ท่อนาโนคาร์บอนกับความหวังในการสร้างลิฟต์อวกาศ

(ภาพจาก https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast07sep_1)

“ผมเชื่อว่ามนุษย์จะสามารถสร้างลิฟต์อวกาศได้ภายในศตวรรษที่ 21 ไม่ใช่ศตวรรษที่ 22”

คำกล่าวนี้เป็นของอาเธอร์ ซี คลาร์ก (Arthur C. Clarke) นักเขียนที่เคยอยู่บนจุดสูงสุดของวงการนิยายวิทยาศาสตร์เคียงคู่กับไอแซค อาซิมอฟ (Isaac Asimov) สำหรับนักอ่านที่ชื่นชอบนิยายวิทยาศาสตร์ ลิฟต์อวกาศ (Space Elevator) คงเป็นสิ่งที่คุ้นหูคุ้นตากันดีจากนิยายวิทยาศาสตร์เรื่อง The Fountains of Paradise ของคลาร์กซึ่งตีพิมพ์ครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ.1978 (นิยายเรื่องนี้ได้รับการแปลเป็นภาษาไทยในชื่อ สู่สวรรค์) โดยนิยายเรื่องดังกล่าวจะเล่าถึงการสร้างหอคอยสูงเสียดฟ้าสำหรับใช้ส่งมนุษย์และสิ่งของขึ้นไปยังวงโคจรกลางอวกาศ แม้นิยายเรื่อง The Fountains of Paradise จะทำให้นักอ่านทั่วโลกได้รู้จักและตกตะลึงกับแนวคิดเรื่องสิ่งก่อสร้างสุดมหัศจรรย์นี้เป็นครั้งแรก แต่ความจริงแล้วแนวคิดเรื่องลิฟต์อวกาศเคยถูกเสนอโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียมาก่อนหน้านั้นหลายปีแล้ว ทว่ากลับเป็นที่รู้จักในวงแคบ ๆ เท่านั้น

หน้าปกของนิยายเรื่อง The Fountains of Paradise

จากหลักฐานบันทึก สิ่งก่อสร้างที่คล้ายลิฟต์อวกาศปรากฏเป็นครั้งแรกในบทความเรื่อง Daydream about the Earth and the Heaven เผยแพร่ในปี ค.ศ.1895 ผู้เขียนคือนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียนามว่า Constantin Tsiolkovsky ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมจรวดและอวกาศ และหลังจากนั้นอีกหลายสิบปีก็มีนักวิทยาศาสตร์อีกหลายท่านที่นำเสนอแนวคิดที่คล้ายคลึงกัน แต่เรียกในชื่อที่แตกต่างกันไป

ลิฟต์อวกาศมีโครงสร้างพื้นฐานได้แก่

       1. แหล่งจ่ายพลังงาน ทำหน้าที่ในการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับส่วนต่าง ๆ ของลิฟต์ โดยจะทำงานสัมพันธ์กับระบบขับเคลื่อนห้องลิฟต์ขณะเคลื่อนที่ขึ้นและเก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าขณะลิฟต์เคลื่อนที่ลง

       2. ระบบขับเคลื่อน ทำหน้าที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของห้องลิฟต์ระหว่างสถานีบนพื้นโลกกับสถานีนอกโลก ซึ่งนักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าเทคโนโลยี MagLev (Magnetic Levitation) จะสามารถใช้กับลิฟต์อวกาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ

       3. สถานีบนพื้นโลก ทำหน้าที่เป็นฐานปล่อยตัวลิฟต์ให้เคลื่อนที่ขึ้นและรอรับขณะลิฟต์เคลื่อนที่ลง สามารถสร้างบนแผ่นดินหรือในทะเลก็ได้ แต่ต้องมีฐานรากที่แข็งแรงและควรตั้งอยู่บนแนวเส้นศูนย์สูตรของโลก เพื่อให้สถานีบนโลกและสถานีนอกโลกมีคาบการเคลื่อนที่ตรงกันตามหลักวงโคจรค้างฟ้า (Geostationary Earth Orbit)

       4.ห้องลิฟต์ ทำหน้าที่เป็นห้องบรรจุผู้โดยสารหรือสิ่งของ วัสดุที่ใช้ทำห้องลิฟต์ต้องมีความแข็งแรง สามารถรับมือกับการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศและอุณหภูมิที่แตกต่างกันบนโลกและในอวกาศ และต้องสามารถป้องกันรังสีหรืออนุภาคพลังงานสูงจากอวกาศได้

       5.ท่อนำส่งหรือสายเคเบิล เป็นหัวใจสำคัญของลิฟต์อวกาศ ทำหน้าที่เป็นเส้นทางขนส่งห้องลิฟต์ระหว่างสถานีต้นทางและสถานีปลายทาง วัสดุที่ใช้ทำท่อนำส่งหรือสายเคเบิลต้องสามารถทนต่อสภาพอากาศและสภาพในอวกาศได้ และต้องมีค่าทนทานต่อแรงดึง (Tensile Strength) ที่เหมาะสม ซึ่งในการสร้างจริงต้องพิจารณาแรงกระทำจากหลายทิศทาง รวมถึงผลกระทบจากการหมุนรอบตัวเองของโลกต่อสายเคเบิลด้วย

       6.สถานีนอกโลก เป็นสถานีที่ลอยอยู่นอกโลกที่ระดับความสูงเดียวกับวงโคจรค้างฟ้าคือประมาณ 36,000 กิโลเมตร

       7.โครงสร้างถ่วงน้ำหนัก หรือ Counterweight เป็นส่วนต่อขยายออกไปจากสถานีนอกโลก ทำหน้าที่ปรับสมดุลให้จุดศูนย์กลางมวล (Center of Mass) อยู่ที่สถานีนอกโลก
 

ลิฟต์อวกาศแบบใหม่ที่ออกแบบให้มีหลายสถานี
(ภาพจาก https://www.engineersrule.com/aiming-high-will-we-ever-see-a-space-elevator/)

ในทางวิศวกรรม โครงสร้างส่วนอื่นของลิฟต์ไม่ใช่เรื่องที่น่ากังวลในการก่อสร้าง แต่โครงสร้างที่เป็นปัญหาใหญ่คือท่อนำส่งหรือสายเคเบิลที่เชื่อมต่อฐานบนพื้นโลกและสถานีนอกโลกเอาไว้ด้วยกัน เนื่องจากในอดีตไม่มีวัสดุใดที่มีคุณสมบัติเหมาะสมในการนำมาทำเป็นสายเคเบิล ลิฟต์อวกาศจึงเป็นได้แค่ความฝันอันเลื่อนลอยมานานนับร้อยปี แต่ความหวังเล็ก ๆ ก็ปรากฏขึ้นในปี ค.ศ.1991 เมื่อดอกเตอร์ซุมิโอะ อิจิมะ (Sumio Iijima) กำลังทำการทดลองเกี่ยวกับการสังเคราะห์โครงสร้างของธาตุคาร์บอนอยู่นั้น ท่านได้ค้นพบว่าอะตอมของธาตุคาร์บอนสามารถเรียงตัวกันจนเกิดเป็นโครงสร้างอีกแบบหนึ่งได้ และนั่นคือวินาทีที่ท่อนาโนคาร์บอน (Carbon nanotubes) ได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นด้วยวิธีอาร์กไฟฟ้า (Arc Discharge) เป็นครั้งแรก

