ฝูงดาวเทียมจิ๋วตะลุยอวกาศ

ในบ่ายแก่ของวันอาทิตย์ นักศึกษากลุ่มหนึ่งจากมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ ในสหรัฐอเมริกา กำลังนั่งรวมกลุ่มกันบนพื้นและจ้องกล่องพลาสติกสูง 34 เซนติเมตร ที่บรรจุดาวเทียมชิปแซท (ChipSat) จำนวนหนึ่ง ซึ่งเป็นดาวเทียมขนาดเล็กที่สุดในโลกที่พวกเขาสร้างขึ้นมากับมือซึ่งพวกเขาหวังว่าจะได้เห็นพวกมันดีดตัวออกจากกล่องพลาสติกในอีกไม่กี่วินาทีหลังจากนั้น

นักศึกษากลุ่มนี้กำลังทดสอบกลไกการดีดตัวที่จะปล่อยดาวเทียมพวกนี้ออกสู่อวกาศ แซก แมนเชสเตอร์ นักวิทยาศาสตร์ที่ดูแลการทดลองนี้นั่งอยู่ข้างเครื่องคอมพิวเตอร์ซึ่งทำงานประสานกันกับกล่องพลาสติกในการส่งพลังงานไปยังลวดโลหะ เพื่อให้สกรูพลาสติกเผาไหม้ และเปิดทางให้สปริงดีดดาวเทียมชิปแซทออกไปในทุกทิศทาง

ปล่อยดาวเทียมจากสถานีอวกาศ

องค์การนาซ่าจะส่งกล่องพลาสติกพร้อมดาวเทียมชิปแซท 102 ดวง ขึ้นไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) กล่องหรือ “ยานแม่” จะถูกปล่อยจากสถานีอวกาศ และส่งดาวเทียมขนาดพกพาจำนวนหนึ่งสู่อวกาศเพื่อวัดความเข้มของสนามแม่เหล็กโลกจากจุดต่างๆ ซึ่งจะต่างจากดาวเทียมแบบทั่วไปเพราะดาวเทียมพวกนั้นวัดสนามแม่เหล็กได้จากจุดจุดเดียวเท่านั้น

ชิปแซทมีขนาดเท่ากับแสตมป์ดวงใหญ่ดวงหนึ่งที่มีน้ำหนักเพียง 4 กรัม ขณะที่ดาวเทียมคูบแซท (CubeSat) รุ่นพี่ของมัน ซึ่งหนักราว 1 กิโลกรัม และในอีกสิบปีน้ำหนักจะลดลงเหลือแค่ 50 มิลลิกรัมเท่านั้น ดาวเทียมหนัก 50 มิลลิกรัมจำนวนหนึ่งล้านดวง จะมีน้ำหนักรวมกันเท่ากับน้ำหนักเฉลี่ยของเครื่องมือวิทยาศาสตร์ที่ใช้ในภารกิจอวกาศขณะนี้เพียงหนึ่งเครื่องเท่านั้น

แม้จะมีขนาดเล็กมาก แต่ว่าแผ่นชิปแผ่นนี้มีทั้งแผงโซลาร์เซลล์ เครื่องปล่อยสัญญาณวิทยุอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เป็นทั้งไจโรสโคปและเครื่องวัดอัตราเร่ง หรือที่เรียกว่า IMU (Inertial Measurement Unit) อุปกรณ์วัดสนามแม่เหล็ก เซ็นเซอร์วัดแสง หลอดไฟแอลอีดี และคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กที่อยู่ในรูปของไมโครโพรเซสเซอร์

งานบัดกรีบนกระทะแพนเค้ก

ราว 8 ชั่วโมงก่อนทดสอบการทำงานของกล่องพลาสติก กลุ่มนักศึกษาได้เตรียมตัวดังที่เคยทำทุกวันเสาร์-อาทิตย์ ตั้งแต่ปี 2015 เป็นต้นมา

แมนเชสเตอร์บรรจงพันเสาอากาศแบบอ่อนรอบดาวเทียมจิ๋วก่อนบรรจุมันเข้าไปในช่องว่างทั้งสี่แถวของยานแม่ แกนขนาดเล็กจะถูกสอดจากด้านบนผ่านรูเล็กๆ ที่อยู่ตรงมุมของดาวเทียมในแต่ละแถว เพื่อให้มันจัดเรียงตัวในตำแหน่งที่ถูกต้อง นี่อาจเป็นการทดลองขั้นเริ่มต้นที่มีบางขั้นตอนคล้ายกับการทดสอบอุปกรณ์ในอดีต เช่น วิทยุหรือโทรศัพท์ แมนเชสเตอร์ให้ภรรยาของเขานำชิปแซทขึ้นไปวางไว้บนยอดเขาในแคลิฟอร์เนีย เพื่อทดสอบว่าการสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุใช้การได้หรือไม่ สายเบ็ดที่ร้อยแกนแต่ละเส้นเข้ากับสปริงซึ่งติดอยู่ที่ฝาของยานแม่เป็นสิ่งที่หาซื้อได้จากซูเปอร์มาร์เก็ตทั่วไป การบัดกรีแผงวงจรก็ใช้กระทะไฟฟ้าสำหรับทำแพนเค้กเป็นอุปกรณ์ช่วย ส่วนเส้นลวดโลหะที่ให้ความร้อนแก่สกรูพลาสติกจนหลอมละลายก็ได้มาจากลวดนิโครม ซึ่งเป็นโลหะผสมที่ใช้เป็นตัวให้ความร้อนภายในเตาปิ้งขนมปัง

