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

การเดินทางกลับโลกของลูกเรือ Artemis II จะสิ้นสุดลงด้วยการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกด้วยความเร็วเหนือเสียง และอุณหภูมิสูงมาก ซึ่งการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศนี้ เป็นความท้าทายสุดท้ายที่ลูกเรือจะต้องเผชิญในภารกิจอันยิ่งใหญ่ เพราะมาพร้อมกับอันตรายมากมาย แต่ยานอวกาศของพวกเขาก็มีเทคโนโลยีมากมายที่จะช่วยให้ลูกเรือปลอดภัยได้

ภาพยานอวกาศ Hayabusa ของ JAXA กำลังกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลกเมื่อวันที่ 13 มิถุนายน 2553 โดยมีตัวยานอวกาศกำลังลุกไหม้อยู่ด้านหลัง ภาพจาก NASA

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

แคปซูลยานอวกาศกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก ภาพจาก NASA

การกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศที่ร้อนจัดของลูกเรือ Artemis II

แคปซูลโอไรออนจะกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศด้วยความเร็วมากกว่า 30 เท่าของความเร็วเสียง โดยคลื่นกระแทกจะโอบล้อมยานอวกาศ ทำให้เกิดอุณหภูมิอากาศสูงถึง 10,000 องศาเซลเซียสหรือมากกว่านั้น ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิพื้นผิวของดวงอาทิตย์ประมาณสองเท่า

ความร้อนจัดจะเปลี่ยนอากาศที่พัดผ่านคลื่นกระแทกให้กลายเป็นพลาสมาที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งจะปิดกั้นสัญญาณวิทยุชั่วคราว ทำให้เหล่านักบินอวกาศไม่สามารถสื่อสารกันได้ในช่วงที่สภาพอากาศเลวร้ายที่สุดของการลงจอด

แผ่นกันความร้อนของยานอวกาศโอไรออนของนาซา หลังภารกิจอาร์ทิมิส 1 ภาพจาก NASA

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

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

ลูกเรือ Artemis II รอดได้อย่างไร? เมื่อเผชิญ 3,000 องศาฯ ตอนกลับเข้าชั้นบรรยากาศโลก