ดาวเทียมกับการจัดการขยะอวกาศ
พื้นที่อวกาศรอบๆโลกไม่ใช่ที่ว่างเปล่า จะมีเศษอุกกาบาตและอนุภาคขนาดจิ๋วพลังงานสูงพุ่งผ่านไปมา ปัจจุบันเต็มไปด้วยเศษซากขยะที่โคจรไปรอบโลก (orbital debris) ซึ่งเป็นเศษซากของยานอวกาศ ดาวเทียม ไขควง ถุงมือจากนักบินอวกาศที่ปฏิบัติภารกิจ space walk นอกยานอวกาศ หรือแม้แต่ถุงขยะที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิบัติการตั้งแต่สถานีอวกาศเมียร์ ขยะอวกาศเหล่านี้สร้างปัญหาอย่างมากให้กับการปฏิบัติภาระกิจอื่นๆในอวกาศ เนื่องจากเศษซากเหล่านี้เป็นวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วสูงมาก โดยที่ระดับความสูงของวงโคจรประมาณ 800 กิโลเมตร จะมีอัตราเร็วสูงถึง 7.5 กิโลเมตรต่อวินาที ถ้าเศษขยะเล็กๆขนาดไม่ถึง 1 มิลลิเมตร พุ่งเข้าใส่ยานอวกาศ จะทำให้เกิดความเสียหายได้อย่างรุนแรง เช่นร่องรอยที่เกิดขึ้นที่หน้าต่างของกระสวยอวกาศที่ถูกเศษสีขนาดเล็กจิ๋วกระแทกเข้าใส่ ขณะที่นักบินอวกาศกำลังนำยานกลับสู่พื้นโลก ทำให้เกิดความเสียหายขึ้น โดยทาง NASA ต้องทำการเปลี่ยนกระจกหน้าต่างสองบานในทุกเที่ยวบินของกระสวยอวกาศสำหรับภารกิจที่ผ่านๆมา
ภาพแสดงความเสียหายของหน้าต่างกระสวยอวกาศที่เกิดจากขยะขนาดจิ๋วในระหว่างการกลับมาสู่พื้นโลกในปี ค.ศ. 1983 จากการสำรวจพบว่าเกิดจากเศษสีขนาดประมาณ 0.2 mm ที่ลอยอยู่ในวงโคจรรอบโลก พุ่งเข้าชนทำให้เกิดหลุมที่หน้าต่างขนาด 4 mm ถ้าไม่กล่าวถึงความปลอดภัยของนักบิน แค่ค่าซ่อมแซมกระจกหน้าต่างก็เป็นเงินมากกว่า 50,000 ดอลลาร์ ที่มา : http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/protect/impacts.html
ในช่วงเวลาไม่ถึงสองเดือนนับแต่ต้นปี ค.ศ.2007 มีการระเบิดในวงโคจรรอบโลกแล้วถึงสองครั้ง ครั้งแรกเมื่อวันที่ 11 มกราคม ประเทศจีนทดสอบระบบต่อต้านดาวเทียม (Anti-satellite system : ASAT) โดยการยิงขีปนาวุธขึ้นไปทำลายดาวเทียมพยากรณ์อากาศที่หมดอายุลงของตนเอง (FY-1C) เป็นเหตุการณ์ที่ทำให้เกิดขยะเศษซากในวงโคจรรอบโลกที่เลวร้ายที่สุดในประวัติศาสตร์ 50 ปีการปฏิบัติการณ์ในอวกาศ ครั้งที่สองเป็นอุบัติเหตุ เกิดเมื่อวันที่ 19 กุมภาพันธ์ ชิ้นส่วนจรวดขับดันโปรตอนของรัสเซียเกิดระเบิดขึ้นโดยไม่ทราบสาเหตุ ภารกิจของจรวดขับดันดังกล่าวคือการส่งดาวเทียมสื่อสาร Arabsat 4A เข้าสู่วงโคจรค้างฟ้า เมื่อเดือนกุมภาพันธ์ 2549 แต่เครื่องยนต์หลักเกิดหยุดทำงานก่อนเวลา 4 นาที ทำให้ดาวเทียมมุ่งหน้าสู่วงโคจรที่ผิดไป ทำให้หนึ่งเดือนหลังจากนั้น ดาวเทียมกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก แต่จรวดขับดันยังคงอยู่ในวงโคจร จนเกิดระเบิดขึ้นดังกล่าว
จากจำนวนเศษซากในวงโคจรต่างๆในอวกาศที่เพิ่มมากขึ้นทุกที ในบทความนี้จะอธิบายถึงวิธีการกำจัดขยะอวกาศอย่างเหมาะสมในระดับชั้นตามระดับความสูงของวงโคจรต่างๆ เพื่อลดความเสี่ยงที่ขยะเหล่านี้จะพุ่งชนดาวเทียมหรือยานอวกาศต่างๆจนทำให้เกิดความเสียหายที่ร้ายแรง
ระดับชั้นของขยะอวกาศ
ขยะอวกาศแบ่งออกได้เป็นสองระดับชั้น คือ ขยะในชั้นวงโคจรค้างฟ้า และในชั้นวงโคจรต่ำถึงกลาง ตามระดับวงโคจรที่มีการใช้งานรอบโลก Arthur C. Clarke ผู้ริเริ่มคิดเรื่องการใช้ดาวเทียมให้โคจรรอบโลกเพื่อประโยชน์ของมนุษยชาติ เมื่อสี่สิบกว่าปีก่อน ได้จินตนาการถึงอนาคต ที่เราจะมีขยะอวกาศเต็มท้องฟ้าเนื่องจากจำนวนดาวเทียมที่หมดอายุขัยลง จนในปัจจุบันได้มีความพยายามในการเปิดการเจรจาระดับนานาชาติหลายครั้ง เพื่อจำกัดปริมาณขยะอวกาศจากหลายองค์กรทั่วโลก องค์การ NASA เองก็จัดตั้งสำนักงาน Orbital Debris Program Office เพื่อศึกษาเศษซากในวงโคจรรอบโลกอย่างจริงจัง
การกระจายของขยะอวกาศรอบๆโลก
ขยะอวกาศในวงโคจรต่ำ
ระดับชั้นของขยะอวกาศ
ขยะอวกาศแบ่งออกได้เป็นสองระดับชั้น คือ ขยะในชั้นวงโคจรค้างฟ้า และในชั้นวงโคจรต่ำถึงกลาง ตามระดับวงโคจรที่มีการใช้งานรอบโลก Arthur C. Clarke นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ เมื่อสี่สิบกว่าปีก่อน นำเสนอแนวคิดเรื่องดาวเทียมสามารถโคจรรอบโลกได้ถ้ามีอัตราเร็วที่เหมาะสมผ่านนิยายวิทยาศาสตร์ เป็นจุดเริ่มต้นของการใช้ดาวเทียมรอบโลกเพื่อประโยชน์ของมนุษยชาติ และยังได้จินตนาการถึงอนาคต ที่เราจะมีขยะอวกาศเต็มท้องฟ้าเนื่องจากจำนวนดาวเทียมที่หมดอายุขัยลง จนในปัจจุบันได้มีความพยายามในการเปิดการเจรจาระดับนานาชาติหลายครั้ง เพื่อจำกัดปริมาณขยะอวกาศจากหลายองค์กรทั่วโลก องค์การ NASA เองก็จัดตั้งสำนักงาน Orbital Debris Program Office เพื่อศึกษาเศษซากในวงโคจรรอบโลกอย่างจริงจัง
วงโคจรสุสาน
ปัจจุบันมีการกำหนดวงโคจรหนึ่ง ที่เรียกว่า วงโคจรสุสาน (graveyard orbit) โดยมีวัตถุประสงค์ให้เป็นที่พักหรือที่เก็บดาวเทียมที่หมดอายุแล้ว โดยจะออกแบบระบบดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้าให้มีการเก็บพลังงานส่วนหนึ่งไว้เพื่อขับดันตัวเองเมื่อหมดอายุการทำงาน ให้มีวงโคจรสูงขึ้นไปกว่าวงโคจรค้างฟ้าประมาณ 200 km เพื่อลดโอกาสที่เศษซากดาวเทียมที่ไม่ใช้งานแล้วจะไปชนหรือกระแทกกับดาวเทียมที่ยังใช้งานได้ดีอยู่ การเคลื่อนดาวเทียมไปวงโคจรดังกล่าวเปรียบเสมือนเป็นการฝังดาวเทียมเหล่านี้ไว้ โดยรอให้เศษอุกกาบาตและประจุอนุภาคพลังงานสูงชนทำลายจนเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย เพื่อให้ลูกหลานเราในอนาคตคิดวิธีกำจัดขยะชิ้นจิ๋วเหล่านี้ต่อไป ในสหรัฐอเมริกามีข้อบังคับว่าด้วยการให้บริการดาวเทียมสื่อสาร ว่าจะต้องให้คำมั่นว่าจะขับเคลื่อนดาวเทียมให้อยู่ในวงโคจรสุสานนี้เมื่อหมดอายุการทำงานลง จึงจะออกใบอนุญาตให้ส่งดาวเทียมได้ แต่ที่ผ่านมามีดาวเทียมเพียงหนึ่งในสามเท่านั้นที่ขับเคลื่อนดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรดังกล่าวได้สำเร็จ
