ลิฟต์อวกาศ (Space elevator) และ Colossal carbon tubes (CCTs)

           การขนส่งมนุษย์ออกไปในอวกาศนั้นในปัจจุบันนใช้จรวดที่มีเชื้อเพลิงขับดันซึ่งมีต้นทุนที่สูงมาก มนุษย์เรามีทางเลือกอื่นอีกไหมในการขนส่งมนุษย์และสิ่งของออกไปในอวกาศ ยังมีอีกวิธีที่น่าสนใจซึ่งถ้าเป็นไปได้มันจะช่วยมนุษย์ประหยัดต้นทุนไปได้มากคือลิฟต์อวกาศ แนวคิดนี้เกิดขึ้นครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ปี ค.ศ. 1895 แต่มันได้รับความสนใจจากประชาชนทั่วไปเมื่อนักเขียนนวนิยายวิทยาศาสตร์ อาร์เธอร์ ซี. คลาร์ก (Arthur Charles Clarke) เขียนถึงเรื่องลิฟต์อวกาศในนวนิยายขายดีที่ชื่อ The Fountains of Paradise ในปี ค.ศ. 1979 (ชื่อฉบับแปลไทยคือสู่สวรรค์) ในปัจจุบันเทคโนโลยีด้านวัสดุศาสตร์พัฒนาขึ้นมาก จนนักวิทยาศาสตร์หันมาสนใจเรื่องนี้อย่างจริงจัง เพื่อคิดหาวิธีการสร้างลิฟต์อวกาศขึ้นมาจริงๆ

            การก่อสร้างอาคาร สิ่งก่อสร้างที่สูงนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย มันเป็นเรื่องท้าทายทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ในปัจจุบันตึกที่สูงที่สุดในประเทศไทย ณ เดือน กันยายน ค.ศ. 2019 คือตึกแมกโนเลียส์ วอเตอร์ฟร้อนท์ เรสซิเดนเซส แอท ไอคอนสยาม มีความสูง 317.95 เมตร ส่วนตึกที่สูงที่สุดในโลกคือตึก Burj Khalifa มีความสูงถึง 829.8 เมตร วัสดุที่ใช้ก่อสร้างต้องแข็งแรงมากเพื่อรับน้ำหนักอันมหาศาลของตึก กระนั้นก็ตามความสูงของตึกเหล่านี้ยังเทียบไม่ได้กับการสร้างลิฟต์อวกาศที่อาจจะต้องมีความยาวมากกว่า 10 000 กิโลเมตรขึ้นไป แล้วมนุษย์จะสามารถหาวัสดุอะไรในการใช้สร้างลิฟต์อวกาศนี้            ลิฟต์อวกาศ (Space elevator) คือระบบการขนส่งที่นักวิทยาศาสตร์คิดขึ้น โดยใช้ขนส่งมนุษย์และอุปกรณ์ต่างๆจากบริเวณเส้นศูย์สูตรของโลกไปยังอวกาศ โดยอาจจะใช้ลิฟต์ในการเคลื่อนที่ขึ้นลงผ่านสายเคเบิลที่มีความยาวมาก โดยมีปลายด้านที่ติดกับโลกโดยจะมีแรงโน้มถ่วงชี้ในทิศทางลงสู่พื้นโลก ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งที่ในอวกาศมีมวลถ่วงไว้อยู่เหนือขึ้นไปจากวงโคจรค้างฟ้า (ภาษาอังกฤษคือ Geostationary orbit หมายถึงระยะที่สูงจึ้นไปจากบริเวณเส้นศูนย์สูตรของโลก 35 786 กิโลเมตร ที่ความสูงระดับนี้วัตถุที่โคจรรอบโลกจะคาบการโคจรรอบโลกประมาณ 24 ชั่วโมงพอดี ดังนั้นเมื่อเราสังเกตวัตถุที่โคจรนี้มันจะปรากฏนิ่งในตำแหน่งเดิมบนท้องฟ้าเสมอ) ดังนั้นก็จะมีแรงที่มีทิศชี้ออกจากโลกอันเกิดจากแรงหนีศูนย์กลาง (centrifugal force หมายถึงแรงที่เหวี่ยงวัตถุออกจากศูนย์กลางเมื่อเกิดการหมุนเหวี่ยงเป็นวงกลมอย่างรวดเร็ว) ซึ่งแรงทั้งสองที่มีทิศชี้ตรงกันข้ามกันจะทำให้สายเคเบิลถูกตรึงไว้ และตั้งอยู่ตำแหน่งเดียวบนพื้นโลกไม่เคลื่อนที่ไปไหน


