ภารกิจ Artemis ที่กำลังจะส่งมนุษย์กลับไปเหยียบดวงจันทร์อีกครั้งในปี 2024 นี้ซึ่งจะถือเป็นการกลับไปดวงจันทร์ของมนุษยชาติในรอบ 50 ปีหลังจากที่โครงการ Apollo จบลง รอบนี้จุดประสงค์ของโครงการ Artemis ไม่ได้มีแค่ส่งมนุษย์ไปเหยียบดวงจันทร์แล้วกลับมาเหมือน Apollo แต่เป็นการเตรียมการตั้งถิ่นนฐานบนดวงจันทร์บนขั้วเหนือของดวงจันทร์โดยให้ชื่อว่า Artemis Base Camp พร้อมกับการสร้างระบบ Infrastructure ต่าง ๆ ในวงโคจรดวงจันทร์ เช่น Lunar gateway, Human Landing System และที่ขาดไม่ได้เลยสำหรับการตั้งถิ่นฐานของมนุษย์ก็คือระบบพยุงชีพรวมถึงระบบ ISRU (In-Situ Resource Utilization) ด้วยซึ่งเป็นระบบที่ออกแบบให้นำทรัพยากรที่มีอยู่บนดวงจันทร์มาใช้แทนที่ทรัพยากรจากโลกและสิ่งหนึ่งที่ระบบ ISRU ต้องหาด้วยก็คือหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่สุดของการดำรงชีวิตอยู่ของมนุษย์ นั้นก็คือ “น้ำ” นั่นเอง
ทำไมถึงต้องหาน้ำบนดวงจันทร์
อย่างที่ได้เกริ่นไปก่อนหน้านี้ว่าน้ำสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิดไม่ว่าจะเล็กแค่ไหนก็ตาม เท่านั้นยังไม่พอเพราะน้ำยังเป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบ ISRU อีกหลาย ๆ ระบบอีกด้วย อย่างระบบผลิตออกซิเจนด้วยการทำ Electrolysis ก็จะเป็นต้องใช้น้ำในการผลิต หรือปฎิกิริยาผลิต Hydrogen เรียกว่า Reverse Water Gas Shift Reaction (Reverse WGSR) ก็ต้องใช้น้ำในการทำปฏิกิริยาเช่นกัน แม้กระทั่งเชื้อเพลิงจรวดก็จำเป็นต้องใช้น้ำไม่ว่าทางใดก็ทางหนึ่งในการผลิตเชื้อเพลิงจรวด หากไม่มีน้ำก็ไม่สามารถทำปฏิกิริยาเหล่านี้ได้ ทำให้น้ำเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดของระบบ ISRU นั่นเอง
นอกจากนี้เพราะว่าดวงจันทร์นั้นใช้เวลาเดินทางจากโลกอย่างน้อยก็ 3 วันอีกทั้งยังมีต้นทุนที่สูงในการเดินทางไปเที่ยวหนึ่งจึงทำให้การส่งเสบียงไม่ง่ายเหมือนกับการส่งเสบียงไป ISS ยิ่งไปกว่านั้นหากเราต้องตั้งถิ่นฐานบนดวงจันทร์ แหล่งผลิตน้ำนั้นเป็นสิ่งที่ควรจะมีบนดวงจันทร์อย่างน้อยก็สามารถทำให้นักบินอวกาศอยู่รอดโดยไม่ต้องมียานขนส่งเสบียงจากโลกได้
The key to living on the Moon is water – the same as here on Earth.
Daniel Andrews, VIPER Mission Project Manager and Director of Engineering at NASA’s Ames Research Center
VIPER ตัวแทนของมนุษย์ในการหาน้ำบนดวงจันทร์
NASA ทำสัญญากับ Astrobotic of Pittsburgh มูลค่ากว่า 199.5 ล้านดอลลาร์สหรัฐให้สร้าง Volatiles Investigating Polar Exploration Rover หรือ VIPER ซึ่งก็คือ โรเวอร์ดวงจันทร์ที่จะถูกส่งไปทำภารกิจ 100 วันบนขั้วใต้ของดวงจันทร์ในปี 2023 ก่อนภารกิจ Artemis 3 เพียงหนึ่งปีเท่านั้น VIPER จะทำหน้าที่หาตำแหน่งของน้ำแข็งบนดวงจันทร์ที่สามารถเข้าถึงได้ง่ายที่สุดและทำแผนที่ทรัพยากรน้ำ ซึ่งถือเป็นการทำภารกิจ Resource Mapping ด้วยโรเวอร์บน Celestial body อื่นเป็นครั้งแรก อุปกรณ์บน VIPER ถูกออกแบบมาให้มีอุปกรณ์การเจาะ (รอบนี้เจาะให้เข้านะ ไม่เอาเหมือน HP3 ฮา) ซึ่งจะใช้สำหรับเจาะเข้าไปในน้ำแข็งบริเวณขั้วใต้ของดวงจันทร์เพื่อวิเคราะห์ส่วนประกอบของน้ำแข็งข้างในที่ก่อตัวมาแล้วกว่าพันล้านปี
VIPER จะถูกส่งไปลงจอดบริเวณขั้วใต้ของดวงจันทร์ซึ่งก็คือภาพด้านซ้ายและจะเข้าไปสำรวจหลุมอุกกาบาต (Crater) ต่าง ๆ ที่ถูกแมพโดย M3 เพื่อทำการตรวจสอบส่วนประกอบของน้ำแข็งและส่งข้อมูลกลับมายังโลกเพื่อทำแผนที่ทรัพยากรของหลุมอุกกาบาตต่าง ๆ ซึ่งในอนาคตแผนที่ทรัพยากรจาก VIPER จะเป็นตัวช่วยในการเลือกตำแหน่งการตั้ง Artemis Base Camp ฐานปฏิบัติการถาวรของมนุษย์บนดวงจันทร์และนี่ก็คือหน้าตาของ VIPER
ขนาดจริง ๆ ของ VIPER คือประมาณ 1.5×1.5×2.5 เมตร หรือใหญ่ประมาณรถกอล์ฟเท่านั้นเองหนักประมาณ 430 กิโลกรัม พร้อมอุปกรณ์เรียกว่า Spectrometers 3 ตัวซึ่งใช้สำหรับการวัด Chemical Composition ของดินและน้ำแข็งบนดวงจันทร์และแท่นเจาะขนาด 1 เมตรที่ได้กล่าวไปก่อนหน้านี้ แน่นอนว่าหน้าตามันอาจจะแปลก ๆ ไม่คุ้นตาเมื่อเทียบกับโรเวอร์อื่น ๆ อย่าง Perseverance Rover ของภารกิจ Mars 2020 หรือ Curiosity ทำให้ VIPER เหมือนรถของเล่นไปเลย ที่เป็นเช่นนั้นก็เพราะที่นี่คือดวงจันทร์ไม่ใช่ดาวอังคาร
Engineering Challenge ของ VIPER
ปัจจัยทางด้านการออกแบบของโรเวอร์บนดวงจันทร์และดาวอังคารต่างกันอย่างสิ้นเชิงเพราะว่าสภาพบนดวงจันทร์นั้นเรียกได้ว่า Extreme หรือโหดร้ายยิ่งกว่าบนดาวอังคาร (ไม่นับเรื่องฝุ่นและพายุฝุ่น) เพราะว่ามันไม่จำเป็นต้องกันฝุ่นทำให้ไม่ต้องออกแบบให้ปิดสนิทสักเท่าไหร่ซึ่งอันนี้เป็นเรื่องดีแต่เรื่องร้ายก็คืออุณหภูมิบนดวงจันทร์นั้นแกว่งจากเย็นไปร้อนสุด ๆ ได้โหดร้ายมาก อุณหภูมิพื้นผิวของดวงจันทร์สามารถแกว่งจาก -173 องศาเซลเซียสในตอนกลางคืนไป 127 องศาเซลเซียสได้ในตอนกลางวันและนั้นทำให้ VIPER จะต้องมีทั้งระบบระบายความร้อนและระบบทำความร้อนในเวลาเดียวกันซึ่งจะใช้ทั้ง Radiator และ Heat Pipe ในโรเวอร์อันเดียวกัน
ปัญหาต่อไปคือเรื่องของ Mobility หรือการขับเคลื่อนเพราะว่าหลุมบนดวงจันทร์จะมีลักษณะเป็นเนินสูง ๆ ก่อนจากนั้นค่อยจมลงไปเป็นเหวเพราะฉะนั้นมุมที่ VIPER จะต้องเจออาจมากถึง 30 องศาหรือมากกว่านั้นและล้อจะต้องยึดกับดินให้ได้มากที่สุดเพื่อป้องกันไม่ให้หงายหลังตอนกำลังปีนหรือหัวทิ่มตอนกำลังลงเหว วิศวกรของ VIPER แก้ปัญหาด้วยการออกแบบล้อให้สามารถหมุนได้ 360 องศา ทั้ง 4 ล้อทำให้มันสามารถหมุนหรือวิ่งเฉียงได้เพื่อที่จะได้ไม่ต้องหันหน้าไป ๆ มา ๆ อีกทั้งล้อยังสามารถยกและขยับไปข้างหน้าข้างหลังได้ซึ่งสามารถใช้ในกรณีที่โรเวอร์ติดหลุมเพื่อใช้ในลักษณะการเดินด้วยล้อแทนการวิ่งเพื่อปีนออกจากหลุม (ปีนออกจากหลุมบนพื้นนะเหมือนติดหล่มไม่ใช่ปีนหลุมอุกกาบาต ฮา)
ความท้าทายต่อไปก็คือความมืด บนขั้วใต้ของดวงจันทร์หลุมอุกกาบาตส่วนใหญ่แทบไม่เคยมีแสงเข้าถึงมาแล้วหลายล้านปีเพราะว่ามันลึกมากจนแสงไม่สามารถส่องถึงได้ทำให้การสำรวจหลุมอุกกาบาตเหล่านี้เป็นไปได้ยากเพราะว่ามันมองไม่เห็น แต่ก็สามารถแก้ปัญหาเหล่านี้ได้ง่าย ๆ ด้วยการติดไฟหน้าไว้บนโรเวอร์ทำให้ VIPER จะเป็นโรเวอร์อันแรกที่มีไฟหน้า แต่ปัญหาก็ตามมาไม่หยุดเพราะว่าอยู่ ๆ เราจะเอาไฟหน้าธรรมดาแบบที่ใช้ในรถไปติดไม่ได้เพราะอย่าลืมว่ามันจะต้องทนอุณหภูมิที่สลับกันไป ๆ มา ๆ เกือบ 260 องศาให้ได้และยังจะต้องออกแบบให้ไฟที่ว่านี้มันเข้ากับกล้องนำทางที่จะเอาไปติดบนโรเวอร์ด้วย แน่นอนว่ากล้องมันก็ต้องออกแบบให้ทนอุณหภูมิได้เหมือนกันทำให้นี่ก็ถือว่าเป็นปัญหาที่ดูเหมือนจะแก้ง่ายแต่ไม่เลย
ปัญหาเรื่องการออกแบบไฟยังไม่ทันจะจบปัญหาใหม่ก็ตามมา ในการสำรวจหลุมอุกกาบาตแต่ละครั้งจะใช้เวลานานพอสมควรซึ่งหลุมบางหลุมไม่มีแม้แต่อนุภาคของแสงหลุดรอดเข้ามาได้ด้วยซ้ำทำให้เกิดปัญหาใหม่คือไฟฟ้าและแบตเตอรี่ของ VIPER การที่มันจะต้องเดินทางโดยที่ไม่มีแหล่งพลังงานแต่ต้องพึงแบตเตอรี่เป็นเรื่องยากแล้วแต่มีไฟหน้าเพิ่มขึ้นมาทำให้มันยิ่งยากกว่าเดิมเพราะว่ามันจะกินไฟมาก ๆ วิศวกรของโรเวอร์จึงต้องออกแบบให้มันกินไฟน้อย ๆ อีก
ยังไม่จบแค่ในหลุมเพราะว่านอกหลุมก็มีความมืดเช่นกัน (อย่าลืมว่าดวงจันทร์ก็มีกลางวันกลางคืน) ดวงจันทร์โคจรรอบแกนมันเอง (Sidereal rotation) พร้อมกับโคจรรอบโลก ใช้เวลา 27.3 วันบนโลก การที่ Sidereal rotation และคาบโคจรกับโลกเท่ากันทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า Tidal lock หมายความว่าดวงจันทร์จะหันด้านใดด้านหนึ่งมาหาโลกตลอดและที่ Sidereal rotation นี่เองที่ทำให้เกิดกลางวันกลางคืนเหมือนกับบนโลก Sidereal rotation ของโลกคือ 23 ชั่วโมง 56 นาที โดยประมาณแล้วครึ่งหนึ่งของ 23 ชั่วโมง 56 นาทีก็จะเป็นกลางคืนและอีกครึ่งหนึ่งเป็นกลางวัน สิ่งเดียวเกิดขึ้นบนดวงจันทร์เพียงแต่บนดวงจันทร์มี Sidereal rotation เท่ากับ 27.3 วันบนโลกและ Tidal locked กับโลก นั้นหมายถึงหนึ่งวันบนดวงจันทร์จะเท่ากับ 27.32 วันบนโลกและกลางคืนก็จะเท่ากับ 27.32 วันบนโลกเช่นกัน
ซึ่งกลางวันยาวนานไม่ได้เป็นปัญหากับโรเวอร์ VIPER เท่าไหร่แต่กลางคืนยาวนานนี่แหละที่เป็นปัญหาเพราะว่าแหล่งพลังงานของ VIPER มาจากแสงอาทิตย์ผ่านแผงโซลาร์เซลล์ การอยู่ในความมืดที่ยาวนานขนาดนั้นจะทำให้ VIPER แบตหมดในที่สุด โชคดีขึ้นที่บนขั้วใต้ของดวงจันทร์กลางคืนจะยาวนานสุดเพียงแค่ 1 อาทิตย์บนโลกและสั้นสุดที่ 4 วันเท่านั้นเพราะว่าการแกว่งของแกนหมุนดวงจันทร์ แต่อย่างไรก็ตามพื้นที่ ๆ มีกลางคืนยาวนานเพียง 4 วันบนดวงจันทร์คือพื้นที่ที่เรียกว่า High Elevations หรือเนินสูงนั้นเองทำให้แสงเข้าถึงได้จากการแกว่งของแกนหมุน และพื้นที่แบบนี้มีไม่กี่พื้นที่เท่านั้น เพราะฉะนั้นเมื่อดวงอาทิตย์กำลังลับขอบฟ้าบนขั้วใต้ของดวงจันทร์เราจะได้เห็นทีมวิศวกร VIPER บิดสุดแรงเกิดหนีเงามืดของดวงจันทร์ขึ้นเนินสูงแน่ ๆ น่าเสียดายที่มันวิ่งได้เร็วสุดแค่ 0.8 กิโลเมตรต่อชั่วโมง
จากปัญหาที่กล่าวมาทำให้ทีมวิศวกรจะต้องออกแบบเส้นทางสำหรับการสำรวจให้รอบคอบเพื่อไม่ให้ VIPER ขาดแสงอาทิตย์นานเกินไปจนแบตหมด และการบังคับทั้งหมดที่เกิดขึ้นกับ VIPER จะเกิดขึ้นแบบแทบจะ Real-time เพราะว่าดวงจันทร์อยู่ใกล้กับโลกพอสมควรทำให้การบังคับจะ Delay เพียงเล็กน้อยด้วยคลื่น X-band ผ่าน Deep Space Network
นักวิทยาศาสตร์ของ NASA Ames Research Center ได้ทดลองให้เราดูว่าทำไมกลางคืนบนดวงจันทร์จึงน่ากลัวกว่ากลางคืนบนโลก ด้วยการจำลองหลุมอุกกาบาตบนดวงจันทร์ Uland Wong นักวิทยาการคอมพิวเตอร์ของ ARC ได้บอกไว้ว่าบนดวงจันทร์มีชั้นบรรยากาศเบาบางมากทำให้แสงที่เดินทางมาถึงไม่กระจายหรือแตกตัวต่างจากบนโลกที่เมื่อแสงกระทบกับอนุภาคของอากาศก็จะกระจายตัวออก การที่ไม่มีการกระจายตัวที่ว่านี้ทำให้แทบไม่เกิดการไล่เฉดแสงเหมือนกับที่เกิดขึ้นบนโลก ยกตัวอย่างเช่นหากเรานำมือไปบังเทียนที่ตั้งไว้อยู่ในห้องก็จะเกิดเงาแต่เงานั้นมันจะไม่ได้มืดไปเลยแต่สว่างน้อยลงเท่านั้น เป็นเพราะว่าแสงที่เดินทางไปกระทบวัตถุอื่นแล้วสะท้อนมาพื้นที่ที่โดนบังเรียกว่า Indirect Lighting ทำให้มันไม่มิดไปซะทีเดียว
แต่บนดวงจันทร์สิ่งเหล่านี้ไม่เกิดขึ้น แสงที่กระทบกับดินของดวงจันทร์กระทบกลับหมดและไม่สะท้อนลงมาอีก ส่วนของดวงจันทร์ที่ไม่มีแสงมากระทบก็จะไม่มีแสง Indirect Lightning มากระทบด้วยเช่นกันเพราะว่าแสงรอบข้างสะท้อนออกนอกอวกาศหมดทำให้เกิด High-contrast Illumination หรือสภาพที่ว่าสว่างก็โคตรสว่างไปเลยมืดก็มืดไปเลย
ที่สภาพแสงแบบ High-contrast illumination ในส่วนที่ไม่มีแสงมากระทบเราจะเสียรายละเอียดของภาพรวมถึง Depth Perception (ความลึก) สังเกตได้ว่าส่วนที่มืดเราจะไม่เห็นรายละเอียดอะไรเลยนอกจากความมืด ซึ่งมันกระทบไปถึงระบบกล้องนำทางบนยาน หากใครถ่ายภาพด้วยกล้องดิจิตอลบ่อย ๆ จะทราบดีว่า ISO หรือความไว้แสงจะสามารถทำให้ภาพสว่างขึ้นได้แลกมากับ SNR ที่ลดลงหรือภาพที่ Noise เยอะขึ้น แต่การเพิ่ม ISO จะไม่ช่วยกล้องบนดวงจันทร์เลยเพราะว่าอนุภาค Photons (แสง) บนเงามืดของดวงจันทร์มีน้อยมาก ๆ ทำให้การนำทางของโรเวอร์บนเงามืดดวงจันทร์เป็นอะไรที่ยากมาก ๆ หรือแม้แต่กับมนุษย์ด้วยนั้นเอง
VIPER จะถูกส่งไปกับภารกิจ Artemis ภายใต้โครงการ CLPS หรือ Commercial Lunar Payload Service ในปี 2023 ซึ่งหน่วยงานที่รับผิดชอบ CLPS จะต้องส่ง VIPER ไปลงจอดบนขั้วใต้ของดวงจันทร์ให้ได้ในต้นฤดูร้อนของขั้วใต้ซึ่งมีกลางวันยาวนานที่สุดเพื่อยืดเวลาของภารกิจให้ได้มากที่สุดซึ่ง VIPER จะถือเป็น Payload ที่มีน้ำหนักมากที่สุดอันหนึ่งของ CLPS ถือเป็นการทดสอบประสิทธิภาพของจรวดที่ใช้ในโครงการ CLPS ไปด้วยนั้นเอง สามารถชมวิดีโอภารกิจได้ที่นี่
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
อ้างอิง
NASA Selects Astrobotic to Fly Water-Hunting Rover to the Moon
