สิ้นสุดภารกิจ EP.2 – เมื่อดาวเทียมชนกันในอวกาศ ชะตากรรมของ Iridium-33 และ Kosmos-2251

หากใครเคยรับชมภาพยนตร์ฟอร์มยักษ์เรื่อง Gravity ที่เล่าถึงการเอาชีวิตรอดของนักบินอวกาศนามว่าดอกเตอร์ Ryan Stone จากพายุขยะอวกาศที่ทำลายกระสวยอวกาศของเธอ แล้วคิดสงสัยว่าเหตุการณ์ประมาณนี้มีโอกาสเกิดขึ้นจริงได้มากน้อยแค่ไหน

คำตอบคือใช่ เหตุการณ์นี้มีโอกาสเกิดขึ้นได้ และการชนกันกลางอวกาศก็เคยเกิดขึ้นมาแล้วเช่นกัน ถึงแม้จะไม่รุนแรงเทียบเท่าในภาพยนตร์ แต่ก็ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงความอันตรายของขยะอวกาศในโลกแห่งความเป็นจริง

ในสิ้นสุดภารกิจ EP.2 นี้ เราจะพาไปดูจุดจบที่ไม่ค่อยสวยงามนักของดาวเทียมสองดวงกลางห้วงอวกาศนั่นคือ Kosmos-2251 และ Iridium 33…

Kosmos-2251

ดาวเทียมสัญชาติโซเวียต (รัสเซียในปัจจุบัน) ที่ถูกส่งขึ้นไปในปี ค.ศ.1993 เพื่อทำหน้าที่เป็นดาวเทียมสื่อสาร โดย Kosmos-2251 เป็นหนึ่งในดาวเทียมรุ่น Strela-2M จำนวนหลายดวงที่ถูกส่งขึ้นไปในช่วงเวลานั้น ตัวดาวเทียมเองมีหน้าที่รับ-ส่ง ข้อความเข้ารหัสต่างๆ ระหว่างฐานรับสัญญาณบนพื้นผิวโลกตามเวลาที่กำหนด (อารมณ์ประมาณกล่องรับจดหมายที่ลอยอยู่ในอวกาศ) นอกเหนือจากนี้ก็ไม่ค่อยมีอะไรน่าสนใจมากนักเกี่ยวกับดาวเทียมดวงนี้ นอกจากน้ำหนักคร่าวๆที่ประมาณ 900 กิโลกรัม ไม่มีระบบควบคุมทิศทางหรือเครื่องยนต์ใดๆ รวมไปถึงมีอายุการใช้งานแค่ประมาณ 3 เดือนเท่านั้น ถึงแม้บางแหล่งข้อมูลจะระบุว่าตัวดาวเทียมสามารถใช้งานได้นานถึง 5 ปีก็ตาม

โมเดลจำลองของดาวเทียมรุ่น Strela ที่มีหน้าตาคล้ายกับ Kosmos-2251 (ที่มา – Rlandmann)

Kosmos-2251 หยุดทำงานลงในปี ค.ศ.1995 – 2 ปีหลังจากถูกปล่อยขึ้นสู่ห้วงอวกาศ และได้ถูกปลดประจำการกลายเป็นขยะอวกาศในวงโคจรระดับต่ำไม่นานหลังจากนั้น

Iridium-33

หนึ่งในดาวเทียมสื่อสารสัญชาติอเมริกาอันโด่งดังภายใต้แบรนด์ Iridium Communications ดาวเทียม Iridium-33 ถูกจัดอยู่ในกลุ่มดาวเทียมรุ่นแรกที่ถูกส่งขึ้นไปในปี ค.ศ. 1997 เพียงแค่ 4 ปีหลังจาก Kosmos-2251

Iridium-33 ถูกใช้ในการรับส่งคลื่นสัญญาณ L-Band สำหรับให้บริการโทรศัพท์ทางไกลผ่านดาวเทียมร่วมกับดาวเทียมดวงอื่นๆในกลุ่มดาวเทียม Iridium ด้วยกันทำให้สามารถให้บริการได้ทั่วโลก แม้ในพื้นที่ทุรกันดาร

โมเดลจำลองของดาวเทียม Iridium ด้านบนสุดคือแผงโซล่าเซลล์ส่วนแผงสีเงินด้านล่างคือส่วนเสาอากาศหลัก (ที่มา – Rlandmann ตัดต่อจากภาพต้นฉบับโดย Cliff)

ที่สำคัญ ดาวเทียม Iridium-33 ยังแตกต่างกับ Kosmos-2251 ในหลายๆประการ เช่นน้ำหนักที่น้อยกว่าที่ประมาณ 600 กิโลกรัม รวมถึงมีระบบขับเคลื่อนและควบคุมทิศทาง ไปจนถึงระบบเทคโนโลยีการควบคุมที่ล้ำสมัยกว่า นอกจากนั้นตัวดาวเทียมเองก็ยังคงใช้งานได้ตามปกติจนกระทั่งถูกทำลายโดยการชนกับ Kosmos-2251

น่าเสียดายที่ดาวเทียมทั้งสองมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน … นั่นคือการโคจรอยู่ในระดับความสูงที่ใกล้เคียงกัน …

10 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2009

14 ปีหลังจากที่ Kosmos-2251 ได้กลายเป็นขยะอวกาศ …

… ณ บริเวณคาบสมุทรไทมีร์บริเวณไซบีเรีย ประเทศรัสเซีย สูงขึ้นไปจากพื้นโลก 789 กม. ในวงโคจรระดับต่ำหรือ LEO (Low Earth Orbit) …

เส้นทางโคจรของดาวเทียมทั้งสองก่อนการปะทะ (ที่มา – Rlandmann)

Iridium-33 กำลังโคจรจากขั้วโลกไปยังขั้วโลกตามปกติ เหมือนเช่นทุกวัน แต่สิ่งหนึ่งที่ไม่มีใครล่วงรู้คือมีวัตถุขนาดพอ ๆ กันกำลังพุ่งเข้ามาจากด้านข้างด้วยความเร็วสูง

เวลา 16:56 UTC การชนกันก็ได้เกิดขึ้น ในชั่ววินาทีที่ Kosmos-2251 สัมผัสกับ Iridium-33 ตัวโครงสร้างของดาวเทียมทั้งสองก็ได้ถูกแรงปะทะอันมหาศาลฉีกทึ้งออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย แผงโซลาเซลล์อันบอบบางของ Iridium-33 น่าจะเป็นส่วนแรกที่แตกออกเป็นเศษกระจัดกระจายออกไป ตามมาด้วยอุปกรณ์ภายในของดาวเทียมทั้งสองที่อยู่ตรงจุดปะทะ แผ่นโลหะที่ประกอบเป็นตัวโครงสร้างหลักเองก็ถูกฉีกกระเด็นออกราวกับใบไม้ จะคงเหลือก็น่าจะเพียงน็อตและชิ้นส่วนภายในที่มีความแข็งแรงพอพุ่งกระจายออกไปทั่วบริเวณเท่านั้น

เศษชิ้นส่วนของดาวเทียมทั้งสอง 20 นาทีหลังการปะทะ (ที่มา – Rlandmann)

เหตุการณ์ทั้งหมดเกิดขึ้นภายในเสี้ยววินาที ไร้ซึ่งเสียงหรือสัญญาณใด ๆ ที่จะบอกถึงความรุนแรงของสิ่งที่เกิดขึ้นได้เลยนอกจากแสงวาบจากพลังงานมหาศาลที่ถูกปลดปล่อยออกมา ชั่ววินาทีต่อจากการปะทะ สัญญาณจาก Iridium-33 ก็ได้ขาดหายไป และระบบตรวจจับขยะอวกาศตามศูนย์อวกาศและกล้องดูดาวต่างๆก็ได้เริ่มตรวจจับถึงสิ่งผิดปกติที่ลากเป็นเส้นยาวไปเหนือฟากฟ้า

เศษชิ้นส่วนของดาวเทียมทั้งสองประมาณ 1 ชม.หลังการปะทะ (ที่มา – Rlandmann)

นี่เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของการชนกันระหว่างดาวเทียม 2 ดวงกลางอวกาศในระดับความเร็ว Hypervelocity ซึ่งมีความรุนแรงสูงกว่าการชนจากขยะอวกาศธรรมดา ๆ เป็นอย่างมาก ชนิดที่เทียบกันไม่ติดเลยทีเดียว

ภาพชิ้นส่วนเศษซากหลังการปะทะ ถ่ายโดย Marco Langbroek – (ที่มา – Marcoaliaslama)

Hypervelocity กับตัวเลขและฟิสิกส์ขนมหวาน

เราลองมาคำนวณเล่น ๆ กันดูก่อนดีกว่าว่าการชนกันในระดับ Hypervelocity นั้นจะรุนแรงได้ซักแค่ไหนกันเชียว (ตัวเลขทั้งหมดเป็นค่าประมาณจากแหล่งอ้างอิงนะ)

ในที่นี้ดาวเทียม A (Kosmos-2251) มีน้ำหนัก 900 กิโลกรัมที่พื้นผิวโลก เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 42,000 กม./ชม. ที่ระดับความสูง 789 กม.

และในขณะเดียวกันดาวเทียม B (Iridium-33) มีน้ำหนัก 600 กิโลกรัมที่พื้นผิวโลก เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 42,000 กม./ชม. ที่ระดับความสูง 789 กม.เช่นเดียวกัน

แต่เนื่องด้วยในความสูง 789 กม. แรงโน้มถ่วงโลกยังคงมีผลอยู่ แต่จะอ่อนลงมาก (ไม่เท่ากับ g=9.8 เมตร/วินาที^2 แน่นอน) ดังนั้นเราต้องคำนวณหาค่าแรงโน้มถ่วง (g) ใหม่ ดังนี้

จากสูตร g =GM/R^2 (ฮันแน่ ท่องตามได้ก็บอกมา) เมื่อ

  • g = ค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (สิ่งที่เราต้องการหา)
  • G = ค่าคงตัวโน้มถ่วงสากล = 6.67 × 10^- 11นิวตัน(เมตร)^2/(กิโลกรัม)^2
  • M = มวลของโลก = 5.98 × 10^24 กิโลกรัม
  • R = รัศมีของโลก = 6.37 × 10^6 เมตร

ทำการยัดข้อมูล(แทนค่า) ตัวแปรทั้งหมดลงไป เราก็จะได้สมการยุ่ง ๆ หน้าตาประมาณนี้

g = ((6.673×10^- 11)(5.98×10^24))/(6.37×10^6+789,000)^2

โดยค่า 789,000 คือความสูงจากพื้นโลกในหน่วยเมตร

จะได้ผลลัพธ์ของสมการเท่ากับ g = 7.78605709387 เมตร/วินาที^2
ซึ่งเราจะทำการปัดตัวเลขให้เหลือแค่ 7.80 เมตร/วินาที^2 ก็พอ

น้ำหนักของดาวเทียม A ในอวกาศ = 7.8 × 91.8 = 716.04 กิโลกรัม
น้ำหนักของดาวเทียม B ในอวกาศ = 7.8 × 61.2 = 477.36 กิโลกรัม

โดยค่า 91.8 และ 61.2 คือมวลของดาวเทียมทั้งสอง

จากการคำนวณจะเห็นได้ว่าน้ำหนักของดาวเทียมทั้งสองได้ลดลงไปมากเมื่ออยู่ในห้วงอวกาศ (วงโคจรระดับต่ำ) แต่นี่ไม่ได้ช่วยให้อะไรดีขึ้นเลย เพราะแท้จริงแล้วตัวแปรที่สำคัญที่สุดก็คือมวลและความเร็วของดาวเทียมนั่นเอง

ยิ่งเร็วยิ่งร้อนแรง

จากข้อมูลที่ได้จากการคำนวณข้างบน เราจะสามารถทราบได้ว่าการชนกันในความเร็วระดับนี้รุนแรงเพียงใดจากพลังงานที่ได้จากการปะทะ

ดาวเทียม A และ Bเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 11,700 เมตร/วินาที ทั้งคู่

จากสูตรคำนวณพลังงานจลน์ Ek = 1/2mv^2

ดาวเทียม A จะมีพลังงานจลน์สูงถึง 1/2(91.8 × 11,700)^2 = 576,802,441,800 จูล
และดาวเทียม B จะมีพลังงานศักย์สูงถึง 1/2(61.2 × 11,700)^2 = 256,356,640,800 จูล
การชนกันจะปลดปล่อยพลังงานจลน์ที่สะสมอยู่ได้มากที่สุดถึง 833,159,082,600 จูล
ประมาณ 1/5000 ของระเบิดนิวเคลียร์ขนาด 1 เมกะตัน

การชนกันในระดับความเร็ว Hypervelocity จะนับที่ความเร็วมากกว่า 3,000 เมตร/วินาทีขึ้นไป (ประมาณ Mach 8) และด้วยความเร็วขนาดนี้ ความแข็งแรงของวัตถุจะมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับความเฉื่อยของวัตถุนั้น ส่งผลให้แม้กระทั่งโลหะที่เป็นของแข็งก็สามารถประพฤติตัวเยี่ยงของเหลวได้ และเมื่อรวมกับพลังงานจลน์ปริมาณมหาศาลที่ถูกปล่อยออกมา ก็มักจะส่งผลให้วัตถุที่ชนกันระเหยกลายเป็นไอไปพร้อมกับแสงวาบจ้าได้เลยทีเดียว

สิ่งที่ท่านเห็นอยู่นี้ไม่ใช่ลำแสงเลเซอร์แต่อย่างใด แต่คือการทดสอบการชนกันในความเร็ว Hyper Velocity ระหว่างวัตถุและโครงสร้างของยานอวกาศ ณ Hypervelocity Ballistic Range ของศูนย์วิจัย Ames Research Center ตัววัตถุนั้นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงถึง 27,000 กม./ชม. ประมาณครึ่งหนึ่งของความเร็วที่ดาวเทียมทั้งสองชนกัน (ที่มา – NASA)

หลังจากนั้น

NASA และหน่วยงานด้านอวกาศ (รวมไปถึง Iridium Communications) ได้ตรวจจับการชนกันได้ทันทีในเวลาไม่นานหลังจากการปะทะ หน่วยงานอื่น ๆ อย่าง United States Strategic Command, National Weather Service และ Federal Aviation Administration แห่งประเทศสหรัฐอเมริกาได้ทำการแจ้งเตือนถึงการชนกันไม่กี่วันหลังจากเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น

การชนกันครั้งแรกระหว่างดาวเทียมและดาวเทียมด้วยความเร็ว Hypervelocity นี้สร้างขยะอวกาศขนาดใหญ่กว่า 10 ซม. กว่าพันชิ้น รวมไปถึงขยะอวกาศชิ้นเล็กชิ้นน้อยปริมาณนับไม่ถ้วน โดยรวมแล้วมีเศษซากจากการปะทะกันนี้ถูกขึ้นทะเบียนไว้มากถึงกว่า 2,000 ชิ้น

นับเป็นโชคดีที่การชนกันนี้เกิดขึ้นในวงโคจรระดับต่ำหรือ Low Earth Orbit ทำให้ความเสี่ยงต่อภารกิจกระสวยอวกาศและสถานีอวกาศนานาชาตินั้นไม่สูงมากนัก (แต่ทางการจีนในขณะนั้น ก็ได้แจ้งว่าขยะอวกาศที่เกิดขึ้นนั้นมีความเสี่ยงที่จะชนกับดาวเทียมของจีนในวงโคจร SSO – Sun-synchronous orbit)

