ลูกเรือ Artemis II รอดได้อย่างไร? เมื่อเผชิญ 3,000 องศาฯ ตอนกลับเข้าชั้นบรรยากาศโลก

หลังจากเสร็จสิ้นภารกิจสำรวจดวงจันทร์อย่างประสบความสำเร็จ ลูกเรือ Artemis II เดินทางกลับถึงโลกโดยสวัสดิภาพ ซึ่งกว่าจะถึงพื้นโลกมีเรื่องน่าสนใจคือ พวกเขามีชีวิตรอดได้อย่างไร เมื่อต้องเผชิญกับอุณหภูมิสูงถึง 3,000 องศาเซลเซียส ระหว่างกลับเข้าชั้นบรรยากาศโลก เราพาไปหาคำตอบ

การเดินทางกลับโลกของลูกเรือ Artemis II จะสิ้นสุดลงด้วยการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกด้วยความเร็วเหนือเสียง และอุณหภูมิสูงมาก ซึ่งการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศนี้ เป็นความท้าทายสุดท้ายที่ลูกเรือจะต้องเผชิญในภารกิจอันยิ่งใหญ่ เพราะมาพร้อมกับอันตรายมากมาย แต่ยานอวกาศของพวกเขาก็มีเทคโนโลยีมากมายที่จะช่วยให้ลูกเรือปลอดภัยได้

ลูกเรือ Artemis II ต้องกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศด้วยความเร็วเหนือเสียง

แคปซูลโอไรออนที่บรรทุกนักบินอวกาศ Artemis II จะเดินทางด้วยความเร็วมากกว่า 11 กิโลเมตรต่อวินาที (40,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) เมื่อเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก ซึ่งเร็วกว่าเครื่องบินโดยสารถึง 40 เท่า

หากพิจารณาพลังงานจลน์ (Kinetic Energy พลังงานที่มีอยู่ในวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่และเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นจูล พลังงานจลน์จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับอัตราเร็วและมวลในการเคลื่อนที่ของวัตถุ ทั้งนี้วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ทุกชนิดจะมีพลังงานจลน์) ซึ่งเป็นพลังงานที่วัตถุมีอยู่เนื่องจากการเคลื่อนที่ของมัน เมื่อแคปซูลโอไรออนกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก มันจะมีพลังงานจลน์ต่อกิโลกรัมของตัวยานมากกว่าเครื่องบินโดยสารถึงเกือบ 2,000 เท่า

เช่นเดียวกับยานอวกาศทุกลำที่เดินทางกลับโลก ยานลำนี้จะต้องลดความเร็วและลดพลังงานจลน์ลงจนเกือบเป็นศูนย์ เพื่อให้ร่มชูชีพสามารถกางออกและลงจอดบนโลกได้อย่างปลอดภัย

ยานอวกาศลดพลังงานจลน์ของตนเองโดยการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศชั้นบนของโลกอย่างควบคุมได้ โดยใช้แรงต้านอากาศพลศาสตร์กับชั้นบรรยากาศเป็นเบรกเพื่อลดความเร็ว

ต่างจากเครื่องบิน ซึ่งโดยทั่วไปได้รับการออกแบบให้มีรูปทรงตามหลักอากาศพลศาสตร์ และลดแรงต้านให้น้อยที่สุดเพื่อลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง ยานอวกาศที่กลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกกลับทำในสิ่งที่ตรงกันข้าม พวกมันถูกออกแบบมาให้มีรูปทรงที่ไม่ตามหลักอากาศพลศาสตร์มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อเพิ่มแรงต้านและช่วยให้พวกมันชะลอความเร็วลง

การลดความเร็วอย่างกะทันหันระหว่างการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกนั้นอาจรุนแรงมาก โดยทั่วไปแล้ว การลดความเร็วและการเร่งความเร็วจะถูกกล่าวถึงในหน่วยแรงจี (G-force) ซึ่งก็คือแรงลดความเร็วหรือแรงเร่งความเร็วหารด้วยแรงเร่งความเร็วมาตรฐาน ที่เราทุกคนรู้สึกได้จากแรงโน้มถ่วงของโลก นักแข่งรถฟอร์มูล่าวันจะประสบกับแรงจีมากกว่า 5 จี ขณะเข้าโค้ง ซึ่งใกล้เคียงกับแรงจีสูงสุดที่มนุษย์สามารถทนได้โดยไม่หมดสติ

แคปซูลนำส่งอวกาศขนาดเล็กไร้คนขับ เช่นแคปซูล OSIRIS-REx ของ NASAที่นำตัวอย่างจากดาวเคราะห์น้อยเบนนู พุ่งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศและลดความเร็วอย่างรวดเร็ว การเข้าสู่ชั้นบรรยากาศเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ใช้เวลาน้อยกว่าหนึ่งนาที แต่แรงโน้มถ่วงในกรณีนั้นอาจสูงถึง 100 ซึ่งเหมาะสมสำหรับยานยนต์ไร้คนขับ แต่ไม่เหมาะสำหรับมนุษย์

ยานอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุม เช่น แคปซูลโอไรออนของนาซา ใช้แรงยกเพื่อชะลอการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศให้ช้าลง ซึ่งจะช่วยลดแรงโน้มถ่วง (G-force) ลงให้อยู่ในระดับที่มนุษย์สามารถทนได้ และทำให้การกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที

การกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศที่ร้อนจัดของลูกเรือ Artemis II

แคปซูลโอไรออนจะกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศด้วยความเร็วมากกว่า 30 เท่าของความเร็วเสียง โดยคลื่นกระแทกจะโอบล้อมยานอวกาศ ทำให้เกิดอุณหภูมิอากาศสูงถึง 10,000 องศาเซลเซียสหรือมากกว่านั้น ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิพื้นผิวของดวงอาทิตย์ประมาณสองเท่า

ความร้อนจัดจะเปลี่ยนอากาศที่พัดผ่านคลื่นกระแทกให้กลายเป็นพลาสมาที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งจะปิดกั้นสัญญาณวิทยุชั่วคราว ทำให้เหล่านักบินอวกาศไม่สามารถสื่อสารกันได้ในช่วงที่สภาพอากาศเลวร้ายที่สุดของการลงจอด

การทำให้แน่ใจว่า ลูกเรือ Artemis II จะกลับถึงพื้นโลกอย่างปลอดภัย

ยานอวกาศสามารถเอาตัวรอดจากสภาพแวดล้อมการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศที่รุนแรงอย่างยิ่ง ได้ด้วยการออกแบบวิถีโคจรอย่างระมัดระวัง เพื่อลดความร้อนให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยยานลำนี้ยังมีระบบป้องกันความร้อนด้วย โดยเป็นเหมือนผ้าห่มฉนวนที่ช่วยปกป้องยานอวกาศและลูกเรือหรือสัมภาระ จากกระแสลมความเร็วเหนือเสียงที่รุนแรงภายนอก

ระบบป้องกันความร้อนได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะ สำหรับยานพาหนะและภารกิจของมัน วัสดุที่ทนความร้อนได้มากกว่าจะถูกนำมาใช้กับพื้นผิวที่คาดว่าจะมีสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุด และความหนาก็ได้รับการปรับแต่งอย่างแม่นยำเช่นกัน

วัสดุเหล่านี้ถูกออกแบบมาให้เรืองแสงสีแดงจัด และเสื่อมสภาพลงระหว่างการเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ แต่พวกมันจะยังคงอยู่ได้ นอกจากนี้ การเรืองแสงสีแดงจัดยังแผ่ความร้อนกลับออกไปสู่ชั้นบรรยากาศแทนที่จะปล่อยให้ความร้อนถูกดูดซับโดยยานอวกาศ

การออกแบบที่แม่นยำนี้เองที่ทำให้ยานของลูกเรือ Artemis II สามารถเคลื่อนที่ผ่านอากาศที่อุณหภูมิ 10,000 องศาเซลเซียสได้ ในขณะที่รักษาอุณหภูมิพื้นผิวแผ่นกันความร้อนสูงสุดไว้ที่ประมาณ 3,000 องศาเซลเซียสเท่านั้น

ยานอวกาศส่วนใหญ่ได้รับการปกป้องด้วยวัสดุที่เรียกว่าสารทนไฟ ซึ่งโดยทั่วไปทำจากเส้นใยคาร์บอนและกาวชนิดหนึ่งที่เรียกว่าฟีนอลิกเรซิน (Phenolic Resin)

แผ่นกันความร้อนแบบดูดซับพลังงานเหล่านี้จะดูดซับพลังงานและฉีดก๊าซที่มีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำเข้าไปในกระแสลมตามพื้นผิวของยานพาหนะ ช่วยลดอุณหภูมิของทุกส่วนลง

วัสดุที่ใช้ทำแผ่นกันความร้อนแบบระเหยได้ในแคปซูลโอไรออนเรียกว่า AVCOAT ซึ่งเป็นวัสดุชนิดเดียวกับที่ใช้ปกป้องแคปซูลอพอลโลเมื่อเดินทางกลับจากดวงจันทร์ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 และต้นทศวรรษ 1970

เป็นเรื่องน่าทึ่ง ที่ได้เห็นสิ่งที่นาซาและนักบินอวกาศทำในภารกิจนี้ได้เป็นผลสำเร็จ ถึงพื้นโลกอย่างปลอดภัย

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

ที่มาข้อมูล : theconversation

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech