โอริงามิ (Origami) และแผงโซล่าเซลล์สำหรับยานอวกาศ

          โอริงามิ (Origami) หรือศิลปะในการพับกระดาษ ตอนเด็กๆเราอาจจะเคยเอากระดาษจากสมุดมาพับเป็นเครื่องบิน ใครร่อนไปได้ไกลที่สุดถือว่าเก่งนี่ก็นับเป็นโอริงามิแบบหนึ่ง โอริงามิมาจากภาษาญี่ปุ่นแปลตรงตัวว่าการพับกระดาษ ศิลปะนี้คาดว่ามีมาตั้งแต่สมัยยุคเอโดะ ประเทศญี่ปุ่นในคริสต์ศตวรรษที่ 16 โอริงามิคือการพับกระดาษเป็นรูปร่างของสิ่งต่างๆ เช่นการพับเป็นรูปทรงนกยูง หรือจิงโจ้เป็นต้น ปรกติแล้วจะเริ่มต้นโดยการใช้กระดาษเพียงแผ่นเดียวขนาดตั้งแต่เล็กไปจนถึงใหญ่ พับทบกันหลายๆครั้งจนเป็นรูปสิ่งต่างๆโดยไม่มีการตัด กระดาษที่ใช้ในการพับจะต้องแข็งแรงและไม่ฉีกขาดง่าย เราอาจจะมองว่าโอริงามิเป็นเรื่องง่ายๆ แต่เมื่อได้ลองพับจริงแล้วจะพบว่ามีความซับซ้อน จริงๆแล้วมีนักคณิตศาสตร์หลายคนทำงานวิจัยเพื่อใช้คณิตศาสตร์ไปอธิบายเกี่ยวกับโอริงามินี้ และจริงๆแล้วโอริงามิก็ไม่ใช่แค่งานอดิเรก มีนักวิทยาศาสตร์หลายคนค้นพบการใช้ประโยชน์จากศิลปะการพับกระดาษนี้

            ยานอวกาศหรือดาวเทียมที่โคจรรอบโลกต่างต้องใช้พลังงานในการปฏิบัติภารกิจต่างๆ นับเป็นเรื่องดีที่มีพลังงานสะอาดอยู่บนอวกาศนั้นคือพลังงานจากแสงอาทิตย์ การใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์นั้นเป็นพลังงานฟรีๆที่ได้โดยที่ดาวเทียมไม่ต้องขนเชื้อเพลิงไป เพราะการส่งจรวดขึ้นไปสู่อวกาศนั้นมีข้อจำกัดด้านน้ำหนักของสิ่งของที่ขนส่งขึ้นไป มนุษย์มีการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ครั้งแรกในวัตถุที่ปล่อยไปในอวกาศในปี ค.ศ. 1958 โดยใช้ครั้งแรกกับดาวเทียมของสหรัฐอเมริกาที่ชื่อ Vanguard 1 นับตั้งแต่นั้นมาวัตถุของมนุษย์ที่ถูกปล่อยสู่อวกาศต่างก็นิยมใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์เป็นเรื่องปรกติ แต่ยังมีปัญหาที่นักวิทยาศาสตร์ยังต้องหาทางแก้ไขอยู่เช่น วัตถุที่โคจรห่างจากดาวพฤหัสบดีนั้นจะได้รับความเข้มของแสงอาทิตย์น้อยกว่าที่จะผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้าจากเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบันจึงต้องหันไปใช้พลังงานจากแหล่งอื่น และเพื่อที่จะรับพลังงานจากดวงอาทิตย์ให้ได้มาก แผงโซล่าเซลล์ที่อยู่บนยานอวกาศจะต้องมีพื้นที่มากที่สุด แต่ในการปล่อยยานอวกาศสู่ท้องฟ้ามีพื้นที่การเก็บสัมภาระจำกัด ฉะนั้นจะหาทางแก้ไขปัญหานี้ได้อย่างไร


