กราฟีนและเลเซอร์ กับการต่อยอดระบบขับดัน “ยานอวกาศ” ด้วยเลเซอร์

เรือใบสุริยะคือหนึ่งในความหวังใหม่ของมนุษยชาติในการส่งยานอวกาศเดินทางข้ามดวงดาวในช่วงชีวิตของเรา แต่การจะสร้างยานอวกาศน้ำหนักเบาขนาดเล็กที่ขับดันด้วยแสงไม่ใช่เรื่องที่ง่าย เร็ว ๆ นี้ ESA ได้ทดลองใช้เลเซอร์ผลักดันกราฟีนในสภาวะไร้น้ำหนัก และดูเหมือนว่าผลลัพธ์ของการทดลองจะมีแนวโน้มที่ดีกว่าที่คาดไว้

แสงคือหนึ่งในสิ่งที่ประหลาด มันไม่มีมวล แต่กลับมีโมเมนตัม เมื่อแสงชนเข้ากับวัตถุ มันจะไปเปลี่ยนโมเมนตัมของวัตถุนั้น ๆ ได้ นักวิทยาศาสตร์สังเกตปรากฏการณ์นี้มาอย่างยาวนาน ไม่ว่าจะเป็นจากก้อนดาวเคราะห์น้อยที่เปลี่ยนแปลงทิศทางวงโคจรจากแรงดันแสงดวงอาทิตย์ หรือขยะอวกาศที่ลอยคว้างมีทิศทางการเคลื่อนที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อสัมผัสกับแสงอาทิตย์ ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นเพราะแสงจากดวงอาทิตย์เปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของวัตถุต่าง ๆ ในอวกาศได้จริง

ในเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์จึงได้นำองค์ความรู้เกี่ยวกับแรงดันดวงอาทิตย์ (solar radiation pressure) มาใช้ในการขับเคลื่อนยานอวกาศ ยานอิคารอส (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun หรือ IKAROS) ของญี่ปุ่นได้ใช้การโต้แสงจากดวงอาทิตย์ในการเดินทางไปยังดาวศุกร์ และต่อมามีดาวเทียมขนาดเล็กมากมายเสนอและใช้แรงดันดวงอาทิตย์ในการขับเคลื่อน ส่งผลให้เกิดแนวคิดอันทะเยอทะยานคือการส่งยานอวกาศเดินทางไปยังระบบดาวอัลฟาเซนเทารี (Alpha Centauri) ด้วยยานอวกาศเรือใบที่ใช้แสงจากเลเซอร์เร่งความเร็วให้ถึง 20% ของความเร็วแสง

การใช้ยานอวกาศแบบเรือใบสุริยะเดินทางข้ามระบบดาวฤกษ์นั้น เป็นเรื่องที่ท้าทายต่อวิศวกรรมและวัสดุศาสตร์เป็นอย่างมาก เนื่องจากยานอวกาศต้องเบามากพอเพื่อให้แสงสามารถดันตัวยาน ได้แต่ก็ต้องแข็งแรงทนทานมากพอต่อการเดินทางข้ามดวงดาวที่ไกลถึงสี่ปีแสงได้

เมื่อเร็ว ๆ นี้องค์การอวกาศยุโรป (ESA) ได้จัดแคมเปญเที่ยวบินพาราโบลา (parabolic flight) ครั้งที่ 86 ในเที่ยวบินนี้ได้นำแอโรเจลกราฟีน (graphene aerogels) ที่มีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษขึ้นไปทดสอบ เป้าหมายคือการผลักแอโรเจลกราฟีนในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วงด้วยแสงเลเซอร์ หากเป็นในสภาวะปกติบนโลก ต่อให้เราใช้แสงเลเซอร์ความเข้มมากแค่ไหนแอโรเจลก็ไม่ขยับ เนื่องจากมีแรงโน้มถ่วงและชั้นบรรยากาศของโลกต้านการเคลื่อนที่ไว้ นักวิทยาศาสตร์จึงออกแบบการทดลองในเที่ยวบินพาราโบลาให้เป็นกล่องสุญญากาศเพื่อกำจัดแรงต้านอากาศทั้งหมด และเมื่อเครื่องบินอยู่ในสภาวะไร้แรงโน้มถ่วงแล้วจึงเริ่มการทดลอง

