เทคนิคการใช้ Thermal inertia เพื่อหากับระเบิดรักษาชีวิตผู้คนในเขตสมรภูมิรบเก่า

กับระเบิด PFM-1  
(ภาพจาก https://commons.lib.jmu.edu/cisr-journal/vol22/iss3/10/)

แม้สงครามจบลงแล้ว แต่บางทียังทิ้งบาดแผลไว้ในจิตใจผู้คน บางครั้งสงครามจบแล้วยังทิ้งกับระเบิดจำนวนมากไว้ เช่นในทุ่นระเบิดสังหารประเทศกัมพูชาเพื่อนบ้านของเรา แต่ถ้าห่างจากประเทศไทยไปหน่อยคือ ณ ที่ประเทศอัฟกานิสถาน ในยุคสงครามเย็น ช่วงปลายปี ค.ศ. 1979 กองทัพจากสหภาพโซเวียตได้บุกประเทศนี้ และทำสงครามนานกว่า 9 ปี ระหว่างที่อยู่ที่นั่นมีกับระเบิดจำนวนมากถูกวางเอาไว้ และยังหลงเหลือพร้อมใช้งานเพื่อที่จะปลิดชีวิตผู้คนที่เดินไปเหยียบจวบจนถึงทุกวันนี้


วิธีการตรวจหากับระเบิดแล้วปรกติจะใช้คนถือเครื่องตรวจจับโลหะ (Metal detector) แบบพกพาเดินสำรวจพื้นที่ เครื่องมือชนิดนี้เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ตรวจหาโลหะที่อยู่ใกล้ ซึ่งปรกติแล้วมักจะถูกซ่อนอยู่ในวัตถุหรือใต้ผิวดิน เมื่อเครื่องตรวจจับพบเจอโลหะก็จะส่งเสียงเป็นความถี่ให้คนได้ยิน ยิ่งใกล้โลหะมากเสียงก็มักจะมีความถี่ที่สูงขึ้น กลไลภายในเครื่องตรวจจับโลหะประกอบด้วยออสซิลเลเตอร์ผลิตกระแสไฟฟ้าสลับที่ผ่านคอยล์สร้างเป็นสนามแม่เหล็ก เมื่อมีโลหะอยู่ใกล้คอยล์ กระแสวน (ภาษาอังกฤษคือ eddy current หมายถึงกระแสไฟฟ้าที่ถูกเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้นในตัวนำซึ่งอยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง  กระแสวนจะเกิดขึ้นในแกนเหล็กของหม้อแปลงหรือในเครื่องกลไฟฟ้าอื่น ๆ เป็นเหตุให้เกิดความร้อน ซึ่งเป็นการสูญเสียพลังงานไฟฟ้า) จะถูกเหนี่ยวนำในโลหะสร้างเป็นสนามแม่เหล็กของตนเองขึ้น และถ้ามีคอยล์อีกอันหนึ่งใช้วัดสนามแม่เหล็ก การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากโลหะจะถูกตรวจวัดได้ งานวิจัยนี้ไม่ได้ตรวจหากับระเบิดด้วยเครื่องตรวจจับโลหะ แต่ใช้โดรนบินถ่ายภาพโดยอาศัยหลักการที่เรียกว่า Thermal inertia


กับระเบิดนี้ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อไว้จัดการกับรถถัง แต่มันมีขนาดเล็กเพื่อไว้ทำร้ายหรือสังหารบุคคล โดยส่วนใหญ่ของมันทำมาจากพลาสติกทำให้บางครั้งเครื่องตรวจจับโลหะไม่สามารถตรวจพบได้ นับว่าเป็นอันตรายอย่างยิ่ง โดยทหารของสหภาพโซเวียตโปรยลงพื้นมากกว่า 1 ล้านอัน ระเบิดชนิดนี้มีชื่อว่ากับระเบิด PFM-1  มันมีสีน้ำตาลคล้ำกลมกลืนกับสภาพแวดล้อมทำให้มองเห็นได้ยาก Timothy deSmet และคณะ ได้ตีพิมพ์งานวิจัยเรื่อง “Drones and "Butterflies": A Low-Cost UAV System for Rapid Detection and Identification of Unconventional Minefields” ลงในวารสาร The Journal of Conventional Weapons Destruction เดือนพฤษจิกายน ปี ค.ศ. 2018 เพื่อหาเทคนิคการหากับระเบิด PFM-1 หรือชื่อเล่นว่ากับระเบิดผีเสื้อ (butterfly mine) 


โดยอาศัยความรู้เรื่อง Thermal inertia ซึ่งแนวคิดคล้ายกับเรื่องความเฉื่อย (inertia) ในกลศาสตร์ กล่าวสั้นๆคือแนวโน้มที่วัตถุจะอยู่กับที่แม้ว่าจะมีแรงมากระทำก็ตาม โดย Thermal inertia กล่าวโดยย่อหมายแนวแนวโน้มที่อุณหภูมิของวัตถุยังคงที่แม้ว่าสภาพแวดล้อมจะมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เช่นเมื่ออุณหภูมิของอากาศเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว วัตถุที่เราสนใจมีแนวโน้มที่ยังคงมีอุณหภูมิคงเดิมของมันยาวนานกว่าก้อนหินหรือดินที่อยู่รอบข้าง ถ้าเราสามารถสร้างกล้องที่ตรวจจับความร้อนหรือที่ความยาวคลื่นช่วงอินฟาเรด เราก็สามารถเห็นวัตถุที่ต้องการสังเกตได้เด่นชัดว่ามันมีอุณหภูมิเย็นกว่าหรือร้อนกว่าบริเวณอื่นๆที่สังเกต