           Bradley C. Edwards ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเกี่ยวกับลิฟต์อวกาศในชื่อ “DESIGN AND DEPLOYMENT OF A SPACE ELEVATOR” ลงในวารสาร Acta Astronautica ณ เดือนกันยายน ค.ศ. 2000 เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการสร้างลิฟต์อวกาศ จากงานวิจัยสรุปว่าแม้ในอดีตมีความสนใจแนวคิดลิฟต์อวกาศแต่ไม่มีวัสดุใดเลยที่มีคุณสมบัติเพียงพอต่อความต้องการ จนในปี ค.ศ. 1991 มีการค้นพบท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotubes) ดูเหมือนว่ามีอัตราส่วนค่าความแข็งแรงต่อมวล (strength-to-mass ratio) เพียงพอต่อความต้องการในการสร้างลิฟต์อวกาศ แต่แม้กระนั้นก็ยังมีความท้าทายอีกมากเช่นการพุ่งชนจากละอองดาว – อนุภาคของสะเก็ดดาว (micrometeoroid) เป็นต้น             ปัญหาฐานรากของลิฟต์อวกาศนั้นก็ท้าทายไม่แพ้กัน เปลือกโลก (Crust) คือเปลือกแข็งชั้นนอกสุดของโครงสร้างโลกนั้นเฉลี่ยมีความหนาประมาณ 30 กิโลเมตร และลิฟต์อวกาศนั้นจะมีน้ำหนักมหาศาลกดลงมาหนักเกินกว่าที่เปลือกโลกจะรับไว้ได้และมันจะจมลงไปเรื่อยๆ และเมื่อผ่านชั้นเปลือกโลกไปแล้วชั้นเนื้อโลก (mantle) ค่อนข้างที่จะนุ่มนิ่มกว่าชั้นเปลือกโลก ฉะนั้นกระบวนการจมลงไปของลิฟต์อวกาศจะเกิดขึ้นต่อไปเรื่อยๆ ยาวนานนับพันปี


           แต่สมมติให้เราสามารถแก้ปัญหาต่างๆเหล่านี้ได้จะพบว่างานวิจัยของ Bradley C. Edwards ค่อนข้างที่เก่า ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ค้นพบวัสดุชนิดใหม่ที่ชื่อ Colossal carbon tube หรือ CCTs เป็นรูปแบบของคาร์บอนชนิดหนึ่งที่แตกต่างจากท่อนาโนคาร์บอนตรงที่ CCTs มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่ามากคืออยู่ในช่วงตั้งแต่ 40-100 ไมโครเมตร CCTs มีน้ำหนักที่เบามาก มีค่าความแข็งแรงที่สูงมาก และยังมีค่าการน้าไฟฟ้าที่สูงอีกด้วย มันมีความแข็งแรงมากกว่าคาร์บอนไฟเบอร์ที่แข็งแรงที่สุด T1000 ถึง 15 เท่า มีค่าความทนต่อแรงดึง (Tensile Strength) สูงถึง 7 จิกะพาสคาล ซึ่ง CCTs นั้นเป็นหนึ่งในตัวเลือกใช้เป็นวัสดุในการสร้างลิฟต์อวกาศที่น่าสนใจ ที่สุดในตอนนี้

 

อ้างอิง
 

• Edwards, B. C. (2000). Design and deployment of a space elevator. Acta Astronautica, 47(10), 735-744.
• Wilke, C. (2019, September 20). Could humans build a tall tower or giant rope to space? Retrieved September 25, 2019, from https://www.sciencenewsforstudents.org/blog/technicallyfiction/can-we-build-space-elevator-tall-tower-or-giant-rope.
• The Space Elevator Feasibility Condition. (n.d.). Retrieved September 25, 2019, from http://www.spaceward.org/elevator-feasibility.