นึกภาพยานอวกาศกำลังเดินทางไปสำรวจยังดวงดาวที่ห่างไกลหลายปีแสง แต่กลับถูกสะเก็ดหินเล็ก ๆ เพียงหนึ่งก้อนพุ่งชนจนตัวยานพังเสียหาย ซึ่งแม้จะออกแบบยานอวกาศให้แข็งแรงหรือทนทานมากแค่ไหนก็ยากต่อการที่จะปกป้องยานจากความเสียหายนี้ ดังนั้นจะดีกว่าไหมหากยานอวกาศสามารถซ่อมแซมตัวเองได้ตั้งแต่ต้น

ปัญหาของสะเก็ดหินชนกับยานอวกาศพบเจอได้บ่อยในโครงการอวกาศ หนึ่งในเหตุการณ์สำคัญคือ กระจกของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์เสียหายจากโดนสะเก็ดหินขนาดเล็กในอวกาศพุ่งชน แม้ตัวกระจกจะได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ทนทานต่อการโดนสะเก็ดขนาดเล็กเหล่านี้พุ่งชนเป็นอย่างดี แต่ว่าร่องรอยความเสียหายนั้นก็ฝังเข้าไปในเนื้อวัสดุกระจกแล้ว

ภาพโครงสร้างของวัสดุ Cassandra ที่มีทั้งสายใยแก้วนำแสง เซนเซอร์และท่อสร้างความร้อนอยู่ภายในตัววัสดุเพื่อทำหน้าที่ในการซ่อมแซมพื้นผิวหากเกิดความเสียหายได้โดยทันที ภาพจาก ESA

แน่นอนว่าหากพื้นผิวยานอวกาศสามารถซ่อมแซมตัวเองได้ อายุการใช้งานก็จะเพิ่มขึ้นและลดต้นทุนของโครงการยานอวกาศได้อีกด้วย ทางองค์การอวกาศยุโรป (European Space Agency หรือ ESA) จึงริเริ่มโครงการศึกษาด้านวัสดุศาสตร์ร่วมกับบริษัท CompPair และ CSEM จากประเทศสวิตเซอร์แลนด์ และบริษัท Com&Sens จากประเทศเบลเยียม เพื่อปรับปรุงผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ที่ซ่อมแซมตัวเองได้สำหรับการใช้งานในการขนส่งอวกาศ ภายใต้ชื่อโครงการ Cassandra ซึ่งย่อมาจาก Composite Autonomous SenSing AnD RepAir (ระบบตรวจจับและซ่อมแซมวัสดุคอมโพสิตอัตโนมัติ)

วัสดุคอมโพสิตอย่างพอลิเมอร์เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ กำลังมีการนำมาใช้ในโครงสร้างยานอวกาศมากขึ้นเรื่อย ๆ วัสดุเหล่านี้ประกอบด้วยเมทริกซ์พอลิเมอร์ (polymer matrix) เสริมแรงด้วยชั้นของคาร์บอนไฟเบอร์หรือใยแก้ว ทำให้ได้วัสดุที่แข็งแรง น้ำหนักเบา และทนต่อการกัดกร่อน อย่างไรก็ตาม วัสดุคอมโพสิตก็มีความอ่อนไหวต่อความเสียหายเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากต้องเดินทางขึ้นไปในอวกาศและกลับลงมาซ้ำ ๆ รอยแตกเล็ก ๆ อาจลุกลามใหญ่โตได้เมื่อเวลาผ่านไป เช่น วัสดุที่ใช้ทำเกราะกันความร้อนของกระสวยอวกาศที่เป็นแผ่นเซรามิกคอมโพสิต การซ่อมแซมวัสดุเหล่านี้มีราคาแพงและใช้เวลานาน และอาจทำให้โครงสร้างแข็งแรงน้อยลง

