เทคโนโลยีการล่องเรือใบในอวกาศโดยอาศัยแรงขับเคลื่อนจากแสงอาทิตย์ที่เรียกว่า “Solar Sail” นั้นเป็นเทคโนโลยีสำหรับยานอวกาศแบบใหม่ที่ยังไม่เคยมีการทดสอบในรูปแบบของ Interplanetary (ระหว่างดวงดาว) มาก่อน โดยก่อนหน้านี้มีเพียงการทดสอบเทคโนโลยีนี้ในวงโคจรโลกเพียงไม่กี่ครั้งเท่านั้น เนื่องจากการขับเคลื่อนด้วยเทคโนโลยีนี้มีแรงขับเคลื่อนน้อยมาก ๆ ทำให้ประเมินประสิทธิภาพได้ยาก นอกจากนี้ยังถูกรบกวนได้ง่าย เช่น จากแรงต้านอากาศ (Atmospheric Drag)
NEA Scout จะเป็นยานขนาดเล็กลำแรก ๆ ที่จะได้เดินทางระหว่างดวงดาวด้วยเทคโนโลยี Solar Sail เพื่อทดสอบและวัดประสิทธิภาพของเทคโนโลยี Solar Sail ว่าสามารถนำไปใช้ในยานสำรวจระหว่างดวงดาวในอนาคตแทนที่ Conventional Propellant และเครื่องยนต์ระบบ Ion ได้หรือไม่นั่นเอง
NEA Scout กับ Artemis I
NEA Scout มีชื่อเต็มว่า Near-Earth Asteroid Scout เป็นยานสำรวจดาวเคราะห์น้อยใกล้โลกของ NASA ซึ่งจะเดินทางไปพร้อมกับจรวด SLS (Space Launch System) และยาน Orion ในฐานะ Secondary Payload ของภารกิจ Artemis I ซึ่งเป็นภารกิจทดสอบยาน Orion ด้วยการส่งยานแบบไม่มีนักบินบังคับการไปดวงจันทร์และกลับมายังโลก โดย Artemis I มีแผนปล่อยช่วงเดือน พฤศจิกายน 2021 นี้
NEA Scout มีขนาดเล็กระดับ CubeSat ใหญ่ประมาณกล่องใส่รองเท้าเท่านั้น โดยมันจะถูกต่อไว้กับ Adapter Ring ระหว่าง SLS และยาน Orion โดย Payload ที่อยู่ในบริเวณนี้จะถูกปลดออกเป็นอสิระเมื่อยาน Orion แยกตัวออกจากส่วนของ SLS
NEA Scout จะขับเคลื่อนโดยการกางแผ่นพลาสติกฟิล์มเคลือบอลูมิเนียมที่บางยิ่งกว่าเส้นผมของมนุษย์แต่ใหญ่ขนาดสนามแร็กเก็ตบอล (เล็กกว่าสนามแบดมินตันเล็กน้อย) ออกมารอบทิศ ให้มันทำหน้าที่เป็นเหมือนใบเรือในการสะท้อนอนุภาคจากดวงอาทิตย์ที่เรียกว่า Photon ด้วยกฎข้อที่สามของนิวตันซึ่งสรุปได้สั้น ๆ ง่าย ๆ ว่า “Action = Reaction” เมื่ออนุภาค Photon ที่มีโมเมนตัมในการเคลื่อนที่มากระทบกับแผ่นเรือใบของ NEA Scout และเกิดการสะท้อน จะมีโมเมนตัมส่วนหนึ่งที่ถูกถ่ายโอนให้กับใบเรือเหล่านั้นเป็นแรงขับเคลื่อน (เมื่อคำนึงถึงกฎการอนุรักษ์พลังงาน โมเมนตัมส่วนหนึ่งอาจหายไปจากการดูดซับ)
แต่แรงเหล่านี้จะเกิดขึ้นน้อยมากเนื่องจากโมเมนตัมในการเคลื่อนของวัตถุ ๆ หนึ่งขึ้นอยู่กับมวลของมันด้วย ไม่ใช่เพียงแค่ความเร็ว ถึงอนุภาค Photon จะเดินทางด้วยความเร็วแสง (เพราะมันคือแสง) แต่บัญญัติในปัจจุบันนั้น Photon มีมวลหยุดนิ่งเท่ากับศูนย์ (Zero Rest Mass) อ่าว ถ้า Photon ไม่มีมวลแล้ว Solar Sail ทำงานได้อย่างไรสมการอย่าง p = mv ก็เจ๊งซิ เพราะ ถ้า m (มวล) เป็น 0 แล้ว p (momentum) ก็จะเท่ากับ 0 ไปโดยปริยาย ก็เท่ากับไม่มีโมเมนตัม
Solar Sail ทำงานได้อย่างไรถ้า Photon มี Rest Mass เป็นศูนย์
นอกจากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันที่อธิบาย Linear Momentum หรือที่รู้จักกันในสูตร p = mv เมื่อ m คือ มวล และ v คือ ความเร็ว ที่โรงเรียนชอบสอนแบบท่องจำ ซึ่งอยู่บนพื้นฐานของ Law of Conservation of Momentum หรือกฎอนุรักษ์โมเมนตัมและบังคับใช้กับ Non-relativistic Object แล้ว โมเมนตัมของอนุภาคที่เดินทางด้วยความเร็วแสง (Relativistic) อย่าง Photon สามารถคำนวณได้ด้วยสูตร p = h/λ ของ Compton เมื่อ h คือ ค่าคงที่ของพลังค์ (Planck’s constant) และ λ (Lambda) คือ ช่วงคลื่นของ Photon ซึ่ง Negate หรือตัดมวลออกไปโดยสิ้นเชิงเลย นั่นหมายความว่า Photon ก็มีโมเมนตัมได้โดยทีไม่ต้องมีมวลนั่นเอง “และอนุภาคสามารถมีโมเมนตัมได้เมื่อมันมีพลังงาน”
ยังไม่รวมถึงการอธิบายโมเมนตัมของ Photon ด้วย “สมการพลังงาน-โมเมนตัมเชิงสัมพัทธภาพ” (Relativistic Dispersion Relation) ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity Theory) ด้วย โดยสมการดังกล่าวระบุว่าเมื่อ E = hc/λ แล้ว E2 = (pc)2 + (mc)2 ซึ่งเป็นสมการที่มีความสัมพันธ์โดยตรงกับสมการ E = mc2 (ถ้าจะให้อธิบายว่าทำไม มันจะยาวมาก ฮา)
E2 = (pc)2 + (mc)2 เมื่อ E คือ พลังงานทั้งหมด, P คือ โมเมนตัม, c คือ ความเร็วแสง, และ m0 คือ มวลนิ่ง (Rest mass) ในกรณีของอนุภาค Photon นั้นเราทราบแล้วว่า m0 ของ Photon เท่ากับ 0 หมายความว่าเราสามารถ Negate หรือตัด (mc)2 ออกไปได้เลย เหลือแค่ E2 = (pc)2 ซึ่งสามารถแปลงเป็นสมการหาโมเมนตัมของ Relativistic Photon ได้ในรูป p = E/c นั่นเอง
แสดงว่าเรามีสองสมการสำหรับการคำนวณโมเมนตัมของ Photon คือ p = h/λ และ p = E/c แสดงว่าสองสมการนี้ถ้าแทนกันแล้วมันต้องเท่ากัน แทน E = hc/λ เข้าไปใน p = E/c จะได้ว่า p = hc/λ/c เมื่อตัดกันจะเหลือเพียง p = h/λ หมายความว่า p = h/λ และ p = E/c เท่ากันนั่นเอง
และทั้งหมดนี้สามารถสรุปได้ว่า “Photon มีโมเมนตัมแม้มันจะไม่มีมวล”
เมื่อ Photon จากดวงอาทิตย์กระทบเข้ากับแผ่นฟิล์ม Solar Sail ของยาน NEA Scout แล้ว Photon เหล่านั้นจะถูกสะท้อนกลับ โมเมนตัมส่วนหนึ่งที่มาจาก Photon ก็จะผลักยานให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า และเนื่องจากดวงอาทิตย์ปล่อย Photon เหล่านี้ออกมาตลอดเวลา หมายความว่ายาน Solar Sail จะค่อย ๆ ถูกเร่งความเร็วตลอดเวลา ถึงแม้จะน้อยนิดแต่ความเร็วก็จะค่อย ๆ เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ นั่นเอง
NEA Scout จะเดินทางไปสำรวจดาวเคราะห์น้อยใกล้โลกขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 100 เมตร) ด้วยการล่อง Photon จากดวงอาทิตย์เป็นเวลา 2 ปี ก่อนที่จะถ่ายรูปดาวเคราะห์น้อยเหล่านั้นด้วยกล้องความละเอียดสูง นอกจากนี้การเคลื่อนที่ด้วย Solar Sail นั้นช้ามากทำให้ยานสามารถค่อย ๆ บินผ่านดาวเคราะห์น้อยและถ่ายรูปมันแบบชิว ๆ ที่ความเร็ว 30 เมตร/วินาที
และหากการสำรวจนี้สำเร็จ เทคโนโลยีนี้อาจเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการเดินทางในอวกาศอันใหม่สำหรับการสำรวจอวกาศระยะยาวในอนาคต เลยก็ได้ เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่ต้นทุนน้อยมากแต่สามารถใช้งานได้นานโดยไม่ต้องกังวลเรื่องเชื้อเพลิงนั่นเอง
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
อ้างอิง
NASA Solar Sail Asteroid Mission Readies for Launch on Artemis I