เชือกลากไฟฟ้าพลศาสตร์
วิธีการนี้เป็นความพยายามในการลดจำนวนขยะอวกาศในวงโคจรต่ำรอบโลก ซึ่งจะเป็นการลดความเสี่ยงที่ขยะเหล่านี้จะพุ่งชนดาวเทียมสำรวจทรัพยากรหรือสถานีอวกาศนานาชาติ ดาวเทียมที่ใช้หลักการนี้จะทำการผูกติดอุปกรณ์ที่เป็นลักษณะทุ่นและเชือกลากไว้ (tether) และคอยตรวจสอบการทำงานของดาวเทียมอย่างสม่ำเสมอ เมื่อพบว่าดาวเทียมไม่สามารถทำงานต่อไปได้แล้ว จะทำการถ่วงและดึงให้ดาวเทียมเคลื่อนที่ช้าลง เป็นผลให้วงโคจรของดาวเทียมต่ำลง จนเกิดการเผาไหม้จนหมดในชั้นบรรยากาศ
NASA ได้ให้ทุนในการวิจัยหลักการที่มีชื่อเรียกว่า เชือกลากไฟฟ้าพลศาสตร์ (Electrodynamic Tether : EDT) หลักการทำงานนั้นง่ายและใช้ประโยชน์ได้ในหลายรูปแบบ ในระบบจะประกอบด้วยมวลสองก้อนที่ผูกติดกันไว้ด้วยเชือกลากที่เป็นสายเคเบิลตัวนำไฟฟ้า เชือกดังกล่าวจะทำตัวเป็นสายไฟที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กโลก (หรือสนามแม่เหล็กรอบๆดาวเคราะห์ดวงอื่น) โดยใช้ประโยชน์จากหลักการของแรงทางแม่เหล็กไฟฟ้า จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้นในสายไฟตัวนำเมื่อสายไฟเคลื่อนผ่านสนามแม่เหล็ก และการเกิดแรงกระทำจากสนามแม่เหล็กบนสายไฟตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า
ภาพแสดงทุ่นและเชือกลากเข้ากับดาวเทียม
ภาพแสดงการเกิดแรงต้านเมื่อมีกระแสไฟฟ้าในสายเคเบิล
เชือกลากไฟฟ้า หรือ EDT ใช้หลักการดังกล่าวนี้ได้ในสองทาง
ทางแรก : EDT จ่ายกระแสไฟฟ้าออกจากทุ่นไปยังดาวเทียมผ่านเชือกลาก มันจะทำให้เกิดแรงแม่เหล็กจากสนามแม่เหล็กโลกกระทำที่เชือกในทิศทางตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ นั่นหมายถึงทั้งระบบจะเคลื่อนที่ช้าลง (เกิดแรงต้านการเคลื่อนที่) จึงทำให้มีวงโคจรที่ต่ำลง
ทางที่สอง : ถ้าเพิ่มแบตเตอรีหรือแผงเซลล์สุริยะในตัวดาวเทียมเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าจากดาวเทียมเข้าสู่วงจรของ EDT ผ่านเชือกลาก ทิศทางของกระแสไฟฟ้าจะสวนทางและมากกว่ากระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้น แรงที่กระทำกับ EDT จึงมีทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ เหมือนกับมีจรวดขับดันให้ระบบอยู่ในวงโคจรที่สูงขึ้นได้
การใช้งานเชือกลากไฟฟ้าจากหลักการทางแรก เราจะสามารถควบคุมดาวเทียมที่จะเป็นเศษซากให้ตกเข้ามาในชั้นบรรยากาศได้ก่อนที่มันจะหมดพลังงาน โดยให้ดาวเทียม หรืออาจจะเป็นชิ้นส่วนจรวคขับดัน ฯลฯ ส่งสัญญาณสุดท้ายเพื่อปลดปล่อยสายไฟให้ยืดยาวออกไป และให้กระแสไฟฟ้าไหลไปในสายไฟ ดาวเทียมจะเริ่มเคลื่อนที่ช้าลง และเผาไหม้ในชั้นบรรยากาศอย่างรวดเร็ว
ยังมีความคิดที่จะนำเชือกลากไฟฟ้ามาใช้กับการรักษาวงโคจรของสถานีอวกาศนานาชาติ โดยใช้หลักการในแนวทางที่สอง เนื่องจากมีการประมาณว่าสถานีอวกาศจะต้องใช้เชื้อเพลิงสำหรับจรวดขับดันเพื่อรักษาระดับของวงโคจรในช่วงเวลาอีก 10 ปีข้างหน้าถึง 70 ตัน ซึ่งจะต้องลำเลียงจากพื้นโลกด้วยค่าใช้จ่ายที่สูงมาก ถ้าเราจัดวางตำแหน่งของ เชือกลาก EDT ให้เหมาะสม ประกอบกับใช้แหล่งพลังงานเสริมอื่นเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าในทิศทางที่ถูกต้อง เมื่อสถานีอวกาศเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กโลก ก็จะช่วยผลักตัวสถานีให้เคลื่อนไปในวงโคจรด้วยอัตราเร็วที่สูงขึ้น จึงเป็นผลให้มีระดับวงโคจรสูงขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงขับดันแต่อย่างใด นอกจากนี้ยังอาจนำ EDT ไปใช้งานกับยานสำรวจที่ส่งไปโคจรรอบดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลออกไปในอวกาศได้อีกด้วย
ภาพแสดงการนำ EDT ไปใช้ในยานสำรวจดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลออกไปในอวกาศ
โครงการอื่นๆ เกี่ยวกับขยะอวกาศ เช่น ตัวรวบรวมเศษซากด้วยตาข่ายขนาดใหญ่ (Large Area Debris Collector: LAD-C) เพื่อตรวจจับและคำนวณวงโคจรของเศษซากเหล่านี้ ต้องล้มพับไปเนื่องจากปัญหาของงบประมาณ
ถ้าองค์กรต่างๆทั่วโลกยังไม่หันหน้าเข้าหากันด้วยความจริงใจในการแก้ปัญหาดังกล่าว ก็จะทำให้การใช้งานดาวเทียมมีข้อจำกัดขึ้นอีกมากอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ จนน่าคิดว่าการที่ประเทศจีนทดลองระบบต่อต้านดาวเทียมจนทำให้เป็นเหตุการณ์ประวัติศาสตร์เมื่อต้นปีนั้น เป็นเพราะต้องการจุดชนวนให้ทุกประเทศยอมรับปัญหาและดำเนินการแก้ไขอย่างเป็นระบบหรือไม่
เอกสารอ้างอิง
[1] World's only space dust detector binned, New Scientist, 12 Feb 2007,
[2] The Orbital Debris Quarterly News, http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/newsletter/newsletter.html
[3] Graveyard orbit, from Wikipedia, the free encyclopedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Graveyard_orbit
[4] FCC Enters Orbital Debris Debate, http://www.space.com/spacenews/businessmonday_040628.html
[5] Electrodynamic Tethers: Clean Up Debris - Power or Boost Spacecraft, http://www.technovelgy.com/
[6] Space Transportation with a Twist, http://www.nasa.gov/vision/universe/roboticexplorers/tethered_spacecraft.html
[7] THE TERMINATOR TETHERTM : AUTONOMOUS DEORBIT OF LEO SPACECRAFT FOR SPACE DEBRIS MITIGATION, R. Hoyt and R. Forward, AIAA 00-0329, The 38th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 10-13 January 2000, Reno, Nevada.
[8] Space Junk, Robert Roy Britt, http://www.space.com/spacewatch/space_junk.html
[9] Rocket explosion creates dangerous space junk, New Scientist, 22 Feb 2007
- 2
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
