ประเทศไทยได้มีอีกหนึ่งการทดลองที่ได้เดินทางขึ้นสู่สถานีอวกาศนานาชาติ นั่นคือชุดการทดลอง Thailand Innovative G-force varied Emulsification Research for Space Exploration หรือ TIGERS-X ชุดการทดลองจากทางคณะแพทยศาสตร์ศรีสวางควัฒน ราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์ ซึ่งจุดขายหลักของการทดลองนี้คือสาธิตการผสมตัวอย่างอาหารทางการแพทย์สำหรับผู้ป่วยผ่านทางหลอดเลือดดำ (Total Parenteral Nutrition หรือ TPN) บนความท้าทายทางวิศวกรรมที่ไม่เคยมีคนไทยคนไหนเคยทำมาก่อน กับการสร้างชุดทดลองของไหลเพื่อใช้งานบนอวกาศ จากจุดเริ่มต้นสู่การสร้างฮาร์ดแวร์ที่สามารถทำงานได้จริงพร้อมส่งขึ้นสู่สถานีอวกาศนานาชาติ ที่เหล่าทีมนักวิจัยต้องฝ่าฟันอุปสรรคต่าง ๆ มากมายแม้กระทั่งวินาทีสุดท้ายก่อนส่งขึ้นสู่อวกาศ
ในบทความนี้จะมาเจาะลึกในสิ่งที่ไม่เคยมีนักวิจัยคนไหนเคยบอกเล่ามาก่อนกับการสร้างชุดการทดลองสำหรับสถานีอวกาศนานาชาติ ซึ่งเป็นหนึ่งในเป้าหมายของการทดลอง ที่นอกจากจะทิ้งรากฐานและมรดกทางวิทยาศาสตร์อวกาศที่สำคัญแล้ว บทความนี้จะมาตอบคำถามว่าในการส่งการทดลองไปยังอวกาศ เราจะต้องเจอกับเรื่องอะไรบ้าง และจะออกแบบการทดลองอย่างไร แต่ก่อนอื่น เราต้องเข้าใจก่อนว่า แล้วทำไมเราต้องขึ้นไปทำการทดลองบนสถานีอวกาศนานาชาติด้วย
แรงโน้มถ่วงคือสิ่งที่เราชินกับมันจนเกินไป
เริ่มจากปัญหาสำคัญที่ว่าชีวิตของเราอาศัยอยู่บนโลกที่มีแรงโน้มถ่วงจนเคยชิน จนหลายครั้งเรามองข้ามและไม่เคยคิดเลยว่าแรงโน้มถ่วงคึอหนึ่งในปัญหาของการผสมสารต่าง ๆ ให้เข้าด้วยกันรวมถึง อาหาร ยาและเวชภัณฑ์ด้วย
ยาและสารอาหารทางการแพทย์หลายชนิดบนโลกนี้ มีส่วนประกอบพื้นฐานที่หนีไม่พ้น “น้ำ” และ “น้ำมัน” ซึ่งกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่เราคุ้นเคยกันดีคือ สารสองอย่างนี้ไม่มีวันเข้ากันได้และพร้อมจะแยกชั้นกันเสมอ เพื่อที่จะให้สารทั้งสองชนิดที่แยกกันผสมกันได้ ต้องมีการผสมสิ่งที่เรียกว่าสารอิมัลซิไฟเออร์ (Emulsifier) กับอาศัยเครื่องจักรในการปั่น ผสม คนให้เข้ากันเป็นเนื้อเดียวกัน เพราะต้องอาศัยสิ่งต่าง ๆ มากมายเพื่อนำมาใช้ในการผสมทำให้ต้นทุนในการผลิตสิ่งเหล่านี้มีราคาที่สูง เพราะสิ่งที่เรากำลังทำนั้นคือการฝืนกฏของธรรมชาติที่สารทั้งสองชนิดต้องการที่จะแยกกัน ยาและเวชภัณฑ์หลายตัวภายในท้องตลาดจึงมีราคาที่สูงเพราะความซับซ้อนของระบบในการผสมและที่ต้องดำเนินการตามมาตรฐาน ไม่ว่าจะเป็นยาเคมีบำบัด (Chemotherapy) หรือยาประเภทครีมเพื่อใช้ในการรักษาโรค ซึ่งรวมไปถึงอาหารที่ใช้ในทางการแพทย์อย่าง TPN ก็เป็นหนึ่งในสิ่งที่ต้องพึ่งพาอิมัลซิไฟเออร์และเครื่องจักรกลในการผสม
TPN คือโภชนาการทางหลอดเลือดดำ ตามปกติแล้วมนุษย์จะรับสารอาหารผ่านทางระบบย่อยอาหาร แต่สำหรับผู้ป่วยที่ไม่สามารถรับประทานอาหารได้เอง ระบบย่อยอาหารไม่สามารถทำงานได้ตามปกติ เพื่อให้ผู้ป่วยได้รับสารอาหารที่ครบถ้วนและประคับประคองผู้ป่วย จึงทำการ Bypass วิธีการในการรับสารอาหารของผู้ป่วยผ่านการให้ทางหลอดเลือดดำแทน สารอาหารทั้งคาร์โบไฮเดรต กรดอะมิโน ไขมัน วิตามิน และแร่ธาตุ จะถูกฉีดตรงเข้าสู่กระแสเลือดและเดินทางไปหล่อเลี้ยงระบบต่าง ๆ ได้โดยตรง ซึ่ง TPN เองเหมือนกับเส้นด้ายบาง ๆ ที่สำคัญมากสำหรับการยื้อชีวิตของผู้ป่วย เพราะถ้าหากไม่มี TPN ผู้ป่วยหลาย ๆ คนอาจจะเสียชีวิตจากการขาดสารอาหารทั้งที่โรคหลาย ๆ โรคสามารถที่จะรักษาให้หายได้ แต่ความท้าทายคือ TPN เองเป็นสิ่งที่ซับซ้อนและสามารถเปลี่ยนจากสิ่งที่ประคับประคองชีวิตให้กลายเป็นอันตรายได้
เพราะอย่างที่เราทราบกันดีคือร่างกายมนุษย์ต้องการ “ไขมัน” เป็นแหล่งพลังงาน แต่เลือดของเราเป็น “น้ำ” อย่างที่รู้กันว่าน้ำกับน้ำมันไม่เข้ากัน ถ้าน้ำมันในถุง TPN แยกชั้นหรือจับตัวเป็นก้อนใหญ่ (Coalescence) แล้วถูกฉีดเข้าเส้นเลือด ก้อนไขมันนั้นอาจไปอุดตันเส้นเลือดที่ปอดหรือสมอง ทำให้ผู้ป่วยเสียชีวิตเฉียบพลันได้ทันที นี่คือเหตุผลที่เครื่องผสม TPN และสารประกอบอย่างอิมัลซิไฟเออร์ ถึงต้องแม่นยำมาก ๆ แพงมาก ๆ และต้องปลอดเชื้อแบบ 100% เพราะ TPN คือสิ่งที่กำหนดความเป็นความตายของชีวิตผู้ป่วย และต้องสั่งผลิตแบบ Personal Medicine คือปรับสูตรตามที่ผู้ป่วยแต่ละคนต้องการและที่สำคัญที่สุดคือทั้งหมดต้องเกิดขึ้นในห้องปลอดเชื้อที่มีการไหลเวียนอากาศแบบ Laminar Flow ตามมาตรฐาน ISO ซึ่งทั้งหมดที่กล่าวมานี้ทำให้ TPN มีต้นทุนการผลิตที่สูงมาก
แล้วเราจะแก้ปัญหาให้ TPN มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้อย่างไร
ถึงบนพื้นโลกเราจะมี Solution มากมายสำหรับ TPN ถึงอย่างนั้นก็ยังมีโจทย์มากมายที่ TPN ต้องมีการปรับเปลี่ยน หนึ่งในนั้นคือเรื่องของ “อิมัลซิไฟเออร์” สารอิมัลซิไฟเออร์ที่วงการแพทย์นิยมนำมาใช้มากที่สุดนั้นหนีไม่พ้นสารสกัดที่มาจาก “ไข่แดง” ซึ่งหมายความว่ามันอุดมไปด้วย “โปรตีน” แม้ฟังดูเป็นธรรมชาติและปลอดภัย แต่ “ไข่แดง” คือปัญหาที่ใหญ่มากสำหรับ TPN เพราะในความเป็นจริง ผู้ป่วยจำนวนไม่น้อยที่ตกอยู่ในสภาวะวิกฤตและจำเป็นต้องรับอาหารทางหลอดเลือดดำคือ “ผู้ป่วยโรคไต” ผู้ป่วยโรคไตมีข้อจำกัดอย่างเข้มงวดในการบริโภคโปรตีน เนื่องจากไตที่เสื่อมสภาพไม่สามารถขับของเสียที่เกิดจากการสลายโปรตีนได้ทัน การรับโปรตีนปริมาณมากจึงกลายเป็นการทำร้ายอวัยวะโดยตรง กลายเป็น TPN ที่ใช้สำหรับการประคับประคองชีวิตกลายเป็นปัญหาสำหรับผู้ป่วยเสียเอง
ด้วยเหตุนี้ เราจึงต้องย้อนกลับมาว่าสิ่งที่ทำให้การผสมน้ำกับน้ำมันนั้นยากขนาดนี้ก็เป็นเพราะว่าบน “โลกของเรามีแรงโน้มถ่วง” ถ้าหากเราตัดแรงโน้มถ่วงออกจากสมการไปได้ มันจะตัดตัวแปรของแรงลอยตัวกับความหนาแน่นของสารทั้งสองชนิดออกไปในทันที เหลือเพียงกลไกการผสมที่แท้จริงของอีมัลชั่น (Emulsion) หากเราสามารถทำความเข้าใจพฤติกรรมเหล่านี้โดยไม่มีแรงโน้มถ่วงมากวนใจได้ องค์ความรู้นี้จะเป็นกุญแจสำคัญที่ช่วยให้เรากลับมาออกแบบเครื่องผสม TPN บนโลกให้มีความซับซ้อนน้อยลง ปลอดภัยขึ้น มีราคาถูกลงจนผู้ป่วยสามารถเข้าถึงเทคโนโลยีนี้ได้ง่ายขึ้น และที่สำคัญที่สุดคือลดการใช้สารอีมัลซิไฟเออร์อย่างไข่แดงลงไปได้ ทำให้สามารถเข้าถึงผู้ป่วยโรคไตได้มากยิ่งขึ้น
และทั้งหมดนี้คือโจทย์ของโครงการ TIGERS-X ที่จะส่งการทดลอง TPN ขึ้นไปผสมบนสถานีอวกาศนานาชาติกับสภาวะไร้น้ำหนักที่อนุญาตให้สิ่งต่าง ๆ เกิดขึ้นให้เห็นการผสมของสารทั้งสองที่ชัดเจนในสภาวะที่ไม่มีทางเห็นได้จากบนโลก นำไปสู่การค้นพบพฤติกรรมใหม่ ๆ ที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน
จากการทดลองบนเครื่องบิน สู่สถานีอวกาศนานาชาติ
แม้ก่อนหน้านี้ TIGERS-X จะมีการทดลองที่ส่งขึ้นไปทำการทดลองสภาวะไร้น้ำหนักบนเที่ยวบิน Zero-G เพื่อเป็นการทำ Proof of Concept ของการผสมน้ำและน้ำมันในสภาวะไร้น้ำหนักมาอย่างที่เคยได้เล่าไปใน บทความ สรุปการทดลอง TIGERS-X กับการทดลองน้ำผสมกับน้ำมันในเที่ยวบินไร้น้ำหนัก แต่พวกเขาไม่สามารถถอดแบบชุดการทดลองของ Zero-G ทั้งหมดแล้วส่งเอาขึ้นไปยังสถานีอวกาศนานาชาติได้ในทันที เพราะระบบต่าง ๆ รวมถึงความปลอดภัยถูกออกแบบมาอย่างเรียบง่ายเพื่อเที่ยวบิน Zero-G ไม่ใช่การทดลองอัตโนมัติในสถานีอวกาศนานาชาติ
ปกติแล้วในการส่งการทดลองไปยังสถานีอวกาศนานาชาตินั้น เราสามารถส่งได้หลายช่องทางด้วยกัน ในกรณีนี้ ทีมวิจัยได้เคยทำงานร่วมกับบริษัท Space Application Services ซึ่งเป็นเจ้าของแพลตฟอร์มการทดลอง ICE Cubes บนโมดูล Columbus ของสถานีอวกาศนานานาชาติฝั่งยุโรป จึงได้เลือกให้ Space Application Services เป็นผู้ดูแลการทดลอง ซึ่งข้อดีของแพลตฟอร์มการทดลองนี้ คือเปิดโอกาสให้ตัวการทดลองทำงานได้อัตโนมัติ ซึ่งจะอธิบายในหัวข้อถัดไป
ทีมวิจัยเผยกับทีมงานว่ากำแพงที่สูงที่สุดในการพางานจาก Zero-G ไปสู่สถานีอวกาศนานาชาติคือ “มาตรฐานความปลอดภัย” เพราะมาตรฐานการบินของ FAA กับมาตรฐานความปลอดภัยระดับอวกาศของ NASA นั้นต่างกันลิบลับ วัสดุหลายชนิดถูกสั่งห้ามใช้เด็ดขาดเนื่องจากปรากฏการณ์ “Outgassing” ปรากฏการณ์ที่วัสดุจะคายก๊าซที่สะสมตัวอยู่ภายในออกมาในชั้นบรรยากาศ
ตัวอย่างที่ชัดเจนคือสายไฟหุ้ม PVC ที่ใช้กันทั่วไปบนโลก จะไม่สามารถนำขึ้นไปได้เลย เพราะมันจะปล่อยก๊าซคลอรีนที่เป็นพิษต่อนักบินอวกาศ และอีกหนึ่งมาตรฐานที่สำคัญมาก ๆ คือเรื่องของการลามไฟ นั่นทำให้วัสดุทุกชิ้นต้องผ่านการตรวจสอบอย่างเข้มงวดโดยหน่วยงานอวกาศที่เป็นพันธมิตรของโครงการสถานีอวกาศนานาชาติอย่าง ESA และ NASA ก่อนจะแพคขึ้นยาน Dragon ของ SpaceX เพื่อนำส่งขึ้นไปบนสถานีอวกาศนานาชาติ
อีกหนึ่งข้อคอขาดบาดตายคือเรื่องของ “การรั่วซึม” ซึ่งบนเที่ยวบิน Zero-G หากเกิดเหตุท่อรั่วหรือน้ำหก นักวิจัยสามารถเข้าไปแก้ไขได้ทันที แต่บนสถานีอวกาศนานาชาติไม่มีใครมาคอยเช็ดน้ำให้ ระบบหลอดไซริงค์และไซริงค์ปั๊มแบบเดิมที่ใช้ในเที่ยวบิน Zero-G มีโอกาสที่จะรั่วซึมสูงมาก ทีมวิจัยจึงต้องรื้อระบบใหม่ทั้งหมด เปลี่ยนมาใช้ถุงบรรจุของเหลวมาตรฐานทางการแพทย์ที่มีความปลอดภัยสูงสุด พร้อมระบบเชื่อมต่อท่อที่แน่นหนา ซึ่งทีมวิจัยของราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์เองก็ได้รับองค์ความรู้มากมายจาก พีพี-พัทน์ ภัทรนุธาพร ที่เคยทำ การทดลอง MicroPET ของ MIT Media Lab เกี่ยวกับระบบถุงและ Fitting ท่อและข้อต่อ การฆ่าเชื้อ รวมถึงการเช็คการรั่วซึมของระบบท่อ
ขนาดเล็กลง แต่ต้องซับซ้อนมากขึ้น คือโจทย์สำคัญ
อีกอย่างคือเรื่องของขนาด เพราะขนาดที่ใช้ใน Zero-G มีขนาดคือ 6U (30x20x10 เซนติเมตร) ซึ่งมันใหญ่มากเมื่อเทียบกับขนาดของการทดลองบนสถานีอวกาศนานาชาติ ทำให้ทีมจึงต้องออกแบบการทดลองที่ซับซ้อนขึ้นแต่ต้องมีขนาดเล็กลงเหลือเพียงแค่ 4U (20x20x10 เซนติเมตร) เท่านั้น จำเป็นต้องยัดทุกอุปกรณ์ ทั้งถุงภาชนะ ระบบท่อ ปั๊ม ชิป ระบบขาออก กล้องถ่ายวิดีโอ และระบบคอมพิวเตอร์ไว้ในพื้นที่ที่เล็กเท่ากับคอมพิวเตอร์ Mac Studio ทำให้สิ่งนี้คือจุดที่ท้าทายงานด้านวิศวกรรมอย่างที่ทีมวิจัยไม่เคยทำกันมาก่อน
และอย่างสุดท้ายคือเรื่องของการหาวัสดุมาใช้ในงานวิจัย ซึ่งในยุคนี้เราจะเน้นไปที่กระบวนการที่เรียกว่า Commercial off-the-shelf (COTS) ซึ่งภาระทั้งหมดนี้จะมาตกอยู่ที่นักวิจัยจะต้องตามหาวัสดุในการเอามาประกอบ ต้องไล่เปรียบเทียบสเปกสินค้า ขนาด ยี่ห้อ ประเทศผู้ผลิต โดยเฉพาะเมื่อมันเป็นงานที่ต้องใช้ในอวกาศมันยิ่งต้องเข้มงวดในการเลือกวัสดุโดยเฉพาะเพื่อให้ผ่านเกณฑ์มาตรฐานของ ESA และ NASA ที่มา – Chulabhorn Royal Academy
ซึ่งทีมวิจัยจากราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์ก็สามารถผ่านสิ่งนี้มาได้ ตั้งแต่กระบวนการที่ยากที่สุดอย่างการหาถุง ซึ่งเราเคยเล่าไปในบทความเรื่อง ถุงกลายมาเป็นส่วนหนึ่งของปัญหาในการส่งงานวิจัยสู่สถานีอวกาศนานาชาติ การหาผู้รับเหมาทำโครงสร้างของชุดการทดลองด้วย CNC ชุด Single Board Computer หรือแม้แต่การหาชิ้นส่วนเล็ก ๆ อย่างท่อและยางก็ต้องหาเองทั้งหมด ซึ่งโชคดีที่สามารถหาวัสดุมาทำเตรียมการทดลองและทำ Payload ได้สำเร็จดี และสิ่งหนึ่งที่สำคัญมาก ๆ คือทั้งหมดเกิดขึ้นในประเทศไทย เพราะหากเราเคยหาของตามท้องตลาดให้ได้ตามสเปกที่ต้องการแล้วเราจะรู้ดีว่ามันยากแค่ไหน
เราออกแบบการทดลองลองเหลวในพื้นที่เล็กขนาดนี้ได้อย่างไร
อย่างที่ได้เล่าไปว่าหัวใจสำคัญที่สุดของการผสม TPN คือ “ความปลอดเชื้อ 100%” ในโลกของอวกาศก็เป็นเช่นนั้นเหมือนกัน การที่จะใช้เครื่องจักรที่มีใบพัดหรือปั๊มนั้นคือฝันร้ายของการปลอดเชื้อเนื่องจากทุกซอกหลืบของฟันเฟือง ข้อต่อ หรือแกนหมุน คือจุดหมักหมมชั้นดีที่แบคทีเรียและสิ่งสกปรกสามารถแฝงตัวได้ และยิ่งการทดลองที่กำลังจะส่งไปยังอวกาศที่จำเป็นต้องมีการนำส่งไปก่อนหน้าการเดินทางไปอวกาศหลาย ๆ เดือน ชุดการทดลองย่อมสามารถระเบิดหากมีแบคทีเรียเพียงแค่ตัวเดียวแอบเข้าไปกินสารอาหารที่อยู่ใน TPN ที่เรากำลังจะส่งขึ้นไป ยังไม่รวมกับขนาดที่เล็กมากของชุดการทดลองที่มีเพียง 4U ทำให้ระบบกลไกซับซ้อนเป็นระบบที่ไม่ได้ถูกนำมาใช้กับชุดการทดลองนี้
ทางออกที่ตอบโจทย์ทั้งเรื่องของความสะอาดที่มาพร้อมกับการจัดการปัญหาเรื่องที่ชุดการทดลองต้องมีขนาดที่เล็กมากได้นั้นคือการบรรจุสารทั้งสองประเภทไว้ภายในถุงประเภท FEP (Fluorinated Ethylene Propylene) ทำให้สามารถลดพื้นที่ในการจัดเก็บไปได้มากและในส่วนของการทดลองใช้เทคโนโลยี Lab-on-a-Chip (LoC) ที่เป็น Static Mixer และ Peristaltic Pump (ปั๊มแบบรีดท่อ) เพื่อไม่ให้ของเหลวสัมผัสกับตัวปั๊มทำให้ไม่มีกลไกที่ซับซ้อนและขยับได้
แต่คำถามคือถ้ามันเป็นระบบที่ไม่มีอะไรขยับหรือสัมผัสกับน้ำเลย แล้วระบบจะดึงน้ำจากถุงและจะทำการทดลองอย่างไร อันดับแรกทีมวิจัยเลือกออกแบบ Lab-on-a-Chip ที่มีรูปทรงเรขาคณิตเป็น Tesla Valve หลักการของมันคือการออกแบบเส้นทางเดินของเหลว (Microchannel) ภายในชิปให้มีความซับซ้อน บังคับให้กระแสน้ำและน้ำมันไหลไปชนกำแพง แตกตัว ม้วนกลับ และพุ่งชนกันเองซ้ำแล้วซ้ำเล่าด้วยความเร็วและแรงดันที่คำนวณมาอย่างแม่นยำ ความปั่นป่วนของของเหลว (Turbulence) ที่ทำหน้าที่เพิ่มพื้นที่ผิวที่สารทั้งสองชนิดจะผสมกันทำให้การผสมกันสามารถเกิดขึ้นได้โดยที่ไม่จำเป็นต้องใช้ใบพัดในการปั่นเพื่อเพิ่มความปั่นป่วนของการไหลเลย
และการที่จะปั๊มให้น้ำออกจากถุงได้ ทีมวิจัยจำเป็นต้องใช้ปั๊มในการดึงน้ำ ซึ่งปั๊มที่พวกเขาใช้งานคือ Peristaltic Pump ปั๊มชนิดนี้จะใช้ลูกกลิ้งรีดไปตามสายยางจากด้านนอกเพื่อดันของเหลวไปข้างหน้า นั่นหมายความว่ากลไกของปั๊มจะไม่มีวันสัมผัสกับ TPN ด้านในเลยแม้แต่นิดเดียว ตอบโจทย์เรื่องความปลอดเชื้อได้เป็นอย่างดี ทำให้ทั้งสามระบบคือ ถุง ปั๊ม และ Mixer ไม่มีสิ่งที่เป็นซอกหรือหลืบที่เป็นตำแหน่งที่จะหมักหมมเชื้อโรคหรือยากต่อการทำความสะอาด ถึงอย่างนั้นแม้ระบบของเราจะดียอดเยี่ยมและฟิตลงกับขนาดของ Payload ที่เล็กเพียง 4U ได้ แต่มันมีปัญหานึงที่ใหญ่มากคือ Peristaltic Pump ขนาดเล็กที่ทีมงานหามาได้นั้น ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์กระแสตรงแบบ Servo Motor ไม่ใช่ Stepper Motor
หากจะอธิบายให้เห็นภาพ Stepper Motor คือมอเตอร์ที่ฉลาดและแม่นยำ มันรู้ตัวเสมอว่ามันหมุนไปแล้วกี่องศาหรือกี่สเต็ป ในขณะที่มอเตอร์ของปั๊มตัวนี้เปรียบเสมือน “มอเตอร์ตาบอด” มันรู้แค่ว่าถ้าจ่ายไฟเข้า มันจะหมุน และถ้าตัดไฟ มันจะหยุด มันไม่รู้เลยว่าตัวเองกำลังหมุนด้วยความเร็วเท่าไหร่ หมุนไปแล้วกี่รอบ หรือดันของเหลวไปได้ปริมาตรแค่ไหนแล้ว ซึ่งปัญหาคือ สารที่เรากำลังจะดันเข้าไปในชิปคือ “น้ำ” และ “น้ำมัน” ซึ่งมี “ความหนืด (Viscosity)” ต่างกันอย่างสิ้นเชิง
เมื่อความหนืดต่างกัน แปลว่าหากเราปั๊มน้ำกับน้ำมันพร้อมกัน น้ำจะเดินทางมาถึงน้ำมันเสมอ แต่การผสมด้วย Geometry แบบ Tesla Value การผสมจะเกิดขึ้นเมื่อสารทั้งสองมาเจอกันพร้อมกันภายในโครงสร้าง Geometry เท่านั้น ดังนั้นปัญหานี้จึงเป็นปัญหาใหญ่มากที่ทีมต้องหาทางแก้คือทำอย่างไรก็ได้ให้สารสองชนิดเดินทางมาถึงพร้อมกันที่ Inlet ของชิป พวกเขาจึงใช้วิธีที่แหกการทำงานของ Peristaltic pump ด้วยการแฮคกระแสไฟฟ้าที่จ่ายเข้าไป
ควบคุมการทำงานของปั๊มด้วยคอมพิวเตอร์
การควบคุมการทำงานของปั๊มนั้นจะถูกควบคุมด้วย Orange Pi ที่เป็น Single Board Computer หลักของ Payload ที่จะสั่งคอมพิวเตอร์ใต้คำสั่ง (Slave) ซึ่งวิศวกรมเลือกใช้เป็น STM32 ที่เป็น Microcontroller ควบคุมกับปั๊มน้ำอีกทีหนึ่ง ซึ่งสิ่งนี้สามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำงานของ Single Board Computer แล้วทำไมต้องใช้ Microcontroller คุมปั๊มหรืออุปกรณ์ภาคจ่ายไฟได้เพิ่มเติมในบทความ Single Board Computer กำลังเป็นกระดูกสันหลังใหม่ของวงการอวกาศ
ทีนี้การแฮค (Hack) ปั๊มน้ำที่พูดถึงนั้นคือ ในเมื่อมอเตอร์มันไม่รู้ว่าตัวเองหมุนเร็วแค่ไหน ทีมวิจัยก็จะไม่สั่งให้มัน “หมุนยาว ๆ” แต่จะใช้วิธีสั่งงานในระดับสัญญาณไฟฟ้า โดยเขียนโค้ดให้ STM32 “จ่ายไฟและตัดไฟ” สลับกันเป็นวัฏจักร (Cycle) ในระดับ “มิลลิวินาที (Millisecond)” การจ่ายไฟระดับมิลลิวินาทีนี้ทำให้สามารถควบคุมความเร็วในการไหลของของเหลวแต่ละชนิดภายในแต่ละท่อได้อย่างแม่นยำและทำให้น้ำมันและน้ำสามารถเดินทางมาถึงท่อทางเข้า Inlet ของ Microfludic Chip ด้วยเวลาที่พร้อมกัน และเริ่มต้นการผสมได้ทันที
ซึ่งสารที่ทีมวิจัยใช้ทดลอง คือสูตร TPN มาตรฐานเดียว เกรดเดียว กับที่ใช้งานจริงในโรงพยาบาลเป๊ะ ๆ นั่นหมายความว่า หากระบบปฏิบัติการบนชิปและโค้ดระดับมิลลิวินาทีนี้สามารถผสม TPN ให้เสถียรในสภาวะไร้น้ำหนักได้สำเร็จ องค์ความรู้นี้ก็พร้อมที่จะถูกสเกลอัป (Scale-up) หรือนำมาประยุกต์ใช้เพื่อสร้างเครื่องผสมอาหารทางการแพทย์แบบใหม่บนพื้นโลก ที่ไร้กลไกใบพัด ปลอดเชื้อ 100% ได้จริงด้วยเช่นกัน
การควบคุมการทดลองระยะไกล จากโลกสู่วงโคจร
หนึ่งในไฮไลท์สำคัญของโครงการ TIGERS-X คือ Payload ชิ้นนี้สามารถติดต่อกับพื้นโลกได้ ผ่านทางอินเทอร์เน็ต และเป็นอีกหนึ่งความสามารถสำคัญของแพลตฟอร์ม ICE Cubes บน Space Application Services
ซึ่งเอาเข้าจริงการส่งการทดลองขึ้นไปในอวกาศสิ่งที่ต้องรู้คือไม่ใช่ทุกแพคเกจที่คุณซื้อจะมีอินเทอร์เน็ตให้กับ Payload ของคุณ และเอาเข้าจริงหลาย ๆ Payload ก็ไม่ได้จำเป็นที่จะต้องมีการใช้อินเทอร์เน็ตในการติดต่อกับภาคพื้นอยู่แล้ว ซึ่งอย่างงาน MicroPET ของ MIT Media Lab เราก็จะเห็นได้ว่ามันใช้เพียง Microcontroller ที่เสียบไฟแล้วระบบทำงานได้เลยและการออกแบบของพวกเขานั้นไม่จำเป็นต้องได้รับคำสั่งจากภาคพื้น (และมาลุ้นผลการทดลองเมื่อการทดลองกลับมาถึงโลก เราเรียกว่า Fire-and-Forget) แต่ในงานของ TIGERS-X นั้นพวกเขาเลือก Package ที่สามารถใช้อินเทอร์เน็ตเพื่อสื่อสารกับ Payload ขณะอยู่ในอวกาศ ซึ่งนี่คือข้อได้เปรียบของ TIGERS-X ที่นอกจากจะส่งผลการทดลองของ Payload ได้ทันทีแล้ว นี่คือการสื่อสารแบบสองทางหมายความเราสามารถสั่งการขึ้นไปที่ระบบคอมพิวเตอร์เพื่อปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ในการทดลองตามสภาพจริงได้
ซึ่งเอาแค่การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตก็ลำบากแล้วเพราะแฟลตอร์มของ IceCubes ไม่ได้ใช้สาย Data เหมือนชาวบ้านทั่วไปที่ใช้งานบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ซึ่งเราเคยเล่าไปในบทความ สถานีอวกาศนานาชาติ ใช้สาย LAN แบบไหน) แต่เป็นพาร์ตเชื่อมต่อประเภท DB13W3P แบบ D-subminiature ที่หน้าตาคล้ายกับพอร์ต VGA ที่เราคุ้นชินกับกับจอภาพสมัยก่อน ที่ข้อมูลและไฟฟ้าจะไหลเข้าด้วยกัน ไม่เหมือนกับมาตรฐานแพลตฟอร์ม Nanoracks ของบริษัท Voyager Space ในสถานีฯ ฝั่งสหรัฐฯ ที่ฝั่งนั้นสาย Data เป็นพอร์ตแบบ RJ45 ที่เอาสาย LAN เสียบได้เลย ทำให้ทีมราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์ต้องหาทางแปลงทั้ง Power และ Data เป็น D-subminiature
แนวทางที่ใช้คือ Data วิ่งเข้า Port Eternet ของคอมพิวเตอร์ Orange Pi แต่ขาออกพวกเขาต้องเอาสายที่ต่อคลี่สายออกแล้วเอาบัดกรีเข้ากับขาของ D-subminiature ที่เกาะอยู่ที่ฝังด้านนอกของ Payload ซึ่งโดยรวมใช้ได้ นอกจากนี้มาตรฐานของสถานีอวกาศนานาชาตินั้นคืออุปกรณ์ทุกอย่างที่จะเอาไปใช้ ต้องไม่รับและปล่อยคลื่นวิทยุ (RF หรือ Radio Frequency) อย่าง WiFi และ Bluetooth ซึ่งอาจรบกวนการทำงานของสัญญาณในสถานีฯ
นอกจากนี้ยังมีมาตรฐานเรื่องความปลอดภัยการที่เราจะควบคุม Payload ของเราที่อยู่บนสถานีอวกาศมันไม่ใช่เรื่องที่ง่ายแบบที่เราต่ออินเทอร์เน็ตแล้วสามารถเปิดดูมันได้จากทุกที่เหมือนกับเว็บไซต์ทั่ว ๆ ไป แต่ต้องอาศัยอินเทอร์เน็ตระบบปิดที่ต้องอาศัยการมุด VPN เข้าไป
โดยตัว Payload นั้นบนคอมพิวเตอร์ Orange Pi จะต้องทำหน้าที่เป็น YAMCS Server (เหมือนกับ Web Server) ที่ส่งต่อให้ระบบของ ICE Cubes บนสถานี ที่เชื่อมต่อเข้ากับคอมพิวเตอร์กลางของโมดูล Columbus (Columbus Multi-Purpose Computer Communication) วิ่งผ่านระบบสับส่งสัญญาณผ่านเครือข่ายดาวเทียม Tracking and Data Relay Satellite System หรือ TDRSS ของ NASA ส่งต่อให้กับ ESA แล้ว ESA ส่งต่อมายังศูนย์ ICMCC ของ Space Application Services ที่ยุโรป ก่อนจะวิ่งผ่าน VPN มุดกลับมาปรากฏบนหน้าจอที่ประเทศไทยผ่านโปรแกรม Open MCT ซึ่งจะแสดงผล Telemetry ทุกอย่างเป็นกราฟและตัวเลขแบบเรียลไทม์
อีกหนึ่งสิ่งที่หลายคนจะไม่ทราบคือไม่ใช่ว่าเราสามารถติดต่อกับ Payload บนสถานีอวกาศนานาชาติได้ตลอดเวลา เพราะสถานีอวกาศนานาชาติมี Downtime คือช่วงเวลาที่ตัวสถานีไม่ได้ผ่านจานรับสัญญาณของพื้นโลก ตามช่วง AOS หรือ Aquisition-of-Signal และ LOS หรือ Loss-of-Signal แสดงว่าช่วงเวลาที่จะสื่อสารและรับข้อมูลจาก Payload ได้นั้นมีจำกัดและจะถูกกำหนดเอาไว้แล้ว ยังไม่รวมว่า Bandwidth ของสัญญาณเหล่านี้ไม่ได้เยอะ ลืมเรื่องการถ่ายทอดสดภาพหรือวิดีโอของการทดลองแล้วยิงลงมาให้นักวิจัยเห็นแบบในหนังไปได้เลย สิ่งที่จะบอกว่าระบบทำงานได้ไหมคือภาพวิดีโอหลังการทดลองเสร็จสิ้นไปแล้วเท่านั้น จากนั้นทีมจะต้องเข้าไปดึงไฟล์ด้วยตัวเองผ่านการทำ File Transfer Protocol หรือ FTP จาก Payload และดาวน์โหลดลงมายังคอมพิวเตอร์บนพื้นโลกเพื่อดูมันอีกที
และเพื่อให้มั่นใจว่าช่วงเวลาในการทดลองบนสถานีอวกาศที่สำคัญมาก ๆ เหล่านี้จะดำเนินไปอย่างถูกต้อง เรียบร้อยและไม่มีอุปสรรคใด ๆ มาขวางกั้นแม้กระทั่งอินเทอร์เน็ตหลุด อินเทอร์เน็ตดับ ไฟดับ ทีมวิจัยให้ระบบสำรองแบบเต็มพิกัดโดยเฉพาะกับเรื่องการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตถูกคุมด้วยเร้าเตอร์ที่ใส่ซิมการ์ดคู่ (Dual-SIM Load Balancing) พร้อมระบบสำรองไฟ เพื่อป้องกันปัญหาการสื่อสารขาดช่วงเวลาช่วงเวลาที่สำคัญ และมีทีม Payload Controller ที่คอย Monitor ตลอด 24ชั่วโมง เพื่อคอยจับตาดูการทำงานของ Payload ตลอดเวลา
ซึ่งห้องควบคุมหรือ Mission Control ดังกล่าวก็ตั้งอยู่ที่ คณะแพทยศาสตร์ศรีสวางควัฒน ราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์ นับว่าเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ชาติไทยที่เรามีห้องควบคุมการทดลองบนสถานีอวกาศนานาชาติอยู่บนแผ่นดินไทย
นอกจากนี้การทดลองนี้ยังนับว่าเป็นการทดลองแรกของประเทศไทยที่มีระบบ Dashboard ติดตามสถานะของ Payload และการทำงานวิทยาศาสตร์ของมันแบบ Near Real Time ที่ทำให้ทราบถึงสถานะระบบทุกอย่างรวมถึงตารางการทำงานภายในสถานีอวกาศนานาชาติอีกด้วย ทำให้การทดลองนี้ไม่ใช่แค่มีระบบที่สื่อสารกลับมายังแลปที่ทำงานแต่ยังเปิดต่อประชาชนให้เห็นการทำงานของชุดการทดลองและเข้าใกล้กับชุดการทดลองจริงที่อยู่ในอวกาศได้ ทำให้เห็นว่าจริง ๆ แล้วการทดลองในอวกาศไม่ใช่เรื่องไกลตัว
การทดลองบนสถานีอวกาศนานาชาติทำอย่างไร
TIGERS-X กำหนดเดินทางไปยังยังสถานีอวกาศนานาชาติพร้อมกับยาน Dragon ในเที่ยวบิน SpaceX CRS-34 ในเช้าตรู่วันที่ 13 พฤษภาคม 2026 ด้วยจรวด Falcon 9 จากฐานปล่อย SLC-40 ณ Cape Canaveral Space Force Station แหลมคะเนอเวอรัล รัฐฟลอริดา และมีกำหนดเชื่อมต่อเข้ากับสถานีฯ ในเวลา 4 โมงเย็นของวันที่ 13 พฤษภาคม 2024 (เป็นครั้งแรกที่เราได้เห็นยาน Cargo Dragon เชื่อมต่อเร็วขนาดนี้)
เมื่อเชื่อมต่อแล้ว นักบินอวกาศจะทำการขนย้าย Payload ที่สำคัญออกก่อน เช่น อาหารสด ผัก ผลไม้สด จากภายในยานเข้าไปภายในสถานีอวกาศนานาชาติก่อน จากนั้น Payload การทดลองที่ส่งขึ้นไปจะทะยอยออกมาจาก Dragon ตามรายการ ซึ่งนี่จะเป็นคิวที่ TIGERS-X จะได้นำออกด้วยเช่นกัน ซึ่งเมื่อนักบินอวกาศนำ TIGERS-X ติดตั้งในแพลตฟอร์มของ IceCubes แล้ว ทันทีที่ได้รับไฟเลี้ยงจากสถานีฯ ระบบคอมพิวเตอร์ของ TIGERS-X จะเริ่มบูตตัวเอง ซอฟต์แวร์ YAMCS จะเริ่มทำงานและพยายามติดต่อกลับมายังโลกอยู่ในโหมด Standby รอคำสั่งจากโลก
และเมื่อทีมวิจัยตรวจสอบค่าจาก Telemetry ทุกอย่างว่าตรงแล้วพวกเขาจึงจะเริ่มต้นรัน Sequence โปรแกรมอัตโนมัติที่แก้ไขไม่ได้อีกต่อไป (Computer Taking Control) ซึ่งกินเวลาประมาณ 10-25 นาที และทีมวิจัยต้องรอช่วงการทำงานเสร็จลงก่อนจึงจะสามารถที่จะดำเนินการดึงข้อมูลวิดีโอกลับมาวิเคราะห์ที่ภาคพื้น เพื่อสังเกตการทำงานของปั๊ม ระบบน้ำ และกล้องทั้งหมดว่าทำงานเป็นอย่างไรบ้างแล้วต้องปรับปรุงวิธีการทำงานของ Payload อย่างไรต่อไปบ้าง เพื่อเป็นคำสั่งสำหรับการทดลองในวันถัดไป โดยทีมได้ออกแบบการทดลองต่อเนื่อง 6 วันด้วยกัน เพื่อเก็บข้อมูลการทดลองส่งกลับโลก
โดยตามกำหนดแล้ว TIGERS-X ต้องกลับสู่โลกพร้อมกับยาน Dragon CRS-34 ซึ่งทางทีม Space Application Service ได้บอกมาว่าชิ้นงานจะกลับมาถึงโลกกลางเดือนมิถุนายน ซึ่งอาจจะกลับมาพร้อมกับชุดการทดลอง Thailand Liquid Crystral in Space ที่มีข่าวว่าตกค้างอยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติ ซึ่งต้องรอดูกันต่อไปว่ารอบการกลับโลกในครั้งนี้ของ CRS-34 จะมีทั้งสองการทดลองของไทยเดินทางกลับโลกไปพร้อมกันหรือไม่
เมื่อเรามองย้อนกลับไปถึงจุดเริ่มต้นที่มาจากชุดการทดลองทำมือบนเที่ยวบิน Zero-G สู่ชุดการทดลองขนาด 4U ขึ้นไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ มันอัดแน่นไปด้วยเทคโนโลยี วิศวกรรม และแนวคิดที่ไม่ธรรมดา ตั้งแต่การออกแบบ ควบคุมอุปกรณ์ การสื่อสารกลับกับโลก ซึ่งเราจะพบว่าโครงการ TIGERS-X ได้สร้างผลลัพธ์ที่ยิ่งใหญ่ไปกว่าเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ตั้งต้นจากการทดลองของ ZeroG ที่สนใจการผสมของน้ำกับน้ำมันเสียอีก
แน่นอนว่าปลายทางของการทดลอง คือไฟล์วิดีโอ MP4 ความยาวคลิปละ 1 นาที ที่ทีมวิจัยราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์จะดาวน์โหลดกลับมาเพื่อศึกษาพฤติกรรมการแตกตัวและผสมกันของของเหลวในสภาวะไร้น้ำหนัก ซึ่งองค์ความรู้นี้อาจนำไปสู่การต่อยอดในอุตสาหกรรมยา อาหาร หรือวัสดุศาสตร์ในอนาคต
แต่ผลพลอยได้ ที่ประเมินค่าไม่ได้เลยจากการทำภารกิจนี้ คือมรดกทางวิศวกรรมที่คนในประเทศไทยจะได้รับ และการก้าวข้ามขีดจำกัดทางวิศวกรรมอวกาศของไทย ซึ่งทีมวิจัยจากราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์ได้พิสูจน์ให้เห็นแล้วว่า เราสามารถเขียนซอฟต์แวร์ที่เสถียรพอจะคุยกับเครือข่ายของสถานีอวกาศนานาชาติ และที่สำคัญที่สุดคือ เราสามารถผลักดันชิ้นงานให้ผ่านมาตรฐานความปลอดภัยระดับเข้มงวดสูงสุดได้สำเร็จนั่นเอง
สามารถติดตามโครงการได้ผ่าน เว็บไซต์อย่างเป็นทางการของ TIGERS-X
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
