นักวิทยาศาสตร์พบวัสดุที่มีประสิทธิภาพในการขับเคลื่อนด้วยความดันแสงมากกว่าแผ่นไมลาร์ซึ่งเคยใช้กับยานอวกาศ LightSail 1 และ LightSail 2 อาจเป็นแนวทางใหม่ในการขับเคลื่อนยานอวกาศในอนาคต

ภาพจำลองยาน LightSail มีที่แผ่นไมลาร์ขนาดใหญ่ใช้สะท้อนแสงจากดวงอาทิตย์

เมื่อคิดถึงการเดินทางในอวกาศ ส่วนใหญ่ยานอวกาศจะใช้วิธีการขับเคลื่อน 2 วิธี ได้แก่ การขับเคลื่อนด้วยจรวดเชื้อเพลิง และการบินโฉบดาวเคราะห์เพื่อใช้แรงโน้มถ่วงเหวี่ยงยานอวกาศ ซึ่งแต่ละวิธีนั้นมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกัน สำหรับการขับเคลื่อนด้วยจรวดเชื้อเพลิง ข้อดีคือสามารถเปลี่ยนแปลงความเร็วได้ตามที่เราต้องการในทันที ส่วนข้อเสียนั้นหากเชื้อเพลิงหมด ก็จะไม่สามารถขับเคลื่อนยานได้อีก นอกจากนี้ ยิ่งยานอวกาศมีน้ำหนักมาก ก็จำเป็นต้องเพิ่มเชื้อเพลิงให้มากขึ้น ส่งผลต่อเนื่องให้น้ำหนักของยานและจรวดเพิ่มขึ้น สิ้นเปลืองงบประมาณค่อนข้างสูง ส่วนการบินโฉบดาวเคราะห์เป็นการอาศัยแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์เพื่อเพิ่มหรือลดความเร็วของยาน ข้อดีคือประหยัดงบประมาณ แต่ข้อเสียคือใช้เวลานานกว่าจะได้ความเร็วที่เราต้องการ 

จนกระทั่งปัจจุบันนี้ นักวิทยาศาสตร์ค้นพบวิธีการขับเคลื่อนยานอวกาศโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งเป็นพลังงานที่มีอยู่อย่างไม่จำกัด หรือเลเซอร์พลังงานสูงในการขับเคลื่อน เรียกวิธีนี้ว่า “การขับเคลื่อนด้วยความดันแสง (Light sail)”  

แสงประกอบด้วยอนุภาคโฟตอน ไม่มีมวลในตัวเอง แต่มีโมเมนตัม เมื่อโฟตอนกระทบกับพื้นผิววัตถุ โมเมนตัมที่เกิดขึ้นจะทำหน้าที่เป็นแรงขนาดจิ๋วผลักวัตถุนั้นออกไปเล็กน้อย และจะมีกำลังมากขึ้นเมื่อได้รับแหล่งกำเนิดที่มีความเข้มแสงมาก (ได้รับโฟตอนที่มาชนมากขึ้น) เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นกับโลกของเราเช่นกัน เนื่องจากโลกได้รับแสงจากดวงอาทิตย์ตลอดเวลาแต่การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นนั้นน้อยเกินกว่าที่เราจะรู้สึกได้ 

สิ่งที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถยืนยันได้ว่าการขับเคลื่อนด้วยความดันแสงสามารถเกิดขึ้นได้จริงนั้น เกิดขึ้นเมื่อสมาคมดาวเคราะห์ (the Planetary Society) ส่งยานอวกาศ LightSail 1 และ LightSail 2  ที่ติดตั้งแผ่นไมลาร์ขนาดใหญ่และสามารถสะท้อนแสงได้ดี ขึ้นทดสอบสู่อวกาศเมื่อปี พ.ศ. 2558 และ 2562 ตามลำดับ พวกเขาพบว่าแสงอาทิตย์สามารถขับดันการเคลื่อนที่ของยานได้ แต่ก็ยังคงห่างไกลที่จะนำมาประยุกต์ใช้กับยานอวกาศจริง ๆ เนื่องจากขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น วัสดุที่ใช้ ความทนทาน ขนาดและน้ำหนักของแผ่นรับแสง 

จนเมื่อไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์พบวัสดุที่ตอบโจทย์ความต้องการของพวกเขา วัสดุนั้นมีน้ำหนักเบา สะท้อนแสงได้ดี ทั้งยังแข็งแรงมาก นั่นคือ “กราฟีน (Graphene)”

ภาพแผ่นกราฟีนขนาดกว้าง 3 มิลลิเมตร Credit: r. Santiago Jose Cartamil-Bueno

กราฟีนเป็นวัสดุที่มีอะตอมคาร์บอนเรียงตัวเป็นรูปหกเหลี่ยม จึงทำให้แข็งแรงมาก และสามารถทำให้มีความหนาเพียงอะตอมหนึ่งตัวเท่านั้น ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแผ่นกราฟีนขนาดเล็กกว้าง 3 มิลลิเมตร น้ำหนักน้อยกว่า 250 ไมโครกรัมได้ จากนั้นพวกเขานำแผ่นกราฟีนขนาดเล็กนี้ใส่ในเครื่องที่มีสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ แล้วทดลองฉายด้วยเลเซอร์กำลัง 0.1 – 1 วัตต์ พบว่ามันสามารถขับเคลื่อนด้วยอัตราเร่งกว่า 10 เท่า เมื่อเทียบกับการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว จากผลข้างต้นชี้ว่าวัสดุนี้ใช้ได้ผล และสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับยานอวกาศในอนาคตได้

ความท้าทายต่อไปของเหล่านักวิทยาศาสตร์ คือ การเพิ่มขนาดของแผ่นกราฟีนให้ใหญ่ขึ้น ยิ่งแผ่นกราฟีนมีขนาดใหญ่มากเท่าใด อัตราเร็วในการเคลื่อนที่ของยานอวกาศก็จะเพิ่มขึ้นมากเท่านั้น แต่ปัจจุบัน ยังคงห่างไกลที่จะผลิตแผ่นกราฟีนได้ขนาดใหญ่ถึงหลักกิโลเมตร การเดินทางระหว่างดวงดาวที่เราเหล่ามนุษยชาติฝันไว้จึงอาจไม่เกิดขึ้นภายในเร็ววันนี้ แต่ตอนนี้เราถือว่าพบแสงสว่างที่ปลายอุโมงค์แล้ว

อ้างอิง : 

[1] https://www.universetoday.com/146041/one-step-closer-to-interstellar-travel-a-successful-microgravity-test-of-a-graphene-light-sail/

[2] https://archive.briankoberlein.com/2014/11/14/delta-v/index.html

[3] https://briankoberlein.com/blog/sail-the-cosmic-sea/

[4] https://www.planetary.org/explore/projects/lightsail-solar-sailing/

เรียบเรียง : ฟ้าประกาย เจียรคุปต์ - เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์