Science and Engineering นักเรียน ป.เอก จาก MIT ส่ง MOXIE ไปสังเคราะห์ออกซิเจนครั้งแรกบนดาวอังคาร
นักเรียน ป.เอก จาก MIT ส่ง MOXIE ไปสังเคราะห์ออกซิเจนครั้งแรกบนดาวอังคาร

Nutn0n in Featured

นักเรียน ป.เอก จาก MIT ส่ง MOXIE ไปสังเคราะห์ออกซิเจนครั้งแรกบนดาวอังคาร

April 22, 2021

หลังจากที่ยาน Perseverance ได้ประสบความสำเร็จในสองภารกิจสำคัญได้แก่การลงจอดให้สำเร็จบนพื้นผิวของดาวอังคารที่เป็นหนึ่งในขั้นตอนการลงจอดที่ซับซ้อนมากที่สุด แถมยังสามารถปล่อยเฮลิคอปเตอร์ Ingenuity ให้ขึ้นบินบนดาวอังคารครั้งแรกในประวัติศาสตร์ อีกหนึ่งภารกิจสำคัญที่ติดไปกับยาน Perseverance ก็คือการทดลองที่ชื่อว่า MOXIE ซึ่งเป็นก้าวสำคัญในการสำรวจอวกาศ เพราะ Instrument ตัวนี้คือเครื่องเปลี่ยนแก๊สคาบอร์ไดออกไซด์​ให้กลายเป็นออกซิเจน

NASA และ JPL ได้เผยความสำเร็จที่น่าตื่นเต้นนี้ไว้ในข่าว NASA’s Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen from Red Planet บอกว่าหลังจากที่ MOXIE เริ่มทำงาน มันสามารถสร้างออกซิเจนออกมาได้ถึง 5 กรัม ซึ่งเทียบเท่ากับอากาศที่มนุษย์อวกาศจะสามารถใช้หายได้ใจนาน 10  นาที แต่จริง ๆ แล้ว MOXIE นั้นถูกออกแบบให้สร้างออกซิเจนได้มากถึง 10 กรัมต่อชั่วโมงเลยทีเดียว ซึ่งเราอาจจะสงสัยว่า 10 กรัมต่อชั่วโมงนั้นเทียบเท่าแค่ 20 นาทีของการหายใจของมนุษย์อวกาศหนึ่งคนเท่านั้น มันจะไปสำคัญอย่างไร ต้องบอกว่า MOXIE นั้นเป็นอุปกรณ์ต้นแบบที่ถูกผลิตขึ้นมาโดยนักวิจัยจากหลาย ๆ ที่ ซึ่งเมื่อเราได้ข้อมูลจากการทดสอบครั้งต่าง ๆ ของ MOXIE นั้น มันก็จะนำไปสู่อุปกรณ์ในการเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ให้กลายเป็นออกซิเจน ในปริมาตรที่อาจจะมากพอให้เราสามารถใช้ชีวิตบนดาวอังคารได้สบาย ๆ ในเวลาอันใกล้นี้

กราฟข้อมูลล่าสุดจากยาน Perseverance ที่นำเอาข้อมูลการสังเคราะห์ออกซิเจนจาก MOXIE มาให้เราเห็น จะสังเกตว่าสามารถสร้างออกซิเจนได้มากถึง 5.37 กรัม และแกน X ก็คือวินาทีที่มันเริ่มทำงานในช่วง Warmup หรือ Pre-Heat ที่มา – JPL/Caltech/MIT

เป็นที่ทราบกันดีว่าออกซิเจนนั้นเป็นแก๊สที่มีความสำคัญต่อการใช้ชีวิตเป็นอย่างมาก เมื่อมนุษย์ต้องเดินทางไปในอวกาศเราอาจจะไม่สามารถพกเอาออกซิเจนไปในจำนวนมหาศาลได้ ถ้าใครที่เคยดูหนัง The Martian ก็จะพบว่า หนึ่งในสิ่งแรก ๆ ที่ Mark Watney จำเป็นต้องสร้างนอกจากอาหารแล้วก็คือน้ำซึ่งก็คือธาตุประกอบของออกซิเจนนั่นเอง ดังนั้นไม่ใช่แค่เรื่องของการหายใจ แต่การสร้างน้ำบนดาวอังคาร หรือการเผาไหม้ต่าง ๆ ออกซิเจนเป็นสิ่งที่สำคัญมาก ๆ

