เมื่อถุงกลายมาเป็นส่วนหนึ่งของปัญหาในส่งการทดลองสู่สถานีอวกาศนานาชาติ

ถุงเป็นบรรจุภัณฑ์ที่อยู่ในชีวิตประจำวันของเราทุกคน ไม่ว่าจะเป็นถุงกระดาษ ถุงพลาสติก ถุงใส่อาหาร หรือถุงบรรจุเลือด ถุงทำหน้าที่เป็นภาชนะที่ช่วยให้การใช้ชีวิตสะดวกสบายยิ่งขึ้น แม้เราจะคุ้นเคยและมองว่าถุงเป็นเพียงวัสดุพื้นฐานสำหรับบรรจุของเหลวหรือของแข็ง แต่ในวงการวิทยาศาสตร์อวกาศ ถุงกลับเป็นตัวแปรสำคัญที่สร้างความปวดหัว ปวดใจให้กับนักวิจัยที่จะส่งการทดลองไปยังอวกาศ ซึ่งขนาดที่ว่า ดร.พัทน์ ภัทรนุธาพร จาก MIT Media Lab เคยกล่าวไว้ว่า ปัญหาเรื่องถุงเกือบทำให้โครงการอวกาศของพวกเขาต้องยุติลง เช่นเดียวกับทีมวิจัย TIGERS-X ของราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์ที่ต้องเผชิญกับความท้าทายนี้ไม่ต่างกัน

ทำไมในอวกาศ ของเหลวต้องบรรจุในถุง มีประโยชน์อย่างไร

การบรรจุของเหลวลงในถุงเพื่อส่งขึ้นสู่อวกาศอาจดูเป็นเรื่องปกติธรรมดา แต่หากมองให้ลึกลงไป ทำไมเราจึงไม่เลือกใช้ขวดหรือกล่องเหมือนบรรจุภัณฑ์ทั่วไปบนโลก? เหตุผลสำคัญคือ ถุงเป็นบรรจุภัณฑ์ที่มีน้ำหนักเบา ใช้งานง่าย และสามารถเปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ตามสิ่งของที่บรรจุอยู่ภายใน

ในภารกิจอวกาศ นอกจากเรื่องของมวลแล้ว พื้นที่ใช้สอยหรือปริมาตร ก็เป็นข้อจำกัดที่สำคัญไม่แพ้กัน หากเราใช้ขวดหรือกล่องบรรจุน้ำดื่มขึ้นไปยังสถานีอวกาศ เมื่อดื่มจนหมด ภาชนะเหล่านั้นก็จะยังคงรักษารูปทรงและกินพื้นที่เท่าเดิม (Dead volume) ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่สำหรับสถานที่ที่มีพื้นที่จำกัดอย่างยานอวกาศ ถุงจึงตอบโจทย์นี้ได้ดีที่สุด เพราะเมื่อใช้งานจนหมด ถุงสามารถพับเก็บให้มีขนาดเล็กกะทัดรัดและไม่กินพื้นที่จัดเก็บ

สถานีอวกาศนานาชาติ ถือเป็นหนึ่งในสถานที่ที่มีการใช้งานถุงมากที่สุดโครงการหนึ่ง วัสดุ อุปกรณ์ อาหาร หรือเครื่องมือต่างๆ ล้วนถูกบรรจุลงในถุงเพื่อความเป็นระเบียบ ข้อได้เปรียบที่สำคัญของถุงเมื่อเทียบกับกล่องคือ ความยืดหยุ่นในการจัดเก็บ เราสามารถสอดแทรกถุงเข้าไปในช่องว่างบนชั้นวางของในยานขนส่งได้ด้วยการยัด ซึ่งเป็นสิ่งที่บรรจุภัณฑ์อื่นไม่สามารถทำได้ นอกจากนี้ ถุงพลาสติกในปัจจุบันยังได้รับการพัฒนาให้มีความเหนียว ทนทาน และฉีกขาดได้ยาก แนวคิดนี้จึงถูกนำมาใช้กับระบบโลจิสติกส์บนสถานีอวกาศที่เลือกใช้ถุงเป็นบรรจุภัณฑ์หลักในการขนส่งสิ่งของไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ

ถุงมันไม่ได้เหมือนกัน ถุงแบบไหนเลือกใช้ยังไง

เมื่อเราพูดถึงถุงเราทุกคนคงจะคิดถึงถุงในแนวเดียวกัน ทิศทางเดียวกันว่า ถุง คือ พลาสติกและพลาสติกคือวัสดุทึบน้ำที่สามารถกักเก็บของเหลวได้ทุกชนิด แต่โดยธรรมชาติแล้ว พลาสติกที่เราเห็นว่าสามารถกันน้ำได้ แท้จริงแล้วมีลักษณะเป็น เยื่อเลือกผ่าน (Semi-permeable membrane) แม้ของเหลวอย่างน้ำจะไม่สามารถไหลทะลุออกมาได้ แต่ในระดับโมเลกุล พลาสติกยอมให้ก๊าซต่างๆ เช่น ออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ หรือไอน้ำ ซึมผ่านเข้าออกได้ตลอดเวลา ด้วยเหตุนี้จึงเป็นข้อจำกัดสำคัญที่ทำให้อาหารหรือสารละลายที่บรรจุในถุงพลาสติกใสทั่วไปเสื่อมสภาพหรือเกิดการทำปฏิกิริยากับอากาศภายนอกได้ง่าย

เพื่อแก้ปัญหานี้ อุตสาหกรรมต่าง ๆ จึงเลือกใช้บรรจุภัณฑ์ที่บุด้วยแผ่นอะลูมิเนียมฟอยล์ประกบเข้ากับฟิล์มพลาสติก เพื่อป้องกันและปิดกั้นการไหลผ่านของก๊าซและของเหลวต่าง ๆ ซึ่งก็คือถุงประเภทอะลูมิเนียมฟอยล์สะท้อนแสงสีสดใสอย่างถุงเลย์ที่เราคุ้นชินกัน ซึ่งบนสถานีอวกาศนานาชาติก็มีการใช้งานถุงฟอยล์ลักษณะนี้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการบรรจุอาหารและน้ำดื่มสำหรับนักบินอวกาศ ข้อดีของมันคือสามารถปิดกั้นการซึมผ่านของก๊าซและของเหลวได้อย่างสมบูรณ์แบบ ทนความร้อน ทนต่อรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) และรักษาสภาพของสิ่งที่อยู่ภายในได้ยาวนาน

อย่างไรก็ตาม แม้ถุงฟอยล์จะตอบโจทย์เรื่องการกักเก็บได้อย่างยอดเยี่ยม แต่สำหรับงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ถุงประเภทนี้กลับไม่เป็นที่นิยมและไม่ตอบสนองต่อความต้องการของนักวิจัย ข้อเสียเปรียบประการสำคัญคือความทึบแสงที่ทำให้ไม่สามารถสังเกตเห็นสิ่งของ หรือติดตามการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในบรรจุภัณฑ์ได้เลย นอกจากนี้ หากถุงฟอยล์เกิดรอยพับ รอยยับ หรือการเสียดสี ชั้นอะลูมิเนียมด้านในอาจหลุดร่อนและปะปนกับสารละลายจนเกิดการปนเปื้อนต่อการทดลอง ยิ่งไปกว่านั้น รอยพับเหล่านั้นอาจสร้างจุดอ่อนที่ทำให้เกิดช่องโหว่ ส่งผลให้ก๊าซและของเหลวสามารถรั่วซึมได้ในที่สุด

ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงต้องหันมาเลือกใช้ถุงใส เพื่อให้สามารถบันทึกภาพและสังเกตผลการทดลองได้อย่างชัดเจน ซึ่งเมื่อต้องการถุงที่ใส แข็งแรง และเชื่อถือได้ บรรจุภัณฑ์ทางการแพทย์จึงกลายมาเป็นคำตอบที่ตรงกับความต้องการมากที่สุด เพราะนอกจากเรื่องของลักษณะและชนิดของพลาสิกที่ใช้งานแล้ว ถุงบรรจุของเหลวอย่างถุงบรรจุเลือดหรือสารคัดหลั่งจะมีท่อติดมาด้วย ทำให้ง่ายต่อการเชื่อมต่อกับระบบท่อต่าง ๆ สำหรับการทดลองของเหลว ทำให้ถุงบรรจุภัณฑ์ทางการแพทย์กลายเป็นที่โปรดปรานของนักวิจัยที่จะส่งการทดลองของเหลวขึ้นไปยังสถานีอวกาศนานาชาติมาก

เพราะการหาถุงมันไม่ได้ง่าย และไม่ได้มีมาตรฐานกลางขนาดนั้น

ในทางการแพทย์ การบรรจุเลือดมักใช้ถุงที่ทำจากพลาสติกประเภท PVC เนื่องจากมีราคาถูก ทนทานต่อแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางขณะนำเลือดไปปั่นแยกชั้น และทนความร้อนสูงในกระบวนการฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำได้ดี แต่เนื่องจาก PVC ปกติมีเป็นพลาสติกที่แข็งตามภาพจำของท่อ PVC ที่ใช้งานตามบ้านเรือน การจะทำให้ยืดหยุ่นจนเป็นถุงเลือดได้ จึงต้องเติมสาร Plasticizer เช่น DEHP ลงไป แม้ PVC จะกันน้ำได้ดี แต่มันยังคงยอมให้ก๊าซไหลผ่านได้บ้าง คุณสมบัตินี้เองที่ทำให้ถุง PVC เหมาะกับการบรรจุเลือด เพราะเซลล์เม็ดเลือดยังคงต้องการการแลกเปลี่ยนก๊าซเพื่อรักษาสภาพ

สำหรับงานวิจัยด้านของไหลในอวกาศ นักวิจัยจำเป็นต้องจัดหาบรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสมเช่นกัน แม้ว่าหน่วยงานด้านอวกาศอย่าง NASA, ESA, JAXA หรือ CNSA จะไม่ได้มีกฎเกณฑ์ตายตัวว่าต้องใช้ถุงยี่ห้อใด หรือรูปร่างหน้าตาแบบไหน แต่มีกฎข้อห้ามที่สำคัญยิ่งข้อหนึ่งคือ ห้ามใช้วัสดุที่เกิดปรากฏการณ์การคายก๊าซ (Outgassing) ซึ่งวัสดุ พลาสติก PVC สามารถคายก๊าซคลอรีนออกมาได้ จึงไม่สามารถใช้ในการวิจัยอวกาศได้ ดังนั้นนักวิจัยจึงต้องเลือกพลาสติกประเภทอื่นในการเป็นถุงในการทดลอง

ดร.พัทน์ ภัทรนุธาพร ที่ทำการทดลอง MicroPET ส่งแบคทีเรียขึ้นไปทดลองย่อยพลาสติก PET เป็น Nylon ในอวกาศเคยให้ข้อมูลกับ Spaceth ว่า การหาถุงเพื่อมาใช้ทำการทดลองของพวกเขายากมาก มันเกือบทำให้พวกเขาตัดสินใจล้มเลิกโครงการวิจัยของพวกเขาเลยด้วยซ้ำ ซึ่งกว่าจะหา Supplier และถุงได้นั้นยากลำบากมาก ซึ่งเขาได้ถุง Bioprocess Bags ประเภท FEP (Fluorinated ethylene propylene) จากบริษัทในฝรั่งเศสที่ชื่อว่า Saint-Gobain ที่ราคาต่อถุงหลายพันบาทมาใช้ในการทดลองเพื่อเก็บสารตั้งต้น แบคทีเรียและผลผลิตภายหลังจากการทดลอง

โดยลักษณะการจัดหาอุปกรณ์ประกอบการทดลองในปัจจุบันจะเน้นไปในทาง Commercial Off-the-Shelf หรือ COTS ที่หมายความว่าการเลือกหยิบ ๆ เอาผลิตภัณฑ์ในท้องตลาดแทนการสั่งทำพิเศษ ซึ่งวิธีการนี้เป็นวิธีการที่ทำให้การจัดหาอุปกรณ์ประกอบการทดลองถูกลงและลดระยะเวลาในการสั่งทำพิเศษได้มาก เพราะหากว่ากันตามจริงการซื้อพลาสติกเกรดเดียวกันสำหรับผลิตถุงใช้ในการทดลองเพียงหลักสิบหรือหลักร้อยถุงนั้นมีต้นทุนการผลิตที่สูงกว่าการหาซื้อตามบริษัทที่ขายเครื่องมือเหล่านี้โดยเฉพาะเสียอีก

ซึ่งด้วยวิธีการจัดซื้อแบบ COTS นี้ก็ทำให้งานวิจัย TIGERS-X ของราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์เองก็ประสบปัญหาเดียวกับที่ MIT Media Lab พบเจอเหมือนกัน ซึ่งกว่าจะหาถุงที่มีขนาดรูปรงและท่อเชื่อมต่อที่ตรงกับความต้องการของพวกเขาได้นั้นก็ใช้ระยะเวลานานร่วมหลายเดือนจนพวกเขาสามารถดั้นด้นหาถุงมาโดยสำเร็จ แต่กลับกลายเป็นว่าถุงที่พวกเขาเลือกมาใช้งานนั้นมีปัญหาการรั่วซึมจากฟิสิกส์ของถุง

โดยถุงที่ทีมราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์เลือกมานั้นเป็นถุงประเภท EVA (Ethylene-vinyl acetate) ซึ่งถุงประเภทนี้มีท่อและขนาดที่ดีเหมาะสม พวกเขาซื้อถุงพวกนี้มาในจำนวนที่มากเพื่อให้เพียงพอต่อการทดลองและการใช้งานจริงในอวกาศ แต่กับกลายเป็นว่าถุงที่พวกเขาเลือกมานั้น น้ำมันที่เป็นหนึ่งในโจทย์หลักของงานวิจัยไหลซึมออกมาจากถุงโดยไม่ทราบสาเหตุ

โดยสาเหตุที่น้ำมันรั่วออกมาจากถุงได้นั้นก็เพราะว่า พลาสติกประเภท EVA เป็นเยื่อเลือกผ่านของสารประกอบไม่มีขั้ว ซึ่งน้ำมันเป็นสารประกอบที่ไม่มีขั้วสามารถละลายและซึมผ่านโครงสร้างทางเคมีของพลาสติกประเภท EVA ทีมวิจัยของราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์จึงต้องปรับแผนการทำงานอย่างเร่งด่วน โดยจำเป็นต้องรื้อระบบและเริ่มต้นกระบวนการจัดหาถุงใหม่ทั้งหมด

ซึ่งหากว่ากันตามตรงหนึ่งในอาจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และโพลีเมอร์ท่านหนึ่งที่เข้ามาช่วยเหลือทีมวิจัยของราชวิทยาลัยจุฬาภรณ์อย่างเร่งด่วนได้กล่าวว่า ขนาดที่เขาเป็นอาจารย์ด้านวัสดุศาสตร์ยังลืมคิดไปเลยว่าพลาสติกประเภท EVA มันยอมให้สารประกอบที่ไม่มีขั้วอย่างน้ำมันซึมผ่านออกมาได้ ทำให้เหตุการณ์นี้กลายเป็นเครื่องกระตุ้นเตือนชั้นดีว่า พลาสติกนั้นไม่ใช่วัสดุทึบน้ำที่สามารถกักเก็บของเหลวได้ทุกชนิด

แน่นอนว่าทุกงานวิจัยที่เตรียมส่งขึ้นสู่อวกาศย่อมต้องเผชิญกับปัญหาและอุปสรรคมากมาย แต่เมื่อฐานการวิจัยนั้นตั้งอยู่ในประเทศไทย ความท้าทายเหล่านั้นก็มักจะทวีมากกว่าในสหรัฐอเมริกาหรือประเทศโลกที่หนึ่ง ดร.พัทน์ ภัทรนุธาพร เคยให้ความเห็นเชิงเปรียบเทียบเกี่ยวกับการจัดทำวิจัยและจัดหาอุปกรณ์ไว้ว่า ขนาดตัวเขาเองที่อยู่ใน MIT ยังพบว่าการจัดหาถุงนั้นยากลำบากขนาดที่เขาจะยกเลิกโครงการแล้ว การทำงานในประเทศไทย ต้องเจอความยากลำบากที่มากกว่าเขาอย่างน้อย 10 ถึง 100 เท่าเลยทีเดียว

ท้ายที่สุดแล้ว งานวิจัยย่อมต้องเดินหน้าต่อไป แม้อุปสรรคมันจะมากมายแค่ไหน แต่หากมีความมุ่งมั่นมากพอ เราย่อมสามารถค้นพบหนทางก้าวข้ามข้อจำกัดต่างๆ ไปได้ เรื่องราวทั้งหมดนี้ทำให้เราได้ย้อนกลับมาตระหนักว่า สิ่งของธรรมดาๆ ที่เราเห็นและหยิบใช้กันอย่างง่ายดายในชีวิตประจำวันอย่างถุงพลาสติก กลับเป็นสิ่งที่เป็นตัวแปรที่ทำให้โครงการวิจัยอวกาศถึงสองโครงการเกือบต้องเดินมาถึงจุดจบเลยก็ว่าได้

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co