อะตอมของธาตุคาร์บอนหลายอะตอมสามารถเชื่อมต่อกันทำให้มีโครงสร้างและคุณสมบัติที่หลากหลาย เช่น เพชร แกรไฟต์ ฟูลเลอรีน และท่อนาโนคาร์บอน รูปแบบของโครงสร้างที่รู้จักกันดีน่าจะเป็นเพชร เพราะมันคือวัสดุที่แข็งที่สุดในโลกที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและมีโครงสร้างผลึกแบบ Face-Centered Cubic ส่วนแกรไฟต์เกิดจากการเรียงตัวซ้อนกันของแผ่นแกรฟีน (Graphene) มีคุณสมบัติในการนำความร้อนและไฟฟ้าในแนวระนาบได้ดี สำหรับโครงสร้างแบบที่สามหรือฟูลเลอรีน (Fullerene) นั้นเกิดจากการเชื่อมต่อของอะตอมคาร์บอนตั้งแต่ 40 อะตอมขึ้นไปเป็นจำนวนคู่ รูปแบบของโครงสร้างชนิดนี้ที่ได้รับความสนใจในวงกว้างคือการเรียงตัวแบบ 60 อะตอมเป็นทรงกลมคล้ายลูกบอลที่เรียกว่า Buckminsterfullerene หรือ Buckyball ส่วนท่อนาโนคาร์บอนที่เรากำลังสนใจอยู่ในขณะนี้เป็นรูปแบบใหม่ที่เพิ่งถูกค้นพบ มีลักษณะเป็นท่อทรงกระบอกตามชื่อของมัน มีจุดเด่นหลายประการ เช่น มีความสามารถในการนำความร้อนและไฟฟ้าสูง เป็นได้ทั้งวัสดุตัวนำและสารกึ่งตัวนำ มีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่าเคฟลาร์ (Kevlar) หลายเท่าตัว สามารถสร้างให้มีผนังชั้นเดียวหรือหลายชั้นก็ได้ ทั้งยังสามารถสังเคราะห์ขึ้นในห้องทดลองได้หลายวิธี เช่น วิธีตกเคลือบด้วยไอเคมี  (Chemical Vapor Deposition) วิธีการยิงด้วยแสงเลเซอร์ (Laser Ablation) และวิธีอาร์กไฟฟ้า (Arc discharge) จุดเด่นมากมายหลายประการนี่เองที่ทำให้ท่อนาโนคาร์บอนสามารถประยุกต์ใช้ได้อย่างกว้างขวางจนได้รับฉายาว่า วัสดุแห่งอนาคต และถูกจับตามองสำหรับโครงการลิฟต์อวกาศ

โครงสร้างของท่อนาโนคาร์บอน
(ภาพจาก https://phys.org/news/2017-11-subset-carbon-nanotubes-poses-cancer.html)

นับตั้งแต่แนวคิดเรื่องลิฟต์อวกาศถูกนำเสนอออกสู่สายตาชาวโลกจนเป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลายเมื่อ 40 ปีก่อนผ่านนิยายขายดีของคลาร์ก ก็มีนักวิทยาศาสตร์ วิศวกร รวมถึงหน่วยงานด้านอวกาศอย่างองค์การนาซ่า (NASA) ได้ทำการศึกษาความเป็นไปได้ว่าการสร้างมันขึ้นมาบนโลกจะสามารถทำได้จริงในทางปฏิบัติหรือไม่ แต่เสียงส่วนใหญ่ก็ให้ความเห็นไปในทิศทางเดียวกันว่าสิ่งก่อสร้างขนาดยักษ์สูงเสียดฟ้านี้ยังเป็นได้แค่ความเพ้อฝันในนิยายเท่านั้น แต่เมื่อประมาณ 4 ปีที่แล้ว กระแสข่าวเรื่องลิฟต์อวกาศก็ถูกจุดขึ้นอีกครั้งจนได้รับความสนใจไปทั่วโลก เมื่อบริษัทโอบะยะชิ (Obayashi Corporation) ซึ่งเป็นบริษัทที่มีความเชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมโยธาแห่งหนึ่งในประเทศญี่ปุ่นประกาศว่ากำลังวางแผนเพื่อสร้างลิฟต์อวกาศภายในปี ค.ศ.2050 โดยทางบริษัทได้เปิดเผยข้อมูลเบื้องต้นว่าลิฟต์อวกาศของพวกเขาจะมีฐานบนพื้นโลกอยู่ในทะเล (Earth Port) ฐานดังกล่าวจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 400 เมตร เชื่อมต่อกับสายเคเบิลนาโนคาร์บอนยาว 96,000 กิโลเมตร มีสถานีระหว่างทางได้แก่ สถานี Martian Gravity Center สถานี Lunar Gravity Center สถานี Low Earth Orbit Gate สถานี Geostationary Earth Orbit และสถานี Mars Gate ซึ่งเชื่อมต่อกับ Counterweight ที่ด้านปลายสุดของลิฟต์ และอาจมีการติดตั้งแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์คุณภาพสูงร่วมด้วย
ล่าสุดเมื่อเดือนกันยายน ค.ศ.2018 ทางบริษัทได้ทำการส่งดาวเทียมจิ๋วขนาด 10 เซนติเมตรจำนวน 2 ดวงที่เชื่อมต่อกันด้วยสายเคเบิลยาว 10 เมตรขึ้นสู่อวกาศโดยใช้จรวด H-2B จากศูนย์อวกาศทาเนะงะชิมะ เพื่อเก็บผลการทดลองการเคลื่อนที่ของแคปซูลระหว่างดาวเทียมทั้งสองดวง

ลิฟต์อวกาศของบริษัทโอบะยะชิ
(ภาพจาก https://www.obayashi.co.jp/en/news/detail/the_space_elevator_construction_concept.html)

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากยังคงมีคำถามต่อโครงการนี้ว่า ถ้าบริษัทโอบะยะชิเลือกที่จะใช้ท่อนาโนคาร์บอนเป็นวัสดุสำหรับสร้างท่อนำส่งลิฟต์ บริษัทจะสามารถผลิตท่อนาโนคาร์บอนที่มีความยาวและมีประสิทธิภาพโดยไร้ข้อบกพร่องได้อย่างไร เพราะเทคโนโลยีในการสังเคราะห์ท่อนาโนคาร์บอนในปัจจุบันยังมีข้อจำกัด ทำให้ท่อที่ผลิตได้มีความยาวแค่ไม่กี่เซนติเมตรเท่านั้น นอกจากนี้ยังต้องคำนึงด้วยว่าโครงสร้างส่วนใหญ่ของลิฟต์ที่อยู่สูงขึ้นไปมีโอกาสชนกับวัตถุในอวกาศมากน้อยขนาดไหน แต่ถ้าหากสามารถสร้างลิฟต์อวกาศขึ้นมาได้จริง การเดินทางจากโลกสู่อวกาศก็จะสะดวกสบายมากขึ้นและอาจมีราคาที่ถูกลงอย่างมากเมื่อเทียบกับการขนส่งด้วยจรวดแบบดั้งเดิม

สำหรับประชาชนที่ไม่ใช่เจ้าของโครงการอย่างพวกเรา คงได้แต่เฝ้ารอว่าระหว่างลิฟต์อวกาศกับจรวดที่สามารถเดินทางไปและกลับระหว่างโลกกับอวกาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ อะไรจะสำเร็จก่อนกัน แต่สำหรับผู้เขียนนั้น ไม่ว่าสิ่งใดจะเป็นจริงขึ้นมาก่อนก็ล้วนน่าตื่นเต้นราวกับอยู่ในความฝันทั้งสิ้น เพราะพลังของวิทยาศาสตร์เคยทำให้ความฝันกลายเป็นความจริงมาหลายครั้งหลายคราวแล้วนั่นเอง


 

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast07sep_1
• [2] https://www.obayashi.co.jp/en/news/detail/the_space_elevator_construction_concept.html
• [3] https://www.cnet.com/news/japan-to-conduct-first-test-as-part-of-space-elevator-project/
• [4] https://www.nec.com/en/global/innovators/s_iijima/01.html
• [5] https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/allotropes-of-carbon/
• [6] https://www.nanowerk.com/nanotechnology/introduction/introduction_to_nanotechnology_22.php
• [7] http://www.vcharkarn.com/varticle/38324