          Rui Tang และคณะได้ตีพิมพ์บทความวิจัยชื่อ “Origami-enabled deformable silicon solar cells” ลงในวารสาร Applied Physics Letters เมื่อวันที่ 24 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2014 เพื่อหาวิธีการแก้ไขปัญหานี้ แผงโซล่าเซลล์ที่ใช้กันในอวกาศมักทำมาจากวัสดุสำคัญที่เรียกว่า ซิลิกอน เพราะมีราคาถูก คงทนแต่มันก็มีข้อเสียคือแตกหักง่ายในขั้นตอนการผลิต แผงโซล่าเซลล์นั้นเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านกระบวนการที่เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic effect) จากงานวิจัยของ Tang และคณะแสดงให้เห็นว่าเมื่อใช้แผงโซล่าเซลล์ที่พับได้แบบโอริงามิจะทำให้ประหยัดพื้นที่สูงถึง 644 เปอเซนต์และเมื่อมีการพับและคลี่ของแผงโซล่าเซลล์จำนวนหลายๆรอบ ค่า peak output power นั้นให้ค่าที่สูงเป็นที่น่าพอใจ โดยจากการทดลองได้นิยามค่าความกระทัดรัดเชิงเส้น E_linear และค่าความกะทัดรัดเชิงพื้นที่ E_Areal ดังนี้

 

          โดยที่ \(L_x,L_y\) คือความยาวตามแกน x และแกน y ตามลำดับของแผงโซล่าเซลล์ที่คลี่ออกเต็มที่และ \(l_x,l_y\)
คือความยาวตามแกน x และแกน y ตามลำดับของแผงโซล่าเซลล์ที่พับหดตัวเต็มที่ จากงานวิจัยพบว่าค่าความกระทัดรัดเชิงเส้น E_linear  ของตามแกน x มีค่ามากถึง 530 เปอเซนต์ ขณะที่ค่าความกระทัดรัดเชิงเส้น E_linear ตามแกน y มีค่ามากถึง 644 เปอเซนต์ นั่นหมายความว่าแผงโซล่าเซลล์ที่พับได้แบบโอริงามิจะใช้พื้นที่ในการจัดเก็บน้อยและเมื่อคลี่ออกเต็มที่จะให้พื้นที่ที่ใหญ่มากสามารถรับแสงอาทิตย์ได้มากจึงสามารถผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้าได้มากเช่นกัน            อีกประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจคือเมื่อแผงโซล่าเซลล์ที่พับได้แบบโอริงามินี้พับและคลี่ออกหลายๆครั้ง ค่า peak output power ที่ให้จะมีค่าลดลง แต่ก็ไม่มากนักโดยเมื่อมีการพับและคลี่ออก 10 ครั้งค่า peak output power จะลดลงจาก ประมาณที่ \(1.4 mW/cm^2\) มาอยู่ที่ประมาณ \(0.9 mW/cm^2\)ซึ่งถือว่าน่าพอใจ           งานวิจัยนี้พบว่าแผงโซล่าเซลล์ที่พับได้แบบโอริงามิเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับดาวเทียมและยานอวกาศ ไม่น่าเชื่อว่างานอดิเรกเช่นการพับกระดาษจะสามารถนำประยุกต์ใช้ประโยชน์สำหรับเทคโนโลยีบนอวกาศได้ นับเป็นเรื่องที่น่าสนใจอย่างยิ่ง สำหรับผู้ที่สนใจศึกษาเพิ่มเติมสามาดูคลิปวิดีโอที่เกี่ยวข้องได้จาก https://www.youtube.com/watch?v=3E12uju1vgQ

 

อ้างอิง

• Tang, R., Huang, H., Tu, H., Liang, H., Liang, M., Song, Z., ... & Yu, H. (2014). Origami-enabled deformable silicon solar cells. Applied Physics Letters, 104(8), 083501.
• Wu, Joseph. "Origami." Microsoft® Student 2009 [DVD]. Redmond, WA: Microsoft Corporation, 2008. 
• https://www.nasa.gov/mission_pages/station/structure/elements/solar_arrays.html
• https://www.youtube.com/watch?v=3E12uju1vgQ