อวกาศ...จะไปจะมา พลาสมาอีกแล้ว

ธีรวรรณ บุญญวรรณ

คำสำคัญ: การวิจัยอวกาศ, COSPAR, การถ่ายโอนจุลชีพ, ไมโครกราวิตี้, พลาสมาน้ำที่ความดันต่ำ

ในทุกๆภารกิจอวกาศ การปกป้องดาวเคราะห์ (planetary protection) โดยการลดปริมาณจุลชีพบนวัสดุและอุปกรณ์ของยานอวกาศถือเป็นหัวใจสำคัญของภารกิจอย่างยิ่ง ทั้งนี้เพื่อป้องกันการถ่ายโอนจุลชีพจากโลกไปสู่สภาวะแวดล้อมนอกโลก เมื่อกิจกรรมด้านอวกาศขยายตัวมากขึ้น ไม่ว่าจะเป็นภารกิจลงจอดภาคพื้นผิว ภารกิจเก็บและนำตัวอย่างกลับโลก (sample-return missions) หรือภารกิจสำรวจอวกาศโดยมนุษย์ (crewed mission) หรือไร้มนุษย์ (uncrewed mission) ที่กำลังขยายจำนวนครั้งขึ้นอย่างมากในอนาคตอันใกล้ ความสำคัญของการปกป้องดาวเคราะห์ระหว่างกันยิ่งเพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย

มาตรา IX ของสนธิสัญญาอวกาศ (Outer Space Treaty) กำหนดให้องค์การอวกาศของรัฐภาคีต้องหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนที่เป็นอันตรายต่อเทห์ฟากฟ้าเป้าหมาย (target celestial body) และต้องป้องกันผลกระทบที่เป็นผลเสียต่อสภาพนิเวศน์ของโลกอันเกิดจากการนำวัตถุหรือจุลชีพนอกโลกกลับเข้ามา [1] จึงได้มีคณะกรรมการว่าด้วยการวิจัยอวกาศ (Committee on Space Research; COSPAR) กำหนดเป็นกรอบนโยบายสากลเพื่อป้องกันการปนเปื้อน(จากโลก)ไปยังเทห์ฟากฟ้าเป้าหมาย (forward contamination) และการปนเปื้อนย้อนกลับสู่โลก (backward contamination) [2]

จากข้อกำหนดการปกป้องดาวเคราะห์แตกต่างกันไปตามวัตถุประสงค์สองข้อหลักของภารกิจอวกาศและเทห์ฟากฟ้าเป้าหมาย จึงแบ่งได้เป็น

การลดปริมาณจุลชีพ (disinfection) วัสดุอุปกรณ์ของยานอวกาศอย่างเหมาะสม เพื่อป้องกันการปนเปื้อน(จากโลก) ให้สอดคล้องกับนโยบายปกป้องดาวเคราะห์ของคณะกรรมการฯข้างต้น [2] สำคัญยิ่งไปกว่านั้น

การทำให้ปลอดจุลชีพ (sterilization) ต่อวัสดุอวกาศรวมถึงอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับภารกิจอวกาศ สำหรับภารกิจอวกาศที่มีมนุษย์ ตัวยานขนส่ง ระบบลงจอด และอุปกรณ์ ที่มีโอกาสสัมผัสกับพื้นผิวของดาวเคราะห์หรือเทห์ฟากฟ้าเป้าหมาย ล้วนมีโอกาสปนเปื้อนจุลชีพติดกลับมาได้

ดังนั้นเป็นความสำคัญยิ่งที่ต้องมีเทคโนโลยีที่เชื่อถือได้และสามารถประยุกต์ใช้ในภารกิจสำรวจอวกาศเพื่ออนาคต [2]

