ขยะอวกาศมัจจุราชที่ยากจะกำจัด (ตอนที่ 1)

นับตั้งแต่มนุษย์ประสบความสำเร็จในการวิจัยและพัฒนาดาวเทียมดวงแรกของมวลมนุษยชาติที่มีชื่อว่า “Sputnik-1” นำโดยทีมวิศวกรแห่งสหภาพโซเวียตและทะยานสู่ห่วงอวกาศในวันที่ 4 ตุลาคม ค.ศ.1957 จากอดีตจนถึงปัจจุบันกว่า 60 ปี ทุกประเทศล้วนตระหนักถึงความสำคัญของข้อมูลจากเทคโนโลยีอวกาศในทุกๆแขนง ดาวเทียมจำนวนนับหมื่นดวงถูกส่งเข้าสู่ทุกระดับชั้นของวงโคจรเพื่อปฏิบัติพันธะกิจที่แตกต่างกัน หากเราเปรียบเทียบวงโคจรของดาวเทียมเสมือนกับถนน ตัวดาวเทียมเองก็เหมือนกับยานพาหนะที่วิ่งอยู่บนถนนนั่นเอง ดังนั้นเมื่อมีจำนวนของดาวเทียมเพิ่มมากขึ้นการจราจรที่คับคั่งก็ทำให้ความเสี่ยงของการชนกันของวัตถุอวกาศ (Spacecraft collision risk) มากขึ้นเป็นเงาตามตัว ในปี ค.ศ. 2013 หากผู้อ่านได้มีโอกาสชมภาพยนตร์แนววิทยาศาสตร์ เรื่อง “Gravity-วิกฤตการณ์แรงโน้มถ่วง” แสดงในรูป 1.0 ซึ่งเป็นเรื่องราวเกี่ยวความน่าสะพรึงกลัวของปัญหาขยะอวกาศที่กำลังจะเกิดขึ้นในอนาคต พรรณนาถึงหมอกแห่งเศษวัสดุเล็กๆ ความเร็วสูงที่สามารถทำลายทุกๆเทคโนโลยีที่มนุษย์สั่งสมมากว่า 60 ปี ดังนั้นวิศวกรด้านอวกาศทั่วโลกจะแก้ปัญหาเหล่านี้ได้อย่างไร แล้วประเทศไทยควรตระหนักถึงปัญหานี้หรือไม่ ก่อนอื่นบทความนี้เรามาทำความเข้าใจเกี่ยวกับนิยามของคำว่า “ขยะอวกาศ” กันก่อนว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรและมีผลกระทบอย่างไร ในขยะอวกาศมัจจุราชที่ยากจะกำจัดตอนที่ 1.

รูปที่ 1.0 ภาพยนตร์เรื่อง Gravity-วิกฤตการณ์แรงโน้มถ่วง [1]
รูปที่ 1.0 ภาพยนตร์เรื่อง Gravity-วิกฤตการณ์แรงโน้มถ่วง [1]

“ขยะอวกาศ” (Space debris, Orbital debris, Space junk) คือ ทุกๆ วัตถุอวกาศที่มนุษย์สร้างขึ้นแล้วไม่สามารถควบคุมตำแหน่งของมันได้ไม่ว่าจะเป็น จรวดนำส่งวัตถุอวกาศหลังเสร็จสิ้นภารกิจ (Rocket bodies) ดาวเทียมเก่าหมดสภาพ (Dead Spacecraft) เศษวัสดุที่เกิดจากการชนกันของดาวเทียมรวมไปถึงภารกิจขีปนาวุธทำลายดาวเทียมในชั้นบรรยากาศ (Fragmentation debris) เป็นต้น [2] จากรายงานการสำรวจและติดตามวัตถุอวกาศที่ขึ้นทะเบียนแล้วขององค์การนาซ่าประจำเดือนเมษายน ค.ศ. 2016 กว่า 57 % ของทั้งหมด เป็นเศษวัสดุขนาดเล็กชิ้นส่วนดาวเทียมที่เกิดจากการชนกันเองและการทำลายของระบบขีปนาวุธ (Anti-satellite weapons) ทั้งสิ้น หากเราย้อนเหตุการณ์กลับไปของการชนกันครั้งสำคัญๆในอดีตที่ผ่านมา ในปี ค.ศ. 1991 เกิดเหตุการณ์ชนกันครั้งแรกขึ้นระหว่างดาวเทียมนำร่องปลดระวางสัญชาติรัสเซีย “COSMOS-1934” กับ ขยะอวกาศจากชื้นส่วนของดาวเทียม COSMOS-294 ในระดับวงโคจรแบบ Low-Earth orbit (LEO)  และต่อมาในปี 1996 ดาวเทียมพันธะกิจด้านการทหารของฝรั่งเศส “Cerise” ถูกขยะอากาศขนาดเล็กซึ่งเป็นส่วนประกอบของจรวด  Ariane ชนเข้ากับแขนถ่วงน้ำหนักของดาวเทียม (Gravity-gradient stabilization boom) ซึ่งทำให้ระบบรักษาสมดุลหลักของดาวเทียมเสียหายและไม่สามารถควบคุมดาวเทียมได้อีกต่อไป แต่กระนั้นเหตุการณ์หลักที่ทำให้ทั่วโลกหันมามองปัญหาขยะอวกาศอย่างจริงจังนั้นก็คือ การชนกันของสองดาวเทียมระหว่าง  Iridium-33 สัญชาติอเมริกา และ Kosmos-2251 สัญชาติรัสเซีย ซึ่งผลจากการชนกันครั้งนี้ทำให้เกิดชิ้นส่วนแตกหักกระจายอยู่ในห้วงอวกาศ ที่มีขนาดใหญ่กว่า 10 เซนติเมตรมากกว่า 21,000 ชิ้น และขนาดเล็กว่า 10 เซนติเมตรอีกกว่าแสนชิ้น [3] (เปรียบเทียบที่ 10 เซนติเมตรเนื่องจากข้อจำกัดของระบบตรวจจับภาคพื้นดิน) ดังแสดงในรูปที่ 2.0

รูปที่ 2.0 สภาพการณ์จำลองเหตุการณ์การกระจายของเศษชิ้นส่วนจากการชนกันของ Iridium-33 และ Kosmos-2251 7 วันหลังการชน (b) 3 เดือนหลังการชน  (c)1 ปี หลังการชน และ (d) 3 ปีหลังการชน
รูปที่ 2.0 สภาพการณ์จำลองเหตุการณ์การกระจายของเศษชิ้นส่วนจากการชนกันของ Iridium-33 และ Kosmos-2251
7 วันหลังการชน (b) 3 เดือนหลังการชน  (c)1 ปี หลังการชน และ (d) 3 ปีหลังการชน

