(เอาบทความมาฝาก)deep space travel...จะเดินทางในอวกาศลึกได้อย่างไร

กระทู้สนทนา

อวกาศ ดาราศาสตร์ เทคโนโลยี วิทยาศาสตร์ ฟิสิกส์

คืนชีพจากแดนแห่งความตาย

บุกฟ้าใกลอันไม่อาจหวนกลับไป

จะไประยะทางเป็นปีแสงได้อย่างไร

คราวนี้เราจะเอาคำตอบมาให้คุณ

นักวิทยาศาสตร์นะมีความฝันครับ ความฝันในประเด็นเรื่องการเดินทางในอวกาศ พวกเขารอเวลา
ที่จะทำการเดินทางตัดข้ามดินแดนบนฟ้า ไปสู่ห้วงเวลาที่แม้แต่แสงใช้เวลาเป็นปี ห้วงเวลา
ที่ดาวฤกษ์ดวงอื่น ยังคงรอคอยมนุษย์ชาติอยู่ รอเวลาที่พวกเราจะออกไปค้นหาให้ถึงนะครับ

การสร้างยานอวกาศในแต่ละยุค จะถูกทำให้มีความเร็วสูงขึ้น และสูงขึ้นเรื่อยๆ
ตั้งแต่ยุคของไฟโอเนียร์ วอยเอเจอร์ และล่าสุดก็นิวฮอไรชอนส์ นาซ่าและเหล่านักวิทยาศาสตร์
ระดับโลก ต่างล้วนมองหา เวลาที่จะสามารถพัฒนาเทคโนโลยี เพื่อไปสู่พึ้นที่อันแสนใกล

ในปี 1969 พวกเรากำลังพุ่งเข้าไปที่ดวงจันทร์ ต่อมาก็ถึงยุคของวอยเอเจอร์ ที่มีความเร็ว แต่ประสิทธิภาพเครื่องและกล้องโดยรวม
ยังถือว่าต่ำ เมื่อเทียบกับเทคโนโลยียุคนี้ และต่อมา ก็ไปถึงยุคของนิวฮอไรชอนส์ ที่มีการใช้เครื่องยนต์ยูเรเนียมไฮสปีด และ
กล้องที่ดีกว่าเดิม ช่วยให้พวกเราสามารถมองเห็นพึ้นผิวของพลูโต และได้รับข้อมูลทางดาราศาสตร์ที่มีค่ามาก ตามคลิปนี้

ความเร็วของนิวฮอไรซอนส์ อยู่ที่ราวๆ 33,000 ไมล์ ต่อชั่วโมง ซึ่งนั่นจัดว่าเป็นสปิดที่นรกมากแล้วละครับ
กระนั้นยังต้องใช้เวลาราวๆ 20000 ปี เพื่อไปให้ถึงระบบแอลฟ่า เซนทอรี่นี้ ซึ่งมนุษย์ชาติ
ไม่มีทางรอได้ถึงขนาดนั้นครับ เพราะว่าเวลาขนาดนั้นมันนานกว่าตั้งแต่เมืองแรกในโลกถูกก่อตั้ง จนถึงปัจจุบันนี้เสียอีก

อ้าว... แล้วเราจะทำยังใงกันดีละงานนี้ นั่นละครับ ไม่ใช่แค่คนในห้องหว้ากอนี้หรอก ที่เริ่มกุมขมับ
และใช้มองอย่างจริงจัง กับการทำให้มนุษย์ชาติสำรวจอวกาศในระยะใกลได้ บรรดา
นักวิทยาศาสตร์ชั้นน้ำของโลก รวมถึงเฮียเทพเฟสบ็ค มาร์ค ซัคเคอร์เบิร์ก และอัจฉริยะ
แห่งยุคอย่างสตีเฟ่น ฮอว์กิ้ง มีความต้องการที่จะไปสู่ดินแดนที่
เราเคยได้แต่ฝัน ไปสู่ความมืดและจะเปลื่ยนมันให้เป็นแสงสว่าง

โครงการส่งโดรนในระดับปีแสง โดยที่รัสเซียคิดค้นขึ้นมา
สำหรับการส่งชิ้นส่วนขนาดจิ้ว เข้าไปในอวกาศลึก โดยใช้ใบเรือ
สุริยะ เพื่อทำการส่งวัตถุเข้าไปสู่ DEEP SPACE ด้วยการดำเนินการ
โปรเจค SPACESHIP ที่ใช้เป็นโดรนขนาดจิว ขนาดเล็กไม่เกินซองจดหมาย

แต่เน้นปริมาณมากมายมหาศาล โดยคาดหวังว่าแรงดันจากใบเรือสุริยะ
ที่ใช้โฟตอนเป็นตัวขับดัน จะส่งโดรนสำรวจเหล่านี้ ไปสู่ระดับ 4 ปีแสง

Breakthrough Starshot

โครงการ Breakthrough Starshot เป็นความพยายามครั้งใหม่ของมนุษย์ในการสำรวจอวกาศ มีเป้าหมายสำรวจดาว Alpha Centauri โดยทำการติดตั้งยานอวกาศอัตโนมัติขนาดเล็ก Nanocraft ที่มีน้ำหนักเบามาก เบาขนาดที่ต้องน้ำหนักของยานนี้วัดเป็นหน่วยกรัม ซึ่งประกอบด้วย

StarChip เป็นอุปกรณ์ขนาดจิ๋ว ติดตั้งกล้อง ตัวผลักดันโฟตอน แหล่งจ่ายพลังงาน ระบบนำทิศทาง และอุปกรณ์ในการสื่อสาร เพื่อใช้ในการสำรวจ
LightSail เปรียบผืนผ้าใบขนาดใหญ่ แต่มีน้ำหนักเบา ทำหน้าที่เปรียบเสมือนใบของเรือใบ แต่แทนที่จะรับลด เป็นการรับแรงผลักจากโฟตอนแทน
nanocraft

ยานลำนี้จะเคลื่อนที่ได้โดยอาศัยการยิงแสงเลเซอร์ (Light Beamer) ทีมีกำลังถึง 100 กิกะวัตต์ ซึ่งประกอบด้วยโฟตอนจำนวนมากจากบนพื้นโลก ไปชนกับ LightSail เพื่อดันยานอวกาศให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วถึง 20% ของแสง เรียกว่า Light Sail หรือ Solar Sail ทำให้ยานอวกาศใช้เวลาในการเดินทางถึง Alpha Centauri ที่อยู่ห่างออกไป 4.37 ปีแสง ในระยะเวลาเพียง 20 ปี ถือเป็นระยะเวลาที่สั้นมาก เมื่อเทียบกับการเดินทางด้วยยานอวกาศปกติซึ่งต้องใช้เวลาถึงประมาณ 30,000 ปี หรือถ้าเป็นยาน Voyager 1 จะต้องใช้เวลาถึง 70,000 ปี

แสงเลเซอร์จะผลักเจ้ายานนี่ได้อย่างไร ในเมื่อแสงไม่มีมวลแล้วจะเอาแรงมาจากไหน?

อันนี้ต้องขอบคุณ นักวิจัย เมียม ณัทสินี กิจบุญชู มาก สำหรับคำอธิบายที่เด็ก ม ปลาย ก็สามารถเก็ทได้ครับ
สิ่งที่จะผลักผ้าใบและทำให้ satellite เคลื่อนที่ไปได้ก็คือ radiation pressure จากเลเซอร์บนโลก ซึ่ง radiation pressure ก็ไม่ต่างจาก pressure ทั่วไป คำนิยามของมันคือ แรงต่อพื้นที่ แต่ แรง = มวล*ความเร่ง โฟตอนไม่มีมวล แล้วแรงมาจากไหน?
.
.
.
ม่ะ เมียมจะพยายามอธิบายให้เด็กมอปลายเข้าใจด้วย
.
.
.
เริ่มมาจาก สูตร E=mc^2 ที่ทุกคนคุ้นเคย จริงๆแล้วสูตรเต็มๆของมันคือ E^2 = (mc^2)^2+(pc)^2 โดยที่ E คือพลังงาน m คือมวล p คือโมเมนตั้มและ c คือความเร็วแสง ทำให้โฟตอนและ massless particle ทั้งหลายมีพลังงานที่ไม่เป็นศูนย์ (เพราะ E= PC)
และนั่นเป็นสาเหตุด้วยครับ วาถามีกระสุนความเร็วแสงจริง มันจะเป็นอะไรที่น่ากลัวโคตรๆ
แต่ m ที่พูดถึงในขั้นต้นนั้นคือ rest mass หรือมวลเมื่อวัตถุหยุดนิ่ง แต่ยังมีมวลอีกประเภทถึงเรียกว่า relativistic mass (หรือมวลสัมพัทธภาพ ขอเรียกว่า m_r -- เป็นมวลที่พูดถึงเมื่อมีความเร็วแสงเข้ามาเกี่ยวข้อง) เมื่อจับ m_r*c^2 = pc เราจะได้ มวลสัมพัทธภาพของโฟตอนเท่ากับ p/c (โมเมนตัม/ความเร็วแสง)
.
.
.
อีกคำอธิบายที่อาจจะสั้นกว่าแต่มองเห็นภาพอยากกว่าคือ แรง = มวล*ความเร่ง = มวล * ความเร็ว/เวลา = โมเมนตั้ม/เวลา โฟตอนมีโมเมนตั้มตามที่อธิบายไว้ข้างต้น เป็นที่มาของแรง
.

แต่ถึงแม้จะใช้เลเซอร์ผลักยานให้เร็วเป็น 20% ของความเร็วแสงได้ ก็ไม่น่าจะส่งไปได้ไกลถึง Alpha Centauri ทีเดียว เพราะเป็นเรื่องยากที่จะเล็งแสงเลเซอร์ไปที่ดาวดวงเดียวตลอดเวลา แล้วอะไรจะผลักเจ้ายานให้เคลื่อนที่ต่อไป คำตอบก็คือ โฟตอนของ “แสงอาทิตย์” จะทำหน้าที่ดันใบเรือของยานออกสู่อวกาศอันไกลโพ้นต่อ เหมือนกระแสลมที่ทำให้เรือใบแล่นไปในทะเลได้นั่นเอง

ในการเดินทางไปยัง Alpha Centauri จะเป็นการพิสูจน์ว่าดาวเคราะห์ที่ค้นพบนั้นมนุษย์สามารถไปอาศัยอยู่ได้ โดยจะทำการถ่ายภาพลักษณะต่างๆ ของพื้นผิว เช่น มหาสมุทรหรือผืนดิน และส่งข้อมูลกลับมายังโลกโดยจะใช้เวลาประมาณ 4 ปี

โครงการนี้จะนำโดยคุณ Pete Worden อดีตหัวหน้าศูนย์วิจัย NASA AMES โดยมีผู้บริหารดูแล 3 คนคือคุณ Yuri Milner, Stephen Hawking และ Mark Zuckerberg

Embed from Getty Images

ทีมงาน Breakthrough Starshot (ขาด Mark Zuckerberg เนื่องจากติดภารกิจงาน F8)

และถ้าจะส่งมนุษย์ไปในอวกาศแทนละ จะต้องทำยังใง
ถ้าจะให้คนเดินทางไปด้วย ก็มีมุขตลกๆ มาเล่นของนักวิทย์ในงานนี้ครับ

1. Sleeper starship

ในเมื่อระยะเวลามันยาวนานนักก็จงหลับไปเสียเถิด sleeper starship คือยานที่สิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่อยู่ภายในต้องอยู่ในสภาพจำศีล (Hibernation) จนกระทั่งถึงที่หมาย
การจำศีลคือการลดการทำงานและเมทาบอลึซึมของร่างกายสิ่งมีชีวิต พบได้ในสัตว์บางชนิดเพื่อปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง แต่ไม่พบในมนุษย์ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเราสามารถกระตุ้นให้เกิดการจำศีลได้เช่น การแช่แข็ง ซึ่งเป็นการลดการทำงานของเซลล์ทุกเซลล์ในร่างกาย หยุดการแก่ชราของร่างกาย
อย่างไรก็ตาม การแช่แข็งอาจทำลายเซลล์ของสิ่งมีชีวิต และการทำงานของเซลล์เมื่อฟื้นคืนจากการแช่แข็งอาจไม่เหมือนเดิม (สำหรับสัตว์ก็แช่แข็งไว้ในยานด้วยเช่นกัน เพื่ออาหารสำหรับลูกเรือ)
ปัจจุบันศาสตร์เกี่ยวกับการแช่แข็งสิ่งมีชีวิตก็มีการศึกษากันอยู่บ้างเพื่อประโยชน์ทางการแพทย์ (cryogenic freezing) และมีการกล่าวถึงความเป็นไปได้ในการใช้หลักการดังกล่าวในจำศีลระหว่างการเดินทางในอวกาศเช่นกัน

- Generation ship

ในเมื่อการเดินทางมันยาวนานนัก เราก็สร้างชุมชนย่อยๆบนยาน starship เลยสิจะเป็นไรไป วิธีนี้ตอนออกเดินทางอาจจะเป็นรุ่น1เมื่อถึงที่หมายเหลือแต่รุ่น5 เอาน่า...ยังไงก็ถึงที่หมายอยู่ดี
ฟังดูแล้ววิธีนี้เหมือนจะง่าย แค่จับคนจำนวนหนึ่งขึ้นไปกับยาน starship แล้วจงใช้ชีวิต แต่งงานมีลูกมีหลานกันบนยานต่อไป แต่ความจริงไม่ง่ายอย่างนั้นน่ะสิ...จำนวนคนจะมีสักเท่าไรดี?
ต้องมีหลักการคำนวณทางคณิตศาสตร์ถึงจำนวนคนที่เหมาะสมที่จะเดินทางไปกับยาน starship ด้วยนะ เป็นต้นว่าป้องกันไม่ให้เกิดความไม่หลากหลายทางพันธุกรรม หรือการแต่งงานกันเองระหว่างเครือญาติ ป้องกันการเกิดโรคระบาดทีเดียวตายหมด และก็เผื่อเหลือเผื่อขาดประชากรเอาไว้บ้าง
ซึ่งก็มีนักวิทยาศาสตร์หัวใสคำนวณมาแล้วเรียบร้อยนะจ๊ะว่า magic number จำนวนที่เหมาะสมก็คือ 160 คนหรือหนึ่งหมู่บ้านเล็กๆ สำหรับการเดินทางราว 200 ปีหรือ 10 ชั่วอายุคน(ตัวเลขดังกล่าวอาจลดลงหากมีการเก็บ sperm bank เอาไว้ หรือไม่ก็ต้องเล่นเทคโนโลยี biosphere แทน
สร้างนิเวศเทียมบนยานแทน ซึ่งนั่นยานต้องใหญ่เอาเรื่อง แต่น่าจะเป็นไปได้ง่ายสุด ดูจากที่เล่นกันในหนังกราวิตี้)

แต่ถามว่า ถ้าเราวิจัยแอนติแมทเทอร์ หรือใช้พลังงานได้คุ้มค่ากว่านี้ละ เราจะเล่นโหดๆ ได้มั้ย
คำตอบคือได้ ด้วยการใช้ประโยชน์จากสัมพันธภาพของไอสไตน์ ซึ่งการจะเล่นสูตรนี้ได้ เราต้องเล่นของโหดแบบพวกใบเรือสุริยะ
ที่ใช้ใบเรือพิเศษกักเก็บและปล่อยอนุภาค เป็นต้น ซึ่งนั้นสร้างบีมความเร็วสูงทำให้เราไวมากครับ

...ดร เมลเบิร์น อยู่ในยานอวกาศที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 99.9999999% ของความเร็วแสงในสุญญากาศ ดังนั้น ดร เมลเบิร์น จะเดินทางไปถึงดาวเคราะห์หว้ากอใช้เวลาทั้งหมดประมาณ 600 ปี แต่เนื่องจาก ดร เมลเบิร์นเดินทางไปด้วยความเร็วใกล้แสง ปรากฏการณ์ time dilation จึงเกิดขึ้น ดร เมลเบิร์น รู้สึกว่าเวลาได้ผันผ่านไปเพียง 10 วัน ซึ่งทางคุณแก่ม แก๊มที่กำลังนั่งงอนก็เช่นเดียวกัน ...

ดังนั้น ไม่ว่าระยะทางจะยาวไกลแค่ไหน ใช้ระยะเวลายาวนานเพียงใดกว่าถึงจุดหมาย เวลาของผู้เดินทางก็ผันผ่านไปได้ไม่นานนัก

อีกมุขคือวอร์มโฮลกับวอร์ป ที่โหดและเร็วมาก อันนึงคือการบิดกาลอวกาศเป็นคลืนแล้วไปพร้อมคลื่น
อีกอัน พับอวกาศแล้วตัดตรงเลยครับพี่

ซึ่งแน่นอนว่าการจะเดินทางใกลๆนั้น เราก็ต้องการพลังงานและเทคโนโลยีที่มากขึ้นครับ
ปัญหาคือ เราจะสร้างยานที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสงได้อย่างไรโดยไม่ถูกเผาตาย?
ซึ่งเป็นหน้าที่นักวิทย์ด้านวัสดุศาสตร์ในอนาคตครับสำหรับเกราะยาน

ก็หวังว่าจะสนุกและได้ความรู้กลับไปนะครับ