Space Elevator ลิฟท์อวกาศ ทางออกของการเดินทางไปอวกาศในอนาคต?
เมื่อไม่นานมานี้ ยานอวกาศ SpaceX เพิ่งได้ส่งมนุษย์อวกาศไปยังสถานีอวกาศ นับว่าเป็นการเปิดศักราชใหม่แห่งการเดินทางไปอวกาศโดยภาคเอกชน สามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับข่าวนี้ และความสำคัญของมัน ได้ที่ [2]
แต่แม้กระนั้นก็ตาม การเดินทางไปยังอวกาศก็นับเป็นเรื่องที่ค่อนข้างแพงเกินกว่าที่มนุษย์ธรรมดาอย่างเราๆ จะเอื้อมถึง และไม่ว่าเทคโนโลยีจรวดจะพัฒนาไปก้าวไกลเพียงใด การส่งจรวดก็จะยังคงเป็นการเดินทางที่ใช้เชื้อเพลิงและสิ้นเปลืองมากอยู่ดี
แต่ในอนาคตอันไกล ทางออกนึงที่อาจจะเป็นไปได้ ก็คือการสร้าง Space Elevator หรือ "ลิฟต์อวกาศ"
Space Elevator เป็นวิธีหนึ่งที่เราสามารถที่จะส่งมนุษย์หรือสัมภาระไปยังอวกาศได้โดยที่ไม่ต้องใช้เครื่องบิน ไอเดียนี้ถูกเสนอขึ้นมาครั้งแรกในปี 1895 โดยนักวิทยาศาสตร์การบินชาวรัสเซีย Konstantin Tsiolkovsky
แม้ว่าคอนเซปต์ของ Space Elevator นั้นฟังดูราวกับจะหลุดออกมาจากนิยายวิทยาศาสตร์ แต่ก็เป็นไอเดียที่แสนเรียบง่าย โดยหลักการก็คือการสร้างหอคอยที่มีความสูงมากๆ เสียจนสามารถไปถึง Geosynchronous orbit ที่ความสูง 35,786 กม. ซึ่งบริเวณนั้นด้วยอัตราการหมุนของโลก จะทำให้แรงหนีศูนย์กลางหักล้างกับแรงโน้มถ่วงพอดี เราจึงสามารถสร้างห้องทดลองที่อยู่ในสภาวะไร้น้ำหนักถาวรได้ และเราสามารถส่งมนุษย์ขึ้นไปยังสถานีได้โดยการใช้ลิฟต์สักตัวหนึ่งที่ "ไต่" ขึ้นลงไปตามโครงสร้างของ space elevator นี้
แต่ปัญหาแรกของไอเดียนี้ก็คือ หากเราสร้างเป็นลักษณะของ "หอคอย" ขึ้นมา เราจะพบว่าเมื่อเราสร้างหอคอยได้สูงพอ วัตถุทุกชนิดที่เรารู้จักจะพังลงมาภายใต้น้ำหนักของตัวเอง เนื่องจากว่าไม่มีวัตถุใดที่เรามีอยู่บนโลก ณ ตอนนี้ ที่สามารถทนแรงบีบอัดที่เกิดจากน้ำหนักของตัววัตถุเองที่ความสูงระดับนั้นได้ และเราไม่สามารถสร้างเสาให้ใหญ่ขึ้น หรือมากขึ้นได้ เพราะยิ่งใช้เสามากน้ำหนักที่จะต้องแบกก็จะยิ่งต้องมากเกินไปอีก
แต่วิธีแก้หนึ่งที่เป็นไปได้ ก็คือการเปลี่ยนจาก "แรงบีบอัด" (compressive strength) ให้กลายเป็น "แรงดึง" (tensile strength) ซึ่งหลักการเดียวกับการสร้างสะพานแขวนที่มีระยะระหว่างตอม่อที่ยาวกว่าสะพานปรกติได้ เนื่องจากเรามีวัตถุที่ทนต่อแรงดึงต่อน้ำหนักของวัตถุ ได้ดีกว่าแรงบีบอัด และเราก็มีการพัฒนาเทคโนโลยีในการผลิตวัสดุที่ทนต่อแรงดึงได้ดีขึ้นเรื่อยๆ
เราสามารถเปลี่ยนจากแรงบีบอัดที่เกิดจากน้ำหนักของวัตถุ ให้กลายเป็นแรงดึงได้ โดยการยึดปลายอีกข้างของ space elevator เข้ากับมวลใหญ่สักก้อน ซึ่งอาจจะเป็นโครงสร้างสถานีปลายทางขนาดยักษ์ หรืออุกกาบาตสักก้อน ที่อยู่สูงออกไปเลยพ้น geosynchronous orbit ณ ตำแหน่งซึ่งการถูกเหวี่ยงไปรอบๆ โลกด้วยคาบ 1 รอบ/วัน จะทำให้เกิดแรงดึงที่จะหักล้างกับแรงโน้มถ่วงของมวลที่อยู่เบื้องล้างทั้งปวง ทำให้โครงสร้างนี้โดนดึงให้ตึงอยู่ตลอดเวลา แทนที่จะพังลงมาภายใต้น้ำหนักอันมหาศาลของโครงสร้างนี้
ซึ่งวัสดุปัจจุบันที่มี tensile strength ต่อน้ำหนักดีที่สุด ก็คือ carbon nanotube ซึ่งในเทคโนโลยีปัจจุบันนี้นั้นมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับที่เราต้องใช้ในการทนแรงดึงที่จะต้องใช้ในการสร้าง space elevator จากพื้นโลกของเรา แม้ว่าในปัจจุบันเรายังมีขีดจำกัดในการสร้าง carbon nanotube ในขนาดที่ใหญ่ แต่เชื่อว่าในอนาคตอันใกล้เราอาจจะสามารถพัฒนา carbon nanotube ที่ทนต่อแรงดึงได้มากกว่านี้ และพัฒนาวิธีกรรมการผลิตที่สามารถใช้ได้จริงในสเกลที่ใหญ่เพียงพอ space elevator จึงอาจจะเป็นอนาคตที่อาจจะไม่ได้ไกลอย่างที่คิด
ในทางด้านงานวิจัยนั้น NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) ที่ให้ทุนวิจัยแก่งานวิจัยที่ล้ำหน้า ได้ให้ทุนสนับสนุนเพื่อวิจัยถึงความเป็นไปได้ของการสร้าง space elevator โดย Bradley C. Edwards และได้เสนอถึงความเป็นไปได้ที่จะใช้ carbon nanotube เป็นแผ่นบางๆ คล้ายริบบิ้น พร้อมกับรายละเอียดอื่นๆ เช่น สถานที่สำหรับจุดยึดบนพื้นดิน ระบบป้องกันอุกกาบาต พายุ ฯลฯ
ในปี 2008 Shuichi Ono, ประธานของ Japan Space Elevator Association ได้ประมาณถึงค่าใช้จ่ายขั้นต่ำในการสร้าง space elevator เอาไว้อยู่ที่ประมาณล้านล้านเยน (3 แสนล้านบาท)
ในปี 2012 บริษัท Obayashi Corporation ได้ประกาศว่าพวกเขาจะสามารถสร้าง space elevator ได้ในอีก 38 ปี โดยจะใช้ climber ปีนไปตามสายเคเบิล carbon nanotube ด้วยความเร็ว 200 กม./ชม. และด้วยความเร็วไฮสปีดขนาดนี้ จะเดินทางไปถึง geosynchronous orbit โดยใช้เวลาเพียงหนึ่งอาทิตย์เพียงเท่านั้นเอง อย่างไรก็ตามการเสนอของบริษัทนี้ไม่ได้มีการประเมินราคารวมไปถึงรายละเอียดอื่นๆ จึงน่าจะเป็นเพียง publicity stunt ของบริษัทเพื่อเรียกยอดเท่านั้นเอง
ในปี 2014 แม้กระทั่ง google เอง ก็ได้มีการสร้างทีมพิจารณาความเป็นไปได้ถึงการสร้าง space elevator โดยทีม Google X's Rapid Evaluation R&D แต่กลับได้พบว่าในปัจจุบัน ยังไม่มีใครที่สามารถสร้าง carbon nanotube ที่ยาวกว่าหนึ่งเมตรได้ จึงได้พับเก็บโครงการนี้เอาไว้ก่อนในสถานะ "deep freeze" แต่จะคอยติดตามงานวิจัยใหม่ๆ เกี่ยวกับ carbon nanotube และพร้อมที่จะขุดกลับขึ้นมาทุกเมื่อ
ในปี 2018 นักวิจัยจาก Shizuoka University ได้ปล่อย STARS-Me ออกจากสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ซึ่งประกอบขึ้นจากดาวเทียม cubesat สองอันที่ยึดโดยสายเคเบิล เพื่อศึกษาต้นแบบของตัว climber ที่อาจจะนำมาใช้ใน space elevator ในอนาคต
ซึ่งการสร้าง space elevator นี้ นอกจากจะทำให้การเดินทางไปอวกาศ และศึกษาสภาพไร้น้ำหนักเป็นเรื่องที่ง่ายและใช้ต้นทุนที่ต่ำกว่ามากแล้ว ยังเปิดโอกาสให้เราสามารถขนชิ้นส่วนของยานอวกาศขนาดยักษ์ไปต่อในวงโคจร และนอกไปจากนี้เรายังสามารถนำมันมาใช้ในการยิงยานสำรวจเพื่อไปสำรวจในระบบสุริยะได้อีกด้วย
ซึ่งเราก็ต้องรอดูกันต่อไปว่า space elevator นี้จะเป็นเพียงนิยายวิทยาศาสตร์ หรืออาจจะเป็นความจริงขึ้นมาได้ในอนาคตอันใกล้นี้
อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator
[2] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/1312573475619522/
tensile strength 在 Ultimate tensile strength - Wikipedia 的相關結果
Tensile strength is defined as a stress, which is measured as force per unit area. For some non-homogeneous materials (or for assembled components) it can be ... ... <看更多>