Technology

 ดองบล๊อกมา 9 วันเต็มๆ ยอดคนดูก็ฮวบๆ (ไม่ได้กะทำ blog เอาตังค์จะซีเรียสทำไม?)  เค็มได้ที่แล้วครับพี่น้อง  ช่วงนี้ต้องเตรียมงานหลายๆ อย่าง ทั้งสไลด์สำหรับนำเสนอในงานประชุม วทท ครั้งที่ 34 , รายงานความคืบหน้าวิทยานิพนธ์,  งานวิจัยที่จะตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติ,  รูปเล่มวิทยานิพน์(ยังไม่ได้เริ่มเลย) ไหนจะสอนพิเศษวิชาพื้นฐานวิศวะ(เค้าจะสอบกันตุลานี้แล้ว)  ไหนจะแปลข่าวลงเวบอีก  เลยต้องดองบล๊อกกันหน่อย 

แต่ไหนๆ ก็ไหนๆ แล้วถ้าจะมัวรอให้เขียนเสร็จหมดคงอีกนานเลยตัดเอาช่วงแรกๆ มาก่อนเป็นตอนที่ 1 ก็แล้วกันเพื่อฉลอง  Kidou Senshi Gundam 00  Season 2nd ที่จะออกอากาศเดือนหน้า มาเริ่มกันด้วย  ฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับกันดัม ดับเิบิลโอเลยดีกว่า

 

ลิฟต์อวกาศ(Space Lift ) คือความหวังอย่างหนึ่งของมนุษยชาติ มันมีบทบาทโลดแล่นอยู่ในนิยายวิทยาศาสตร์ของนักเีขียนอย่างเช่น อาเธอร์ ซี คลาร์ก ผู้ล่วงลับ  ในงานมังงะเรื่อง  เพชรฆาตไซบอร์ก(Gunnm& Gunnm Last Order)  Masked Rider Kabuto:God Speed Love   หรือแม้แต่นิทานแจ๊คผู้ฆ่ายักษ์(ก็ต้นถั่วที่โตจนขึ้นไปถึงเมฆนั่นไง)   และหอคอยแห่งบาเบล 

นิทานเรื่องแจ๊คผู้ฆ่ายักษ์(Jack and the Bean stalk)  ลิฟต์อวกาศในนิทานsource:http://www.eventidearts.org/images/jack.JPG

 

 

หอคอยแห่งบาเบล เมืองบาบิลอน หอคอยที่มนุษย์สร้างเพื่อจะไปให้ถึงแดนสวรรค์
จนถูกสาปให้ล่มสลายและทำให้มนุษย์คุยกันไม่รู้เรื่องหรือทำให้เกิดภาษามากมาย 
(พระธรรมกำเนิด genesis 11:4)
source:http://en.wikipedia.org/wiki/Non-rocket_spacelaunch

 

ฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์เบื้องหลังลิฟต์อวกาศ  สิ่งปลูกสร้างระดับ giga-project  จะขนถ่ายวัสดุอุปกรณ์หรือแม้แต่มนุษย์ขึ้นไปยังอวกาศโดยไม่ใช้จรวดซึ่งสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง      นี่อาจจะเปลี่ยนโฉมการขนส่งอวกาศ  เทคโนโลยีอวกาศ  การท่องเที่ยวในอวกาศ  ตลอดจนเป็นตัวเร่งเร้าให้เกิดการสร้างอาณานิคม(colony)ในอวกาศ  หรือแม้แต่แหล่งติดตั้งอุปกรณ์กำเนิดพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์!!! แบบที่ไม่ต้องกลัวเมฆฝนหรือกลางวันกลางคืน

 

ดาวเทียมกำเนิดพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งทำหน้าที่ผลิตไฟฟ้า แล้วส่งพลังงานไฟฟ้าลงมาผ่านทางลิฟต์อวกาศ เพื่อป้อนให้กับมนุษย์บนโลก source:http://brianandrew.wordpress.com/2008/06/21/gundam-00-in-reality/

 

