Lunar Trailblazer ยานสำรวจดวงจันทร์ขนาดเล็กที่จะทำแผนที่น้ำบนดวงจันทร์

ในภารกิจการส่งยานอวกาศ Nova-C Athena ความพยายามลงจอดดวงจันทร์ครั้งที่สองของบริษัท Intuitive Machines เดินทางไปยังดวงจันทร์ หนึ่งในยานอวกาศที่เป็น Secondary Payload ในการปล่อยก็คือยาน Lunar Trailblazer ยานอวกาศขนาด 200 กิโลกรัม ที่ดูแลโครงการโดย NASA Jet Propulsion Laboratory ภายใต้ California Institute of Technology หรือ Caltech เดินทางไปด้วย ซึ่งยานอวกาศขนาดเล็กลำนี้ จะทำภารกิจที่สำคัญนั่นก็คือการศึกษาวัฏจักรน้ำบนดวงจันทร์ ที่จะเป็นกุญแจสำคัญในการศึกษาดวงจันทร์ ในโครงการ Artemis และเทรนด์การศึกษาเพื่อใช้งานทรัพยากรณ์บนดวงจันทร์แบบ In-Situ Resource Utilization

ยานอวกาศลำเล็กนี้มีความสำคัญอย่างไร ในบทความนี้เราจะมาทำความเข้าใจว่าทำไม NASA ถึงตัดสินใจส่งยานอวกาศขนาดเล็กไปยังดวงจันทร์ และยานอวกาศลำนี้จะช่วยอะไรในโครงการ Artemis

รายละเอียดที่เขียนนี้จะอิงมาจาก NASA’s Lunar Trailblazer Mission

ยานอวกาศขนาดเล็กกับภารกิจที่ไม่ธรรมดา

จริง ๆ แล้วเทรนด์การพัฒนายานอวกาศขนาดเล็กแต่มีภารกิจที่เทียบเท่ากับการใช้ยานอวกาศขนาดใหญ่นั้น มีมาซักพักใน NASA แล้ว โครงการนี้ชื่อว่า SIMPLEx หรือ SIMPLEx หรือ Small Innovative Missions for Planetary Exploration โครงการนี้เป็นการคัดเลือก Proposal ภารกิจการสำรวจอวกาศที่ใช้งบประมาณน้อย และมีน้ำหนักประมาณ 180-200 กิโลกรัม ตัวอย่างของยานอวกาศในโครงการนี้ก็เช่น EscaPADE ภารกิจสำรวจดาวอังคารต้นทุนต่ำของ NASA ที่ใช้เงินแค่ 70 ล้านเหรียญฯ หรือ LunaH-Map ที่ถูกส่งไปยังดวงจันทร์พร้อมกับภารกิจ Artemis I

ยานอวกาศพวกนี้จะใช้วิธีติดไปเป็น Secondary Payload กับภารกิจที่ใหญ่กว่า อย่างในกรณีของ Lunar Trailblazer นี้ก็คือเดินทางไปพร้อมกับยาน Nova-C ในภารกิจ Commercial Lunar Payload Service ที่ NASA ว่าจ้างเอกชนให้ไปลงจอดบนดวงจันทร์นั่นเอง

ยานอวกาศ Lunar Trailblazer นั้น ได้ถูกรับเลือกจาก NASA ในปี 2019 โดยมี Bethany Ehlmann นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จาก Caltech เป็น Principal Investigator และได้ว่าจ้างให้ Lockheed Martin เป็นผู้ผลิตและประกอบยาน

วัตถุประสงค์หลักของ Lunar Trailblazer นั้นก็คือการทำแผนที่น้ำในรูปแบบน้ำแข็งบนดวงจันทร์ โดยอาศัยเครื่องมือที่มีความละเอียดสูงตามเทคโนโลยีปัจจุบัน ซึ่งดีกว่าตอนที่ NASA ส่งอุปกรณ์ Moon Mineralogy Mapper ไปติดตั้งกับยาน Chandrayan 1 ของอินเดีย ซึ่งนำไปสู่การค้นพบน้ำบนดวงจันทร์ในช่วงปี 2009 อย่างไรก็ดี ในตอนนั้น Moon Mineralogy Mapper หรือ M3 ยังไม่มีความละเอียดมากพอที่จะแยก ความแตกต่างระหว่างสารประกอบของ Hydroxyl (OH) และ H2O หรือน้ำที่เรารู้จักกันได้ เพราะสองโมเลกุลนี้พออ่านค่า Spectrum ออกมาแล้ว มันเหมือนกันมาก ๆ ต้องอาศัยเครื่องมือความละเอียดสูงถึงแยกออก

อ่านประวัติศาสตร์การค้นพบน้ำบนดวงจันทร์ และปัญหา OH และ H2O ได้ในบทความ สรุปละเอียด กรณีพบโมเลกุลน้ำ การค้นพบสำคัญก่อนการกลับสู่ดวงจันทร์

ด้วยเหตุนี้จึงทำให้มีแผนที่จะส่ง The High Resolution Volatiles and Minerals Moon Mapper หรือ HVM3 ที่มีความละเอียดมากกว่าไปศึกษาต่อ

HVM3 อุปกรณ์ตรวจหาน้ำรุ่นใหม่ของ NASA

อุปกรณ์ HVM3 นี้ ได้รับการออกแบบโดยอิงพื้นฐานมาจาก M3 โดยกลุ่ม Maturation of Instruments for Solar System Exploration ใน NASA Glenn Research Center และถูกสร้างโดย JPL เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการถ่ายภาพและวิเคราะห์ข้อมูลในช่วงคลื่นอินฟราเรดย่านสั้น (Short-Wave Infrared หรือ SWIR) มีความกว้างอยู่ที่ 1,600–3,600 นาโนเมตร โดยอุปกรณ์นี้ใช้เทคนิค Pushbroom Scanning ซึ่งเป็นการกวาดแสกนไปเรื่อย ๆ (เหมือนกวาดบ้าน) ในระหว่างที่ตัวยานกำลังโคจรรอบดวงจันทร์ อินฟราเรดที่เข้ามาจะถูกแยกออกโดยใช้ ใช้ Prism ทำให้ได้ข้อมูล Hyperspectral และวิเคราะห์องค์ประกอบของธาตุได้ โดย HVM3 นั้น มีความละเอียดมากพอที่จะรู้ว่า อันไหนคือ Hydroxyl อันไหนคือ H2O

การที่เราทำความเข้าใจองค์ประกอบของน้ำจริง ๆ โดยละเอียดนั้นช่วยประกอบสร้างความเข้าใจถึงพฤติกรรมของน้ำบนดวงจันทร์ กับปัจจัยทางกายภาพอื่น ๆ เช่น อุณหภูมิพื้นผิว, ตำแหน่งของมันในหลุมที่แสงส่องไปไม่ถึง (Permanently Shadowed Region) และโครงสร้างทางธรณีวิทยาในอดีตและกิจกรรมด้านธรณีวิทยาที่ทำให้น้ำยังคงหลงเหลืออยู่บนพื้นผิวของดวงจันทร์ ซึ่งแม้เราจะรู้ดีแล้วว่าบนดวงจันทร์มีน้ำแน่ ๆ แต่คำถามว่าน้ำจากดวงจันทร์มาจากไหนนั้นยังคงไม่มีคำตอบที่ชัดเจนแม่นยำขนาดนั้น เราเคยเล่าเรื่งอนี้ไปในบทความ เงาอาจมีส่วนสำคัญในการเกิดน้ำบนผิวดวงจันทร์ มาดูการโต้แย้งของนักวิทยาศาสตร์ต่อกรณีนี้

ทีนี้คำถามก็คือถ้าน้ำอยู่ในหลุมที่แสงส่องไปไม่ถึง แล้วเราจะเอาอินฟราเรดตกกระทบจากไหนมาเข้าอุปกรณ์ คำตอบก็คือ HVM3 นั้นมีความ Sensitive มากและสามารถใช้อินฟราเรดที่สะท้อนไปมาจากขอบหลุมที่ยังโดนแสงอาทิตย์อยู่แล้วไปโดนในบริเวณ Permanently Shadowed Region มาวิเคราะห์ได้

การศึกษาดวงจันทร์ด้วยเทคนิคนี้ของ Lunar Trailblazer นั้นสำคัญอย่างมาก เนื่องจากในปี 2022 NASA ได้เสียยาน Lunar Flashlight ยานอวกาศขนาดเล็กหนัก 14 กิโลกรัมไปไปจากการที่มันไม่สามารถเข้าสู่วงโคจรของดวงจันทร์ได้ โดยยาน Lunar Flashlight นั้นมีอุปกรณ์ในลักษณะเดียวกัน แต่จำเป็นต้องใช้ “ไฟฉาย” ในการยิงกราดอินฟราเรดลงไป เพื่อสะท้อนมาเข้า Spectrometer นั่นก็เพราะว่าอุปกรณ์บน Lunar Flashlight นั้นไม่ได้ Sensitive เท่าของ Lunar Trailblazer นั่นเอง

อุปกรณ์ Lunar Thermal Mapper

นอกจาก HVM3 แล้ว บน Lunar Trailblazer ยังติดตั้งอุปกรณ์อีกตัวก็คือ Lunar Thermal Mapper หรือ LTM ตัวนี้ได้รับการพัฒนาโดย University of Oxford หลักการทำงานของมันก็คือทำหน้าที่เป็น Hyperspectral Imaging เหมือนกันนั่นแหละ แต่ทำงานในหลายช่วงคลื่นมากกว่า ตั้งแต่ Visible, Near-Infrared (NIR), Short-Wave Infrared (SWIR) และที่สำคัญตัวนี้จะมีความสามารถในการใช้คลื่นอินฟราเรดย่าน Thermal Infrared หรือ TIR ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 8,000 – 14,000 นาโนเมตร ในการวัดอุณหภูมิพื้นผิวด้วย LTM นั้นสามารถวัดความอุณหภูมิได้อยู่ที่ -165 องศาเซลเซียส ไปจนถึง 130 องศาเซลเซียส และเมื่อเอามาประกอบร่วมกับการวิเคราะห์องค์ประกอบธาตุ ก็จะทำให้เราเข้าใจพฤติกรรมว่าธาตุเหล่านี้ ในบริเวณนี้ อุณหภูมิประมาณนี้ มีพฤติกรรมอย่างไร

สำหรับวงโคจรที่ Lunar Trailblazer จะไปอยู่ก็คือระดับความสูง 100 กิโลเมตร (วงโคจรเดียวกับที่ยาน TSC-2 ของไทยเราจะไปอยู่เลย) ตัดขั้วเหนือใต้ดวงจันทร์ ทำให้มันสามารถโคจรทำแผนที่ผ่านทุกจุดของดวงจันทร์ได้ โดย Lunar Trailblazer จะมีช่วงเวลาทำงานวิทยาศาสตร์ประมาณ 24 เดือน

และแน่นอนว่ามันเป็นยานอวกาศขนาดเล็ก ทำให้จำเป็นต้องงัดเอากระบวนท่าสุดประหยัดเชื้อเพลิงมาใช้ และภารกิจนี้ก็จะเป็นการใช้ Low-Thrust Optimization อีกแล้ว ซึ่งก็คือการให้จรวด Falcon 9 เหวี่ยงมันออกไกล ๆ จากโลก เลยจากวงโคจรของดวงจันทร์ไปอีก จากนั้นค่อย ๆ ใช้เชื้อเพลิงค่อย ๆ ปรับวงโคจรให้มันเข้าสู่วงโคจรของดวงจันทร์ด้วยการทำ Ballistic Capture เพื่อเข้าสู่วงโคจรของดวงจันทร์ในที่สุด โดยยาน Lunar Trailblazer จะใช้เวลาประมาณ 4-7 เดือนหลังจากการปล่อยสู่การเข้าวงโคจรของดวงจันทร์ (และหวังว่าเราะจะไม่เสียมันไปเหมือน Lunar Flashlight อีก)

อ่านเรื่องนี้ได้ใน Trajectory Design and Optimization ศาสตร์เบื้องหลังการออกแบบเส้นทางการสำรวจอวกาศ

จากที่เล่ามาเราจะเห็นว่าจริง ๆ แล้ว Instrument ที่อยู่บน Lunar Trailblazer แม้จะมีแค่สองตัวแต่มันคือสองตัวที่ทำหน้าที่หลัก เทียบเท่ากับ Instrument ที่ติดอยู่บนยานระดับ Flagship ได้เลย แต่ NASA สามารถออกแบบภารกิจให้อยู่ภายใต้งบประมาณ 80 ล้านเหรียญฯ สหรัฐฯ (อาจจะเกิดงบ 50 ล้านเหรียญฯ มานิดหน่อยแต่ถือว่าราคาไม่แพง) รวมค่าส่งแล้ว

ความละเอียดของ HVM3 นี้จะช่วยให้เราเข้าใจการมีอยู่ของน้ำบนดวงจันทร์มากขึ้น ซึ่งนี่เองก็คือหัวใจสำคัญของโครงการ Artemis ที่ตั้งเป้าใช้ดวงจันทร์เป็นแหล่งทรัพยากรในอวกาศ เพื่อเปิดทางสู่การสำรวจอวกาศห้วงลึกต่อไป

อ่านบทความที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติมได้ที่ สรุปทุกอย่างที่เรารู้เกี่ยวกับจุดลงจอด Artemis III โดยละเอียด

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co