จุลชีพในสภาวะไมโครกราวิตี้

เพราะทุกภารกิจอวกาศล้วนอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของมวลดวงดาว มิใช่ภาวะไร้แรงโน้มถ่วง (0g) โดยสมบูรณ์ เรียกว่าสภาวะไมโครกราวิตี (micro gravity: μg) และจุลชีพสามารถปนเปื้อนติดไปกับระบบยานอวกาศ ตารางที่ 1 เป็นการสรุปการศึกษาเปรียบเทียบลักษณะการฟอร์มตัวของจุลชีพเป็นกลุ่มโคโลนีใหญ่หรือไบโอฟิล์ม (biofilms) ภายใต้สภาวะแรงโน้มถ่วงบนโลก (1g) และสภาวะไมโครกราวิตีในสถานีหรือยานอวกาศ ที่มีโลกมีงานค้นคว้าวิจัยด้านอวกาศอย่างจริงจังมาตั้งแต่ NASA, สหรัฐอเมริกา, RKA, รัสเซีย, CSA, แคนาดา, JAXA, ญี่ปุ่น และ ESA, สหภาพยุโรปเริ่มภารกิจจัดตั้งสถานีอวกาศนานาชาติ ISS ในปีคศ. 1998

ตารางที่ 1 การศึกษาเปรียบเทียบลักษณะการฟอร์มตัวของจุลชีพเป็นกลุ่มโคโลนีใหญ่หรือไบโอฟิล์ม [3]

รูปที่ 1 ลักษณะการฟอร์มตัวภายใต้สภาวะไมโครกราวิตีของจุลชีพเป็นแบบ "เสา-และ-เรือนยอด"

(ภาพประกอบผลิตโดยกูเกิลเจมิไน เมื่อ 23 กค. 2569)

ดังนั้นภายใต้สภาวะไมโครกราวิตี เป็นการส่งเสริมการฟอร์มตัวของจุลชีพให้เป็นแบบ "เสา-และ-เรือนยอด" ที่หนาแน่น (Thick Column-and-Canopy Structure) ยังผลให้ได้ผลลัพธ์โครงสร้างไบโอฟิล์มที่มีลักษณะซับซ้อนและหนาแน่นเป็นพิเศษกว่าไบโอฟิล์มทั่วไปที่พบบนโลก ไบโอฟิล์มที่หนากว่าเดิมส่งผลให้จุลชีพมีความต้านทานต่อปัจจัยกดดันต่าง ๆ เช่น เกลือ เอทานอล และยาปฏิชีวนะมากขึ้นไปอีก กลไกความต้านทานที่เพิ่มขึ้นนี้ ซึ่งเกิดจากพลวัตของของเหลวและการปรับตัวทางพันธุกรรม ก่อให้เกิดความเสี่ยงร้ายแรงต่อสุขภาพของนักบินอวกาศ และยังทำให้อุปกรณ์ระบบสนับสนุนชีวิตของยานหรือสถานีอวกาศเกิดการกัดกร่อนได้

ข้อมูลลักษณะสำคัญของไบโอฟิล์มปนเปื้อนในภารกิจอวกาศที่ผ่านมา

• การเติบโตอย่างหนาแน่น: ไบโอฟิล์มที่เติบโตในสภาวะอวกาศ ซึ่งได้รับการพิสูจน์พบครั้งแรกบนเที่ยวบินกระสวยอวกาศ เช่น STS-95 พัฒนาเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนและมีเอกลักษณ์เฉพาะ การไม่มีแรงโน้มถ่วงมาควบคุมการพาและการตกตะกอนของของเหลว ทำให้แบคทีเรียต้องปรับการจัดเรียงตัวเชิงพื้นที่ ส่งผลให้เกิดโครงสร้างที่หนา ลอยตัว และยึดเกาะผิวได้แน่นหนากว่า

• ศักยภาพการต้านทานที่สูงขึ้น: สภาวะไมโครกราวิตีสามารถกระตุ้นการแสดงออกของยีนที่ตอบสนองต่อความเครียดได้สูงขึ้น ทำให้จุลชีพก่อโรคและความสามารถต้านทานยาปฏิชีวนะของจุลชีพที่พบบ่อยในสภาวะอวกาศ เช่น แบคทีเรีย Pseudomonas aeruginosa และ Bacillus cereus เพิ่มสูงขึ้น

