ์ของความเข้มสนามแม่เหล็กได้อีกด้วย นั่นทำให้ SiCMag เป็นอีกหนึ่งเครื่องมือตรวจวัดสนามแม่เหล็กที่ใช้คุณสมบัติสปินของอิเล็กตรอนที่เป็นสมบัติด้านควอนตัมมาร่วมกับเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำทำให้เกิดเครื่องมือวัดสนามแม่เหล็กที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์และสามารถนำมาทำงานกับยานอวกาศในการสำรวจอวกาศลึกได้อีกด้วย นับว่าเป็นอีกหนึ่งความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ของวงการอวกาศที่สำคัญอย่างยิ่ง

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล
พิสูจน์อักษร ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์

🎧 อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล : NASA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

เล็กลงและดีขึ้น เครื่องวัดสนามแม่เหล็กจาก “เทคโนโลยีควอนตัมเซมิคอนดักเตอร์” ของ NASA