Featured แผนการบริหารทรัพยากรบนดาวอังคาร In-Situ Resource Utilization
แผนการบริหารทรัพยากรบนดาวอังคาร In-Situ Resource Utilization

Chottiwatt Jittprasong

แผนการบริหารทรัพยากรบนดาวอังคาร In-Situ Resource Utilization

April 17, 2020

In-Situ Resource Utilization หรือ ISRU คือ หนึ่งในแผนการหาทรัพยากรต่าง ๆ จากวัตถุทางดาราศาสตร์อย่าง ดวงจันทร์ ดาวอังคาร และดาวเคราะห์น้อย เพื่อทดแทนทรัพยากรที่มาจากโลก ISRU จึงเป็นหนึ่งใน Business model ที่อาจถูกนำไปใช้ในการ Commercialize ในอนาคตเพราะ ISRU สามารถลดต้นทุนในการสร้างโครงสร้างพื้นฐานบน Extraterrestrial planet และยังมีประโยชน์ในด้านการอยู่รอดของมนุษย์ในห้วงอวกาศลึกด้วย เพราะว่าไม่จำเป็นต้องพึ่งทรัพยากรจากโลก

ไอเดียการทำ ISRU อาจผุดขึ้นมาจากการนึกย้อนไปถึงการลงจอดบนดวงจันทร์ในอดีตอย่างโครงการ Apollo ว่าทำไหมเราไม่หาอะไรสักอย่างบนดวงจันทร์มาสกัดเป็นเชื้อเพลิงให้ Descent Stage ของ LM ละ จะได้ไม่ต้องทิ้งมันไว้บนดวงจันทร์ ซึ่งมันเป็น Practice เดียวกันกับบนดาวอังคารว่าถ้าเราสามารถหาทรัพยากรอะไรสักอย่างบนดาวอังคารมาทำผลิตเป็นเชื้อเพลิงได้ เราก็ไม่ต้องพึงทรัพยากรจากโลกที่ต้องรอ Launch window ซึ่งในปัจจุบัน ISRU ถูกแบ่งเป็น 4 ส่วนคือ น้ำ เชื้อเพลิง พลังงาน และวัสดุก่อสร้าง

การหาน้ำนอกโลก

แน่นอนว่ามนุษย์เราขาดน้ำไม่ได้ แต่ไม่ใช่แค่มนุษย์น่ะสิเพราะว่าการปล่อยจรวดจริง ๆ ก็ใช้น้ำเช่นกันโดยเฉพาะการปล่อยจรวดจากฐานปล่อย หากเราต้องการปล่อยจรวดจากดาวอังคารจริง ๆ แล้วละก็เราออาจะต้องมีฐานปล่อยแล้วก็ต้องมี Sound Suppression System ซึ่งเอาไว้ลดคลื่นกระแทกจากแรงของแก๊สระหว่างจุดจรวดหลัก เช่น การปล่อยกระสวยอวกาศจะเกิดเสียงประมาณ 200 decibels ซึ่งไม่ดีทั้งต่อหูแล้วก็ต่อระบบของจรวดเองด้วยเพราะ คลื่น Shock waves อาจจะพังชิ้นส่วนของจรวดได้ง่าย ๆ เราเลยแก้ปัญหาด้วยการพ่นน้ำใส่เครื่องยนต์จรวดซึ่งเราอาจจะเห็นกันบ่อยในคลิปปล่อยกระสวยอวกาศ

Sound Suppression System ในฐานปล่อย LC-39A – ที่มา NASA

แต่ในระยะแรกของการตั้งถื่นฐานบนดาวอังคารหรือดวงจันทร์ น้ำอาจจะจำเป็นสำหรับการพยุงชีพมากกว่า เช่น ใช้ดื่ม ใช้ปลูกมันฝรั่ง ผลิตออกซิเจน หรืออะไรก็ตามซึ่งเกือบทุกอย่างใช้น้ำหมด แต่ประเด็นคือเราไม่เคยเห็นน้ำบนดวงจันทร์หรือบนดาวอังคารเลยนะสิ ก็เพราะว่ามันอยู่ในรูปอื่นที่ไม่ใช่ของเหลว แต่อยู่ในรูปของน้ำแข็งบ้างหรือไอน้ำบ้าง โดยบนดวงจันทร์เราอาจจะสามารถสกัดน้ำจากการเอาน้ำแข็งจากขั้วโลก (ที่ไม่ใช่โลกแต่เป็นขั้วของดวงจันทร์) มาละลายเป็นน้ำได้ ฟังดูง่ายแต่ว่าน้ำแข็งบนดวงจันทร์มันแข็งมาประมาณ 4,000 ล้านปีได้แล้ว แถมติดอยู่ในหินอีก เราเรียกสิ่งนี้ว่า Permafrost หรือโคตรของน้ำแข็ง เพราะว่ามันคือหินหรือดินที่โดนแช่แข็งมานานมาก ๆ การที่จะไปแงะมันมาละลายจึงไม่ใช่เรื่องง่าย

แต่บนดาวอังคารเรามีวิธีที่ง่ายกว่าเพราะว่าบนดาวอังคารมีชั้นบรรยากาศและมีไอน้ำปนอยู่ด้วย อ้างอิงจาก Paper เรื่อง Experimental study of a water vapor absorption reactor for Mars In-situ resource utilization เราสามารถสรุปได้ว่า Water-Vapor Absorption Reactor หรือ WAVAR ซึ่งอาศัยหลักการเป่าอากาศผ่านแร่ Zeolite ซึ่งมึคุณสมบัติดูดซับไอน้ำได้ แล้วก็เอา Zeolite ไปให้ความร้อนแล้วเราก็จะได้น้ำ

หลักการทำงานของ WAVAR – ที่มา University of Washington

ซึ่งอุปกรณ์ที่ต้องใช้ก็ไม่มีอะไรมากเช่นกัน แต่วิธี WAVAR นี้ผลิตน้ำได้ค่อนข้องน้อยและไม่เหมาะแก่การเอาไปใช้อะไรที่มันยิ่งใหญ่ เช่น เอาไปปลูกผัก WAVAR จึงเป็นระบบที่สามารถ Support ได้แค่ระบบพยุงชีพต่าง ๆ ของนักบินอวกาศเท่านั้น เช่น เอาไว้ดื่ม หรือ เอาไว้หล่อเย็นชุด ส่วนการหาน้ำที่ล้ำกว่านี้จะอยู่ในอีกส่วนหนึ่งซึ่งรวมอยู่กับการหาเชื้อเพลิง

ภาพจำลองการผลิตน้ำบนดาวอังคาร – ที่มา NASA

แต่ NASA ก็ยังมีอีกวิธีในการผลิตน้ำเช่นกันแต่ต้องอาศัย Hydrogen จากโลกนิดนึง (มัน ISRU ตรงไหนวะ) เรียกว่า Reverse water gas shift reaction หรือ Reverse WGSR ซึ่งเป็นปฎกิริยาระหว่าง Carbon dioxide และ Hydrogen กับ Carbon monoxide และ น้ำ ซึ่งเป็นปฎิกิริยาที่คล้าย ๆ กับ Sabatier reaction ด้วยการเกิด Catalyst ที่อุณหภูมิ 400 องศาเซลเซียส เราก็จะได้น้ำมาพร้อมกับ Byproduct คือ Carbon monoxide

ปฎิกิริยา Water gas shift reaction

การหาเชื้อเพลิงและออกซิเจนนอกโลก

การหาออกซิเจนบนดวงจันทร์สามารถทำได้โดยการแยกออกซิเจนออกจากหินและดินบนดวงจันทร์ซึ่งมีความเข้มข้นของเหล็กที่เป็นเหล็กออกไซด์สูงด้วยการให้ความร้อนประมาณ 900 องศาเซลเซียส แล้วให้เหล็กออกไซด์เจอกับไฮโดรเจนเราก็จะได้แก๊สออกซิเจน ซึ่งหลังจากการค้นพบตะกอนฝุ่นหินที่มีความเข้มข้นของไฮโดรเจนสูงบนขั้วของดวงจันทร์โดยยานสำรวจ Clementine ทำให้วิธีนี้เป็นไปได้มากขึ้น

ยาน Clementine ที่เจอแหล่ง Hydrogen ที่เป็นไปได้บนดวงจันทร์ – ที่มา NASA

ที่เราจำเป็นต้องหาเชื้อเพลิงเพราะว่าการขนส่งเชื้อเพลิงไปนอกโลกมีต้นทุนที่สูงอย่างการส่งเชื้อเพลิงไปที่ดาวอังคารซึ่งมีต้นทุนที่สูงมากแถมไม่คุ้มซะด้วย บริษัทอย่าง SpaceX ก็เลยพยายามหาวิธีเพื่อผลิตเชื้อเพลิงบนดาวอังคาร บังเอิญว่าบนดาวอังคารมีความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์สูง แล้วเรามีปฎิกิริยาที่เรียกว่า Sabatier Reaction ซึ่งเป็นปฎิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนกับ คาร์บอนไดออกไซด์ที่อุณหภูมิและความดันสูง จะได้แก๊สมีเทนและน้ำอีกสองโมเลกุล

ปฎิกิริยา Sabatier

ซึ่งเราสามารถลดความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศได้แล้วก็ได้มีเทนเอาไปใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ด้วย แต่เรามี Byproduct เพิ่มมาเช่นกันนั้นก็คือน้ำอีกสองโมเลกุล เราก็เลยเอาอีกหลักการนึงที่เบสิคมาก ๆ ซึ่งเราอาจจะได้เคยเรียนกันในระดับมัธยมแล้วด้วยซ้ำเรียกว่า Electrolysis ซึ่งหลักการก็คือการส่งกระแสไฟฟ้าผ่านโมเลกุลของน้ำจะทำให้เกิดการ Decompose ออกมาเป็นแก๊สไฮโดรเจนและออกซิเจน

หลักการ Electrolysis – ที่มา Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, US

เราก็จะได้ไฮโดรเจนกลับคืนมาแล้วเราก็สามารถเอาไฮโดรเจนกลับไป recycle กับ Sabatier reaction ได้ ส่วนออกซิเจน เราก็สามารถนำไปใช้ในระบบพยุงชีพต่าง ๆ เช่นสำหรับใช้ในโมดูลอยู่อาศัยของมนุษย์ ซึ่งในปี 2018 SpaceX ประกาศว่าพวกเค้ากำลังพัฒนาโรงงานผลิตเชื้อเพลิงบนดวอังคารเพื่อผลิตมีเทนและออกซิเจนแล้วก็นำผลผลิตที่ได้ไปเป็นเชื้อเพลิงให้กับยานลงจอดบนดาวอังคารสำหรับการบินกลับโลกได้

ซึ่งปฎิกิริยาที่ NASA เสนอไว้อย่าง WGSR (Water gas shift reaction) ก็สามารถเอาไว้สร้างเชื้อเพลิงได้เช่นกัน เช่น เอามาทำ Electrolysis แล้วก็เอาไฮโดรเจนไปใส่ Sabatier reaction ส่วนออกซิเจนก็เอาไปใช้ ยังมีอีกวิธีนึงในการผลิตออกซิเจนเช่นกันแต่มันไม่ค่อยจำดีเท่าไหร่เพราะมันต้องใช้อุณหภูมิประมาณ 2,500 องศาเซลเซียส ในการทำปฎิกิริยาก็เลยถูกปัดตกไปเพราะแค่ชั้นบรรยากาศดาวอังคารก็ติดลบแล้ว เราคงไม่เอาเตาปฎิกรณ์ไปไว้บนดาวอังคาร

ภาพจำลอง Cryogenic Tank สำหรับการผลิตออกซิเจนและมีเทนด้วย Sabatier Reaction – ที่มา NASA

อีกประโยชน์ของการได้มาซึ่งแก๊สต่าง ๆ จากปฎิกิริยาที่กล่าวมาทั้งหมดทั้ง Sabatier reaction, Electrolysis, Water gas shift reaction ต่างผลิตแก๊สที่สามารถนำไปผลิตสิ่งที่เรียกว่า Ethylene ได้ซึ่งสามารถนำไปทำพลาสติกอย่าง Polyethylene และ Polypropylene ได้ ซึงอ้างอิงจากผังข้างล่างนี้ Ethylene สามารถแปลงเป็น Ethylene oxide, precursor ของ Ethylene glycol (ขวาบน), Ethylbenzene, precursor ของ Styrene (ขวาล่าง), Polyethylene (ซ้ายล่าง) และ Ethylene dichloride, precursor ของ vinyl chloride ซึ่งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลายอย่าง

Mars 2020 Perseverance rover ของ JPL ยังมีชุด Instrument นึงที่เรียกว่า MOXIE หรือ Mars Oxygen ISRU Experiment ติดขึ้นไปด้วยเพื่อทดลองผลิตออกซิเจนจากคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศของดาวอังคารผ่านกระบวนการ Solid oxide electrolysis ในอนาคตเราอาจจะได้เห็นการนำเข้าเชื้อเพลิงจากดาวอังคาร แต่ถึงตอนนี้เชื้อเพลิงอาจจะไม่จำเป็นบนโลกแล้วก็ได้ ทุกอย่างอาจจะเป็นไฟฟ้าแทน เพราะฉะนั้นเราจะผลิตไฟฟ้าบนดาวอังคารหรือดวงจันทร์ยังไง

Mars 2020 Rover – ที่มา NASA

NASA ยังเคย Propose โครงการทำสถานีเชื้อเพลิงในอวกาศแล้วเอาไปจอดไว้ที่ Lagrange Point 2 ระหว่างโลกกับดาวอังคารอีกด้วย ซึ่ง Lagrange 2 เป็นจุดที่มีการรบกวนของสนามแรงโน้มถ่วงน้อยทำให้สถานีอยู่ที่เดิมตลอดเวลาตามที่โลกโคจรจึงง่ายต่อการเติมเชื้อเพลิง แต่โปรเจคก็ยังไม่มีความคืบหน้าอะไรเป็นพิเศษเพราะ ณ จุดนี้เรายังไม่จำเป็นต้องมีสถานีเชื้อเพลิง

ภาพคอนเซปสถานีเชื้อเพลิงของ NASA – ที่มา NASA

การผลิตไฟฟ้า

ในอวกาศเราผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยแผงโซลาร์เซลล์ โดยที่โซลาร์เซลล์ที่เราใช้ผลิตมาจาก Silicon, Aluminium และ กระจก แต่จากตัวอย่างของหินและดินบนดวงจันทร์จากโครงการ Apollo แสดงให้เราเห็นว่าดินบนดวงจันทร์มีความเข้มข้นของ Silicon, Aluminium และ กระจก สูงมาก ทำให้เราสามารถผลิตแผงโซลาร์เซลล์บนดวงจันทร์แล้วก็ใช้บนนั้นเลยได้ และเพราะว่าบนดวงจันทร์แทบจะไม่มีชั้นบรรยากาศทำให้แผงโซลาร์เซลล์ไม่เสื่อมสภาพง่ายเหมือนบนโลก

Illustration Concept ของการตั้งถื่นฐานบนดวงจันทร์ – ที่มา ESA

ซึ่งจริง ๆ มีอีกวิธีในการผลิตไฟฟ้าเช่นกันด้วยการใช้ Fuel cell ซึ่งอาศัยหลักการ Proton Exchange Membrane หรือ PEM ในการผลิตไฟฟ้า โดยที่การทำ PEM ใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนซึ่งสามารถหาได้จากปฎิกิริยาอย่าง Sabatier reaction และ Electrolysis ดังนั้นเราสามารถผลิตไฟฟ้าได้เช่นกันด้วย Fuel cell

หลักการของ Fuel cell- ที่มา Hydrogenics

แล้วในเมื่อเราสามารถผลิตไฟฟ้าบนดวงจันทร์ได้แล้วเราอาจจะส่งไฟฟ้ากลับมาใช้บนโลกได้ด้วยเช่นกันเพราะว่าไฟฟ้าที่ผลิตจากดวงจันทร์มีกำลังผลิตไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพมากกว่าบนโลก NASA ก็เลยเริ่มวิจัยการส่งพลังงานระยะไกล เช่น การสร้าง Solar power satellite ซึ่งจีนก็กำลังทำเหมือนกัน โดยที่จีนกำหนดไว้ว่าจะสร้างให้เสร็จก่อนปี 2035 อ่านข่าวสถานีพลังงานของจีนได้ที่นี่ โดยอาศัยการส่งพลังงานมาในรูปของคลื่นไมโครเวฟแล้วรับคลื่นด้วยตัวรับบนโลกเพื่อแปลงคลื่นเป็นไฟฟ้า ซึ่งหลาย ๆ หน่วยงานก็กำลังวิจัยถึงความเป็นไปได้ในการส่งพลังงานผ่านคลื่นเช่นกัน

ภาพจำลองสถานีพลังงานของ NASA – ที่มา NASA

ในโครงการ Artemis NASA ก็วางแผนที่จะส่งอุปกรณ์สำหรับสำรวจทรัพยากรบนดวงจันทร์ขึ้นไปกับ Commercial Lunar Payload Services หรือ CLPS ด้วนเช่นกัน สุดท้ายนี้นี่เป็นเพียงส่วนหนึ่งของระบบ ISRU จากข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ที่เรามีเท่านั้น ในอนาคตไฟฟ้าในบ้านเราอาจจะมาจากดวงจันทร์ แก๊สต่าง ๆ อาจจะผลิตมาจากดาวอังคาร เน็ตที่เราใช้สื่อสารอาจจะมาจาก Deep space network หรือหากเราได้ไปอยู่บนดาวอังคาร โซลาร์เซลล์ที่เราใช้ผลิตพลังงานบนดาวอังคารอาจจะ Made on Moon หรือเราอาจจะมียางพารา Made in Thailand มาขายบนดาวอังคาร ทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่เราคาดการณ์ไว้ และเราก็หวังว่ามันจะเกิดขึ้นจริงในอนาคต

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

In-Situ Resource Utilization | NASA

Paper of Experimental Study of a water vapor absorption reactor for Mars in-situ resource utilization | University of Washington





Read More

บทความอื่น ๆ ที่ควรอ่านต่อ



In Coversation

เรื่องราวน่าสนใจที่กำลังเป็นบทสนทนา