แอโรเจลที่ใช้ ทำมาจากกราฟีนน้ำหนักเบาเป็นพิเศษและมีรูพรุนสูงและด้วยสมบัติทางวัสดุศาสตร์ของกราฟีนที่แข็งแรงมาก กราฟีนแอโรลเจลจึงสามารถรักษาคุณสมบัติเชิงกลไว้ได้แม้จะมีความหนาแน่นที่ต่ำมากก็ตาม

มาร์โค ไบรบันติ (Marco Braibanti) นักวิทยาศาสตร์ประจำโครงการของ ESA ได้กล่าวว่า “แรงปฏิกิริยาที่เลเซอร์ทำต่อกราฟีนแอโรเจลนั้นเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและรุนแรงมาก ก่อนที่คุณจะทันได้กะพริบตา แอโรเจลกราฟีนก็เกิดความเร่งมหาศาล ก่อนที่ทุกอย่างจบลงภายในเวลาเพียง 30 มิลลิวินาที” ผลลัพธ์ได้แสดงให้เห็นว่า สภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำช่วยปลดล็อกศักยภาพในการใช้แสงเพื่อขับเคลื่อนแอโรเจลกราฟีน ทั้งในแง่ของความเร็ว แรงขับ และระยะทาง

ข้อค้นพบอีกประการหนึ่งคือความสามารถในการควบคุมการขับเคลื่อนโดยการปรับแต่งลำแสง

มาร์โคยังได้กล่าวเสริมอีกว่า “ยิ่งเลเซอร์มีความแรงมากเท่าไร ความเร่งก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น พัลส์ของเลเซอร์จะกระตุ้นให้เกิดความเร่งสูงสุดอย่างฉับพลัน หลังจากนั้นแอโรเจลจะค่อยๆ เคลื่อนที่ช้าลง”

เทคโนโลยีการใช้เลเซอร์ผลักวัสดุแอโรเจลกราฟีนได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำงานในอวกาศได้จริง และไม่ได้แค่ทำได้จริงในการทดลองแต่มีศักยภาพที่จะใช้งานได้จริงพร้อมประสิทธิภาพที่น่าทึ่งอีกด้วย

เทคโนโลยีอวกาศในอนาคตอาจจะมีการนำกราฟีนมาใช้เป็นส่วนประกอบ ซึ่งรวมถึงการขับเคลื่อนด้วยเรือใบสุริยะและระบบควบคุมทิศทางด้วยแสง ของดาวเทียมขนาดเล็ก แอโรเจลรุ่นต่อไปอาจสามารถเปลี่ยนแสงจากดวงอาทิตย์ให้กลายเป็นพลังในการเคลื่อนที่ ซึ่งจะช่วยประหยัดเชื้อเพลิงที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระยะเวลาของภารกิจอวกาศ และเพิ่มพื้นที่สำหรับติดตั้งเทคโนโลยีอื่น ๆ ได้มากขึ้น เป็นการเปิดอนาคตใหม่ที่จะสามารถสร้างยานอวกาศที่ขับเคลื่อนโดยไร้เชื้อเพลิง (propellant-free propulsion) แอโรเจลกราฟีนที่เบาเป็นพิเศษคือหนึ่งในโอกาสที่เป็นไปได้ ซึ่งหากเป็นไปได้จริงและใช้แสงหรือแสงเลเซอร์ในการเคลื่อนที่ ต่อไป ดาวเทียมและยานอวกาศอาจเล็กลงและสามารถทำความเร็วได้มากขึ้นอย่างที่ไม่เคยเป็นมาก่อน

ปัจจุบัน ESA กำลังสำรวจศักยภาพนี้ผ่านทาง Enable Topical Team ซึ่งเป็นคณะทำงานเฉพาะทางที่กำลังประเมินศักยภาพทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับวัสดุสองมิติ (2D materials) ร่วมด้วย และในอนาคตการเดินทางระหว่างดวงดาวด้วยความเร็วใกล้แสงอาจจะเกิดขึ้นจริงได้ด้วยเทคโนโลยีการขับเคลื่อนด้วยแสง

เรียบเรียง โดยจิรสิน อัศวกุล

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

ที่มาข้อมูล : ESA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech