สรุปทุกข้อมูลของยาน Hope ภารกิจประวัติศาสตร์ของเอมิเรตส์

ยาน Hope มีชื่ออย่างเป็นทางการว่า Emirates Mars Mission ซึ่งเป็นยานสำรวจอวกาศไร้นักบินบังคับการของหน่วยงานด้านอวกาศของสหรัฐอาหรับเอมิเรตส์ ซึ่ง Hope เป็นยานสำรวจดาวอังคารที่กำลังจะเดินทางถึงดาวอังคารในวันที่ 9 กุมภาพันธ์ 2021 นี้ โดยจะเริ่มการทำ Orbit Insertion ในอีกไม่นานนี้ โดย Hope นั้นเป็น 1 ใน 3 ยานที่ถูกส่งไปยังดาวอังคารในปี 2020 อีกสองยานนั้นก็คือ Tianwen-1 ของจีนและ Mars 2020 ของสหรัฐอเมริกานั้นเอง ในบทความนี้เราจะมาพูดถึงสิ่งที่ต้องรู้เกี่ยวกับยาน Hope กัน

ภารกิจ Emirates Mars Mission (EMM)

Emirates Mars Mission คือ ภารกิจการเดินทางไปยังดาวอังคารภารกิจแรกของ UAE ซึ่ง EMM มีจุดประสงค์หลักเพื่อเดินทางไปยังวงโคจรของดาวอังคารเพื่อศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวอังคารใน Global Scale หมายความว่าการศึกษาจะเกิดขึ้นทั้งการศึกษาในช่วงของฤดูกาลบนดาวอังคารและกลางวันกลางคืน โดย EMM จะเน้นการสำรวจชั้นบรรยากาศชั้นกลางและชั้นล่างของดาวอังคาร เพื่อศึกษาการหลุดออกของอนุภาคจากชั้นบรรยากาศของดาวอังคารสู่อวกาศ

ซึ่งการศึกษาการหลุดออกของอนุภาคนั้นยังเกี่ยวเนื่องกับการที่ดวงจันทร์ Phobos ของดาวอังคารอาจจะถูกอนุภาคพวกนี้ชนเข้าและฝังลงไปในพื้นผิวของดวงจันทร์อีกด้วย การสำรวจดวงจันทร์ Phobos อาจจะช่วยไขปริศนาการหายไปของชั้นบรรยากาศของดาวอังคารได้นั่นเอง

อ่านบทความเกี่ยวกับการเสียอนุภาคของชั้นบรรยากาศดาวอังคารได้ที่นี่ – ดวงจันทร์ Phobos ของดาวอังคารอาจจะเก็บความลับการหายไปของชั้นบรรยากาศดาวอังคารไว้อยู่

ดาวอังคารและดาวบริวารทั้งสองของมัน Phobos และ Deimos – ที่มา NASA

นอกจากนี้ EMM ยังจะเป็นภารกิจแรกที่ได้ศึกษาสภาพอากาศชั้นล่างของดาวอังคารทั้งฤดูกาลตลอดกลางวันและกลางคืน รวมถึงการศึกษาการก่อตัวของพายุฝุ่นบนดาวอังคารในแต่ละพื้นที่ทางภูมิศาสตร์อีกด้วย ซึ่งวัตถุประสงค์ก็เพื่อไขปริศนา Climate Dynamics ของดาวอังคารที่นักดาราศาสตร์ยุคปัจจุบันยังไม่สามารถแก้ไขได้

ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารที่เคยหนาจนสามารถทำให้น้ำควบแน่นได้หายไปไหน ภาวะเรือนกระจกที่คอยรักษาอุณหภูมิของดาวไม่ให้เย็นยะเยือกเหมือนทุกวันนี้สลายไปได้อย่างไร การสูญเสียไอออนของไฮโดรเจนและออกซิเจนของดาวอังคารทำไมจึงเกิดขึ้น ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารมีการแบ่งเป็นชั้น ๆ อย่างชัดเจนเหมือนบนโลกหรือไม่ คำถามเหล่านี้ยังไม่มีนักดาราศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์คนใดสามารถอธิบายได้ชัดเจน

ภารกิจ EMM จึงจะทำหน้าที่เป็นภารกิจดาวเทียมสภาพอากาศ “ดวงแรก” ของดาวอังคารอย่างแท้จริงนั่นเอง และดาวเทียมที่จะทำหน้าที่นั้นมีชื่อว่า “Hope”

ยาน Hope ในภารกิจ EMM

ยาน Hope Probe ของภารกิจ EMM นั้นถูกตั้งชื่อตามความปรารถนา ความมั่นใจ และความหวัง ของชาวอาหรับนับล้าน ๆ คนที่จะเดินทางไปยังดาวอังคาร โดยยาน Hope นั้นมีรูปร่างเป็นลูกบาศก์น้ำหนักประมาณ 1,350 กิโลกรัมเมื่อบรรจุเชื้อเพลิงเต็ม กว้าง 2.37 เมตร ยาว 2.90 เมตร ขนาดพอ ๆ กับรถยนต์ขนาดเล็ก ถูกสร้างโดย Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LAPS) ของ University of Colorado Boulder ร่วมกับ Mohammed bin Rashid Space Centre (MBRSC) หน่วยงานอวกาศของสหรัฐอาหรับเอมิเรตส์ Arizona State University (ASU) และ University of California, Berkeley ซึ่งงบประมาณการสร้างยานและการ Operate ภารกิจนั้นอยู่ที่ประมาณ 5,900 ล้านบาท

โดย Hope มีแผงโซลาร์เซลล์พลังงาน 900 watt สองแผงสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ของยาน พร้อมกับจานดาวเทียม High-gain ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.5 เมตร สำหรับใช้ในการติดต่อกับโลก ระบบนำทางของยานใช้ Star Tracker Sensor ในการตามดาวและระบุตำแหน่งของตัวเองด้วยกลุ่มดาวสัมพัทธ์กับตำแหน่งของดวงอาทิตย์เพื่อปรับวิถีของยานให้ถูกต้องด้วยจรวดขับดัน 120-N ทั้ง 6 ตัวของยาน ใช้ในการปรับความเร็วของยาน (Delta-V) และ 5-N Reaction Control System (RCS) อีก 8 ตัวสำหรับการปรับทิศทางของยาน

ภาพของยาน Hope ในห้อง Clean Room – ที่มา UAE Space Agency

โดยยานถูกออกแบบมาให้สามารถเดินทางไปยังดาวอังคารได้ภายใน 200 วันที่ตำแหน่ง 2020 Launch Window ในปีที่ผ่านมา อุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ของยาน Hope มีหลัก ๆ อยู่ 3 ตัว ดังนี้

  • Emirates Exploration Imager (EXI) คือ กล้องถ่ายรูปในหลายช่วงคลื่นความยาวแสง (Multi-wavelength imager) ความละเอียด 12 mega-pixel สำหรับการถ่ายรูปความละเอียดสูงของชั้นบรรยากาศของดาวอังคารเพื่อวัดการกระจายของน้ำแข็งและแก๊สโอโซนในชั้นบรรยากาศของดาวอังคารในช่วงคลื่น Ultraviolet (ความเจ๋งคือมันถ่าย 4K ได้ด้วย)
  • Emirates Mars Infrared Spectrometer (EMIRS) คือ Spectrometer สำหรับสำรวจชั้นบรรยากาศของดาวอังคารในช่วงคลื่น Infrared และช่วงคลื่นแสงที่มองเห็นได้เพื่อวัดความลึกของฝุ่น เมฆน้ำแข็งและไอน้ำในชั้นบรรยากาศ นอกจากนี้ EMIRS ยังสามารถใช้วัดอุณหภูมิพื้นผิวและอุณหภูมิบรรยากาศชั้นล่างของดาวอังคารได้อีกด้วย
  • Emirates Mars Ultraviolet Spectrometer (EMUS) คือ Spectrometer สำหรับการสำรวจชั้นบรรยากาศชั้นบนของดาวอังคารในช่วงคลื่นความยาวแสง Ultraviolet เพื่อศึกษาการกระจายตัวของแก๊ส Carbon Monoxide และ Oxygen ในชั้น Thermosphere และศึกษาการกระจายตัวของแก๊ส Oxygen และ Hydrogen ในชั้น Exosphere ของดาวอังคาร
แผนภาพอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ของยาน Hope – ที่มา EMM

Emirates Exploration Imager กล้องถ่ายภาพ Multi-wavelength

EXI เป็นกล้อง Multi-wavelength ที่ทนต่อการรบกวนโดยรังสีต่าง ๆ สามารถถ่ายรูปที่ความละเอียด 12 megapixel ได้โดยไม่ถูกรบกวนจากรังสีต่าง ๆ ด้วยการทำ Radiometric Calibration เพื่อให้ภาพที่ได้มีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุด EXI ถูกออกแบบร่วมกับโดย LASP และ MBRSC นอกจากนี้ตัวกล้องเองยังถูกออกแบบมาให้สามารถ Customize โดยวิศวกรได้ไม่ว่าจะเป็นพื้นที่ในการถ่าย ความละเอียด เฟรมเรต เพื่อปรับข้อมูลให้เข้ากับหน่วยความจำและ Bandwidth ในการส่งภาพกลับโลก

ภาพอุปกรณ์ Emirates Exploration Imager (EXI) ของ Hope – ที่มา EMM

ตัวกล้องเป็นระบบ Double lens ซึ่งแยกออกเป็นกล้อง UV สำหรับถ่ายในช่วง UV และกล้อง VIS สำหรับถ่ายในช่วงคลื่นแสงที่มองเห็นได้ โดยตัวเลนส์เองใช้กระจกแบบ Double Gauss ที่มีคุณสมบัติบิดเบี้ยวภาพต่ำทำให้สามารถถ่ายรูปความละเอียดสูงได้อย่างชัดเจน ตัวกล้องมี Focal Ratio ที่ต่ำทำให้สามารถถ่ายภาพด้วย Exposure Time ที่ต่ำได้ โดยเฉพาะเมื่อโคจรถึงจุด Periapsis (จุดที่ต่ำที่สุดของวงโคจรต่อ Orbiting Body) ซึ่งเป็นจุดที่ยานจะโคจรด้วยความเร็วสูงที่สุด

ซึ่งคนถ่ายภาพจะรู้ดีว่าหาก Exposure Time เยอะมันก็คือ Speed Shutter ช้านั่นเอง หากถ่ายรูปอะไรก็ตามที่กำลังเคลื่อนที่อยู่ด้วย Speed Shutter ที่สูง ภาพก็จะเบลอนั่นเอง การมี Focal Ratio ต่ำที่ทำให้ตัวกล้องสามารถถ่ายภาพด้วย Exposure Time ที่ต่ำแต่ได้ภาพที่ชัดจึงเป็นประโยชน์อย่างมากในการถ่ายรูปในบริเวณที่ความสูงการโคจรต่ำ เพราะวัตถุต่าง ๆ บนดาวอังคารที่เราต้องการถ่ายจะเคลื่อนที่เร็วมากนั่นเอง

เซนเซอร์ของกล้องใช้เป็นเซนเซอร์ 12-megapixel 12-bit monochrome แบบ CMOS Array สัดส่วน 4:3 ที่มาพร้อมกับชิปสำหรับเลือก Array ที่จะสามารถถ่ายได้เพื่อลดขนาดของภาพและความละเอียดตามความต้องการ ยิ่งไปกว่านั้นคือกล้องอันนี้สามารถถ่ายวิดีโอที่ 180 frame ต่อวินาทีได้ พร้อมกับความสามารถในการถ่ายวิดีโอความละเอียดที่ 4K คุณภาพระดับถ่ายทำหนัง เรียกได้ว่าเป็นกล้องสตูดิโอดี ๆ ตัวหนึ่งเลย ตัวกล้องยังมีแผ่นกรองที่สามารถเปลี่ยนได้คามความต้องการเพื่อถ่ายรูปในช่วงคลื่นใดช่วงหนึ่ง สำหรับการถ่ายเมฆ เช่น short-wavelength UV-C (245 – 275 nm) long-wavelength UV-A (305 – 335 nm) สำหรับกล้องช่วง UV ส่วนช่วง VIS จะแบ่งเป็น RGB Red Green และ Blue นั่นเอง

จุดประสงค์ของ EXI คือ ใช้ในการถ่ายรูปชั้นบรรยากาศชั้นล่างของดาวอังคารในช่วง UV และช่วงคลื่นแสงที่มองเห็นได้ รวมถึงใช้ในการถ่ายภาพหรือวิดีโอความละเอียดสูงของดาวอังคาร นอกจากนี้ยังสามารถใช้วัดความลึก (Optical depth) ของน้ำแข็งและโอโซนในชั้นบรรยากาศของดาวอังคารได้อีกด้วย

Emirates Mars Infrared Spectrometer (EMIRS) ศึกษาบรรยากาศของดาวอังคาร

EMIRS เป็น Thermal Infrared Spectrometer แบบ Interferometric สำหรับใช้ในการศึกษาการหมุนเวียนของพลังงานในชั้นบรรยากาศแต่ละชั้นของดาวอังคาร โดยเฉพาะการหมุนเวียนของอุณหภูมิในชั้นบรรยากาศที่อาจมีส่วนเกี่ยวของกับการกระจายตัวของ ฝุ่น เมฆน้ำแข็งและไอน้ำ และเพื่อศึกษาผลกระทบของดวงอาทิตย์ต่อการหมุนเวียนพลังงานของชั้นบรรยากาศชั้นล่างของดาวอังคารในแต่ละฤดูกาลและแต่ละวันเวลา

ภาพอุปกรณ์ Emirates Mars Infrared Spectrometer (EMIRS) ของ Hope – ที่มา EMM

นอกจากนี้ EMIRS ยังติดตั้งกระจกสำหรับการเปลี่ยนทิศทางการสำรวจด้วยการหมุนไว้ด้วย ทำให้ตัวอุปกรณ์สามารถหมุนเพื่อทำการสแกนโครงสร้างชั้นบรรยากาศของดาวแบบสามมิติได้ด้วยนั่นเอง

Emirates Mars Ultraviolet Spectrometer (EMUS) วัดค่าแก๊สในบรรยากาศดาวอังคาร

EMUS คือ Far UV Spectrometer พัฒนาโดย LASP และ MBRSC ใช้สำหรับการวัดค่า Carbon Monoxide และ Oxygen ในชั้น Thermosphere และสำหรับเก็บข้อมูลในการสร้างโครงสร้างสามมิติของออกซิเจนและไฮโดรเจนในชั้น Exosphere

ภาพอุปกรณ์ Emirates Mars Ultraviolet Spectrometer (EMUS) ของ Hope – ที่มา EMM

โดย EMUS มี Spatial Resolution ที่ 0.36o โดยสามารถเลือกเปลี่ยนได้ที่ระเหวาาง 1.3 nm และ 1.8 nm พร้อมกับ Spectral range ที่ 100 – 170 nm เพื่อให้ครอบคลุมการสำรวจการแผ่ช่วงคลื่น Ultraviolet ของทั้ง Hydrogen (H), Oxygen (O) และ Carbon Monoxide นั่นเอง

การปล่อยยาน Hope และการเดินทางสู่ดาวอังคาร

หลังการพัฒนายานเสร็จสิ้น Hope มีกำหนดส่งมอบให้ฐานปล่อยที่ญี่ปุ่นในเดือน เมษายน 2020 เพื่อทำ Launch Preparation แต่จากการระบาดของโรคติดเชื้อโคโรนาไวรัส (COVID-19) ทำให้ทางหน่วยงานจำเป็นต้องรีบส่งมอบเพื่อป้องกันไม่ให้ Launch Window ล่าช้า (หากเลย Launch Window ออกไป ยานจะต้องรอไปอีกอย่างน้อย 2 ปีกว่าที่ดาวอังคารและโลกจะโคจรเข้ามาใกล้กันใหม่) ซึ่งการเลื่อนการส่งมอบเข้ามานั้นทำให้การทดสอบยานบางส่วนที่ไม่จำเป็นต้องถูกยกเลิกออกไป ยาน Hope เดินทางถึงฐานปล่อยที่เกาะ Tanegashima วันที่ 24 เมษายน 2020 เพื่อเตรียม Launch Preparation

ยาน Hope ในภารกิจ EMM ถูกปล่อยจากจรวด H-IIA ของญี่ปุ่นซึ่งสร้างโดย Mitsubishi Heavy Industries (MHI) จากฐานปล่อย Tanegashima Space Center เมื่อวันที่ 14 กรกฎาคม 2020 ซึ่งเป็น Launch Window สำหรับการปล่อยยานไปยังดาวอังคารของปี 2020 (หากพลาด จะต้องรอไปจนถึงปี 2022)

ภาพของการปล่อยยาน Hope ด้วยจรวด H-IIA ของญี่ปุ่นจากฐานปล่อย Tanegashima – ที่มา EMM

Hope เป็นยานสำรวจลำแรกที่ถูกปล่อยใน 2020 Mars Launch Window ตามมาด้วยยาน Tianwen-1 ซึ่งปล่อยวันที่ 23 กรกฎาคม 2020 ปิดท้ายด้วย Mars 2020 วันที่ 30 กรกฎาคม 2020 และทั้งสามยานก็จะถึงดาวอังคารในเวลาไล่เลี่ยกันนั่นเอง โดย Hope กำหนดเดินทางถึงดาวอังคารในวันที่ 9 กุมภาพันธ์ 2021

การทำ Orbit Insertion และการเดินทางไปยังดาวอังคารของยาน Hope – ที่มา WikiCommons, HORIZONS System, JPL, NASA

หลังจากการปล่อยยาน Hope อาศัยการนำทางจาก Star Tracker และระบบนำวิถีจาก KinetX Aerospace ซึ่งเป็นระบบการติดตามผ่านสัญญาณวิทยุด้วยเครือข่าย Deep Space Network (DSN) ของ NASA เพื่อคำนวณวิถีของ Hope คร่าว ๆ และปรับวิถีการเดินทางเมื่อจำเป็นนั่นเอง โดยยาน Hope หลังจากการทำ Orbit Insertion (ปรับวงโคจรเพื่อเดินทางไปยังดาวอังคาร) เสร็จสิ้น ยานก็ได้ปรับวิถีวงโคจรอีกเป็นจำนวนหนึ่งครั้งเรียกว่า Inteplanetary Course Correction Maneuver (TCM1) เมื่อวันที่ 17 สิงหาคม 2020 เดินทางสู่ดาวอังคารด้วยความเร็วกว่า 76,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

การนำวิถีของยาน Hope ผ่านระบบของ KinetX Aerospace และ Deep Space Network – ที่มา EMM

วันที่ 9 กุมภาพันธ์ 2021 4 ทุ่มครึ่งตามเวลาประเทศไทย (โดยประมาณ) ยาน Hope จะเดินทางถึงดาวอังคารและเริ่มการลดความเร็วเพื่อทำ Orbit Insertion และเข้าสู่วงโคจรของดาวอังคารด้วยการลดความเร็วด้วยระบบขับเคลื่อนของมันเพื่อปรับวงโคจรรอบ ๆ ดาวอังคารที่ขนาดวงโคจร 20,000 x 43,000 กิโลเมตร

แผนภาพการเดินทางของยาน Hope สู่ดาวอังคาร – ที่มา EMM

โดยยาน Hope จะปรับวงโคจรรอบ ๆ ดาวอังคารเป็นวงโคจรแบบ Highly Elliptical Orbit หรือวงโคจรแบบวงรีโคตร ๆ ในระยะแรกของการเข้าสู่วงโคจรจากนั้นจึงปรับความรีของวงโคจรให้ลดลงและขยายจุด Periapsis เป็นแบบ Semi-synchronous orbit เพื่อให้เยอะขึ้นเพื่อให้ครอบคลุมการสำรวจดาวทั้งดาวนั่นเอง โดยยาน Hope จะทำภารกิจของมันเป็นเวลาอย่างน้อย 2 ปีตามที่ได้ออกแบบไว้

การเข้าสู่วงโคจรของยาน Hope – ที่มา EMM

UAE ได้มากกว่าแค่วิทยาศาสตร์จากภารกิจ EMM

นอกจากภารกิจ EMM จะมีจุดประสงค์เพื่อเพิ่มองค์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับดาวอังคารให้กับมนุษยชาติแล้ว EMM ยังให้อะไรได้มากกว่าแค่วิทยาศาสตร์แก่ UAE ไม่ว่าจะเป็นการทลายข้อจำกัดด้านวิศวกรรมของและความสามารถของ UAE ในการสำรวจวิทยาศาสตร์และการพิสูจน์ว่าชาวอาหรับซึ่งเคยเป็นส่วนหนึ่งของการพัฒนาความรู้ให้แก่มนุษยชาติสามารถทำแบบนั้นได้อีกครั้งหนึ่ง

“To our Arab brethren: that nothing is impossible, and that we can compete with the greatest of nations in the race for knowledge. For those who strive to reach the highest of peaks: set no limits to your ambitions, and you can reach even to space”

Sheikh Mohammed bin Rashid AL Maktoum

จากภารกิจ EMM ชาวอาหรับได้พิสูจน์ว่าอนาคตของความรู้วิทยาศาสตร์ คือ Knowledge-based economy ภารกิจ EMM ได้ช่วยยกระดับคุณภาพชีวิตในประเทศด้วยการทำสิ่งใหม่ ๆ ที่ไม่มีใครเคยทำ แสวงหาองค์ความรู้ที่ยังไม่มึใครสามารถได้มาซึ่งความชัดเจน เพื่อเป็นแรงบันดาลใจให้ Generation ต่อ ๆ ไปสนใจในอวกาศและวิทยาศาสตร์ต่อไป

อ่าน จากพันหนึ่งราตรีจินนี่จ๋าสู่ดาวอังคาร การท่องอวกาศของ UAE เปลี่ยนโลกอาหรับอย่างไร

แผนภาพความร่วมมือของ UAE ในภารกิจ EMM – ที่มา EMM

UAE ได้เป็นส่วนร่วมของ Mars Exploration Program Advisory Group (MEPAG) ซึ่งเป็นกลุ่มของชุมชนวิทยาศาสตร์ต่าง ๆ ที่ต้องการจะศึกษาว่า ดาวอังคารเคยอยู่อาศัยได้หรือไม่และยังสามารถอยู่อาศัยได้หรือไม่ ความเป็นมาของชั้นบรรยากาศของดาวอังคาร ที่มาและการกำเนิดของดาวอังคาร การเตรียมพร้อมสำหรับการสำรวจดาวอังคารโดยมนุษย์

ซึ่งภารกิจ EMM มีจุดประสงค์ร่วมกับ MEPAG ในด้านการศึกษาประวัติและความเป็นมาของภูมิอากาศบนดาวอังคารนั่นเอง โดยเฉพาะการสำรวจชั้นบรรยากาศชั้นบนและชั้นล่างพร้อม ๆ กันของยาน Hope ที่ไม่เคยมีใครทำมาก่อน

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO