ชุดอวกาศ เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยยังชีวิตให้มนุษย์สามารถปฏิบัติการในอวกาศได้ บทความนี้จะพูดถึงความรู้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่ใช้ในการออกแบบชุดอวกาศ เพื่อที่มนุษย์จะทั้งมีชีวิตอยู่ และ ปฏิบัติการได้ ในสภาพที่โหดร้ายของอวกาศกัน
งาน (Work) กับการเคลื่อนไหวในชุดอวกาศ
ในสภาพไร้อากาศ ก๊าซในชุดอวกาศจะขยายตัวจนเต็มชุดเหมือนลูกโป่งและการที่เราจะงอแขน งอขา ในชุดลูกโป่ง เราจะต้องใช้แรงส่วนเพิ่มในการบีบอัดก๊าซในชุดอวกาศ ถ้าเราเปรียบเทียบให้เห็นภาพ สมมุติอย่างลูกโป่งไส้กรอก เวลาเรางอมัน เราต้องใช้แรงเยอะ เพื่อทำให้ปริมาตรของลูกโป่งจะลดลงตามรูปร่างการงอ งานตรงนี้ เขียนเป็นสมการเทอร์โมไดนามิกส์คือ
Work = P.dV
ปัญหาเรื่องแรงที่ต้องใช้ในการบีบอัดอากาศในชุดอวกาศ มีมาตั้งแต่ช่วงโครงการอพอลโล่ เวลานักบินอวกาศล้มทีก็จะต้องล้มเด้งหน้าเด้งหลังพยุงตัวขึ้นอย่างยากลำบาก เพราะ ข้อต่อ นอกจากส่วนแขนและเอวที่สามารถบิดไปได้ในทิศทางที่ไม่เกิดการบีบอัดปริมาตร ข้อต่อส่วนอื่นๆนี่ล้วนแต่ต้องออกแรงสู้กับแรงดันก๊าซในชุดอวกาศทั้งสิ้น
สำหรับชุดอวกาศในปัจจุบัน จะเน้นการออกแบบเพื่อทั้งลดปริมาตรก๊าซในชุดอวกาศ และการออกแบบชุดอวกาศให้การเคลื่อนไหวของข้อต่อไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร (Isochoric) ทั้งการใช้ข้อต่อแบบหมุนเหมือนของเล่น McFarlane เช่นกรณีชุดอวกาศ AX-5 การออกแบบให้เวลาที่ข้อต่อด้านหนึ่งงอลง จะมีการขยายตัวของส่วนพับในด้านตรงข้าม ส่วนในหนังไซไฟ ก็จะหนีไปใน Concept ชุดแนบเนื้อที่อาศัยแรงตึงของวัสดุในการกดเพื่อรักษาแรงดันในตัวมนุษย์อวกาศ ซึ่งก็เป็น concept การลดภาระการสิ้นเปลืองแรงของมนุษย์อวกาศที่จะบีบอัดปริมาตรก๊าซเมื่อมีการเคลื่อนไหวข้อต่อข้องอต่างๆ
เรามาดูความทุลักทุเลของชุดอวกาศสมัยอพอลโล่กัน
การไล่ไนโตรเจนออกจากกระแสเลือด
หนึ่งในวิธีการลดภาระการออกแรงเพื่อเคลื่อนไหวในชุดอวกาศคือการลดความดันในชุดอวกาศเหลือเพียงแค่ 30% ของความดันบรรยากาศ ซึ่งเพราะมนุษย์ต้องการออกซิเจนที่ความเข้มข้น 21% ในความดันบรรยากาศ อากาศในชุดอวกาศนี้จึงเป็นออกซิเจนเพียวๆที่ 100%
การที่ความดันในชุดอวกาศมีเพียง 30% ของความดันบรรยากาศและเป็นออกซิเจน 100% มันจึงต้องมีขั้นตอนสำคัญ คือการไล่ไนโตรเจนออกจากกระแสเลือด
เรามารู้จักกับ กฎของเฮนรี่ (Henry’s Law)
กฎของเฮนรี่ระบุว่า ในกรณีที่อุณหภูมิคงที่ ความสามารถในการละลายของก๊าซในของเหลวจะแปรผันตามความดันไอของก๊าซนั้นๆ
ในเลือดของคนเรา มีก๊าซต่างๆละลายอยู่(นอกเหนือจากออกซิเจนที่ถูกจับในเฮโมโกลบิน)ในสัดส่วนใกล้เคียงกับอากาศ ก็คือ ในเลือด จะมีออกซิเจนต่อไนโตรเจนละลายอยู่ในสัดส่วน 21:79 การที่เราลดความดันบรรยากาศ ความสามารถในการละลายของก๊าซในของเหลวก็จะลดลง และ ทั้งไนโตรเจน กับ ออกซิเจนส่วนเกิน ก็จะแยกตัวออกมา กลายเป็นฟอง ซึ่งเป็นอันตรายเมื่อมันเข้าไปอุดตันตามหลอดเลือดต่างๆ การลดความดันเพื่อเตรียมให้มนุษย์อวกาศเข้าไปอยู่ในชุดอวกาศที่มีความดันเพียง 30% จึงต้องใช้เวลาเตรียมการค่อนข้างนาน เพื่อค่อยๆให้ร่างกายระบายก๊าซส่วนเกินที่ละลายอยู่ในเลือดออกมากับลมหายใจ ถ้าปุ๊บปั๊บก็ลดความดันพรวด เราก็จะได้เห็นมนุษย์อวกาศผู้นั้นเป็น Stroke เกิดฟองอากาศทำให้เซลล์บวมแตกได้
ในหนังเรื่อง Martian เราจะเห็นฉากที่แมทท์ เดมอน ทำท่า Ironman โดนที่หายใจออกตลอดเวลา นั่นก็คือวิธีการรับมือกับการที่ความดันในสูทลด และใช้การหายใจออกเพื่อระบายก๊าซที่อยู่ในเลือดไม่ให้เกิดการเดือดเป็นฟองนั่นเอง
การระบายความร้อนในชุดอวกาศ
พลังงาน ย่อมถ่ายเทจากอุณหภูมิสูง ไปสู่อุณหภูมิต่ำ ในอวกาศ ที่อุณหภูมิเฉลี่ยก็ไล่เรี่ยกับ -270 องศาเซลเซียส ด้านที่ไม่มีแสงอาทิตย์ และ อุณหภูมิสัมผัสที่พื้นผิวก็ล่อไป 130 องศาเซลเซียส เมื่อสัมผัสแสงอาทิตย์ หน้าที่หลักของชุดอวกาศ คือการเป็นฉนวนเพื่อปกป้องทั้งความร้อนจากรังสี และการสูญเสียความร้อนของนักบินอวกาศ
แต่ความเป็นฉนวนนั้น ก็เป็นทั้งสองด้าน มันกันความร้อนแผ่เข้า มันก็กันความร้อนแผ่ออก มนุษย์คนหนึ่งๆ จะต้องการระบายความร้อนออกในระดับ 100 วัตต์ หรือร้อนประมาณหลอดไฟไส้ร้อนที่ใช้อุ่นไก่ย่าง 1 หลอด ความร้อนนี้ ถ้าไม่มีกลไกระบายออก คนในชุดอวกาศก็คงจะเปียกโชกฝ้าขึ้นในหมวกแถมจะถอดหมวกมาเช็ดก็ไม่ได้เสียด้วยสิ แถมกว่าจะเข้าจะออกทีก็กินเวลาเป็นชั่วโมง
การระบายความร้อนของชุดอวกาศที่ใช้กันมาตั้งแต่ยุคของอพอลโล่ คือการใช้ประโยชน์จากที่อวกาศเป็นสูญญากาศ น้ำ เมื่อถูกปล่อยสู่อวกาศ มันจะเปลี่ยนรูปกลายเป็นไอ แต่เพื่อที่มันจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ มันจะต้องดูดความร้อนจากสิ่งรอบตัวเป็นปริมาณมหาศาลเสียจน น้ำส่วนใหญ่ที่ถูกแย่งพลังงานออกไปจะกลายเป็นน้ำแข็ง ชุดอวกาศ จะมีแผงระบายความร้อนที่ใช้หลักการระเหิดของน้ำแข็ง (Sublimator) ส่งน้ำเย็นไประบายความร้อนในชุดอวกาศ และปล่อยทิ้งออกบนแผงระบายความร้อนให้กลายเป็นน้ำแข็งเกาะตัวบนแผงระบายความร้อน ซึ่งจะระเหิดพาความร้อนออกจากชุดอวกาศอีกทีนึง
ในแผงแสดงอุปกรณ์ประกอบของชุดอวกาศ Sublimator อยู่ในวงสีแดง
การระเหิด เป็นการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นก๊าซโดยตรง ในความดันบรรยากาศของโลก เมื่อเราเพิ่มและลดอุณหภูมิ น้ำจะเปลี่ยนสถานะได้ 3 สถานะ แต่ทีนี้ ถ้าความดันเปลี่ยนไป จุดเดือดและจุดเยือกแข็งของน้ำก็จะเปลี่ยน จนถึงความดันที่เส้นการหลอมละลาย บรรจบกับเส้นการเดือด ที่เรียกว่าจุด Triple point ณ ความดันต่ำกว่านั้น น้ำจะเหลือแค่ 2 สถานะ คือเปลี่ยนจากของแข็งกลายเป็นไอไม่ผ่านการละลายเป็นของเหลว
ดังนั้น ในอวกาศ คุณอาจต้องกลัวการร้อนตายจากความร้อนโดยตัวคุณเอง มากกว่าการจะหนาวตายเพราะสูญเสียความร้อนในชุดอวกาศละนะครับ และถ้าหนาวละก็ หรี่ไอ้วาล์ลน้ำระบายความร้อนซะสิ
คลิปแสดงการเกิดการแข็งเป็นน้ำแข็งจากการเดือดของน้ำภายใต้สูญญากาศ
และนี่ก็คือเกร็ดความรู้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่เกี่ยวกับชุดอวกาศครับ
เทอร์โมไดนามิกส์ของชุดอวกาศ
ชุดอวกาศ เป็นอุปกรณ์ที่ช่วยยังชีวิตให้มนุษย์สามารถปฏิบัติการในอวกาศได้ บทความนี้จะพูดถึงความรู้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่ใช้ในการออกแบบชุดอวกาศ เพื่อที่มนุษย์จะทั้งมีชีวิตอยู่ และ ปฏิบัติการได้ ในสภาพที่โหดร้ายของอวกาศกัน
งาน (Work) กับการเคลื่อนไหวในชุดอวกาศ
ในสภาพไร้อากาศ ก๊าซในชุดอวกาศจะขยายตัวจนเต็มชุดเหมือนลูกโป่งและการที่เราจะงอแขน งอขา ในชุดลูกโป่ง เราจะต้องใช้แรงส่วนเพิ่มในการบีบอัดก๊าซในชุดอวกาศ ถ้าเราเปรียบเทียบให้เห็นภาพ สมมุติอย่างลูกโป่งไส้กรอก เวลาเรางอมัน เราต้องใช้แรงเยอะ เพื่อทำให้ปริมาตรของลูกโป่งจะลดลงตามรูปร่างการงอ งานตรงนี้ เขียนเป็นสมการเทอร์โมไดนามิกส์คือ
ปัญหาเรื่องแรงที่ต้องใช้ในการบีบอัดอากาศในชุดอวกาศ มีมาตั้งแต่ช่วงโครงการอพอลโล่ เวลานักบินอวกาศล้มทีก็จะต้องล้มเด้งหน้าเด้งหลังพยุงตัวขึ้นอย่างยากลำบาก เพราะ ข้อต่อ นอกจากส่วนแขนและเอวที่สามารถบิดไปได้ในทิศทางที่ไม่เกิดการบีบอัดปริมาตร ข้อต่อส่วนอื่นๆนี่ล้วนแต่ต้องออกแรงสู้กับแรงดันก๊าซในชุดอวกาศทั้งสิ้น
สำหรับชุดอวกาศในปัจจุบัน จะเน้นการออกแบบเพื่อทั้งลดปริมาตรก๊าซในชุดอวกาศ และการออกแบบชุดอวกาศให้การเคลื่อนไหวของข้อต่อไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร (Isochoric) ทั้งการใช้ข้อต่อแบบหมุนเหมือนของเล่น McFarlane เช่นกรณีชุดอวกาศ AX-5 การออกแบบให้เวลาที่ข้อต่อด้านหนึ่งงอลง จะมีการขยายตัวของส่วนพับในด้านตรงข้าม ส่วนในหนังไซไฟ ก็จะหนีไปใน Concept ชุดแนบเนื้อที่อาศัยแรงตึงของวัสดุในการกดเพื่อรักษาแรงดันในตัวมนุษย์อวกาศ ซึ่งก็เป็น concept การลดภาระการสิ้นเปลืองแรงของมนุษย์อวกาศที่จะบีบอัดปริมาตรก๊าซเมื่อมีการเคลื่อนไหวข้อต่อข้องอต่างๆ
การไล่ไนโตรเจนออกจากกระแสเลือด
หนึ่งในวิธีการลดภาระการออกแรงเพื่อเคลื่อนไหวในชุดอวกาศคือการลดความดันในชุดอวกาศเหลือเพียงแค่ 30% ของความดันบรรยากาศ ซึ่งเพราะมนุษย์ต้องการออกซิเจนที่ความเข้มข้น 21% ในความดันบรรยากาศ อากาศในชุดอวกาศนี้จึงเป็นออกซิเจนเพียวๆที่ 100%
การที่ความดันในชุดอวกาศมีเพียง 30% ของความดันบรรยากาศและเป็นออกซิเจน 100% มันจึงต้องมีขั้นตอนสำคัญ คือการไล่ไนโตรเจนออกจากกระแสเลือด
เรามารู้จักกับ กฎของเฮนรี่ (Henry’s Law)
กฎของเฮนรี่ระบุว่า ในกรณีที่อุณหภูมิคงที่ ความสามารถในการละลายของก๊าซในของเหลวจะแปรผันตามความดันไอของก๊าซนั้นๆ
ในเลือดของคนเรา มีก๊าซต่างๆละลายอยู่(นอกเหนือจากออกซิเจนที่ถูกจับในเฮโมโกลบิน)ในสัดส่วนใกล้เคียงกับอากาศ ก็คือ ในเลือด จะมีออกซิเจนต่อไนโตรเจนละลายอยู่ในสัดส่วน 21:79 การที่เราลดความดันบรรยากาศ ความสามารถในการละลายของก๊าซในของเหลวก็จะลดลง และ ทั้งไนโตรเจน กับ ออกซิเจนส่วนเกิน ก็จะแยกตัวออกมา กลายเป็นฟอง ซึ่งเป็นอันตรายเมื่อมันเข้าไปอุดตันตามหลอดเลือดต่างๆ การลดความดันเพื่อเตรียมให้มนุษย์อวกาศเข้าไปอยู่ในชุดอวกาศที่มีความดันเพียง 30% จึงต้องใช้เวลาเตรียมการค่อนข้างนาน เพื่อค่อยๆให้ร่างกายระบายก๊าซส่วนเกินที่ละลายอยู่ในเลือดออกมากับลมหายใจ ถ้าปุ๊บปั๊บก็ลดความดันพรวด เราก็จะได้เห็นมนุษย์อวกาศผู้นั้นเป็น Stroke เกิดฟองอากาศทำให้เซลล์บวมแตกได้
การระบายความร้อนในชุดอวกาศ
พลังงาน ย่อมถ่ายเทจากอุณหภูมิสูง ไปสู่อุณหภูมิต่ำ ในอวกาศ ที่อุณหภูมิเฉลี่ยก็ไล่เรี่ยกับ -270 องศาเซลเซียส ด้านที่ไม่มีแสงอาทิตย์ และ อุณหภูมิสัมผัสที่พื้นผิวก็ล่อไป 130 องศาเซลเซียส เมื่อสัมผัสแสงอาทิตย์ หน้าที่หลักของชุดอวกาศ คือการเป็นฉนวนเพื่อปกป้องทั้งความร้อนจากรังสี และการสูญเสียความร้อนของนักบินอวกาศ
แต่ความเป็นฉนวนนั้น ก็เป็นทั้งสองด้าน มันกันความร้อนแผ่เข้า มันก็กันความร้อนแผ่ออก มนุษย์คนหนึ่งๆ จะต้องการระบายความร้อนออกในระดับ 100 วัตต์ หรือร้อนประมาณหลอดไฟไส้ร้อนที่ใช้อุ่นไก่ย่าง 1 หลอด ความร้อนนี้ ถ้าไม่มีกลไกระบายออก คนในชุดอวกาศก็คงจะเปียกโชกฝ้าขึ้นในหมวกแถมจะถอดหมวกมาเช็ดก็ไม่ได้เสียด้วยสิ แถมกว่าจะเข้าจะออกทีก็กินเวลาเป็นชั่วโมง
การระบายความร้อนของชุดอวกาศที่ใช้กันมาตั้งแต่ยุคของอพอลโล่ คือการใช้ประโยชน์จากที่อวกาศเป็นสูญญากาศ น้ำ เมื่อถูกปล่อยสู่อวกาศ มันจะเปลี่ยนรูปกลายเป็นไอ แต่เพื่อที่มันจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ มันจะต้องดูดความร้อนจากสิ่งรอบตัวเป็นปริมาณมหาศาลเสียจน น้ำส่วนใหญ่ที่ถูกแย่งพลังงานออกไปจะกลายเป็นน้ำแข็ง ชุดอวกาศ จะมีแผงระบายความร้อนที่ใช้หลักการระเหิดของน้ำแข็ง (Sublimator) ส่งน้ำเย็นไประบายความร้อนในชุดอวกาศ และปล่อยทิ้งออกบนแผงระบายความร้อนให้กลายเป็นน้ำแข็งเกาะตัวบนแผงระบายความร้อน ซึ่งจะระเหิดพาความร้อนออกจากชุดอวกาศอีกทีนึง
การระเหิด เป็นการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นก๊าซโดยตรง ในความดันบรรยากาศของโลก เมื่อเราเพิ่มและลดอุณหภูมิ น้ำจะเปลี่ยนสถานะได้ 3 สถานะ แต่ทีนี้ ถ้าความดันเปลี่ยนไป จุดเดือดและจุดเยือกแข็งของน้ำก็จะเปลี่ยน จนถึงความดันที่เส้นการหลอมละลาย บรรจบกับเส้นการเดือด ที่เรียกว่าจุด Triple point ณ ความดันต่ำกว่านั้น น้ำจะเหลือแค่ 2 สถานะ คือเปลี่ยนจากของแข็งกลายเป็นไอไม่ผ่านการละลายเป็นของเหลว
ดังนั้น ในอวกาศ คุณอาจต้องกลัวการร้อนตายจากความร้อนโดยตัวคุณเอง มากกว่าการจะหนาวตายเพราะสูญเสียความร้อนในชุดอวกาศละนะครับ และถ้าหนาวละก็ หรี่ไอ้วาล์ลน้ำระบายความร้อนซะสิ
และนี่ก็คือเกร็ดความรู้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ที่เกี่ยวกับชุดอวกาศครับ