เมื่อความล้ำหน้าของการพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศโดยเฉพาะอย่างยิ่งด้านการทหาร เป็นเหตุให้เกิดความไม่ไว้วางใจซึ่งกันและกัน จึงทำให้เกิดการพัฒนาระบบทำลายดาวเทียมขึ้น ในปี 2007 ประเทศสาธารณรัฐประชาชนจีนได้ทดสอบระบบขีปนาวุธทำลายวัตถุอวกาศขึ้นที่มีชื่อว่า “Dong(东)-Feng(风) 21(DF-21)” ซึ่งหมายถึง “ลมตะวันออก” (เป็นลมที่ขงเบ้งใช้ทำลายกองทัพเรือของโจโฉตามพงศาวดารสามก๊ก) ขีปนาวุธ DF-21 ถูกปล่อยจากสถานี Xichang Satellite Launch Center (西昌卫星发射中心) มณฑลเสฉวนทางตอนใต้ของประเทศจีนเพื่อทำลายดาวเทียมสำรวจสภาพอากาศของสัญชาติตนเองนามว่า “Feng(风) –Yun(云) -1C (FY-1C satellite)” ในระดับวงโคจรแบบ LEO ที่ความสูงประมาณ 800 กิโลเมตรดังรูปที่ 3.0 จากการทดสอบของจีนทำให้เกิดแรงกดดันกับสหรัฐอเมริกาให้ต้องทดสอบระบบต่อต้านเช่นเดียวกันในปีต่อมา ทั้งสองเหตุการณ์นับเป็นการสร้างขยะอวกาศยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์กว่าล้านชิ้น และทุกๆชิ้นกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเทียบเท่ากับกระสุนปืนภายใต้ปัจจัยการรบกวนของชั้นบรรยากาศ (Orbit perturbation) ที่ทำให้ตำแหน่งของวัตถุมีการเปลี่ยนแปลงไปตลอดเวลา ขยะอวกาศหลายชิ้นไม่สามารถติดตามได้เนื่องจากมีขนาดเล็กจนเกินไปคือ น้อยกว่า 10 เซนติเมตร จากการใช้ทรัพยากรอวกาศและเหตุการณ์สำคัญๆที่กล่าวมาข้างต้น หากจะเทียบความหนาแน่นของขยะอวกาศแบ่งตามระดับของวงโคจรนั้น นับว่าขยะอวกาศที่อยู่ในระดับวงโคจรต่ำมีจำนวนความหนาแน่นมากที่สุดเนื่องจากดาวเทียม ณ วงโคจรนี้เป็นดาวเทียมที่ใช้งบประมาณและเทคโนโลยีในการสร้างไม่สูงมากนัก ผนวกกับเหตุการณ์ชนกันส่วนใหญ่มักจะเกิดขึ้นที่วงโคจรระดับต่ำ ดังแสดงในรูป 4.0

fig 3.0(a) DF-21
รูปที่ 3.0 (a) ระบบขีปนาวุธ DF-21
รูปที่ 3.0 (b) ดาวเทียมสำรวจสภาพอากาศ FY-1C
รูปที่ 3.0 (b) ดาวเทียมสำรวจสภาพอากาศ FY-1C
fig 3.0(c)
รูปที่ 3.0 (c) สถานีปล่อยดาวเทียม Xichang Satellite Launch Center
รูปที่ 3.0 (d) ภาพจำลองการทำลายดาวเทียมจากสถานี Xichang
รูปที่ 3.0 (d) ภาพจำลองการทำลายดาวเทียมจากสถานี Xichang
fig 4.0 (a) LEO debris
(a) LEO
fig 4.0 (b) GEO debris
(b) GEO
fig 4.0 (c) GEO-Polar debris
(c) GEO-Polar

รูปที่ 4.0 ความหนาแน่นของขยะอวกาศในแต่ละชนิดของวงโคจร [4]

ทุกประเทศที่ใช้เทคโนโลยีอวกาศล้วนได้รับผลกระทบจากปัญหาที่เกิดขึ้น ยานอวกาศและดาวเทียมหลายดวงเสียหายหลังจากการพุ่งชนตัวอย่างเช่นในรูปที่ 5.0 อุบัติเหตุที่เกิดกับยานอวกาศ ดังนั้นสถานีอวกาศนานาชาติ(International Space Station: ISS) ที่มีโครงสร้างขนาดใหญ่ทำให้ความเสี่ยงของการชนสูงตาม จึงจำเป็นต้องติดตั้งระบบตรวจจับขยะอวกาศเพื่อคำนวณความน่าจะเป็นในการชนของวัตถุ (Probability of space collision) หลายครั้งที่สถานีควบคุมภาคพื้นดินจำเป็นต้องส่งคำสั่งปรับเปลี่ยนวงโคจรของดาวเทียมเพื่อหลบหลีกขยะอวกาศที่กำลังพุ่งเข้ามาและนั่นหมายถึงการใช้งานพลังงานที่มีมูลค่าสูงและมีอยู่อย่างจำกัดในตัวดาวเทียมเอง

(a) ขยะอวกาศชนกับ radiator ของ ยาน Endeavor
(a) ขยะอวกาศชนกับ radiator ของ ยาน Endeavor
(b) ขยะอวกาศชนกับหน้าต่างของยาน Challenger
(b) ขยะอวกาศชนกับหน้าต่างของยาน Challenger

รูปที่ 5.0 ผลกระทบจากการปะทะกับขยะอวกาศ [4]

เราเรียนรู้ประวัติศาสตร์เพื่อกำหนดนโยบายในอนาคตถึงแม้ว่าขณะนี้ระบบกำจัดขยะอวกาศอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนายังไม่เป็นผลสำเร็จเท่าที่ควร จึงมีเพียงแค่นโยบายการสร้างระบบเครือข่ายตรวจจับและติดตามภาคพื้นดินที่เป็นรูปธรรมซึ่งใช้ข้อมูลจากระบบ Passive-optical, Laser หรือ Radar telescope ที่ติดตั้งกระจายอยู่ทั่วทุกมุมโลก (Space surveillance network)  นำโดยองค์การนาซ่า, องค์การกิจการอวกาศแห่งสหภาพยุโรป (European Space agencies : ESA)  และไทยในฐานะเป็นสมาชิกองค์การความร่วมมือด้านอวกาศแห่งเอเชีย-แปซิฟิก (APSCO) ได้เข้าร่วมโครงการ Asia-Pacific ground-based Optical Satellite Observation System (APOSOS) [4] ในปี 2008 โดยหลักการคือ เพื่อออกแบบและติดตั้งระบบตรวจจับขยะอวกาศโดยใช้ข้อมูลจากเครือข่ายสถานีติดตั้ง Passive-optical telescope จำนวน 4 สถานีในประเทศสมาชิก คือ จีน ปากีสถาน อิหร่าน และ เปรู ซึ่งระบบนี้จะแล้วเสร็จในอีกไม่กี่ปีข้างหน้านี้

fig 6.0 TLE of space debris
รูปที่ 6.0 ข้อมูลสองบรรทัดของชิ้นส่วนขยะอวกาศผลจากการชนของ IRIDIUM 33

ในบทความนี้กล่าวถึงนิยามของ ขยะอวกาศ, สาเหตุของการเกิด และ ผลกระทบที่เกิดขึ้น จริงๆแล้วสิ่งเหล่านี้ล้วนเกิดจากการกระทำของมนุษย์ ดังนั้นทุกประเทศที่ใช้เทคโนโลยีด้านนี้จึงมีส่วนในการรับผิดชอบมากน้อยตามความเสียงของตนเอง ในส่วนข้อมูลตำแหน่งขยะอวกาศที่ขึ้นทะเบียนแล้วก็ยังคงบอกในลักษณะเดียวกับตำแหน่งดาวเทียมทั่วไป คือ ข้อมูลสองบรรทัด [6] “Two-line elements” ดังรูปที่ 6.0 เพื่อให้วิศวกรดาวเทียมทั่วโลกใช้เป็นข้อมูลในการติดตามตำแหน่งของพวกมัน ในบทความตอนต่อไป จะกล่าวถึงประเภทของระบบตรวจจับภาคพื้นดิน ในขยะอวกาศมัจจุราชที่ยากจะกำจัดตอนที่ 2

อ้างอิง
[1] http://www.imdb.com/title/tt1454468/
[2] H. Klinkrad, Space debris: Wiley Online Library, 2010.
[3] T. Wang, “Analysis of Debris from the Collision of the Cosmos 2251 and the Iridium 33 Satellites,” Science & Global Security, vol. 18, pp. 87-118, 2010.
[4] http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/photogallery/gallarypage/sts7crack.jpg
[5] http://www.apsco.int/program.asp?LinkNameW1=APOSOS&LinkCodeN=83
[6] http://www.celestrak.com/NORAD/elements/

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *