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.

“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 {8645ed30ebfee2716765f004cf3f74a8c4ef5e59d5d4d4ef1cf40763c4bdb1fe} 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

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

รูปที่ 4.0 ความหนาแน่นของขยะอวกาศในแต่ละชนิดของวงโคจร [4]

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

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

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/