ในปี 2019 ผู้เขียนได้มีโอกาสนั่งฟังหลักการทำงานของ MOXIE ในงาน Apollo 50+50 ซึ่งจัดโดย AeroAstro ของ MIT ซึ่งในตอนนั้นยาน Perseverance ยังอยู่ในระหว่างสร้าง (รวมถึง Ingenuity ก็ยังทดสอบบินบนโลกอยู่) ตอนนั้น Eric Hinterman ซึ่งเป็น Ph.D. Candidate ใน AeroAstro และเป็นหัวหน้าทีมพัฒนา MOXIE ได้ขึ้นมาเล่าถึงเรื่องราวของ MOXIE ด้วยตัวเอง

จริง ๆ แล้ว MOXIE เป็นงานวิจัย ป.เอก ของ Eric ซึ่งได้รับทุนจาก NASA’s Space Technology Mission Directorate and Human Exploration and Operations Mission Directorate เพื่อนำการทดลองนี้ไปอยู่บนดาวอังคารจริง ๆ

Eric บอกว่าสิ่งที่ยากที่สุดของการสำรวจอวกาศข้อข้อจำกัดเรื่อง “ราคา” และ “ทรัพยากร” ย้อนกลับไปในหนัง The Martian เราจะเห็นว่าการพานักบินอวกาศ Mark Wartney กลับบ้านนั้นต้องใช้เงินและความร่วมมือจำนวนมหาศาล แถมทุกอย่างที่ส่งไปต้องเดินทางออกไปจากโลก แต่จริง ๆ แล้วการสำรวจอวกาศมีอีกวิธีหนึ่งที่เรียกว่า In-Situ Resource Utilization (ซึ่งเราเคยเล่าไปแล้วในบทความ แผนการบริหารทรัพยากรบนดาวอังคาร In-Situ Resource Utilization) ไอเดียของมันก็คือ ถ้าเราไม่สามารถเคลื่อนย้ายทรัพยากรไป ๆ มา ๆ ระหว่างดาวสองดวงได้ เราก็สร้างทรัพยากรนั้นขึ้นมาเองด้วยกระบวนการทางเคมี ฟิสิกส์ หรืออะไรก็แล้วแต่ ซึ่งเอาจริง ๆ วิธีการก็ไม่ได้ต่างจากที่เราสังเคราะห์เคมีใหม่ ๆ ขึ้นบนโลก เพียงแต่เราต้องใช้วิธีการคิดที่มีบรรทัดฐานมาจากดาวดวงนั้นนั่นเอง

Eric ในงาน Apollo 50+50 ใน MIT Space Week กำลังเล่าเรื่อง MOXIE ที่มา – NASA/MIT

จริง ๆ แล้ว Eric ให้ความสำคัญกับแนวคิดเรื่อง “เชื้อเพลิง” มาก เพราะจรวดหรือเครื่องยนต์ต่าง ๆ จะจุดได้ก็ต้องมีเชื้อเพลิง เหมือนการทดลองที่เราเรียนกันมาตอนเด็ก ๆ ที่จุดเทียนแล้วเอาแก้วไปครอบ ถ้าเอาแก้วไปครอบซักพักไฟก็จะดับเพราะออกซิเจนถูกเผาไหม้หมดแล้ว ดังนั้นสรุปได้ว่าเราจะจุดไฟได้ต้องมีออกซิเจน ลองนึกดูว่าเวลาเราจุดเครื่องจรวด มันต้องใช้ออกซิเจนจำนวนมหาศาลมากกว่าการหายใจของมนุษย์มาก การผลิตออกซิเจนได้บนดาวอังคารจึงสำคัญ