ดาวเทียมชิปแซททั้งหมดภายในกล่องมีหน่วยความจำแรมรวมกันเพียง 4 กิโลไบต์ และหน่วยความจำแฟลชอีก 32 กิโลไบต์ ความสามารถในการคำนวณจึงเทียบได้กับเครื่องคิดเลขในยุค 1990 เครื่องหนึ่งเท่านั้น ส่วนอายุการใช้งานขณะที่โคจรรอบโลกอยู่ในวงโคจรระดับต่ำจะอยู่ได้ไม่เกิน 1 สัปดาห์ ก็จะถูกเผาไหม้จนหมดภายในชั้นบรรยากาศ

ดาวเทียมรุ่นนี้จะมาพร้อมกับแม่เหล็กไฟฟ้าที่ประกอบขึ้นจากเส้นลวดบางๆ ที่แทรกอยู่ ระหว่างชั้นของซิลิคอน นักวิทยาศาสตร์หวังว่าแม่เหล็กไฟฟ้านี้จะตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กโลกและทำให้เกิดแรงผลักอย่างอ่อนๆ ได้ แม่เหล็กไฟฟ้าจึงทำหน้าที่เสมือนเฟืองบังคับเลี้ยวให้กับดาวเทียม ดาวเทียมชิปแซทรุ่นก่อนหน้าหมุนไม่เป็นท่าจนดูเหมือนกับจานร่อน แต่แม่เหล็กไฟฟ้าที่ติดตั้งเข้าไปจะหยุดการหมุนของมันและบังคับทิศทางของมันให้หันแผงโซลาร์เซลล์เข้าหาดวงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้าสำหรับใช้งาน

งานวิจัยที่เป็นผลพลอยได้จากวิดีโอเกม

ดาวเทียมมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ เพราะความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ เทคโนโลยีที่ใช้ในการสื่อสารได้อานิสงส์มาจากการพัฒนาโทรศัพท์มือถือ และการทำงานประสานกันระหว่างอุปกรณ์วัดความเร่งและไจโรสโคป (IMU) ซึ่งใช้ในเครื่องเล่นเกมวี (Wii) ของนินเทนโด ในขณะเดียวกันการพัฒนาแบบก้าวกระโดดของอุปกรณ์และเซ็นเซอร์ขนาดเล็กที่รู้จักกันในชื่อ MEMS (Microelectromechanical Systems) ช่วงไม่กี่สิบปีที่ผ่านมา ก็ช่วยให้ชิปแซทเป็นรูปเป็นร่างเร็วขึ้น เทคโนโลยี MEMS ช่วยให้ดาวเทียมชิปแซท นำอุปกรณ์ขนาดเล็กชนิดต่างๆ ขึ้นไปวัดอุณหภูมิ ความดัน ปริมาณรังสี และทดลองวัดสเปกตรัมของแสงอย่างง่ายในอวกาศได้

 แนวคิดของการสร้างดาวเทียมย่อส่วนเกิดขึ้น เมื่อราวปี 2000 เมสัน เพ็ก อาจารย์ที่ปรึกษาของแมนเชสเตอร์ ขณะศึกษาปริญญาเอกได้นำอุปกรณ์ต่างๆ ที่พัฒนาขึ้นโดยเทคโนโลยี MEMS ในขณะนั้นมาบรรจุอยู่ในหน่วยเดียวกันให้มีขนาดเล็กที่สุดและส่งข้อมูลขึ้นไปในอวกาศได้ เพ็กอาจนับเป็นผู้ให้กำเนิดชิปแซทคนแรกก็ได้นอกจากที่มหาวิทยาลัยคอร์เนลล์แล้ว ดาวเทียมชิปแซทยังสร้างขึ้นที่ศูนย์อวกาศเซอร์เรย์ และมหาวิทยาลัยสแตรธไคลด์ในอังกฤษ รวมถึงห้องปฏิบัติการเครื่องยนต์เจ็ตของนาซ่า และสถาบันเอ็มไอทีในสหรัฐอเมริกาอีกด้วย

ภาพ : http://www.mondolithic.com

 

ภารกิจในอนาคต ของดาวเทียมชิปแซท

ดาวอังคาร ชิปแซทสามารถล่องลอยอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวอังคาร เพื่อตรวจวัดปริมาณแก๊สที่เป็นองค์ประกอบได้ ดาวเทียมที่ลงจอดบนพื้นผิวของดาวอังคารจะทำหน้าที่เป็นสถานีตรวจอากาศขนาดเล็ก หรือ “ป้ายบอกทาง” สำหรับภารกิจของมนุษย์บนนั้นในอนาคต

ดวงจันทร์ การทำงานร่วมกันระหว่างไจโรสโคปและอุปกรณ์วัดความเร่ง (IMU) ทำให้ชิปแซททำหน้าที่เป็นเครื่องบันทึกแรงสั่นสะเทือนสำหรับวัดความรุนแรงของแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นในแต่ละจุดบนพื้นผิวของดวงจันทร์ได้ วงแหวนดาวเสาร์ ดาวเทียมชิปแซทหลายหมื่นดวงจะถูกปล่อยเข้าไปในวงแหวนรอบดาวเสาร์ เพื่อศึกษาองค์ประกอบและความหนาแน่น

ดาวศุกร์ ดาวเทียมชิปแซทที่หุ้มด้วยลูกบอลซิลิคอนคาร์ไบด์อาจถูกนำไปปล่อยในชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์ที่อันตรายต่อมนุษย์ พายุสุริยะ ถ้าชิปแซทถูกนำไปวางระหว่างโลกและดวงอาทิตย์มันจะสามารถตรวจวัดอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งเดินทางมาพร้อมกับลมสุริยะ และสร้างเป็นแผนที่ภูมิอากาศแบบสามมิติ เพื่อช่วยในการทำนายความรุนแรงของพายุสุริยะได้