Thermal inertia เป็นศัพท์ที่ใช้ในวิชาการถ่ายโอนความร้อน (heat transfer) หมายถึงความสามารถในการนำความร้อนและเก็บความร้อนของเนื้อวัตถุ ซึ่งจะวัดความสามารถของวัตถุในการเก็บความร้อนในช่วงเวลากลางวันและคายความร้อนในช่วงเวลากลางคืน


โดย Thermal inertia นิยามโดย

\(I= \sqrt{(kρc)}\)

โดยที่
\(k\)  คือค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนมีหน่วยเป็น [W m^-1 K^-1]
\(ρ\)  คือความหนาแน่นมีหน่วยเป็น [kg m^-3]
\(c\)  คือความจุความร้อนจำเพาะมีหน่วยเป็น [ J kg^-1 K^-1]
\(I \) คือ Thermal inertia มีหน่วยเป็น [ J m^-2 K^-1s^(-1/2)]

อุปกรณ์โดรนที่ใช้บินสำรวจ
(ภาพจาก https://commons.lib.jmu.edu/cisr-journal/vol22/iss3/10/)

โดยอาศัยแนวคิดที่ว่าวัสดุแต่ละชนิดจะมีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนและความจุความร้อนจำเพาะที่แตกต่างกันส่งผลให้มันมีค่า Thermal inertia แตกต่างกัน เมื่อวัสดุแต่ละชนิดได้รับความร้อนจากแสงแดด วัสดุที่มี Thermal inertia สูง จะมีแนวโน้มที่จะรักษาอุณหภูมิเดิมได้นานกว่า มีการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิช้ากว่า ซึ่งตรงนี้เองทำให้เมื่อถ่ายภาพด้วยกล้องตรวจจับความร้อน เราจึงสามารถแยกวัสดุที่ต่างชนิดกันได้


จากการวิจัย Timothy deSmet และคณะได้ติดกล้องอินฟาเรดกับโดรน และบินสำรวจพื้นที่ทำการทดลอง โดยมีการวางกับระเบิดจำลองเอาไว้ แล้วนำภาพถ่ายอินฟาเรดมาวิเคราะห์ ซึ่งจะเห็นกับระเบิดจำลองได้อย่างชัดเจน โดยการบินสำรวจนี้จะเป็นช่วงเวลาประมาณ 30 นาทีถึง 2 ชั่วโมงหลังจากพระอาทิตย์ขึ้น เป็นช่วงเวลาที่ผืนดินจะอุ่นขึ้นอย่างรวดเร็ว เทคนิคการใช้ Thermal inertia นี้ยังใช้ดีในช่วงเวลาไม่นานหลังพระอาทิตย์ตก ช่วงเวลาที่ผืนดินจะเย็นขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยทั้งสองช่วงเวลานี้เป็นเวลาที่อุณหภูมิของกับระเบิดและหิน ดินมีความแตกต่างกันมากที่สุด ในการทดลองสามารถตรวจจับกับระเบิดจำลองได้ประมาณ 8 ใน 10 ของกับระเบิดที่วางไว้ นับว่ามีความแม่นยำพอสมควร

ภาพล่าง ภาพจริง (visible-light image) มองเห็นกับระเบิดไม่ค่อยชัดเจนนัก 
ภาพบน ภาพอินฟาเรดแสดงให้เห็นกับระเบิดที่บริเวณขวาล่างของภาพ เป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้าสีส้มแดงโดดเด่นแตกต่างอย่างชัดเจนกับบริเวณอื่นๆ 
(ภาพจาก https://www.sciencenewsforstudents.org/article/heat-signatures-help-track-down-old-and-still-deadly-land-mines)

งานวิจัยนี้พบว่ายังมีอุปสรรคในการนำไปใช้ในพื้นที่จริง โดยปัญหาเกิดจากในพื้นที่จริง มีต้นไม้และพุ่มหญ้าทำให้พื้นที่ไม่ได้รับแสงแดดอย่างทั่วถึง พื้นที่ไม่ได้เป็นที่ราบ มีหุบเขาทำให้แสงแดดได้รับไม่เท่ากัน และในบางช่วงของปีมีหิมะปกคลุมพื้นผิวทั้งหมด 

งานวิจัยนี้ถ้าสามารถทำได้จริงจะสามารถช่วยรักษาชีวิตคนในเขตสมรภูมิรบเก่าได้จำนวนมาก โดยการใช้โดรนจะทำให้สามารถค้นหากับระเบิดได้อย่างรวดเร็ว ในเวลาอันสั้น ในพื้นที่กว้างขวาง นับว่าจะเป็นประโยชน์อย่างมหาศาล และอาจพัฒนาการตรวจจับเพิ่มเติมเป็นกับระเบิดชนิดอื่นๆ ซึ่งจะทำให้สามารถออกปฏิบัติติการได้ทั่วโลก รวมทั้งในประเทศลาวและกัมพูชาที่ยังคงมีกับระเบิดหลงเหลืออยู่เป็นจำนวนมาก สนใจเพิ่มเติมสามารถเข้าไปอ่านงานวิจัยฉบับจริงที่เขียนไว้ในรายการอ้างอิงหรือดูคลิปวิดีโอได้ที่ https://www.youtube.com/watch?v=kJ58f6AUs68


 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://commons.lib.jmu.edu/cisr-journal/vol22/iss3/10/
• [2] https://www.sciencenewsforstudents.org/article/heat-signatures-help-track-down-old-and-still-deadly-land-mines
• [3] https://agu.confex.com/agu/fm18/meetingapp.cgi/Paper/421896
• [4] http://www.arcims.tmd.go.th/DailyDATA/drought%20index/documents/ดรรชนีความแห้งแล้งSMest.pdf