โตมร ศุขปรีชา เรื่อง

 

อีลอน มัสก์ บอกว่า เรือดำน้ำจิ๋วที่เขาออกแบบเพื่อช่วยเหลือทีมหมูป่า ใช้วัสดุที่ใช้ทำยานอวกาศ คือมีลักษณะยืดหยุ่นมากๆ แต่แข็งแรงยิ่งกว่าเหล็กกล้าอีก

คำถามก็คือ – วัสดุดังกล่าวคืออะไรกันแน่?

วัสดุที่ใช้ในยานอวกาศและเครื่องบินมีวิวัฒนาการยาวนานมากกว่า 50 ปี ปัจจุบันนี้ วัสดุที่ใช้สร้างยานอวกาศมีวิวัฒนาการไปไกลมาก โดยคุณสมบัติที่พึงเป็นคือ ต้องมีน้ำหนักเบา และมีความทนทานยืดหยุ่น ในสมัยแรกเริ่ม วัสดุในยานอวกาศจะเป็นอลูมินัม (Aluminum) เพราะมีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่นได้ แต่ปัจจุบัน มีวัสดุใหม่ๆ หลายอย่างเข้ามาผสมผสานกับอลูมินัม โดยเฉพาะวัสดุผสมที่เรียกว่า คอมโพไซต์ (Composites) หรืออัลลอย (Alloy) ซึ่งมีตั้งแต่ไททาเนีย กราไฟต์ และไฟเบอร์กลาส

ถ้าไปดูยานอวกาศของอีลอน มัสก์ ยานที่เขาจะใช้ส่งไปดาวอังคารคือ BFR หรือ Big Falcon Rocket (ที่มัสก์อยากให้เรียกว่า Big F) เป็นยานที่มีขนาดใหญ่ทีเดียว บางกระแสบอกว่า ถ้าประกอบเสร็จแล้ว น่าจะสูงกว่าเทพีเสรีภาพราวๆ 15% ยานนี้บรรทุกคนได้ราว 100 คน และมีคาร์โกบรรทุกของได้ราว 150 ตัน โดยสามารถเดินทางไปถึงดาวอังคารได้ในเวลาราวหกเดือน

รายละเอียดต่างๆ ของ BFR นั้น ยังไม่ได้รับการเปิดเผยมากนัก แต่เท่าที่รู้กันคือ มัสก์จะใช้วัสดุที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ หรือเส้นใยคาร์บอน ที่มีอยู่มากมายหลายประเภท แต่เขาจะเลือกใช้แบบที่น้ำหนักเบาสุดๆ (super-lightweight) และแข็งแรงมากๆ โดยคาร์บอนไฟเบอร์นั้น โดยทั่วไปจะแข็งแรงกว่าเหล็กหลายเท่า และเบากว่าอลูมิเนียมราว 50% ก่อนหน้านี้ มัสก์ใช้วัสดุที่เป็น Carbon-Fiber Composite กับระบบจรวดฟอลคอนอยู่แล้ว และยังนำมาใช้เป็น ‘ถังแช่เย็น’ (Cryogenic Fuel Tank) ซึ่งบรรจุออกซิเจนเหลวได้มากถึง 1,200 ตันด้วย

แต่คาร์บอนไฟเบอร์มีลักษณะเป็น ‘ไฟเบอร์’ คือเป็นเส้นๆ แล้วจะทำอย่างไรให้ออกมาเป็นแผ่นๆ ได้

คำตอบคือ ผู้ผลิตยานอวกาศต้องใช้วิธี ‘ถักทอ’ (Weave) คาร์บอนไฟเบอร์ เพื่อให้ออกมาเป็นแผ่นเป็นชิ้นส่วนต่างๆ ของยานอวกาศ ซึ่งจะทำให้น้ำหนักของตัวยานน้อยกว่าการใช้อลูมินัม และสร้างความปลอดภัยมากขึ้นด้วย เพราะคาร์บอนไฟเบอร์ทนทานต่อแรงกระแทกต่างๆ ได้มากกว่าอลูมินัม

วิธีการนำคาร์บอนไฟเบอร์มาใช้สร้างชิ้นส่วนต่างๆ ของยาน คือการนำมา ‘ทอ’ เข้าด้วยกัน ใช้กาวพิเศษยึด (Impregnate) จากนั้นใช้ความร้อนทำให้แข็งแรงทนทานอีกทีหนึ่ง วิธีการนี้ (ดูได้ที่นี่) ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติพิเศษ คือทั้งแข็งแกร่งและยืดหยุ่นได้ขึ้นมา

การ ‘ทอ’ คาร์บอนไฟเบอร์ให้กลายเป็นวัสดุที่ใช้ในยานอวกาศนี้ ไม่ใช่ใช้คนมานั่งทอเหมือนทอผ้านะครับ แต่ต้องใช้หุ่นยนต์ผลิต หุ่นยนต์จะทอเส้นใยคาร์บอนนี้ด้วยแพทเทิร์นพิเศษ พร้อมทั้งติดกาวเรียบร้อย แล้วสุดท้ายก็เอาเข้าไปอบ ซึ่งในคลิปที่เอามาให้ดู จะเป็นวิธีการแบบสเกลเล็กๆ ในเชิงสาธิตมากกว่าใช้งานจริงนะครับ ซึ่งบริษัท SpaceX ของอีลอน มัสก์ กำลังหาที่ทางขนาดใหญ่ในระดับ 18 เอเคอร์ เพื่อสร้างโรงงานจรวดสู่ดาวอังคารขนาด 250,000 ตารางฟุต ขึ้นมา ซึ่งก็ต้องมีหุ่นยนต์ขนาดใหญ่มากเพื่อจะทำทั้งทอ ติดกาว และอบความร้อน จะได้ออกมาเป็นวัสดุใหม่ที่ว่านี้ (ดูได้ที่นี่)

นอกจากคาร์บอนไฟเบอร์แล้ว วัสดุที่ใช้ทำยานอวกาศขนาดเล็ก ยังมีอีกหลายอย่างนะครับ อย่างที่บอกไว้ตอนแรกกว่าอลูมินัมเป็นวัสดุที่นิยมใช้มากที่สุดมาแต่ดั้งเดิม แต่โดยมากมักจะใช้ในยานอวกาศหรือดาวเทียมที่ใช้ด้วยวัตถุประสงค์ทางการค้ามากกว่า ส่วนยานอวกาศของนาซ่าและยานอวกาศหรือเครื่องบินที่ใช้ในทางการทหาร จะใช้อลูมินัมน้อยกว่ามาก

วัสดุอย่างหนึ่งที่คิดกันขึ้น แต่ยังไม่มีการนำมาใช้ในยานอวกาศ ก็คือการนำอลูมินัมมาทำเป็นวัสดุประเภทอัลลอย โดยผสมกับเข้ากับลิเธียม เป็น Aluminum-Lithium Alloy ซึ่งทำให้น้ำหนักเบาลง เนื่องจากอัลลอยประเภทนี้มีความหนาแน่นต่ำกว่า แต่แข็งแกร่งกว่า มีความยืดหยุ่นทนทานมากกว่าอลูมินัม

เทรนด์วัสดุทำยานอวกาศที่เริ่มนิยมกันมากขึ้นเรื่อยๆ ก็คือวัสดุแบบ Composite ซึ่งจริงๆ มีด้วยกันหลายรูปแบบมากนะครับ เช่น Polymer-Matrix Composite ซึ่งเจ้าคาร์บอนไฟเบอร์ที่ว่ามาข้างต้นก็อยู่ในกลุ่มนี้ด้วย กลุ่มนี้ยังมีความหลากหลายในรายละเอียดออกไปอีก เช่น Graphite Epoxy หรือที่หลายคนอาจจะคุ้นหูดีก็คือวัสดุชื่อ Kevlar ซึ่งเป็นกราไฟต์ไฟเบอร์ รวมไปถึงไฟเบอร์กลาส ซึ่งก็มีจุดเด่นจุดด้อยแตกต่างกันไป

วัสดุ Composite อื่นๆ ยังมี Metal-Matrix Composite ซึ่งชื่อก็บอกแล้วว่าเป็นการใช้โลหะ เช่นใช้อลูมินัมอัลลอยที่เสริมแรงด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์หรืออื่นๆ ซึ่งก็จะเพิ่มความแข็งแกร่งมากขึ้น หรือ Carbon-Carbon Composite ที่ใช้คาร์บอนกับคาร์บอนมาผสมกัน ซึ่งนาซ่ากำลังพัฒนาวัสดุนี้อยู่ เพื่อใช้ทำชิ้นส่วนต่างๆ ของยานอวกาศหลายอย่าง

นาซ่าบอกว่า สิ่งที่ควรทำต่อไปมีอยู่ 5 อย่าง คือ

1. ทำวิจัยโดยเน้นไปที่วัสดุง่ายๆ ราคาไม่แพง หาได้ง่าย

2. ควรมีการร่วมมือกันระหว่างนาซ่ากับอุตสาหกรรมในด้านนี้ เพื่อพัฒนาการออกแบบยานอวกาศขนาดเล็กที่ใช้วัสดุแบบ Polymer-Composite ให้มากขึ้น

3. ประสานกับงานวิจัยที่ทำอยู่แล้ว ทั้งในมหาวิทยาลัยต่างๆ และในภาครัฐ

4. ทำโปรแกรมสาธิตระยะสั้นให้กับอุตสาหกรรม เพื่อพัฒนาการทั้งการออกแบบ ก่อสร้าง และตรวจสอบโครงสร้างยานอวกาศขนาดเล็กที่ใช้อลูมินัมหรืออลูมินัมอัลลอย เพื่อหาวิธีลดน้ำหนักและลดต้นทุนร่วมกัน

5. นาซ่าต้องรักษาความเป็นผู้เชี่ยวชาญในเทคโนโลยีเรื่อง Polymer-Matrix Composite เอาไว้

จะเห็นได้ว่า เทรนด์ของวัสดุเพื่อการสำรวจอวกาศยังมีหนทางต้องเดินอีกยาวไกล เราไม่รู้จริงๆ ว่าในอนาคต มนุษย์อาจต้องย้ายที่อยู่จากโลกไปที่อื่นหรือเปล่า หรือไม่ก็อาจมีความเฟื่องฟูของ ‘ทัวร์อวกาศ’ มากขึ้นก็ได้ การวิจัยและทดลองเรื่องวัสดุอวกาศเหล่านี้จึงเป็นเรื่องสำคัญและท้าทายอย่างยิ่ง

นั่นคือเหตุผลที่ทั่วโลกต่างจับตามอง อีลอน มัสก์ ผู้ทุ่มเทให้กับเรื่องนี้อย่างจริงจังตลอดมา

Author

Tomorn Sookprecha

โตมร ศุขปรีชา - บรรณาธิการ นักเขียน นักแปล และคอลัมนิสต์