แล้ว MOXIE ทำงานอย่างไร

MOXIE นั้นใช้หลักการที่ชื่อว่า Solid oxide electrolysis cell (SOEC) ซึ่งตอนนี้ก็มี Paper พูดถึงกระบวนการนี้อยู่เต็มไปหมด สามารถไปหาอ่านได้ อธิบายหลักการของ SOEC ง่าย ๆ ก็คือ มันจะใช้หลักการทางไฟฟ้าเปลี่ยนให้ Carbondioxide หรือ CO2 ให้กลายเป็น Carbonmonoxide หรือ CO เฉย ๆ จะเห็นว่าจากเดิมที่มีออกซิเจนสองอะตอม ตอนนี้ออกซิเจนเราเหลือหนึ่งอะตอม เราก็แค่รวบรวมหนึ่งอะตอมนั้นเราก็จะได้ออกซิเจน หรือ O2 มาใช้ได้แล้ว

ซึ่งเอาจริง ๆ หลักการนี้ไม่ได้มีอะไรมาก แต่ Eric บอกว่าความยากของมันอยู่ที่ การเสกลให้มันใหญ่ขึ้นเพียงพอกับที่จะสามารถใช้ในยานอวกาศได้ (เพื่อให้นักบินอวกาศหายใจได้ก่อน) จากนั้นก็เสกลใหญ่ขึ้นให้อยู่ในระดับที่สามารถใช้สร้างเชื้อเพลิงจรวดได้ ซึ่งนั้นคืองานวิจัยจริง ๆ ของ Eric ต่างหาก (Eric พูดแบบนี้จริง ๆ)

ดังนั้นความสำคัญของ MOXIE บนยาน Perseverance จึงไม่ใช่ว่า มันสามารถเปลี่ยนคาร์บอนได้ออกไซด์ให้กลายเป็นออกซิเจนได้จริง ๆ หรือเปล่า แต่อยู่ที่ว่า ข้อมูลต่าง ๆ พารามิเตอร์การทำงานของ MOXIE ที่มีประสิทธิภาพแค่ 5-10 กรัมต่อชั่วโมงนั้นบอกอะไรเรา และถ้าเราต้องการสร้างออกซิเจนในปริมาณที่เพียงพอจริง ๆ เราจะต้องทำลายข้อจำกัดของอะไรบ้าง การนำเอา MOXIE ไปใช้บนดาวอังคารจริง ๆ จึงเป็นทางเดียวที่เราจะรู้เพราะมันไปอยู่ในสถานที่นั้นจริง ๆ

อุปกรณ์ MOXIE บนยาน Perseverance ในขณะกำลังประกอบเข้ากับยานในปี 2019 ที่มา – NASA/JPL

แนวคิดเรื่อง In-Situ Resource Utilization แน่นอนว่าเป็นสิ่งที่ใหม่มาก เพราะปัจจุบันแม้กระทั่งสถานีอวกาศนานาชาติก็ยังต้องอาศัยโลกเป็นหลักในการจัดการทรัพยากรต่าง ๆ แต่ถ้าเราต้องไปอยู่บนดาวอังคารจริง ๆ ที่ต้องใช้การเดินทางนานถึว 6-8 เดือน การรอเสบียงจากบนโลกจึงไม่ใช่ทางออกที่ดีที่สุด เราจึงต้องหันมาทำงานวิจัยด้าน In-Situ กันมากขึ้น

In-Situ ก็เลยกลายเป็น Trend งานวิจัยในแวดวงอวกาศที่สำคัญ และ MOXIE ของ Eric และทีมจาก MIT นั้นก็กลายเป็นตัวอย่างที่บอกเราว่า NASA, JPL นั้นก็เอาด้วย และมองว่า In-Situ คือหนทางสู่การสำรวจอวกาศในอนาคตจริง ๆ นั่นเอง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co





MORE