“แบตเตอรี่ยานอวกาศ” ทำจากอะไร ? ทำไมทนจัง

มือถือของใครหลายคนเมื่อใช้งานไปนานหลายปี ก็จะพบกับอาการ แบตเตอรี่เก็บประจุไฟฟ้าไม่ได้ กำลังไฟลดลง หรือที่เรียกกันติดปากว่า “แบตเตอรี่เสื่อม” ซึ่งเป็นเหตุการณ์ไม่พึงประสงค์ที่พบได้ทั่วไป คำถามคือยานอวกาศและดาวเทียมที่อยู่นอกวงโคจรของโลก ล้วนเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ต้องใช้ไฟฟ้าเดินเครื่อง จึงต้องมีแบตเตอรี่ติดตั้งอยู่ภายในทั้งสิ้น แต่ทำไมดาวเทียมถึงกลับมีอายุการใช้งานนานนับสิบปี แบตเตอรี่ของดาวเทียมและยานอวกาศเหล่านี้สร้างมาจากอะไร เหตุใดทนทานกว่าแบตเตอรี่ของมือถือที่พวกเราใช้งานกัน

โทรศัพท์มือถือ เมื่อใช้งานไปได้ระยะเวลาหนึ่ง หลาย ๆ คนอาจจะเคยประสบปัญหาที่ไม่พึงประสงค์ในการใช้งานที่เรียกว่า “แบตเตอรี่เสื่อม” แบตเตอรี่เก็บประจุไฟฟ้าได้ลดลง และจ่ายไฟได้น้อยลง กลายเป็นปัญหาที่ทำให้ใครหลายคนหงุดหงิด เพราะใช้งานได้เพียงไม่กี่ปีก็ต้องซ่อมหรือเปลี่ยนโทรศัพท์มือถือใหม่

ดาวเทียมและยานอวกาศเป็นอีกหนึ่งในอุปกรณ์ที่ต้องใช้แบตเตอรี่ในการกักเก็บพลังงาน การเดินทางในวงโคจรต้องพบกับเงามืดจากฝั่งกลางคืนเป็นเรื่องที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ อีกทั้งคอมพิวเตอร์และระบบต่าง ๆ ภายในนั้นก็ล้วนแล้วแต่ใช้พลังงานไฟฟ้าในการทำงานและหล่อเลี้ยงระบบ จึงจำเป็นต้องติดตั้งแบตเตอรี่เพื่อกักเก็บพลังงาน ซึ่งเหล่าดาวเทียมและยานอวกาศแต่ละลำนั้นไม่ได้ทำงานเพียงไม่กี่ปี ในบางภารกิจ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล เริ่มต้นทำงานตั้งแต่ ปี 1990 ปัจจุบันมันยังทำงานได้ดีอยู่แม้จะผ่านมามากกว่า 30 ปีแล้วก็ตาม ทำไมแบตเตอรี่ของอุปกรณ์เหล่านี้ถึงไม่เสื่อมหรือพังเหมือนกับแบตเตอรี่มือถือของพวกเรา

แบตเตอรี่ของยานอวกาศที่สามารถชาร์จได้นั้น ในปัจจุบันล้วนแล้วแต่ใช้เทคโนโลยีเดียวกันกับแบตเตอรี่ที่ใช้งานภายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในชีวิตประจำวัน ไม่ว่าจะเป็นแบตเตอรี่แบบลิเทียม-ไอออน (Li-ion) ที่อยู่ภายในโทรศัพท์มือถือ หรือแบตเตอรี่แบบนิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ (Ni-MH) ที่เป็นแบตเตอรี่ที่ถูกใช้งานแพร่หลายในถ่านไฟฉายแบบเก็บประจุซ้ำได้และรถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริด ดังนั้นหากถามถึงความแตกต่างของแบตเตอรี่ของดาวเทียมกับมือถือที่เราใช้งานกันในทุกวันนี้ ก็คงตอบได้ว่าเป็นเทคโนโลยีเดียวกัน

แล้วทำไมแบตเตอรี่ของดาวเทียมที่อยู่ในวงโคจรเหล่านั้นถึงสามารถทำงานได้นานนับสิบปีโดยที่ไม่ได้มีปัญหาแบตเตอรี่เสื่อมเหมือนกับแบตเตอรี่มือถือ ทั้งที่ทั้งสองนั้นล้วนใช้เทคโนโลยีเดียวกัน

คำตอบของสิ่งนี้คือการออกแบบและพฤติกรรมการใช้งาน เนื่องจากอวกาศมีอุณหภูมิหนาวเย็น แตกต่างจากบนโลก ดาวเทียมและยานอวกาศจึงจำเป็นต้องติดตั้งระบบควบคุมอุณหภูมิ เช่น เครื่องทำความร้อน เพื่อให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ สามารถทำงานได้ตามปกติ ซึ่งรวมถึงแบตเตอรี่ด้วย ดังนั้นแบตเตอรี่จะอยู่ในอุณหภูมิที่คงที่ตลอดเวลา แตกต่างจากโทรศัพท์มือถือ เนื่องจากโทรศัพท์มือถือมีขนาดเล็ก แบตเตอรี่จึงอยู่ใกล้กับแผงวงจรที่สร้างความร้อนออกมาสูง อุณหภูมิของแบตเตอรี่จึงไม่คงที่ สลับไปมาระหว่างร้อนจัดกับเย็น ซึ่งส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่

การออกแบบช่วงเวลาในการชาร์จประจุของแบตเตอรี่นั้นก็เป็นอีกสิ่งหนึ่งที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่อีกด้วย ดาวเทียมจะชาร์จแบตเตอรี่ค่อนข้างถี่และจะไม่เริ่มต้นชาร์จตั้งแต่ 0% จนเต็มเนื่องจากจะทำให้ผลึกภายในของแบตเตอรี่สร้างความเสียหายต่อโครงสร้างภายในของแบตเตอรี่ ดาวเทียมบางรุ่นอาจจะออกแบบให้เริ่มต้นการชาร์จหากแบตเตอรี่มีความจุต่ำกว่า 70% และหยุดการชาร์จเมื่อแบตเตอรี่มีความจุเท่ากับ 85% ทั้งนี้การชาร์จในลักษณะนี้จะช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้

อีกทั้งดาวเทียมนั้นมีแบตเตอรี่ใหญ่กว่าโทรศัพท์มือถือ ส่งผลให้ระยะเวลาที่ความเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่จะส่งผลต่อการใช้งานนั้นค่อนข้างกินระยะเวลาที่ยาวนานกว่าโทรศัพท์มือถือซึ่งมีแบตเตอรี่ขนาดเล็ก หนึ่งในตัวอย่างที่เห็นได้ชัดเจนคือ แบตเตอรี่ของรถยนต์ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจะมีอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ยาวนานกว่าแบตเตอรี่ของโทรศัพท์มือถือ เนื่องจากแบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้ามีขนาดใหญ่กว่าแบตเตอรี่ของโทรศัพท์มือถือเป็นอย่างมาก

แต่สำหรับภารกิจระยะยาวและมีความสำคัญสูง เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล หรือ ยาน 2001 Mars Odyssey นั้นใช้แบตเตอรี่ที่แตกต่างจากดาวเทียมทั่วไป กลุ่มยานอวกาศเหล่านี้ใช้แบตเตอรี่ประเภทนิกเกิล-ไฮโดรเจน (Ni-H2) เป็นแบตเตอรี่ที่ภายในนั้นใช้ขั้วของนิกเกิลกับก๊าซไฮโดรเจน แบตเตอรี่ชนิดนี้จะแตกต่างจากแบตเตอรี่ที่กล่าวถึงก่อนหน้า สารอิเล็กโทรไลต์ภายในไม่ใช่ของเหลว แต่เป็นก๊าซไฮโดรเจนบรรจุ ซึ่งภายในแบตเตอรี่นั้นก๊าซไฮโดรเจนจะถูกอัดเข้าไปจนมีความดันมากถึง 1200 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) หรือ 82.7 บาร์ ซึ่งเป็นความดันที่สูงมาก และใช้การแลกเปลี่ยนของประจุภายในขั้วไฟฟ้ากับก๊าซไฮโดรเจนเพื่อเก็บประจุและคายประจุ

ข้อดีของแบตเตอรี่แบบนิกเกิล-ไฮโดรเจนนี้คืออายุการใช้งานที่ยาวนานและมีกำลังไฟฟ้าที่สูง สามารถใช้งานได้ถึง 20,000 รอบการชาร์จ ซึ่งต่างจากแบตเตอรี่แบบลิเทียมไอออนที่มีรอบการชาร์จแค่ 500 รอบเท่านั้น นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าเหตุใดกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลถึงสามารถทำงานได้มากกว่า 30 ปี หรือมากกว่า 12 ปีหลังจากการซ่อมบำรุงครั้งสุดท้าย

ดังนั้นแบตเตอรี่ของดาวเทียมกับแบตเตอรี่ของโทรศัพท์มือถือนั้นไม่ได้มีความแตกต่างกันในเชิงเทคโนโลยี หากเราประยุกต์การชาร์จแบตเตอรี่ของดาวเทียมมาใช้กับโทรศัพท์มือถือ ก็จะช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือเราได้ด้วยเช่นกัน

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล

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

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

ที่มาข้อมูล: researchgate, NASA