นักวิจัยพัฒนา “เรือใบสุริยะ” โครงสร้างนาโน ทนความร้อนสูง ปูทางสู่การเดินทางข้ามดาวเคราะห์

การสำรวจอวกาศในปัจจุบันกำลังก้าวเข้าสู่ยุคใหม่ เมื่อทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยทัสคีกี (Tuskegee University) ได้ตีพิมพ์งานวิจัยลงในวารสาร Journal of Nanophotonics เปิดเผยการค้นพบ "เรือใบสุริยะ" (Solar sail) ชนิดใหม่ที่ผลิตจากผลึกโฟโตนิกส์ (Photonic crystal) นวัตกรรมนี้เข้ามาแก้ปัญหาความร้อนสะสมและข้อจำกัดเรื่องน้ำหนักของเรือใบสุริยะแบบดั้งเดิม ซึ่งอาจเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้มนุษย์สามารถสร้างระบบขับเคลื่อนยานอวกาศที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นสำหรับการเดินทางข้ามระบบสุริยะในอนาคต

ระบบขับเคลื่อนยานอวกาศส่วนใหญ่ในปัจจุบันพึ่งพาจรวดเคมีแบบดั้งเดิม ซึ่งต้องเผชิญกับข้อจำกัดทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า "สมการจรวด" (Rocket equation) กฎนี้อธิบายว่า หากยานอวกาศต้องการแรงขับเคลื่อนมากขึ้น ก็ต้องบรรทุกเชื้อเพลิงไปมากขึ้น และน้ำหนักของเชื้อเพลิงเหล่านั้นจะกลายเป็นภาระที่ถ่วงให้ยานอวกาศเคลื่อนที่ได้ช้าลง ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงมุ่งมั่นพัฒนาเทคโนโลยีทางเลือกมานานหลายทศวรรษ หนึ่งในตัวเลือกที่โดดเด่นที่สุดคือ "เรือใบสุริยะ" หรือแผ่นฟิล์มบางเฉียบขนาดใหญ่ที่ใช้แรงดันจากแสงอาทิตย์หรือการยิงแสงเลเซอร์ในการผลักดันยานอวกาศให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้าโดยไม่ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงขับดันใด ๆ

อย่างไรก็ตาม ปัญหาใหญ่ของเรือใบสุริยะที่ผ่านมาคือเรื่องการจัดการความร้อน วัสดุที่นิยมใช้ทำเรือใบอย่างแผ่นฟิล์มพอลิเมอร์ เช่น ไมลาร์ (Mylar) หรือแคปตอน (Kapton) มีข้อดีคือน้ำหนักเบา แต่กลับดูดซับรังสีจากดวงอาทิตย์ไว้เกือบร้อยละ 50 ซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนสะสม หากเรือใบเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากเกินไป หรือถูกขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์พลังงานระดับจิกะวัตต์ (Gigawatt) ความร้อนมหาศาลจะทำลายเนื้อวัสดุจนหลอมละลายหรือฉีกขาดในทันที ครั้นจะแก้ปัญหาด้วยการเพิ่มวัสดุกันความร้อนก็เป็นการเพิ่มน้ำหนักให้ยานอวกาศ ซึ่งนำไปสู่วงจรปัญหาเดิมแบบเดียวกับจรวดเคมี

เพื่อทำลายข้อจำกัดนี้ ทีมวิจัยจึงได้คิดค้นวัสดุชนิดใหม่ที่เรียกว่า "เรือใบแสงผลึกโฟโตนิกส์แบบหลายไดอิเล็กทริก" (Multi-dielectric Photonic Crystal Light Sail หรือ PCLS) โครงสร้างระดับนาโนนี้เกิดจากการนำองค์ประกอบ 3 ชนิดมาจัดเรียงสลับกัน ได้แก่ เสาเจอร์เมเนียม (Germanium) ซึ่งมีดัชนีหักเหแสงสูง ช่องอากาศที่มีดัชนีหักเหแสงต่ำ และเมทริกซ์พอลิเมอร์ PMMA การจัดเรียงตัวทางสถาปัตยกรรมระดับนาโนอย่างแม่นยำนี้สร้างปรากฏการณ์ "ช่องว่างแถบพลังงานโฟโตนิกส์" (Photonic band gap) ทำให้วัสดุนี้ทำหน้าที่เป็นกระจกเงาที่สะท้อนแสงเฉพาะจุดได้อย่างยอดเยี่ยม โดยสามารถสะท้อนแสงที่มีความยาวคลื่น 1.177 ไมโครเมตร ได้สูงถึงร้อยละ 90

ความอัจฉริยะของนวัตกรรมนี้อยู่ที่ "ช่องอากาศ" ซึ่งเป็นโครงสร้างส่วนใหญ่ของวัสดุ แสงอาทิตย์ทั่วไปสามารถทะลุผ่านช่องอากาศเหล่านี้ไปได้โดยไม่ก่อให้เกิดความร้อนสะสม ทำให้เรือใบไม่เสื่อมสภาพเมื่อต้องรับพลังงานสูง นอกจากนี้ การที่โครงสร้างส่วนใหญ่เป็นเพียงความว่างเปล่าของอากาศยังทำให้น้ำหนักของเรือใบลดลงอย่างมหาศาล โดยทีมผู้วิจัยประเมินว่าวัสดุนี้ขนาด 1 ตารางเมตร จะมีน้ำหนักเพียง 7.2 กรัมเท่านั้น

ทีมวิจัยได้ทดสอบประสิทธิภาพผ่านการจำลองทางคณิตศาสตร์ขั้นสูง โดยจำลองการยิงแสงเลเซอร์กำลัง 100 กิโลวัตต์ ไปยังเรือใบขนาด 1 ตารางเมตร ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าเรือใบสามารถทำความเร็วได้ถึง 300 เมตรต่อวินาทีภายในเวลาเพียงหนึ่งชั่วโมง ซึ่งแม้จะยังไม่เร็วพอสำหรับการเดินทางข้ามระบบดาวฤกษ์ (Interstellar) แต่ก็เป็นความเร็วที่ยอดเยี่ยมสำหรับการเดินทางระหว่างดาวเคราะห์ (Interplanetary) ภายในระบบสุริยะของเรา หลังจากประเมินผลสำเร็จ ทีมงานได้ลงมือสร้างชิ้นส่วนตัวอย่างจริงที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊กริดจ์ (Oak Ridge National Laboratory) โดยใช้เทคนิคการพิมพ์ลวดลายด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (Electron-beam lithography) ซึ่งเป็นกระบวนการผลิตระดับสูงที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ จนได้ชิ้นงานที่มีความหนาเพียง 200 นาโนเมตร

แม้ว่าความท้าทายในปัจจุบันคือการหาวิธีขยายขนาดการผลิตโครงสร้างนาโนเหล่านี้ให้ใหญ่พอสำหรับใช้งานกับยานอวกาศจริง และยังไม่มีกำหนดการทดสอบในอวกาศในเร็ว ๆ นี้ แต่ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเรือใบสุริยะก็กำลังได้รับความสนใจอย่างมากในวงการดาราศาสตร์ เมื่อมนุษยชาติต้องการเดินทางให้ไกลขึ้นและลึกขึ้นในห้วงอวกาศอันกว้างใหญ่ การล่องเรือใบอาจกลับมาเป็นวิธีการเดินทางแห่งอนาคต เพียงแต่เปลี่ยนจากการกางใบเรือรับลมบนโลก มาเป็นการกางผลึกนาโนรับแสงสว่างท่ามกลางดวงดาว

ข้อมูลอ้างอิง: Universe Today

• Researchers Create a Nanoengineered Light Sail That Won't Melt