ดังนั้นทีมวิจัยจึงนำข้อดีของวัสดุคอมโพสิตมาเสริมความสามารถด้วยการให้ความร้อนแบบเฉพาะจุดและนำระบบเซนเซอร์แสงพร้อมสายใยแก้วฝังเข้าไปในเนื้อของวัสดุคอมโพสิต จนเกิดเป็นแผ่นวัสดุที่สามารถตรวจจับตำแหน่งความเสียหายได้ เมื่อเกิดการกระทบกระแทก ใยแก้วนำแสงจะระบุตำแหน่งระบุตำแหน่งที่เสียหายด้วยระบบคอมพิวเตอร์ จากนั้นระบบจะเริ่มส่งความร้อนผ่านท่อซึ่งฝังอยู่เฉพาะจุดที่เสียหาย โดยที่มีตะแกรงอะลูมิเนียมพิมพ์สามมิติภายในเนื้อวัสดุเป็นตัวกระจายความร้อน เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 100–140°C เรซินด้านในจะละลายออกมาประสานรอยแตก เพื่อหยุดยั้งไม่ให้ความเสียหายลุกลาม

จากการทดสอบความเสียหายของพื้นผิวตั้งแต่ 2x10 เซนติเมตร ถึง 40x40 เซนติเมตรพบว่า วัสดุผ่านการทดสอบตั้งแต่ประสิทธิภาพในการตรวจสอบความเสียหาย การให้ความร้อนที่สม่ำเสมอ ความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง และการทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันเพื่อตรวจสอบการตอบสนองของวัสดุต่อสภาวะทั่วไปของถังแช่แข็ง

เป้าหมายหลักของการใช้วัสดุประเภทนี้ในปัจจุบันจะเน้นที่จรวดที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ (reusable launchers) และถังเชื้อเพลิงความเย็นจัด (cryogenic fuel tanks) เพราะวัสดุเหล่านี้มักเกิดรอยร้าวเล็ก ๆ (micro-cracking) ได้ง่ายจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่รุนแรง

ภาพของวัสดุรูปแบบใหม่ที่ ESA ทำการทดลองเพื่อหวังนำมาใช้เป็นวัสดุที่ซ่อมแซมตัวเองได้ของยานอวกาศ ภาพจาก ESA

ทาง ESA เชื่อว่าแผ่นโครงสร้างเหล่านี้จะเปิดโอกาสใหม่ในการสำรวจอวกาศให้ไปได้ไกลขึ้นและก่อให้เกิดประโยชน์มหาศาลกับภาคอุตสาหกรรมอวกาศ การขนส่งอวกาศ ช่วยพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานอวกาศที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ และลดต้นทุนภารกิจ ช่วยให้อุตสาหกรรมอวกาศของยุโรปสามารถแข่งขันทัดเทียมกับอุตสาหกรรมของชาติอื่น ๆ ได้

การมาถึงของเทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิตที่ซ่อมแซมตัวเองได้ภายใต้โครงการ Cassandra ของ ESA ไม่ใช่เพียงแค่ก้าวสำคัญของการพัฒนาวัสดุศาสตร์ แต่มันคือการเปลี่ยนวิธีการคิดในการสำรวจอวกาศ จากเดิมที่เราต้องออกแบบยานให้เป็นสิ่งที่แข็งแกร่งที่สุดที่ทนทานต่อทุกสภาพในอวกาศเพื่อรอวันเสื่อมสภาพ เป็นการออกแบบให้ยานมีระบบซ่อมแซมตัวเองได้ อันนับว่าเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าที่สำคัญมาก

หากเทคโนโลยีนี้มีการนำมาใช้อย่างเต็มตัว ขยะอวกาศจากชิ้นส่วนที่ใช้งานไม่ได้ จะลดลงอย่างมหาศาล และที่สำคัญคือการปลดล็อกความเป็นไปได้ในการเดินทางข้ามดวงดาวยาวนานหลายสิบปีซึ่งมนุษย์ไม่สามารถส่งช่างเทคนิคไปซ่อมแซมความเสียหายหน้างานได้

และท้ายที่สุด ความก้าวหน้านี้จะกลายเป็นหนึ่งในกุญแจสำคัญที่จะพาเราไปได้ไกลกว่าดวงจันทร์หรือดาวอังคาร เพราะทุกวัสดุบนโลกใบนี้ต้องมีพื้นผิวหากเราสามารถรักษาสภาพของพื้นผิวได้ด้วยวิธีที่ชาญฉลาดมากเพียงพอ เราจะสามารถเดินทางไปได้ไกลมากยิ่งขึ้นโดยที่ไม่ต้องกังวลเรื่องความเสียหายของวัสดุดังเช่นในอดีต

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

ที่มาข้อมูล : ESA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

โครงสร้างยานอวกาศที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้อาจจะใกล้ความเป็นจริงแล้ว