ออปตัส (Ophtus) เป็นแบรนด์ที่นิยมในกลุ่มเกมเมอร์ด้วยลักษณะเฉพาะของกรอบแว่นที่บิดงอได้ ทนทาน ทับไม่หักตกไม่แตก แต่ก็ยังมีข้อจำกัดในส่วนแว่นไลฟ์สไตล์บางรุ่นที่ยังขาดคุณสมบัติความแข็งแรงยืดหยุ่นซึ่งที่ผ่านมาออปตัสได้พยายามพัฒนาวัสดุแว่นไลฟ์สไตล์ โดยเฉพาะรุ่น Hover กับองค์กรภายนอกมาโดยตลอด ซึ่งหนึ่งในนั้นทีมงาน Spaceth ที่ทางแบรนด์เล็งเห็นว่ามีข้อมูลเชิงลึกในเรื่องเทคโนโลยีอวกาศ
โจทย์ของออปตัสคือพัฒนาขีดจำกัดของแว่นรุ่น Hover ให้บิดงอได้ โดยไม่ลดทอนเรื่องความสวยงาม รวมถึงไม่ใช้วัสดุสเตนเลส หรือไทเทเนียมแบบที่ใช้ในกรอบแว่นเกมเมอร์ เพื่อคงเอกลักษณ์ของแว่นไลฟ์สไตล์ไว้ให้มากที่สุด อีกทั้งเพื่อให้มีแว่นทางเลือกราคาไม่แพงสำหรับผู้บริโภค
หลังจากตกลงเรื่องความร่วมมือกับออปตัส ทางทีมงานได้ทดลองวัสดุจากชิ้นงานจริงบริษัทที่ผลิตชิ้นส่วนยานอวกาศอย่าง NiTiNol หรือ Nickel Titanium (alloy) ก่อนนำมาใช้ในแว่น Hover รุ่นใหม่ที่ทางออปตัสตั้งชื่อว่า Hover 2.0 โดยวัสดุประเภทนี้มีคุณสมบัติพิเศษในเรื่อง Shape-Memory Alloy (SMA) และ Pseudoelasticity ที่สามารถกลับมาลงรูปเดิมหลังจากถูกบิดงอได้ ไม่ว่าจะโดนทุบ เหยียบ กระทืบ ขว้างปา นอนทับ
วัสดุประเภทนี้ถูกพัฒนาขึ้นที่ Naval Ordnance Laboratory สหรัฐอเมริกา ซึ่งมีความพิเศษเป็นอย่างมาก เพราะได้รับเลือกมาใช้ในงานกลไกขนาดเล็กของยานอวกาศ ตั้งแต่ยานสำรวจดวงจันทร์อย่าง Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) ยานสำรวจดาวอังคาร MAVEN หรือแม้กระทั่งภารกิจการลงจอดบนดาวเคราะห์น้อยครั้งแรกในประวัติศาสตร์อย่าง Rosetta-Philae
ในบทความนี้ เราจะมาเล่าถึงเบื้องหลังวัสดุ Nickel Titanium Alloy ที่ออปตัสเลือกใช้ โดยเฉพาะประวัติความเป็นมาและความเกี่ยวข้องกับวงการอวกาศ ว่า Nickel Titanium Alloy กว่าจะมาอยู่บนแว่นรุ่น HOVER 2.0 นั้น เดินทางไปท่องอวกาศในภารกิจไหนบ้าง ในอุปกรณ์ชิ้นไหนบ้าง เพื่อให้มั่นใจในความแข็งแกร่งของวัสดุใหม่นี้กัน
Shape-memory alloy คืออะไร
ก่อนอื่น ต้องอธิบายที่มาของคำว่าอัลลอย (Alloy) กันก่อน คำว่าอัลลอยเป็นการพูดถึงเทคนิคการผสมโลหะชนิดต่าง ๆ เพื่อสร้างโลหะชนิดใหม่ขึ้นมาจนเป็นเนื้อเดียวกัน Nickel Titanium Alloy จึงเป็นการนำเอา นิกเกิล และไทเทเนียม มาผสมกันนั่นเอง โดยจะมีวิธีการเรียกเพิ่มเติมที่อยากให้รู้ก็คือ เรามักจะนำเอาตัวเลขของวัสดุที่นำมาผสมกับไทเทเนียม มาตามหลัง เช่น NiTiNol 60 หมายถึงมีส่วมผสมของนิกเกิล 60% นั่นเอง
โดย NiTiNol นั้น เป็นหนึ่งในประเภทของ Nickel Titanium Alloy ที่ถูกคิดค้นขึ้นที่ Naval Ordnance Laboratory สหรัฐอเมริกา ในช่วงปี 1959 โดยสองนักวิจัย William Buehler และ Frederick Wang ซึ่งกำลังคิดค้นการทำ Alloy ชนิดใหม่ ๆ เพื่อเทคโนโลยีด้านการทหาร ที่ในช่วงนั้นสหรัฐอเมริกากำลังอยู่ในช่วงสงครามเย็นกับสหภาพโซเวียต ทำให้ต้องมีการพัฒนาขีปนาวุธต่าง ๆ โดยวัตถุประสงค์ของ Buehler และ Wang ต้องการสร้างโลหะชนิดใหม่เพื่อนำมาทำเป็นส่วนหัว (Nose Cone) ที่ทนทานต่อความร้อนสูง และแรงดันจากอากาศในระหว่างที่ขีปนาวุธกำลังเคลื่อนที่
ซึ่ง Shape-memory alloy นั้นเป็นคำที่ใช้เรียกวัสดุที่สามารถกลับมาอยู่ในรูปเดิมหลังถูกบิดงอได้ โดยอาศัยหลักการทางเทอร์โมไดนามิก (Thermodynamic) ในระดับโมเลกุล ที่ทำให้วัสดุ Shape-memory alloy นั้นจดจำรูปร่างของมันเอาไว้ และเมื่อถูกบิดงอหรือทำให้เปลี่ยนรูป เมื่อเกิดความต่างของอุณหภูมิ มันจะสามารถกลับมาที่รูปเดิมที่มันถูกทำให้จดจำไว้ได้ เรียกว่า Phase Transformation
นอกจากนั้น NiTiNol ยังมีคุณสมบัติที่เรียกว่า Pseudoelasticity หรือ Superelasticity ซึ่งจะมีคำสำคัญก็คือ Elasticity ที่แปลว่าความยืดหยุ่น มารวมกับคำว่า Pseudo ที่แปลว่าเทียม หรือ Super ที่แปลว่าขั้นกว่า คำนี้จึงมีความหมายว่า เป็นวัสดุที่มีความยืดหยุ่นเทียม หรือมากกว่าแค่ความยืดหยุ่นนั่นเอง ซึ่งคุณสมบัติของ Pseudoelasticity นั้นก็คือวัสดุจะกลับมาคืนรูปได้เอง โดยไม่ต้องอาศัยความต่างของอุณหภูมิ
และแม้ว่า NiTiNol ที่ Buehler และ Wang ค้นพบ จะไม่ได้เป็น Shape-memory alloy ชนิดแรกในประวัติศาสตร์ แต่กลับเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเหมาะสมต่อการนำมาใช้งานในการทหารอย่างมาก เนื่องจาก นิกเกิล ซึ่งมีเลขอะตอมในตารางธาตุอยู่ที่ 28 และไทเทียม ที่มีเลขอะตอมอยู่ที่ 22 นั้น มีความเบากว่าธาตุอื่น ๆ ที่เคยถูกนำมาทำ Shape-memory alloy ในแบบก่อน ๆ เช่น ทองคำ (Gold) ซึ่งมีเลขอะตอมอยู่ที่ 79 แถมยังมีมูลค่าสูงกว่าไทเทเนียมมาก NiTiNol นั้นจึงเริ่มถูกนำมาใช้ในอุสาหกรรมการบินและอวกาศ (Aerospace) จากนั้นมา
NiTiNol ที่ถูกนำมาใช้ในแว่น HOVER 2.0 ของออปตัส
สำหรับ NiTiNol ที่ออปตัสเลือกใช้ในแว่น HOVER 2.0 นั้น เป็นมาตรฐาน ASTM F2063-12 ซึ่ง ASTM นั้นย่อมาจาก American Society for Testing and Materials ซึ่งเป็นหน่วยงานที่กำหนดมาตรฐานวัสดุต่าง ๆ สำหรับอุตสาหกรรม สาเหตุที่ต้องมีการกำหนดมาตรฐานเพื่อให้มั่นใจได้ว่า วัสดุที่ถูกผลิตขึ้นหรือวางขายในตลาดนั้นมีคุณสมบัติเหมือนกัน เป็นไปตามที่ควรจะเป็น คล้าย ๆ กับมาตรฐาน Iso แต่เฉพาะเจาะจงที่วัสดุนั่นเอง โดย F2063-12 นั้น ตัว F แสดงถึงวัสดุที่มีคุณสมบัติสำหรับงานพิเศษ 2063 เป็นเลขลำดับการจด ส่วน 12 เป็นปีที่มีการกำหนดมาตรฐาน หรือมีการจด ซึ่งหมายถึงปี 2012 นั่นเอง
ในเอกสารของ ASTM ระบุว่า NiTiNol ASTM F2063-12 นั้น มีส่วนประกอบของนิกเกิล 54.5 % ถึง 57.0 % โดยได้มีการระบุคุณสมบัติทางเคมีและทางกายภาพอื่น ๆ เอาไว้ใน Standard Specification for Wrought Nickel-Titanium Shape Memory Alloys for Medical Devices and Surgical Implants โดยวัสดุนี้ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์กลุ่ม Biomedical เช่น Strent Retreiver ที่ใช้ในการขยายหลอดเลือด
อย่างไรก็ตามคุณสมบัติของ NiTiNol ที่สำคัญที่สุดที่เราต้องการก็คือ Pseudoelasticity นั่นหมายความว่าเวลาเราทำแว่นงอในระดับหนึ่ง ตัวแว่นจะสามารถกลับมาอยู่ที่รูปเดิมของมันได้ โดยไม่ต้องอาศัยความต่างของอุณหภูมิเข้ามาช่วย ทำให้เราไม่จำเป็นต้องเอาไฟมาลนขาแว่นกันทุกครั้งที่แว่นงอ
ประวัติศาสตร์การใช้ NiTiNol ในงานอวกาศ
สำหรับการใช้งานในอวกาศ Shape-memory Nickel Titanium alloy ได้ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ที่อาศัยกลไกการเคลื่อนไหวต่าง ๆ ที่มีขนาดเล็ก เช่น Pin Pullers (อุปกรณ์ที่ดึงสลักออกเพื่อให้กลไกเคลื่อนที่) Cable Cutters (ตัวตัดเชือก) หรือตัว Actuator (ตัวกระตุ้นให้เกิดการทำงานของกลไกเคลื่อนไหว) ยกตัวอย่างเช่น ระบบกางแผงรับพลังงานจากดวงอาทิตย์ (Solar Array) ของยานอวกาศ ระบบการกางเสาอากาศหรือจานรับสัญญาณ (Antenna) หรือแม้กระทั่งระบบแยกตัวของจรวดหรือยานอวกาศ (Seperation, Decoupling)
สาเหตุที่ยานอวกาศจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ในลักษณนะนี้ก็เนื่องจากข้อจำกัดด้านการนำส่ง ที่ยานอวกาศจำเป็นต้องถูกพับเข้าในไปส่วนบรรทุกของจรวดที่เรียกว่า Payload Fairing ที่มีขนาดเล็ก (ยกตัวอย่างเช่นจรวด Falcon 9 ของ SpaceX มีความกว้างของ Payload Fairing อยู่ที่ 3.7 เมตร) ทำให้อุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น เสาสัญญาณ แผง Solar Array จำเป็นต้องถูกพับเอาไว้ และกางออกเมื่อเดินทางถึงอวกาศเรียบร้อยแล้ว
และอุปกรณ์จำพวก Actuator หรือ Pin Pullers นี้ จำเป็นต้องคงรูปเดิมเสมอ รวมถึงต้องรับความเครียด (Tension) และแรงดัน (Pressure) ในช่วงเวลาต่าง ๆ ได้อย่างดี รวมถึงต้องทนกับแรงสั่นสะเทือนจากการปล่อยจรวด
ดร. Othmane Benafan แห่งห้องวิจัย High Temperature and Smart Alloys ใน NASA Glenn Research Center รัฐแมรี่แลนด์ สหรัฐอเมริกา เป็นหนึ่งในผู้เชี่ยวชาญด้าน Shape-memory alloy ได้เคยพูดถึงกระบวนการในการเลือกวัสดุมาใช้ในงานอวกาศ โดยขั้นตอนและกระบวนการคิดได้ถูกสรุปไว้ใน Shape Memory Alloys – Not Your Ordinary Metal
โดยการยกตัวอย่างมาตรฐาน ASTM ที่นำมาใช้นั้น ก็ได้รวมถึง F2063-05 ซึ่งเป็นมาตรฐานเดียวกับ F2063-12 ที่นำมาใช้ในแว่นออปตัสด้วย แต่จะต่างกันที่เลขห้อยหลังที่บอกถึงปีที่มีการทำ Revision เท่านั้น และ Benafan ก็ได้พูดถึงกรณีของการนำเอา NiTiNol มาใช้ในหลากหลายภารกิจสำรวจอวกาศ
ในปี 1968 ได้มีการนำเอา Shape Memory Alloy มาใช้ในโครงการดาวเทียม Nimbus ของ NASA ซึ่งเป็นดาวเทียมด้านอุตุนิยมวิยา โดยในตอนนั้นมีการนำเอา NiTiNol มาเป็นส่วนประกอบของกลไก Shutter Actuation System บนตัวดาวเทียม สามารถดูได้จากเอกสาร NASA Contractor Report
เมื่อประสบความสำเร็จจากโครงการ Nimbus แล้ว Shutter Actuation System ที่ใช้ NiTiNol ก็ได้กลายมาเป็น Heritage (ในทางวิศวกรรมใช้เรียกวัสดุ ขั้นตอน หรือกระบวนการที่ผ่านการใช้งานมาแล้ว ทำให้หากอยู่ในเงื่อนไขเดียวกัน สามารถทำเหมือนกันได้โดยไม่ต้องทำ Research and Development เพื่อหาสิ่งใหม่) ให้กับชิ้นส่วนอื่น ๆ ในยานอวกาศรุ่นต่อ ๆ มา
เราจะได้เห็นการนำเอา NiTiNol มาใช้งานในสองลักษณะเด่น ๆ ด้วยกัน ได้แก่ การนำมาใช้งานจริง คือเป็นชิ้นส่วนของยานอวกาศจริง ๆ เช่น ระบบ Actuation System ในยาน Mars Pathfinder ของ JPL ในปี 1996 หรือระบบ Frangibolt ของยานสำรวจดวงจันทร์ Clementine และการทดสอบ (Demonstration) เช่น โครงการ Lightweight Flexible Solar Array Hinge (LFSAH) ซึ่งเป็นการวิจัยบานพับสำหรับ Solar Array รุ่นใหม่ ที่ถูกทดลองในอวกาศในภารกิจกระสวยอวกาศ STS-93 ซึ่งภายหลัง ได้มีการนำมาใช้ในจริงในยานอวกาศ Millennium Earth Observer 1 (EO-1) ในปี 2000 ได้รับการบันทึกไว้ใน เอกสารบรรยายภารกิจ STS-93
ในฝั่งโซเวียตเอง ก็ได้มีการใช้งาน Shape Memory Alloy เช่นกัน ในกระสวยอวกาศ Buran (ไม่ไม่เคยถูกนำมาใช้เดินทางไปอวกาศจริง) สถานีอวกาศ Sulyut-7 และยานส่งเสบียง Progress
การใช้งาน Shaped Memory Alloy ในปัจจุบัน
จนในช่วงหลัง การใช้งาน Shape Memory Alloy ก็ได้กลายมาเป็นเรื่องปกติในการทำงานอวกาศ และได้มีหลายบริษัทผลิตชิ้นส่วนยานอวกาศ เลือกใช้งาน โดยบริษัทที่โด่งดังที่สุดก็คือ Ensign-Bickford Aerospace & Defense Company หรือ EBAD ที่ขายอุปกรณ์ที่ใช้ Shaped Memory Alloy ภายใต้เครื่องหมายการค้า TiNi และมีสินค้าหลายประเภท ตั้งแต่ Ejectors, Frangibolt, Pin Pullers
จนทำให้ชิ้นส่วน Shape Memory Alloy ได้กลายเป็นวัสดุที่เป็นตัวแทนความสำเร็จของยานอวกาศมากมายหลายภารกิจ ตั้งแต่ Mars Global Surveyor, Juno, Rosetta-Philae, SELENE, Mars Pheonix Lander, MAVEN และอื่น ๆ อีกมากมาย รวมถึงในยุคของการที่ใครก็สามารถเข้าถึงอวกาศได้ (Space Democratization) Shape Memory Alloy ยังได้ถูกนำมาใช้กับพวกดาวเทียมขนาดเล็ก หรือ CubeSat และระบบการยิง CubeSat ออกจากสถานีอวกาศนานาชาติของบริษัท NanoRacks
อีกหนึ่งกรณีสำคัญของการนำเอา Shaped Memory Alloy มาใช้ในงานอวกาศก็คือการนำมาใช้เป็นล้อของ Rover บนดาวอังคาร ซึ่งจากเดิม NASA ได้เลือกใช้ล้อที่เป็นวัสดุคืออลูมิเนียมเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม หากเราดูจากล้อของ Curiosity ที่วิ่งบนดาวอังคารมามากกว่า 10 ปี เราจะเห็นความเสียหายที่เกิดขึ้นอย่างชัดเจน
นักวิจัยจาก NASA Glenn Research Center ทีมเดียวกับ Benafan ได้ทดลองสร้างล้อของ Rover ที่ใช้ Shape Memory Alloy Tubular Structure เรียกว่า Superelastic Tire ภายใต้ความร่วมมือกับบริษัทยาง Goodyear Shape Memory Alloy Tubular Structure (LEW-TOPS-161) ซึ่งเทคโนโลยีดังกลาวอาจถูกนำมาใช้กับโรเวอร์ในอนาคต เช่น โครงการ Mars Sample Return ของ JPL
แล้วทำไมแว่นตาต้องใช้ Shape Memory Alloy
หลังจากที่ได้รู้ประวัติศาสตร์และเรื่องราวของ Shape Memory Alloy และ NiTiNol กันมาแล้ว ก็มาถึงคำถามสำคัญที่ว่า แล้วเหตุใด Shape Memory Alloy จึงได้กลายเป็นวัสดุในอุดมคติ (Ideal) สำหรับการมาเป็นขาแว่นตา ซึ่งทางออปตัสได้เลือกเอา NiTiNol มาใช้ด้วยเหตุผลด้านน้ำหนัก เช่นเดียวกับยานอวกาศที่น้ำหนักเป็นเรื่องสำคัญ เราก็ต้องการแว่นตาที่มีน้ำหนักเบา ใส่แล้วไม่รู้สึกหนักหรือกดทับจมูกหรือใบหู หากนำปัจจัยด้านน้ำหนักมาประกอบรวมกับคุณสมบัติ Shape Memory Alloy ที่ตัววัสดุสามารถกลับมาอยู่ในรูปเดิมหลังจากบิดงอได้แล้ว NiTiNol จึงเป็นวัสดุที่ออปตัสไว้วางใจในแว่นรุ่นใหม่ที่สุด
และสิ่งที่สำคัญก็คือ เราต้องเข้าใจว่าความแข็งแรงไม่ได้หมายความว่าดีเสมอไป เราอาจจะสามารถใช้วัสดุที่แข็งแรงมาก ๆ ไม่หักไม่งอเลยก็ได้ แต่ถ้ามันถูกบิดงอไปถึงจุดหนึ่งมันจะหักเลย (ยอมหัก ไม่ยอมงอ) แต่วัสดุที่มีความยืดหยุ่นหากถูกบิดงอมันก็อาจไม่กลับมาคงรูปเดิม (ยอมงอแต่งอแล้งงอเลย) นี่จึงเป็นหัวใจสำคัญของ Shape Memory Alloy ที่เป็นวัสดุที่ยืดหยุ่นได้เพื่อต่อสู้กับแรงเค้น และกลับมาคงรูปเดิมได้เมื่อเวลาผ่านไป (ยอมงอ แต่กลับมาเหมือนเดิมในภายหลัง)
และด้วยสาเหตุที่ NiTiNol นั้นออกแบบมาให้มีขนาดเล็กเพื่อใช้ในกลไกขนาดเล็กของยานอวกาศ ทำให้ข้อดีของ การนำเอา NiTiNol มาใช้เป็นขาแว่นก็คือ สามารถทำให้มีความบางมาก ๆ ตอบโจทย์การออกแบบ แว่นแฟชัน แว่นไลฟ์สไตล์ ซึ่งมาแก้ปัญหาแว่น HOVER รุ่นเดิม ที่บางจริง แต่ไม่สามารถงอได้
และนี่ก็คือเรื่องราวประวัติศาสตร์กว่า 65 ปีกว่าจะเป็น HOVER 2.0 พัฒนามาขนาดนี้ แต่ราคาปรับขึ้นแค่หลักร้อย ขายอยู่ที่ 2,490 รวมเลนส์ รวมทุกอย่างแล้ว
สามารถสั่งซื้อแว่นรุ่น HOVER 2.0 ได้ทาง เว็บไซต์ของออปตัส
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