อย่างไรก็ตามสถานีอวกาศนานาชาติก็ต้องทำการเคลื่อนหลบเศษซากจากการปะทะนี้ไปแล้วในปี ค.ศ. 2011 และในปลายปีเดียวกัน NASA ได้รายงานว่าชิ้นส่วนหลายชิ้นก็ได้ค่อยๆเริ่มตกกลับสู่โลก แต่มิวาย ในปี ค.ศ. 2012 ชิ้นส่วนเล็กๆของ Kosmos-2251 ที่ยังเหลืออยู่ก็ได้แผลงฤทธิ์โดยการพุ่งเฉียดสถานีอวกาศนานาชาติอีกครั้งด้วยระยะห่างเพียงประมาณ 120 เมตร ส่งผลให้ลูกเรือทั้งหกคนต้องรีบเข้าไปหลบในยาน Soyuz ทั้ง 2 ลำเป็นการชั่วคราวเพื่อเตรียมอพยพฉุกเฉินหากสถานีถูกปะทะโดยชิ้นส่วนที่ว่านี้

สรุปแล้วการชนกันของ Kosmos-2251 และ Iridium 33 ได้สร้างเศษซากขยะอวกาศและชิ้นส่วนที่ถูกบันทึกไว้ได้ทั้งสิ้น 1,668 และ 628 ชิ้น ตามลำดับ

ในปีค.ศ. 2016 ชิ้นส่วนประมาณ 1,141 ชิ้นจาก Kosmos-2251 และชิ้นส่วน 364 ชิ้นจาก Iridium-33 ยังคงค้างอยู่ในวงโคจร และมีโอกาสสูงมากที่ชิ้นส่วนกว่าครึ่งจะยังค้างอยู่ในวงโคจรไปอีกเป็นศตรวรรษ

สาเหตุที่แท้จริง

โอกาสที่ขยะอวกาศจะพุ่งเข้ามาชนกับยานอวกาศและดาวเทียมนั้นมีสูงมากในปัจจุบัน จนเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องคำนึงถึงในการออกแบบและสร้างดาวเทียมไปจนถึงยานอวกาศ แต่การที่ดาวเทียมกับดาวเทียมจะชนกันเองนั้นเป็นเรื่องที่เหนือความคาดหมายและเกิดขึ้นได้น้อยมาก เป็นเพราะดาวเทียมนั้นมีขนาดใหญ่พอที่จะทำการตรวจจับได้จากพื้นโลก (ถึงแม้จะหยุดทำงานไปแล้วก็ตาม) และมีเส้นทางการโคจรที่คาดเดาได้ ทำให้เหตุผลจริง ๆ ที่ก่อให้เกิดการชนกันนั้นคือ การขาดการเตือนล่วงหน้าและข้อมูลตำแหน่งที่แม่นยำของดาวเทียมทั้งสอง กับการที่ดาวเทียม Kosmos-2251 นั้นไม่มีระบบขับเคลื่อน (ซึ่งจะไปแก้ไขอะไรก็ไม่ได้แล้ว)

การชนกันระหว่าง Kosmos-2251 และ Iridium 33 นับเป็นการสร้างขยะอวกาศที่มากที่สุดครั้งหนึ่งในประวัติศาสตร์ (เศษชิ้นส่วนเริ่มหนาแน่นที่บริเวณ 800 กม. เหนือพิ้นผิวโลก) – (ที่มา – NASA)

ที่จริงทาง Iridium Communications ก็ได้รับการแจ้งเตือนมาโดยตลอดถึงความเสี่ยงของวัตถุใด ๆ ก็ตามที่โคจรเข้ามาใกล้กับดาวเทียมของทางบริษัท แต่ข้อมูลที่ได้จากทางการสหรัฐนั้นมีมากถึง 400 รายการต่อสัปดาห์ (ในระยะ 5 กม.) ซึ่งการจะเคลื่อนดาวเทียมหลบตามทุกคำเตือนนี้ย่อมเป็นไปไม่ได้อย่างแน่นอน เพราะดาวเทียมแต่ละดวงมีเชื้อเพลิงที่จำกัด และการเคลื่อนที่หลบในแต่ละครั้งย่อมส่งผลถึงการทำงานของดาวเทียมดวงนั้นอีกด้วย (ลองคิดถึงเงินที่จะต้องเสียไปสิ!)

ที่แย่กว่านั้นคือจริง ๆ แล้ว ทางการสหรัฐและรัสเซียมีข้อมูลที่ถ้าหากประมวลผลแล้วจะแสดงให้เห็นว่าดาวเทียมทั้งสองจะพุ่งเข้าเฉียดกันในระยะที่อันตรายมาก (ข้อมูลเหล่านี้ไม่สามารถให้คำตอบได้ว่าการชนจะเกิดขึ้นหรือไม่ แค่บอกถึงความน่าจะเป็น) แต่การเตือนไม่ได้เกิดขึ้นเพราะในเวลานั้น ขั้นตอนการตรวจสอบความเสี่ยงในการชนกันไม่ได้นับเอาดาวเทียมทั้งสองดวงนี้เข้าไปด้วย เพราะเน้นเฉพาะดาวเทียมสำหรับการทหารเป็นหลัก

การชนกันกลางอวกาศนี้จึงเกิดขึ้นในที่สุด

บทสรุป

เช่นเดียวกับหายนะหลาย ๆ ครั้งในประวัติศาสตร์มนุษยชาติ ถึงแม้การชนกันของ Kosmos-2251 และ Iridium 33 จะไม่ได้พรากเอาชีวิตใครไปหรือก่อให้เกิด Kessler Syndrome ขึ้นจริง ๆ เหมือนกับในภาพยนตร์ แต่ก็ทำให้มนุษย์โลกอย่างเรา ๆ ได้เรียนรู้ถึงความรุนแรงจากสิ่งที่เกิดขึ้น ส่งผลให้มีการเปลี่ยนแปลงหลายๆอย่างในวงการอวกาศตามมา

ทางการสหรัฐเปลี่ยนนโยบายในการแจ้งเตือนการชนกันของดาวเทียมและวัตถุในวงโคจรโลกใหม่ทั้งหมด โดยทาง U.S. military’s Joint Space Operations Center (JSpOC) ได้เข้ามาทำหน้าที่แทน โดยรวมดาวเทียมทั่วไปกว่าพันดวงในวงโคจรเข้าไปในฐานข้อมูลด้วย การประมวลผลข้อมูลก็ถูกเปลี่ยนใหม่ทั้งหมด ทำให้มีความแม่นยำสูงขึ้นมาก

ไม่เพียงแค่นั้น ทาง U.S. Strategic Command (STRATCOM) ได้พัฒนาและเผยแพร่โปรแกรม Space Situational Awareness (SSA) สำหรับเผยแพร่ข้อมูลตำแหน่งของวัตถุต่าง ๆ ในวงโคจรอีกด้วย

ท้ายที่สุดแล้วสิ่งสุดท้ายที่ยังเหลืออยู่คือการผ่านร่างกฎหมายให้ทุกดาวเทียมที่ถูกส่งขึ้นไปต้องถูกกำจัดทิ้งเมื่อสิ้นอายุการใช้งาน บางประเทศเช่นฝรั่งเศสได้ผ่านร่างกฎหมายนี้แล้วรวมไปถึงภาคธุรกิจเองก็เริ่มหันมาใส่ใจในเรื่องนี้มากยิ่งขึ้นเช่นกัน

ไม่ว่าเราจะสามารถตรวจสอบและแจ้งเตือนการชนกันได้ดีเพียงใด แต่ขยะอวกาศยังเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ก็ไม่ได้ช่วยให้อะไรดีขึ้นเลย…

ซี่รี่ย์สิ้นสุดภารกิจ

อ้างอิง
2009 Iridium-Cosmos Collision Fact Sheet
NASA Report on USA Space Debris Environment, Operations, and Policy Update


Analysis of Iridium 33 – Kosmos 2251 Collision
Analysis of Iridium 33 – Kosmos 2251 Collision Consequences
2009 Satellite Collision by TNYT


US satellite destroyed in space collision
2009 satellite collision
Kosmos 2251
Iridium 33





Must Know Topics