• การเสื่อมสภาพของวัสดุ: ไบโอฟิล์มจุลชีพที่ทนทานเหล่านี้ สามารถอุดตันหน่วยรีไซเคิลน้ำ ทำลายหม้อน้ำระบายความร้อน และก่อให้เกิดการกัดกร่อนบนอุปกรณ์สเตนเลสและวัสดุของชุดอวกาศ ณ บริเวณที่มีการสะสมไบโอฟิล์ม

องค์การอวกาศสากลปฏิบัติกันอย่างไร

วิธีลดปริมาณจุลชีพโดยเฉพาะอย่างยิ่ง การลดจุลชีพด้วยความร้อนแห้ง (dry heat microbial reduction; DHMR) และการใช้กระบวนการความร้อนแห้ง (dry heat processing; DHP) ซึ่งเป็นวิธีที่ใช้กันมาอย่างยาวนานในการลดการปนเปื้อนของสปอร์แบคทีเรีย [4] อย่างไรก็ตาม วิธีดังกล่าวต้องอาศัยการให้ความร้อนสูงเป็นเวลานาน จึงต้องประเมินการเสื่อมคุณภาพของวัสดุ/อุปกรณ์อย่างรอบคอบเมื่อใช้กับระบบอวกาศที่มีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ สารยึดติด สารเคลือบ และวัสดุพอลิเมอร์ที่ไวต่อความร้อน [4,5] การเช็ดหรือล้างด้วยไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ (isopropyl alcohol; IPA) ก็เป็นวิธีที่ใช้แพร่หลายสำหรับลดจุลชีพบนพื้นผิววัสดุเช่นกัน อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพต่อจุลชีพที่ทนทานสูง เช่น สปอร์แบคทีเรีย ยังมีข้อจำกัด เนื่องจากแอลกอฮอล์ไม่ได้มีฤทธิ์ฆ่าสปอร์ [6,7]

ส่วนวิธีการทำให้ปลอดจุลชีพด้วยสารเคมีและก๊าซที่อุณหภูมิห้อง เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ชนิดไอระเหย แต่เมื่อประยุกต์ใช้กับฮาร์ดแวร์ของยานอวกาศจำเป็นต้องตรวจสอบการเข้าถึงและความสม่ำเสมอของการบำบัดในชิ้นส่วนที่มีรูปทรงซับซ้อน การจัดการสารออกซิไดซ์ตกค้าง และการประเมินการคงคุณภาพวัสดุที่ถูกบำบัด [6,8,9] การทำให้ปลอดจุลชีพยังต้องคำนึงถึงจุลชีพที่ทนทานสูง เช่น Deinococcus radiodurans ซึ่งสามารถอยู่รอดได้ภายใต้สภาวะแวดล้อมรุนแรง อาทิ รังสีชนิดไอออนไนซ์ ภาวะขาดน้ำ และความเครียดออกซิเดชัน [9] ซึ่งอาจใช้วิธีบำบัดให้ปลอดจุลชีพก่อนแล้วตามด้วยการดัดแปรเป็นชั้นผิวปัดจุลชีพ (bactericidal surfaces) ดังรูปที่ 2

สำหรับการทำให้ปลอดจุลชีพด้วยพลาสมาที่ความดันต่ำถือเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่เป็นการบำบัดที่อุณหภูมิห้อง จากการที่พลาสมาที่ความดันต่ำสามารถผลิตอนุมูลเคมีรีแอกทีฟ ไอออน และรังสีอัลตราไวโอเลต ก่อให้เกิดความเสียหายต่อองค์ประกอบของจุลชีพหลายส่วน ได้แก่ DNA โปรตีน ลิพิด และเยื่อหุ้มเซลล์ [10] พลาสมาออกซิเจนที่ความดันต่ำจึงถูกใช้กันอย่างแพร่หลาย และเป็นตัวอย่างสำคัญของการทำให้ปลอดจุลชีพ ประสิทธิภาพการปลอดจุลชีพผ่านการทำงานของอนุมูลรีแอกทีฟที่มาจากก๊าซออกซิเจนมีหลายชนิด รวมถึงอะตอมออกซิเจน ออกซิเจนสถานะกระตุ้น และออกซิเจนไอออน ดังตัวอย่างในรูปที่ 3 อย่างไรก็ตาม ไอออนพลังงานสูงและอนุมูลรีแอกทีฟจากออกซิเจนเหล่านี้มีโอกาสทำให้เกิดออกซิเดชัน การตัดพันธะเคมี และการกัดกร่อนผิว ต่อวัสดุพอลิเมอร์ อันเป็นข้อกังวลการคงคุณภาพวัสดุอยู่บ้าง [11]

 .    

รูปที่ 2 ระบบพลาสมาที่ความดันต่ำ ณ ศูนย์วิจัยฟิสิกส์พลาสมาฯ ม.เชียงใหม่ (ซ้าย) ขณะบำบัดสิ่งทอ/วัสดุให้ปลอดจุลชีพด้วยพลาสมาออกซิเจน (ขวา) ขณะดัดแปรผิวสิ่งทอด้วยพลาสมาคาร์บอนเตตระฟลูออไรด์เพื่อป้องกันการยึดเกาะของจุลชีพ

แล้วพลาสมาน้ำดีกว่าอย่างไร?

กระบวนการพลาสมาที่ความดันต่ำสามารถทำให้โมเลกุลน้ำเปลี่ยนไปอนุมูลรีแอกทีฟ OH และอะตอม H ในสถานะกระตุ้นได้โดยตรงจากการชนด้วยอิเล็กตรอน การเกิด OH* และ H* สามารถแสดงได้ด้วยปฏิกิริยาพลาสมาดังนี้:

H₂O + e^- → OH* + H* + e^-(1)

ทั้งนี้คุณภาพของพลาสมาน้ำสามารถตรวจสอบติดตามได้จากสเปกโตรสโกปีการปล่อยแสงเชิงออปติก (Optical Emission Spectroscopy: OES) จะพบพีคของการปล่อยแสงเด่นชัดที่ความยาวคลื่น 309, 486 และ 656 นาโนเมตร ซึ่งเป็นตำแหน่งของแถบ OH (A²Σ⁺–X²Π) พีค H_β ของอะตอมไฮโดรเจน และพีค H_α ของอะตอมไฮโดรเจน ตามลำดับ การปล่อยแสงเหล่านี้สอดคล้องกับการแตกตัวและการกระตุ้นโมเลกุลน้ำโดยอิเล็กตรอนอิสระเข้ากระทบ (electron-impact dissociation and excitation) ความครอบคลุมปริมาตรพลาสมาทั่วทั้งห้องบำบัดบ่งชี้ถึงการเข้าทำปฏิกิริยาออกซิเดชันที่เกิดขึ้นบนผิวจุลชีพที่ปนเปื้อนกับวัสดุตัวอย่างด้วย [ดูรูปที่ 2 ซ้ายมือประกอบ]

โครงสร้างโปรตีนของเซลล์จุลชีพเป็นเป้าหมายระดับโมเลกุลที่สำคัญของอนุมูลออกซิเจนรีแอคทีฟ (reactive oxygen species) รวมถึงอนุมูล OH เนื่องจากมีความสามารถออกซิไดซ์สูงมาก (ค่าศักย์ออกซิเดชัน 2.8 อิเล็กตรอนโวลท์) อนุมูล OH ไปทำให้เกิดการออกซิเดชันของหมู่ข้างของกรดอะมิโน การตัดขาดเปปไทด์โบน ตลอดจนการแตกเป็นส่วน การเชื่อมขวาง และการรวมตัวของโปรตีน

นอกจากนี้ อนุมูล OH ยังเป็นสปีชีส์ที่ไม่มีประจุ จึงไม่ถูกเร่งตรงไปยังพื้นผิววัสดุด้วยสนามไฟฟ้าโดยตรง อีกทั้งมีอายุสั้น (~10^-9 วินาที) จึงแทบไม่เหลือตกค้างอยู่หลังการบำบัด ขณะเดียวกันสามารถลดความเสียหายต่อผิววัสดุที่เกิดจากอนุมูลมีประจุพลังงานสูงอื่นๆ นอกจากนี้ ระบบพลาสมาความดันต่ำทำงานที่ความดันประมาณ 100 ปาสคาล (Pa) ซึ่งคิดเป็นประมาณหนึ่งในพันเท่าของความดันบรรยากาศ จึงใช้น้ำในสถานะไอในปริมาณน้อยกว่าระบบพลาสมาความดันบรรยากาศเป็นอย่างมาก คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้พลาสมาน้ำที่ความดันต่ำมีศักยภาพสูงเป็นพิเศษสำหรับใช้เป็นวิธีทำให้ปลอดจุลชีพบนพื้นผิวภายนอกของยานอวกาศ รวมถึงวัสดุและอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับภารกิจอวกาศ

รูปที่ 3 ลักษณะไบโอฟิล์มของแบคทีเรีย C. Albicans (SEM) (บน) และ E. Faecalis (live/dead assay) หลังถูกบำบัดด้วยพลาสมาออกซิเจนที่ความดันต่ำ (Courtesy of PBP, CMU)

กล่าวโดยสรุปเทคนิคพลาสมาน้ำที่ความดันต่ำ มีศักยภาพในการสร้างความเสียหายต่อผิวเซลล์ องค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้ม และโปรตีนภายในเซลล์ของจุลชีพ โดยการให้ระยะเวลาบำบัดพลาสมาที่ต่อเนื่อง จนท้ายที่สุดเกินขีดความสามารถของระบบต้านอนุมูลอิสระและระบบซ่อมแซมเซลล์ของจุลชีพ ส่งผลทำให้เกิดการตายและย่อยสลายอย่างหมดจด เป็นแนวทางสร้างเทคโนโลยีการทำให้ปลอดจุลชีพบนวัสดุและอุปกรณ์ในภารกิจอวกาศได้ต่อไป

บรรณานุกรม

1. United Nations. Treaty on Principles Governing the Activities of States in the Exploration and Use of Outer Space, Including the Moon and Other Celestial Bodies. United Nations Treaty Series. 1967;610:205–221.
2. Committee on Space Research (COSPAR). COSPAR Policy on Planetary Protection. Space Research Today. 2026;224:17–39.
3. Luis Zeaa, et al., Design of a space flight biofilm experiment. Acta Astronautica. 2018; 148: 294-300
4. European Cooperation for Space Standardization. ECSS-Q-ST-70-57C: Dry Heat Bioburden Reduction for Flight Hardware. Noordwijk, The Netherlands: ECSS; 2013.
5. European Cooperation for Space Standardization. ECSS-Q-ST-70-53C: Materials and Hardware Compatibility Tests for Sterilization Processes. Noordwijk, The Netherlands: ECSS; 2008.
6. McDonnell G, Russell AD. Antiseptics and disinfectants: activity, action, and resistance. Clin Microbiol Rev. 1999;12(1):147–179.
7. Kimura S, Ishikawa S, Hayashi N, Fujita K, Inatomi Y, Suzuki S. Bacterial and fungal bioburden reduction on material surfaces using various sterilization techniques suitable for spacecraft decontamination. Front Microbiol. 2023;14:1253436.
8. European Cooperation for Space Standardization. ECSS-Q-ST-70-56C: Vapour Phase Bioburden Reduction for Flight Hardware. Noordwijk, The Netherlands: ECSS; 2013.
9. Cox MM, Battista JR. Deinococcus radiodurans—the consummate survivor. Nat Rev Microbiol. 2005;3(11):882–892.
10. Sakudo A, Yagyu Y, Onodera T. Disinfection and sterilization using plasma technology: fundamentals and future perspectives for biological applications. Int J Mol Sci. 2019;20(20):5216.
11. Hegemann D, Brunner H, Oehr C. Plasma treatment of polymers for surface and adhesion improvement. Nucl Instrum Methods Phys Res B. 2003;208:281–286.
12. Hayashi N, Guan W, Tsutsui S, Tomari T, Hanada Y. Sterilization of medical equipment using radicals produced by oxygen/water vapor RF plasma. Jpn J Appl Phys. 2006;45(10B):8358–8363.