ทำไมจานรับสัญญาณของยานอวกาศรุ่นใหม่ ถึงมีฟอยล์ห่อรอบจานรับสัญญาณ

เมื่อมองไปที่จานรับสัญญาณ (high gain antenna) ของยานอวกาศต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นวอยเอเจอร์ แคสสินี เราจะเห็นรูปร่างของจานรับสัญญาณรูปทรงโค้งแบบพาราโบลาพร้อมกับเสายื่นออกมาเป็นตัวรับสัญญาณ แต่ยานอวกาศรุ่นใหม่อย่างจูโนหรือยูโรปาคลิปเปอร์เรากลับพบว่ายานเหล่านี้มีฟอยล์ห่อจานรับสัญญาณอยู่ เบื้องหลังของสิ่งนี้คืออะไร

สาเหตุที่จานรับสัญญาณของยานอวกาศสำหรับภารกิจสำรวจห้วงอวกาศลึกเป็นรูปร่างจานพาราโบลา เพราะว่า ตามกฎการผกผันกำลังสอง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเดินทางและแผ่ออกเป็นทรงกลมรอบแหล่งกำเนิด ซึ่งเมื่อระยะทางยิ่งไกลออกไป ความเข้มของสัญญาณก็จะลดน้อยลงตามระยะทางเป็นกำลังสอง ซึ่งสิ่งนี้เกิดขึ้นกับการสื่อสารกับยานอวกาศทุกลำตั้งแต่อดีตถึงปัจจุบัน

วิศวกรจึงใช้แนวคิดพาราโบลาที่ให้เครื่องส่งสัญญาณอยู่ที่ตำแหน่งโฟกัสของจานสะท้อน เมื่อจานรับสัญญาณเว้าสะท้อนออกไปสัญญาณจะเคลื่อนตัวเป็นเส้นตรงขนานกัน ทำให้ทิศทางของสัญญาณเดินทางเป็นเส้นตรง คล้ายกับการรวมแสงให้กลายเป็นลำเลเซอร์ ซึ่งพลังงานของสัญญาณจะสูญเสียน้อยกว่าการกระจายเป็นทรงกลม

จานรับสัญญาณแบบนี้มีการใช้งานในยานอวกาศที่เดินทางไปยังอวกาศลึกตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1960 และใช้งานอย่างแพร่หลายควบคู่ไปกับเครือข่ายจานรับสัญญาณห้วงอวกาศลึกหรือ Deep Space Network โดยจะใช้คลื่นไมโครเวฟในย่าน X-band และ S-band ในยานอวกาศยุคเก่า และขยับมาใช้คลื่นในย่าน Ka-band สำหรับยานอวกาศยุคใหม่

จานรับสัญญาณขนาดใหญ่ของยานอวกาศแทบจะกินพื้นที่ส่วนใหญ่ของยานอวกาศ ภาพจำของวอยเอเจอร์คือยานที่มีจานรับสัญญาณขนาดใหญ่พร้อมกับเสายื่นออกมา ซึ่งเราจะเห็นภาพของจานรับสัญญาณที่เปลือยเปล่าอย่างชัดเจน แต่ในยานอวกาศยุคหลัง ๆ เช่น ในภารกิจจูโน มาร์สรีคอนเนสเซนส์ออร์บิเตอร์ หรือแม้แต่ยูโรปาคลิปเปอร์ ยานอวกาศเหล่านี้แม้จานรับสัญญาณจะเป็นชิ้นส่วนขนาดใหญ่ แต่กลับมีฟอยล์ห่อหุ้มจนเห็นเป็นรูปทรงกระบอกแทน

สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ เพราะว่ายานอวกาศยุคใหม่ของนาซาเลือกใช้วิธีการนี้ด้วยกันทั้งสิ้น เป็นเพราะการห่อจานรับสัญญาณช่วยทำให้ยานอวกาศประหยัดพลังงานมากยิ่งขึ้น

ภายในห้วงอวกาศลึกมีอุณหภูมิหนาวยะเยือกต่ำกว่า -150 องศาเซลเซียสเสียอีก ซึ่งโดยทั่วไปอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะไม่สามารถทำงานได้ จึงต้องมีเครื่องทำความร้อนติดตั้งไปด้วย

จานรับสัญญาณ โดยเฉพาะบริเวณเครื่องรับและส่งสัญญาณ เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่ต้องมีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อยู่ด้วยเช่นเดียวกัน คือบริเวณของเครื่องรับและส่งสัญญาณ และการติดตั้งเครื่องทำความร้อนก็มีการใช้งานมาอย่างยาวนาน จนกระทั่งนาซาได้ทดลองใช้วิธีการใหม่ ห่อจานรับสัญญาณด้วยโดมครอบจานรับสัญญาณ หรือ เรโดม (radome) เพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่ ลดการใช้งานเครื่องทำความร้อน ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานไปในตัว

เรโดมผลิตจากพอลิเมอร์ที่มีคุณสมบัติทนทานต่อรังสีและความแตกต่างของอุณหภูมิ อีกทั้งยังเป็นฉนวนความร้อนและไฟฟ้า แต่ยอมให้คลื่นวิทยุผ่านได้ เรโดมจึงมีการนำมาใช้งานหลากหลายตั้งแต่อุตสาหกรรมการทหารและป้องกันประเทศ ไปจนถึงอุตสาหกรรมการบินพลเรือน และอุตสาหกรรมอวกาศ

การคลุมจานรับสัญญาณด้วยเรโดมมีข้อดีมากมายนอกเหนือจากเรื่องของการรักษาอุณหภูมิของเครื่องรับ-ส่งสัญญาณ ไม่ว่าจะเป็นด้านของการป้องกันจากเศษหินในอวกาศที่อาจจะชนและก่อให้เกิดความเสียหายของจานรับสัญญาณ รวมไปถึงเรื่องของอนุภาคพลังงานสูงและลมสุริยะจากดวงอาทิตย์

การที่นาซาหันมาใช้เรโดมนี้ เป็นหมุดหมายสำคัญถึงการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ของวิศวกรรมยานอวกาศ นาซาได้ปรับเปลี่ยนให้ยานอวกาศยุคหลัง ๆ ใช้วัสดุนี้ครอบจานรับสัญญาณอยู่ตลอดเวลา ซึ่งนับว่าเป็นนวัตกรรมชิ้นหนึ่งเลยก็ว่าได้ ขณะที่แม้กระทั่งองค์กรอวกาศพันธมิตรอย่างองค์การอวกาศยุโรปหรือญี่ปุ่น ก็ไม่ได้ใช้เทคโนโลยีนี้ จึงอาจนับได้ว่านี่คือความก้าวหน้าขั้นสูงทางวิศวกรรมของทางสหรัฐฯ ที่สามารถพัฒนาวัสดุที่ยอมให้สัญญาณวิทยุผ่านแต่ก็สามารถป้องกันจานรับสัญญาณจากภัยของการถูกพุ่งชนในอวกาศและอนุภาคพลังงานสูงที่อาจเข้ามาสร้างความเสียหายต่อยานอวกาศได้ เป็นอีกหนึ่งก้าวสำคัญของการสำรวจอวกาศในอนาคต

 

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล
พิสูจน์อักษร ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์

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

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech