ดาวเทียมกับขยะอวกาศ

รถไฟฟ้ากำลังได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้นทุกที แต่สิ่งที่ทำให้รถไฟฟ้าโดดเด่นขึ้นนอกจากเรื่องของเชื้อเพลิงสะอาดแล้วก็ต้องบอกว่าเป็นระบบการสื่อสาร ระบบเชื่อมต่ออินเตอร์เน็ตโอนถ่ายข้อมูล แผนที่นำทาง GPS แล้วทำให้อัตโนมัติขึ้นเป็นระบบขับเคลื่อนด้วยตนเอง Autopilot นอกจากรถไฟฟ้าแล้ว หลายประเทศทำสงครามโดยใช้โดรนทิ้งระเบิด สอดแนม ส่งของโดยใช้โดรน หรือหุ่นยนต์ส่งของในเขตเมืองที่สามารถเลือกเส้นทางจัดส่งที่เร็วที่สุดได้เอง นาฬิกาติดตามตัวเด็กหรือ GPS ติดตามเส้นทางการเดินทางของรถบรรทุกส่งสินค้า รถโดยสารสาธารณะ ที่คอยบอกพิกัดโดยอาศัยดาวเทียมอย่างน้อยสามดวงเพื่อระบุพิกัดให้ใกล้เคียง แม่นยำให้มากที่สุด นาฬิกาวิ่งวัดที่อัตราการเต้นของหัวใจ แถมยังระบุระยะทาง เส้นทางที่วิ่งมา สมาร์ทวอช แอพพลิเคชันต่าง ๆ กล้องวงจรปิด สมาร์ทโฟน แอปต่าง ๆ ที่อยู่ในสมาร์ทโฟน อย่างเช่น พยากรณ์อากาศ แผนที่ เป็นต้น ทุกวันนี้แอปที่เราติดตั้งลงในสมาร์ทโฟนของเราอย่างน้อย 40% ต้องอาศัยการเชื่อมต่อกับดาวเทียม

สมัยก่อนดาวเทียมนั้นต้องมีขนาดใหญ่พอ ๆ กับ รถหกล้อ รถสิบล้อ แต่ในปัจจุบันเรามีเทคโนโลยีก้าวหน้าที่สามารถสร้างดาวเทียมเฉพาะทางได้ง่ายขึ้น ทำให้มีการสร้างดาวเทียมเฉพาะทางที่มีขนาดเล็กพอๆ กับกล่องใส่รองเท้ากันมากมายที่เรียกว่า cubesat หรือ nanosat นอกจากขนาดที่เล็กแล้ว เพราะต้นทุนต่ำ ตอบโจทย์ทางธุรกิจ

เมื่อต้นทุนดาวเทียมต่ำแล้ว ดาวเทียมจะเข้าไปล่องลอยอยู่ในวงโคจรได้ก็ต้องอาศัยจรวดขนส่ง ซึ่งในปัจจุบัน ต้นทุนจรวดขนส่ง ค่าขนส่งวัตถุขึ้นไปในอวกาศก็ต่ำลง เนื่องจากมีการพัฒนาจรวดสองท่อนที่สามารถนำจรวดท่อนแรกกลับมาใช้ใหม่ได้ หากเป็นบริษัทชั้นนำของโลกตอนนี้ก็คือ SpaceX ที่มีจรวด Falcon 9 ที่นำจรวดท่อนแรกกลับมาใช้ใหม่ได้โดยพัฒนาระบบลงจอดโดยอาศัยการจุดระเบิดเครื่องยนต์เพื่อช่วยในการลงจอดได้อย่างนุ่มนวลในตำแหน่งที่กำหนด ขณะเดียวกันก็มีสตาร์ทอัพขนาดเล็กมากมายที่เข้ามาสู่อุตสาหกรรมภาคธุรกิจการบินและอวกาศที่เราเรียกว่า New Space economy สตาร์ทอัพเหล่านี้มีการพัฒนาจรวดสองท่อนขนาดเล็กของตนเองขึ้นมา แต่เนื่องจากต้องการลดต้นทุนในส่วนของการนำจรวดท่อนแรกกลับมาใช้ใหม่พวกเขาไม่มีเงินมากพอที่จะติดตั้งเครื่องยนต์ช่วยลงจอดแบบของ SpaceX ได้ เพราะนั่นจะทำให้จรวดมีขนาดใหญ่ขึ้นและมีน้ำหนักมาก ต้องใช้เชื้อเพลิงมาก ก็เปลี่ยนมาใช้ระบบร่มชูชีพช่วยประคองการตกลงในทะเลแทน

ลูกค้ากลุ่มเป้าหมายของบริษัทอย่าง SpaceX กับสตาร์ทอัพขนาดเล็กก็ต่างกัน โดยลูกค้าของ SpaceX อาจจะเป็นบริษัทยักษ์ใหญ่ระดับโลก หน่วยงานวิจัยระดับนานาชาติที่ต้องอาศัยดาวเทียมดวงใหญ่ แต่ลูกค้าของสตาร์ทอัพนั้นอาจจะเป็นบริษัทเล็ก ๆ หรือประเทศเล็ก ๆ ที่มีทุนทรัพย์น้อย ต้องการทดลองวิจัยด้านวิทยาศาสตร์ด้วยดาวเทียมขนาดเล็กหรือเป็นดาวเทียมทางธุรกิจขนาดเล็ก

ทุกวันนี้การขนส่งดาวเทียมขนาดเล็กส่วนใหญ่จะต้องไปอาศัยช่วงเวลาที่ SpaceX มีกำหนดการขนส่งดาวเทียมดวงใหญ่ ซึ่งก็จะขนดาวเทียมขึ้นไปพร้อมกันทั้งดวงเล็กดวงใหญ่แล้วค่อย ๆ ทะยอยปล่อยเรียงตามลำดับกันออกมา

สิ่งสำคัญอีกประการที่ทำให้บริษัททุนหนาได้เปรียบบริษัทขนาดเล็กก็คือการประกันภัย หากจรวดเกิดขัดข้องหรือระเบิดแล้วทำให้ดาวเทียมที่ขนส่งขึ้นไปเกิดความเสียหาย ใครจะรับผิดชอบและรับผิดชอบความเสียหายได้กี่มากน้อย

……. …….

อย่างที่พูดมาข้างต้นนั้น ทำให้เราเห็นภาพรวมได้ว่า เรามีการเชื่อมโยงข้อมูลข่าวสารกันแทบจะตลอดเวลาในชีวิตประจำวันที่ต้องอาศัยดาวเทียมและเป็นดาวเทียมหลายดวงด้วยไม่ใช่แค่ดวงสองดวง ประกอบกับเทคโนโลยีด้านอวกาศที่พัฒนาอย่างต่อเนื่องทำให้ต้นทุนการสร้างดาวเทียมและต้นทุนการสร้างจรวดและต้นทุนขนส่งดาวเทียมไปปล่อยในวงโคจรนั้นถูกลงกว่าในอดีต ซึ่งจะทำให้มีดาวเทียมอีกนับหลายหมื่นดวงเตรียมที่จะถูกนำไปปล่อยในวงโคจรซึ่งจะทำให้เราสามารถเข้าถึงข้อมูลต่างๆ ได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้นไปอีก

แน่นอนว่าอวกาศนั้นเป็นพื้นที่กว้างใหญ่ไพศาลไร้ขอบเขต แต่การใช้ประโยชน์จากดาวเทียมสื่อสารของเรานั้นส่วนใหญ่จะเป็นดาวเทียมที่ต้องนำไปปล่อยในระดับวงโคจรต่ำ low Earth orbit (LEO) ที่มีระยะห่างจากโลกน้อยกว่า 2,000 กิโลเมตร บางดวงอาจอยู่ห่างจากพื้นโลกเพียง 160 กิโลเมตร แต่ก็ยังสูงกว่าระดับเพดานบินของเครื่องบินโดยสารที่จะบินกันในระดับความสูงไม่เกิน 14 กิโลเมตรจากพื้นโลก สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) เองก็อยู่ในระดับวงโคจรต่ำเช่นเดียวกัน โดยอยู่ห่างจากโลก 408 กิโลเมตร ซึ่งเป็นระยะที่เหมาะสมสำหรับการเดินทางไปกลับของนักบินอวกาศ รวมถึงการทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ ถ่ายภาพโลกซึ่งไม่ได้ไกลจนไม่ได้รายละเอียด

ดาวเทียมต่าง ๆ ในระดับวงโคจรต่ำนั้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 7.8 กิโลเมตรต่อวินาที นั่นหมายความว่าในเวลา 90 นาที ดาวเทียมดวงหนึ่งจะโคจรรอบโลกได้ 1 รอบ เช่นเดียวกันกับที่สถานีอวกาศนานาชาติจะโคจรรอบโลกได้ 16 รอบ ใน 1 วัน

แต่อย่างที่เราทราบว่า บางภารกิจไม่ได้ใช้ดาวเทียมเพียงแค่ดวงเดียว อาจจะใช้ตั้งแต่ 3 ดวง 5 ดวง หรือมากมายหลายพันดวงอย่างโครงการอินเตอร์เน็ตผ่านดาวเทียม Starlink ที่มีดาวเทียมมากถึง 3,660 ดวง คิดเป็นเกือบ 50% ของดาวเทียมในวงโคจรที่ยังใช้งานอยู่ซึ่งมีราว ๆ 7,300 ดวง

………… ………………….. ……………………….

คำถามที่พบได้บ่อย :

ทำไมดาวเทียมถึงลอยอยู่ได้ในวงโคจรไม่ตกลงมา

การที่ดาวเทียมสามารถโคจรรอบโลกได้เพราะว่ามันมีความเร็วในการเคลื่อนที่ที่สามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกได้ ดาวเทียมถูกส่งเข้าสู่อวกาศโดยจรวดที่ขึ้นมาจากพื้นโลกด้วยความเร็วอย่างน้อย 43,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เพื่อให้สามารถออกไปยังอวกาศได้ เมื่อจรวดไปถึงตำแหน่งที่ต้องการแล้ว ก็จะทำการปล่อยดาวเทียมออกมาในวงโคจร โดยความเร็วเริ่มต้นของดาวเทียมที่แยกตัวออกจากจรวด ณ ตำแหน่งที่ต้องการนั้น มีความเร็วเพียงพอที่จะทำให้ดาวเทียมสามารถโคจรรอบโลกได้อีกหลายร้อยปีเลยทีเดียว

การที่ดาวเทียมยังคงอยู่ในวงโคจรได้ก็เนื่องมาจากสมดุลของสองอย่างนี้ คือ ความเร็วในแนวราบ กับ แรงโน้มถ่วงที่โลกกระทำต่อดาวเทียม ดังนั้นดาวเทียมที่มีวงโคจรอยู่ใกล้โลกจึงต้องใช้ความเร็วในแนวราบมากขึ้นเนื่องจากถูกแรงดึงดูดของโลกกระทำได้มากกว่าดาวเทียมที่มีวงโคจรอยู่ห่างโลก

ดาวเทียมจะมีถังเชื้อเพลิงหรือจะเป็นจรวดขนาดเล็กติดอยู่ (thruster) แต่เชื้อเพลิงดังกล่าวจะไม่ได้ใช้สำหรับการจุดระเบิดเพื่อรักษาความเร็วแต่จะเก็บไว้ใช้ในตอนที่ต้องการเปลี่ยนวงโคจรหรือเพื่อหลีกเลี่ยงการชนกับขยะอวกาศ

ดาวเทียมในอวกาศมีมากมาย มีโอกาสชนกันได้หรือไม่ ?

โอกาสเกิดการชนกันของดาวเทียมนั้นมีแต่น้อยมาก เนื่องจากก่อนการปล่อยดาวเทียมแต่ละดวงจะต้องมีการคำนวณวงโคจรของดาวเทียมเพื่อไม่ให้ไปทับซ้อนหรือตัดกับวงโคจรของดาวเทียมดวงอื่น แต่ในการทำงานจริง ดาวเทียมเองก็มีการเปลี่ยนแปลงวงโคจรได้ อาจจะเพราะปัญหาเรื่องการส่งสัญญาณสื่อสารหรือหลบหลีกขยะอวกาศ ดังนั้นจึงมีโอกาสที่จะไปทับซ้อนกับวงโคจรของดาวเทียมดวงอื่นๆ ได้ ยิ่งหากมีการปล่อยดาวเทียมกันมากขึ้น โอกาสการชนกันของดาวเทียมก็จะเพิ่มมากขึ้น

….. ……. ………

ดาวเทียมนั้นมีอายุการใช้งานได้นานแค่ไหน ? เมื่อดาวเทียมไม่สามารถทำงานต่อไปได้แล้ว จะทำอย่างไรกับมัน ?

ดาวเทียม NOAA’s GOES-3 ถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศในวันที่ 16 มิถุนายน ปี 1978 ถูกปลดระวางในปี 2016 เป็นระยะเวลาเกือบ 38 ปี ก่อนที่มันจะถูกปรับวงโคจรให้เข้าสู่ Graveyard orbit หรือ Junk orbit ที่เป็นเหมือนสุสานสำหรับดาวเทียม โดย Graveyard orbit จะเป็นระดับวงโคจรที่อยู่ห่างจากวงโคจรค้างฟ้า (Geostationary Earth Orbit : GEO) ซึ่งเป็นวงโคจรที่มีระยะทางห่างจากพื้นโลก 35,786 กิโลเมตรสูงขึ้นไปอีกราว 300 กิโลเมตร

image source: wikipedia

แล้วหากเราส่งดาวเทียมขึ้นไปเรื่อย ๆ ก็เป็นการเพิ่มความหนาแน่นของดาวเทียมในอวกาศ จะส่งผลกระทบอะไรหรือไม่ ? จะเป็นเหมือนการจราจรบนท้องถนนไหม ?

ประเด็นก็คือ ดาวเทียมที่ไม่ใช้งานแล้วจะกลายเป็นขยะอวกาศล่องลอยในวงโคจรด้วยความเร็ว 7.8 กิโลเมตรต่อวินาที !!! ซึ่งด้วยความเร็วขนาดนี้หากไปเฉี่ยวชนกับดาวเทียมดวงอื่นหรือชนเข้ากับสถานีอวกาศก็อาจก่อให้เกิดความเสียหายอย่างใหญ่หลวง เราก็พอจะมองเห็นแนวโน้มแล้วว่าจะมีดาวเทียมที่ไม่ใช้งานและดาวเทียมที่ใช้งานเพิ่มมากขึ้นไปเรื่อย ๆ จากการที่ต้นทุนไปอวกาศต่ำลง ความน่าจะเป็นในการเกิดการเฉี่ยวชนก็จะต้องเพิ่มขึ้นอย่างแน่นอน ถึงแม้ดาวเทียมเองจะมีเชื้อเพลิงสำรองไว้เพื่อการเปลี่ยนแปลงวงโคจรหรือหลบเลี่ยงการเฉี่ยวชนกับขยะอวกาศอื่น ๆ ก็ตามที หากเราจะไปดวงจันทร์แต่ดันมาโดนขยะอวกาศชนกระสวยอวกาศจนเกิดความเสียหายต้องยกเลิกภารกิจ เราจะยังกล้าคิดถึงเที่ยวบินไปดาวอังคารลำดับต่อไปได้หรือ มนุษย์จะถูกขังไว้แต่เพียงบนโลกด้วยขยะอวกาศที่สร้างขึ้นมาห้อมล้อมโลกจากน้ำมือของพวกเขาเอง ?

ไม่มีกฎหมายระหว่างประเทศเกี่ยวกับการกำจัดดาวเทียม มีเพียงข้อตกลงร่วมกันว่าจะนำดาวเทียมที่ไม่สามารถใช้งานได้แล้วกลับมายังโลกภายในระยะเวลาไม่เกิน 25 ปี แต่ในความเป็นจริงมีดาวเทียมไม่ถึงครึ่งที่ถูกนำกลับลงมายังโลกโดยอาศัยเชื้อเพลิงที่เหลือ

การจัดการกับดาวเทียมที่ไม่ใช้แล้วในปัจจุบันส่วนใหญ่จะเลือกให้ขยับวงโคจรไปอยู่ใน วงโคจรสุสาน Graveyard orbit หรือไม่ก็ลดระดับโคจรลงมา โดยระดับวงโคจรที่สูงห่างจากโลกไม่เกิน 600 กิโลเมตรนั้น ดาวเทียมจะเคลื่อนที่ช้าลงเนื่องจากแรงต้านของอากาศแล้วจะค่อย ๆ ตกเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก เกิดการเสียดสีกับชั้นบรรยากาศจนเผาไหม้ไปในที่สุด แต่ว่าอาจจะมีชิ้นส่วนบางอย่างที่สร้างขึ้นเพื่อทนความร้อนอย่างหัวฉีดเชื้อเพลิงหรือว่าถังเชื้อเพลิง หลุดรอดจากการเผาไหม้ตกลงมายังพื้นโลกได้ ถึงแม้โอกาสที่จะตกลงมาแล้วก่อให้เกิดอันตรายต่อชีวิตและทรัพย์สินของผู้คนนั้นน้อยมาก

ว่ากันว่ามีขยะอวกาศกว่า 30,000 ตัน ที่ตกลงสู่โลกในช่วง 60 ปีมานี้ โดยที่ยังไม่มีรายงานผู้บาดเจ็บหรือเสียชีวิต เพราะส่วนใหญ่แล้วขยะอวกาศจะตกลงสู่มหาสมุทร แต่นั่นก็ไม่ใช่เรื่องที่เราจะเพิกเฉยได้

ณ เวลานี้วิธีการที่กำลังพัฒนากันขึ้นมาก็คือการใช้วิธีการกางใบออกจากกล่องที่ติดกับดาวเทียมเมื่อถึงเวลาปลดระวางดาวเทียม ไม่ใช้งานแล้ว โดยลักษณะของใบที่กางออกมาบางลักษณะก็จะเป็นแผ่นฟลอยด์ที่กางออกมาแล้วจะเหมือนกับใบเรือ บางการออกแบบก็จะทำคล้ายกับร่มชูชีพ ทั้งนี้ก็เพื่อที่จะอาศัยแรงต้านของอากาศที่ถึงแม้จะมีอย่างเบาบางในบริเวณนั้นแต่ก็เพียงพอที่จะช่วยในการชะลอความเร็วของดาวเทียมที่โคจรในระดับวงโคจรต่ำ จากนั้นดาวเทียมดวงดังกล่าวก็จะค่อย ๆ ลดระดับวงโคจรลงจนเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก เกิดการเสียดสีและเผาไหม้ในบริเวณนี้จนหมด

ที่ยุโรปมีโครงการที่เรียกว่า Cleansat ซึ่งเป็นโครงการความร่วมมือกันของผู้ผลิตที่เกี่ยวข้องในอุตสาหรรมการผลิตดาวเทียมในยุโรป เพื่อหาทางจัดการกับดาวเทียมที่หมดวาระการใช้งานแล้ว ไม่ว่าจะเป็นการปรับเปลี่ยนวงโคจรที่ไม่ก่อให้เกิดผลกระทบใหญ่หลวงตามมาและมีต้นทุนต่ำรวมถึงพยายามคิดค้นวัสดุที่ใช้สร้างดาวเทียม อย่างหัวฉีดหรือถังเชื้อเพลิงที่ต้องทนความร้อนสูงมากได้ เมื่อดาวเทียมกลับเข้ามาผ่านชั้นบรรยากาศของโลก เกิดการเสียดสีเผาไหม้ส่วนอื่นจนหมด จะเหลือแต่ส่วนที่ทนความร้อนหลุดรอดตกลงมายังโลกได้ ซึ่งตรงนี้ยังเป็นสิ่งที่ก่อให้เกิดอันตรายได้ พวกเขาพยายามที่จะคิดค้นวัสดุอื่นเข้ามาแทนที่ จากที่เคยใช้ไทเทเนียมหรือสแตนเลสสตีลก็หันมาใช้อลูมิเนียมอัลลอยด์แทน

ที่ผ่านมานั้นการทำให้ดาวเทียมสักดวงหนึ่งตกลงสู่มหาสมุทรบริเวณที่ห่างไกลจากผู้คนมาก ๆ หรือเป็นสุสานของวัตถุที่เข้ามาจากอวกาศที่เรารู้จักกันในชื่อจุดนีโม ( Point of Nemo ) แต่ว่าการบังคับให้ดาวเทียมไปตกบริเวณดังกล่าวนั้นมีค่าใช้จ่ายที่สูงมากเนื่องจากต้องเพิ่มเชื้อเพลิงเข้าไปถึง 4 เท่าจากปริมาณเชื้อเพลิงปรกติที่ใช้ในการขึ้นไปในอวกาศซึ่งจะทำให้ดาวเทียมมีน้ำหนักและขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้นก็จะส่งผลให้ค่าใช้จ่ายโดยรวม ไม่ว่าจะเป็นการผลิต เชื้อเพลิง รวมถึงค่าจรวดขนส่งดาวเทียมสูงขึ้นด้วย

หากปริมาณการเพิ่มดาวเทียมและการปลดระวางดาวเทียมทำได้อย่างสมดุลกันแล้ว ขยะอวกาศก็จะน้อยลง การที่จำนวนขยะอวกาศมีมากขึ้นทุกทีนั้นทำให้การใช้ชีวิตและทำงานในสถานีอวกาศของมนุษยชาตินั้นมีความอันตรายเพิ่มขึ้นอย่างมาก อย่าลืมว่าหลังจากชนกันแล้ว ขยะอวกาศก็ยังคงอยู่ เมื่อมีขยะอวกาศเพิ่มมากขึ้นก็จะกลายเป็นเหมือนกลุ่มเมฆวงแหวนขยะอวกาศ และในอนาคตเวลาที่เราเแหงนหน้ามองขึ้นไปยังท้องฟ้ายามค่ำคืน ดวงดาวที่เราเห็นอาจจะไม่ใช่ดวงดาวนิ่งๆ เหมือนอดีตที่ผ่านมา แต่จะเต็มไปด้วยดวงดาวที่เป็นจุดสว่างเคลื่อนที่ไปมาเต็มท้องฟ้าก็เป็นได้