Category: ดาราศาสตร์

เครื่องยนต์ไอออน Ion engine

ในยานสำรวจอวกาศที่ออกแบบมาให้เดินทางไกลมาก ๆ อย่างเช่นไปดาวพฤหัส ดาวเสาร์ จะใช้เครื่องยนต์ประเภทหนึ่งเรียกว่าเครื่องยนต์ ION …. Ion Thruster engine ซึ่งเริ่มผลิตใช้กันจริงจังตั้งแต่ยุค 80 แล้วครับ

หลักการพื้นฐานก็คือ  Ion Thruster engine สร้างแรงขับเคลื่อนให้กับยานอวกาศโดยใช้ไฟฟ้าในการทำให้ก๊าซมวลอะตอมสูงเช่น Xenon แตกตัวเป็น “ION” (เป็นที่มาของชื่อเครื่องยนต์ไอออน)  การที่ใช้ Xenon นี้เพราะ Xenon มีน้ำหนักอะตอมสูงซึ่งช่วยให้เครื่องยนต์สร้างโมเมนตัมและแรงขับกฎข้อที่สามของนิวตันได้สูงกว่าแก้สชนิดอื่น

หลักการทำงานของมันก็คือ
🛑 Xenon ถูกสูบเข้าไปใน chamber และถูกพุ่งชนด้วยอิเล็กตรอน การชนกันนี้จะ “เตะ” อิเล็กตรอนออกจากอะตอมที่เป็นกลางของ Xenon ทำให้ก๊าซ Xenon กลายเป็นพลาสมาที่มีประจุบวก …. เรียกว่า “ION”
🛑 Xenon ION ที่มีประจุบวกจะถูกดึงด้วยแรงทางไฟฟ้าจากขั้วตรงข้ามกันของประจุไฟฟ้าในตะแกรง 2 ชั้น  ทำให้ ION พุ่งออกจากท้ายเครื่องยนต์ด้วยความเร็วสูงมากถึงประมาณ 30 ถึง 40 กิโลเมตรต่อวินาที  ซึ่งตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตันโมเมนตัมนี้ก็จะมากพอสมควร
🛑 แก้ส Xenon ที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงจะมีความสิ้นเปลืองน้อยมาก ทำให้เครื่องยนต์ประเภทนี้สามารถใช้ในยานอวกาศได้นานหลายปี

เครื่องยนต์ ION ชนิดใหม่ที่ทาง NASA ออกมาประกาศความสำเร็จในการพัฒนาก็ใช้ธาตุ “ลิเธียม” แทนแก้ส Xenon และน่าจะมีการปรับปรุงส่วนประกอบอื่นอีกเยอะด้วย แต่โดยหลักการแล้วก็เหมือนกับเครื่องยนต์ ION thrust ดั้งเดิมครับ

ยานสำรวจดวงอาทิตย์รอดจากความร้อนได้อย่างไร ?

ทาง NASA ได้ส่งยานสำรวจดวงอาทิตย์ Parker Solar Probe ไปเมื่อสิบปีที่แล้ว หลายท่านคงสงสัยว่ายานลำนี้รอดจากความร้อนได้อย่างไร ?

คำตอบก็คือยาน Parker Solar Probe ลำนี้มี shield (แผ่นกันความร้อน) หนามากถึง 4.5 นิ้ว

แผ่นกันความร้อนทำจาก superheated carbon-carbon composite (ผ่านกระบวนการ superheated) โดยมีแกนโฟมคาร์บอนน้ำหนักเบาหนา 4.5 นิ้วอยู่ตรงกลาง ด้านที่หันเข้าหาดวงอาทิตย์ของแผ่นกันความร้อนยังถูกพ่นด้วยสารเคลือบสีขาวสูตรพิเศษเพื่อสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์ออกไปจากยานอวกาศให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

และท่านอาจสงสัยไปอีกว่า Corona ของดวงอาทิตย์ที่มีอุณหภูมิ 1 – 2 ล้าน ℃ …. เหตุใดยานจึงรอดมาได้จากหลักล้านองศา ?

Corona ของดวงอาทิตย์ถือเป็นชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ แต่เป็นบรรยากาศที่เป็น “Plasma” ที่เบาบาง (มาก) และมีพลังงานสูง  plasma นี้ประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระและ “นิวเคลียสเปล่า” ของอะตอมไฮโดรเจน , ฮีเลียม ก็คืออนุภาค proton

ทีนี้ …. ประเด็นสำคัญก็คือพวกอิเล็กตรอนอิสระและโปรตอนเหล่านี้มันเกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์ ดังนั้นมันจึงมีพลังงานสูงมาก และมันแพร่ออกจากดวงอาทิตย์ด้วยความเร็วสูงมาก (10,000 – 13,000 km/s)  ดังนั้นจากความเร็วที่สูงมากของอนุภาคทั้ง 2 นี้จึงสามารถใช้คำว่ามันมี “อุณหภูมิ” สูงระดับล้านองศาได้เลย

แต่คำว่ามี “อุณหภูมิสูง” ไม่ได้หมายความว่า “รู้สึกร้อน” ครับ  อันนี้สามารถพูดได้เลยว่าเอานักบินอวกาศสวมชุดอวกาศไปลอยอยู่ตรง plasma ได้เลย ชุดจะไม่ไหม้และไม่รู้สึกร้อนเลยเนื่องจากความหนาแน่นของอนุภาคทั้ง 2 ใน Corona ต่ำมาก  หากเทียบจำนวนอนุภาคแล้วมันหนาแน่นน้อยกว่าบรรยากาศโลก 500 ล้าน – 1,000 ล้านเท่าครับ  จากความหนาแน่นที่น้อยนี่เองจึงไม่ “รู้สึก” ร้อน  แต่มีพลังงานสูงคำนวณเป็น effctive temperature ได้ระดับหลักล้านองศา

ดังนั้น สำหรับยาน Parker Solar probe จึงสบายมากกับ Corona

การกำจัดฝุ่นที่เกาะแผงโซล่าเซลล์ของยานบนดาวอังคาร

พี่ขอเพิ่มเติมข้อมูลให้อีกครับ เป็นเรื่องที่เกี่ยวกับภารกิจบนดาวอังคารของยาน InSight (พฤษภาคม 2018 – ธันวาคม 2022)

ปัญหาอย่างหนึ่งของยานที่ลงจอดบนดาวอังคารก็คือจะต้องใช้พลังงานไฟฟ้าจากแผงโซล่าเซลล์ และจะมีปัญหาฝุ่นบนดาวอังคารมีจำนวนมากและฝุ่นมักจะมาเกาะแผงบังแสงอาทิตย์ ทำให้พลังงานของยานลดต่ำลง …. อย่างภาพนี้คือวันปฏิบัติงาน (Sol) ที่ 10 กับ 1,211 ของยาน InSight ซึ่งตรงกับวันที่บนโลกก็คือ 26 พฤษจิกายน 2018 และ 24 เมษายน 2022 จะเห็นได้ว่ามีฝุ่นมาบังโซล่าเซลล์เยอะเลย

ในภาพบนนี้ …. ท่านจะเห็นว่าภาพด้านบนล่างจะมีความแตกต่างกันเล็กน้อยเนื่องจากไม่มีอุปกรณ์ที่คล้ายโดมโลหะสีเงินและสีน้ำตาล …. 2 อย่างนั่นคืออุปกรณ์ตรวจคลื่นแผ่นดินไหวและอุณหภูมิครับ

ซึ่งยานใช้แขนกลของตัวยานเองยกอุปกรณ์ที่เป็นโดมทั้ง 2 ตัวไปแปะไว้บนพื้นผิวดาวอังคาร เพื่อตรวจสอบค่าต่าง ๆ เกี่ยวกับแผ่นดินไหวและอุณหภูมิบนพื้นผิวดาวอังคาร

สมัยปี 2021 ทาง NASA เคยทดลองอะไรที่แหวกแนวอย่างนึงครับ  คือจะแก้ปัญหาฝุ่นจับแผง Solar cell ของยาน InSight ด้วยการเอาแขนกลของยานเองตักทรายราดแผง Solar cell ของตัวเองเพื่อหวังให้ลมบนดาวอังคารซึ่งพัดค่อนข้างแรง พัดทรายที่ถูกเทราดตัวเองนั้นให้หลุดออกไปพร้อมฝุ่นด้วยเลย

…..  ปรากฏว่าได้ผล !! 😂🤣

เพราะทาง NASA สามารถวัดค่าพลังงานจาก Solar cell ได้เพิ่มขึ้นทันทีหลังการทดลองตักทรายราด และลมหอบออกไป

 เรื่องฝุ่นจับแผง Solar cell ของ Rover บนดาวอังคารจะมีคำเรียกกันว่า Cleaning event  มันคือปรากฏการณ์ที่ลมบนดาวอังคารพัดเอาฝุ่นที่เกาะแผง solar cell ออกไปจนหมดครับทำให้ Solar cell กลับมาจ่ายพลังงานได้มากเท่าเดิม 

 ปรากฏการณ์นี้เกิดกับยานสำรวจ  Mars Exploration Rovers (MER) ในปี 2004 เป็นครั้งแรก  ซึ่งตอนแรกทาง NASA คาดว่าจะทำ mission ได้นานประมาณ 90 Sols   และก็จะต้องสิ้นสุด mission เนื่องจากฝุ่นเกาะแผง Solar cell  แต่เกิดปรากฏการณ์นี้เสียก่อน Rover จึงทำงานต่อได้

นี่คือภาพที่ยาน Opportunity เซลฟี่มาให้ดู  ตอนที่ฝุ่นจับ Solar cell เขรอะ


ภาพเซลฟี่ใหม่ …. Solar cell ใสปิ้งไร้ฝุ่นแล้ว จากปรากฏการณ์ Cleaning event