เมื่อปี 1895 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Konstantin Tsiolkovsky ได้รับแรงบันดาลใจจากหอไอเฟลในกรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส นำมาเสนอแนวคิดการสร้างหอคอยที่สูงขึ้นไปถึงอวกาศ ที่ระดับความสูง 35,786 กิโลเมตร เหนือระดับน้ำทะเล  บริเวณเส้นศูนย์สูตร    อันเป็นระดับความสูงที่วัตถุหรือดาวเทียมจะโคจรรอบโลกด้วยความเร็วเดียวกับที่โลกหมุนรอบตัวเอง ผู้สังเกตบนพื้นผิวโลกจึงมองเห็นว่าดาวเทียมนั้นค้างอยู่บนฟ้าไม่เคลื่อนที่ไปไหน  ที่เรียกว่า วงโคจรค้างฟ้า(geostationary orbit : GSO)

 วงโคจรพ้องคาบโลก(geosyncronize orbit) คือวงโคจรที่วัตถุใช้เวลาโคจรรอบโลกครบรอบเป็นเวลาเดียวกับที่โลกใช้โคจรรอบตัวเอง  แต่วงโคจรพ้องคาบโลกอาจจะเอียงทำมุมกับศูนย์สูตรหรือไม่ก็ได้  สำหรับวงโคจรที่ขนานกับเส้นศูนย์สูตร ทำให้ตัววัตถุดูเหมือนว่าอยู่นิ่งเที่ยบกับผู้สังเกตบนผิวโลก เรียกว่า วงโคจรค้างฟ้า(geostationary orbit)ดัีงภาพด้านล่าง

 

 

วงโคจรพ้องคาบโลกชนิดต่างๆ  มีเพียงรูปซ้ายบนที่เป็น วงโคจรพ้องคาบโลก ชนิด ค้างฟ้า ซึ่งเหมาะแก่การใช้สร้างลิฟต์อวกาศ  source : Figure 3.1 Orbits of satellites. (After E.C. Barrett and L.F. Curtis, 1982)

 

หากไม่สร้างที่วงโคจรค้างฟ้า  ตัวลิฟต์ก็จะเคลื่อนที่ไปเรื่อยๆ ไม่อยู่เป็นหลักแหล่งที่ใดที่หนึ่งบนผิวโลก จะทำให้ใช้งานและบำรุงรักษาได้ยาก(อาจถึงขั้นพัง)  ดังนั้นก็ต้องสร้างที่วงโคจรแบบนี้ล่ะนะ  ส่วนตัวสถานีภาคพื้นดินจึงต้องอยู่บริเวณศูนย์สูตรโลกเพื่อความสะดวกในการขนส่งและโครงสร้างของลิฟต์ที่จะเป็นแนวตั้งฉากดับพื้นผิวโลกพอดี 

อนึ่ง จาก DragonBall จะเห็นว่าวังของพระเจ้า  จะอยู่ตรงหัว "หอคอยการิน" อยู่เสมอ แล้วใช้กระบองยืดได้ืยืดขึ้นไปหา(หลังๆ บินเอา) แสดงว่า  วังของพระเจ้าอยู่ที่วงโคจรค้างฟ้าสินะ  แล้วหอคอยการินกับวงพระเจ้าก็ต้องอยู่ตรงศูนย์สูตรด้วย

 

 

 

วงโคจรค้างฟ้า geostationary orbit  source:http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Geostat.gif

 

 

บริเวณเส้นศูนย์สูตรและพื้นที่ไม่เกินละติจูด 10 องศาเหนือใต้ เป็นบริเวณที่เหมาะแก่การสร้างลิฟต์อวกาศ  credit: nasa
 

 นอกจากปัจจัยทางด้านเทคนิคข้างต้นแล้ว อีกปัจจัยหนึ่งที่ทำให้บริเวณศูนย์สูตรเหมาะแก่การสร้างลิฟต์อวกาศก็คือด้านสภาพภูมิอากาศ บริเวณศูนย์สูตรเป็นบริเวณที่แทบไม่มีพายุหมุนเขตร้อนพัดผ่าน  (พายุหมุนเขตร้อนจะกำเนิดบริเวณละติจูดสูงกว่า 5 องศาเหนือใ้ต้)   มีสถานที่หลายแห่งที่ถูกระบุว่าเหมาะแก่การสร้าง แต่ก็ัยังหาข้อสรุปไม่ได้ เช่น กลางมหาสมุทรแปซิฟิค (ปลอดพายุ)  สิงค์โปร์(เมืองท่า)  สีหลังคา เอ๊ย!! ศรีลังกา(ท่านอาเธอร์ ซี คลาร์ก ชมชอบเป็นการส่วนตัว จนมาซื้อบ้านอยู่โดยไม่กลัวสงครามระหว่างสองเผ่าบนเกาะ --หรือท่านจะรอให้ Celestial Being มาช่วย)  หรือแอฟริกากลาง เป็นต้น แน่นอนสำหรับใน Gundam 00 ลิฟต์อวกาศ  Tenshou ของสหพันธ์ปฏิรูปมนุษยชาติ   Tower ของ Union และ La Tour ของ AEU  ทั้งสามล้วนตั้งอยู่บริเวณเส้นศูนย์สูตรทั้งสิ้น

ลิฟต์อวกาศ (space  lifts) ยังถูกเรียกได้อีกหลายชื่อ อาทิ  ต้นถั่วของบักแจ๊ค(beanstalks),  สะพานอวกาศ(space bridges),  บันไดเลื่อนอวกาศ(space elevator), (บันได(พาดแล้วปีน)อวกาศ) space ladders,  ตะขอฟ้า skyhooks,  หอคอยวงโคจร(orbital towers) หรือแม้แต่บันไดเลื่อน(ออก MG)วงโคจร orbital elevators.

แนวคิดในปัจจุบันและของจาก Tsiokovsky เอง แนะนำให้ใช้ tether ซึ่งเป็นลักษณะของสถานีสองสถานีเชื่อมต่อกันด้วยเคเบิล(กลม)หรือสายแบน(Ribbon)   โดยสถานีหนึ่งจะโคจรในอวกาศ  ส่วนอีกสถานีหนึ่งจะอยู่บนผิวโลก (เหมือนกับนคร "เยรู" กับ "ซาเล็ม" ใน Gunnm หรือเพชรฆาตไซบอร์ก)  ขณะที่โลกหมุนรอบตัวเอง แรงโน้มถ่วงที่ทำตัวเป็นแรงสู่ศูนย์กลางจะดึงให้สายเคเบิลนั้นตั้งตรง(แต่ก็ดึงให้ตัวลิฟต์ตกลงไปด้วย)  หากมองใน "กรอบอ้างอิงแบบหมุน"(rotating reference frame) จะพบว่าแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ซึ่งเป็นแร'ที่พบได้ในกรอบอ้างอิงแบบหมุนเท่านั้น จะเป็นตัวเหวี่ยงให้ตัวลิฟต์ตั้งฉากกับแนวแกนหมุน(rotating axis)รอบตัวเองของโลกนั่นเอง

 

สำหรับผู้สังเกตภายนอกรถยนต์ที่กำลังเข้าโค้ง จะเห็นว่าแก้วน้ำกับกระเป๋าตังค์ที่เลื่อนไถลนั้นเพราะมันเคลื่่อนที่ตามแนวเส้นทางเดิม ต่างหาก  แต่สำหรับผู้สังเกตในรถ(ซึ่งเป็นกรอบหมุน) จะเห็นว่าของทั้งสองเคลื่อนที่ห่างออกจากตัวเขาเพราะแรงเหวี่ยงหนีศูนย์  จึงเป็นความจริงคนละอย่าง ภายในกรอบอ้างอิงคนละกรอบ  (ดังนั้นคนเราควรทำความเข้าใจกรอบคิดของกันและกันจะได้ไม่มีปัญหาทางความคิดเหมือนประเทศสารขัณฑ์  ไม่เห็นจะเกี่ยวเลยอ่ะ)  credit:hyperphysics

 

อนึ่งสำหรับผู้สังเกตในกรอบอ้างอิงเฉื่อย(Initial Reference Frame)หรือเกือบเฉื่อยจะไม่พบว่ามีเป็นแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ แต่กลับเป็นเพราะการพยายามรักษาสภาพการเคลื่อนที่ตามแนวสัมผัสต่างหากที่ทำให้ตัวลิฟต์ตั้งตรงหรือถูกเหวี่ยงออกจากศูนย์กลางการหมุน

 

กราฟแสดงความเร่งและทิศทาง ณ แต่ละจุดบนสายเคเบิลหรือตัวลิฟต์อวกาศ  ที่ระยะน้อยกว่าระยะวงโคจรพ้องคาบโลก  จะมีแรงดึงให้ตกกลับสู่โลก จึงจำเป็นตั้งมี counter weight เพื่อใช้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่ทิศพุ่งออก ในส่วนที่ห่างออกจากวงโคจรพ้องคาบโลก ดึงรั้งตัวเคเบิลหรือลิฟต์ไม่ให้ตกลงไปบนโลก   credit:Bradley C. Edwards, Ph.D.

 

ปัญหาแรงโน้มถ่วงกับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์  อย่างไรก็ตามหากความสูงของลิฟต์วงโคจรต่ำกว่าระดับวงโคจรค้างฟ้า  ซึ่งแรงดึงดูดของโลกมากกว่าแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ ตัวลิฟต์อวกาศจะถูกดึงให้ตกลงมา   ดังนั้นจึงต้องมีส่วนที่ขยายออกไปซึ่งสูงกว่า ระดับวงโคจรค้างฟ้ายื่นไปยังบริเวณที่แรงเหวี่ยงหนีศูนย์มากกว่าแรงดึงดูดของโลกเพื่อใช้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์ถ่วงเอาไว้เรียกว่า counter weight  ซึ่งอาจใช้สถานีอวกาศ หรือดาวเคราะห์น้อยเป็นเหมือนตุ้มน้ำหนักได้เช่นกัน  ใน Gundam 00 ส่วนที่ใช้เป็นตัวถ่วงน้ำหนักที่ส่วนยอดก็คือ "ดาวเทียมถ่วงน้ำหนัก"   แต่อย่างไรก็ตามความท้าทายทางฟิสิกส์และวิศวกรรมก็คือ ก็ต้องออกแบบให้ จุดศูนย์กลางมวล(center of mass) ของลิฟต์ทั้งหมดอยู่ที่ระดับวงโคจรค้างฟ้า จึงจะเสมือนหนึ่งว่าทั้งตัวลิฟต์เป็นดาวเทียมที่โคจร ณ วงโคจรค้างฟ้านั่นเอง

 

  ส่วนประกอบของลิฟต์อวกาศเด้อหล้า  source:http://newfrontiersblog.blogspot.com/2008/03/great-space-elevator.html

 

เอาไว้แค่นี้ก่อน ยังมีหลายประเด็นที่น่าพูดถึงเกี่ยวกับลิฟต์อวกาศ เช่นปัญหาในการเลือกใช้วัสดุ  เทคนิคในการสร้าง ความเสี่ยงภัยของลิฟต์อวกาศ หรืออันตรายเมื่อเกิดอุบัติเหตุ เป็นต้น ไว้ได้อารมณ์ศิลปิน(ติสต์แตก)เมื่อไหร่จะหยิบมาเขียนเพิ่มเติม

ซีรีส์ทำิวิัจัยต่างแดนก็ยังไม่จบ (ยังไม่ได้เล่าเรื่องพิพิธภัณฑ์เจ๋งๆ ที่ Capital Mall  Washington DC เลย)

แถมท้ายความสนใจด้านลิฟต์อวกาศนี่ไม่ใช่เล่นเลย  มีบล๊อกเกี่ยวกับด้านนี้มากมายอย่าง  http://www.spaceelevatorblog.com   การประชุมทางวิชาการ ( http://www.spaceelevatorconference.org)   หรือแม้แต่องค์การลิฟต์อวกาศด้วยนะ อย่างเช่นองค์การลิฟต์อวกาศของญี่ปุ่น JSEA

ที่มา

P.K. Aravind, "The Physics of the space elevator", American Association of Physics Teachers. 2006 DOI:10.1119/1.2404957

 Meister File ~Internal Data of Veda~ Volume 2, (c) SOTSU SUNRISE MBS [DEX] Co., Ltd. 2008

"Non-Rocket Space Launch", http://en.wikipedia.org/wiki/Non-rocket_spacelaunch [Online], 2008

"Space Elevator", http://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator [Online], 2008

"List of Anno Domini Technology", http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Anno_Domini_technology [Online], 2008