T.A.R.S. แนวคิดใหม่ใช้ใบเรือแสงหมุนพลังงานแสงอาทิตย์ พลิกโฉมการเดินทางข้ามดวงดาว

วิธีการเดินทางในอวกาศยังคงได้รับการเสนอแนวคิดใหม่ ๆ อย่างต่อเนื่อง ล่าสุดในช่วงต้นปี 2025 ศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง (David Kipping) และแคทรีน ลัมโป (Kathryn Lampo) นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย สหรัฐอเมริกา  ได้นำเสนอแนวคิดใหม่ที่น่าสนใจสำหรับการส่งยานสำรวจขนาดเล็กข้ามอวกาศระหว่างดวงดาว ด้วยระบบที่ชื่อว่า T.A.R.S. หรือ "Torqued Accelerator Using Radiation from the Sun" 

แนวคิดนี้เป็นการใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์โดยตรงเพื่อเป็นเครื่องเหวี่ยงแบบแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ส่งยานสำรวจขนาดเล็กออกไปนอกระบบสุริยะ ชื่อ T.A.R.S. ได้รับแรงบันดาลใจจากหุ่นยนต์อเนกประสงค์ในภาพยนตร์เรื่อง "Interstellar" ซึ่งสะท้อนถึงอิทธิพลของภาพยนตร์ไซไฟที่มีต่อการค้นพบทางวิทยาศาสตร์

หุ่นยนต์ TARS ในภาพยนตร์ Interstellar ที่มาของภาพ Paramount Pictures

ศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง (David Kipping)

แรงขับเคลื่อนสู่ดวงดาว และความปรารถนาอันยาวนานของมนุษยชาติ

ก่อนหน้านี้มีความพยายามที่จะสำรวจแนวคิดการเดินทางระหว่างดวงดาว เช่น โครงการ Breakthrough Propulsion Physics ของ NASA ในปี 1996 เพื่อศึกษาแนวคิดหัวรุนแรงอย่างวาร์ปไดรฟ์และรูหนอน แต่โครงการนี้ก็ถูกยุบไปในปี 2013 

ต่อมาในปี 2016 มหาเศรษฐียูริ มิลเนอร์ (Yuri Milner) ได้ระดมนักฟิสิกส์ชั้นนำ รวมถึง เซอร์ มาร์ติน รีส (Sir Martin Rees),  ฟรีแมน ไดสัน (Freeman Dyson) และสตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) เพื่อแก้ปัญหาการส่งยานสำรวจไปยังระบบดาวอื่นภายในช่วงชีวิตนี้ พวกเขาเสนอแนวทางที่ดีที่สุดคือ ใบเรือแสงที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ (Laser-propelled light sail)

ข้อจำกัดของแนวคิดเดิมนำไปสู่การคิดค้น T.A.R.S.

การใช้ใบเรือแสงแบบโซลาร์เซลล์ทั่วไปใช้แรงดันรังสีจากดวงอาทิตย์ในการเร่งความเร็วนั้นดูเหมือนจะเป็นสิ่งที่มีความเป็นไปได้มากที่สุด แต่ปัญหาคือเมื่อใบเรือเคลื่อนห่างจากดวงอาทิตย์ แรงดันรังสีจะลดลงอย่างรวดเร็ว 

เมื่อแรงดันรังสีลดลงทำให้ยานไม่สามารถทำความเร็วได้มากพอที่จะไปถึงดาวดวงอื่น แม้ว่าโครงการ Breakthrough Starshot ได้แนะนำแนวทางแก้ไขด้วยการยิงเลเซอร์กำลัง 100 กิกะวัตต์ ใส่ใบเรือเพื่อให้ได้ความเร็ว 20% ของความเร็วแสง 

อย่างไรก็ตาม แนวคิดนี้ประสบปัญหาด้านวิศวกรรมมากมาย ทำให้ไม่สามารถนำมาใช้ได้จริงในทางปฏิบัติ รวมถึงค่าใช้จ่ายมหาศาลในการสร้างเลเซอร์กำลังสูงและปัญหาด้านเงินทุน

ศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง (David Kipping) ซึ่งเคยเสนอแนวคิดเทอร์ราสโคป (Terrascope)  ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้บรรยากาศโลกในการหักเหแสงเพื่อลดต้นทุนการสำรวจ ได้เล็งเห็นถึงความจำเป็นในการหาวิธีที่ถูกกว่า และเป็นไปได้จริง สำหรับการเดินทางระหว่างดวงดาว

โดยศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง ได้รับแรงบันดาลใจจากฉากการเทียบท่าในภาพยนตร์ "Interstellar" ซึ่งแสดงถึงผลกระทบอันน่าสะพรึงกลัวของแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง และคิดว่าหากสามารถเก็บพลังงานจลน์จากการหมุนได้มากพอ ก็อาจเป็นกุญแจสำคัญ

กลไกการทำงานของ T.A.R.S.

T.A.R.S. หรือ "Torqued Accelerator Using Radiation from the Sun"  ใช้หลักการทำงานโดยมีใบเรือสองแผ่นขนาดเท่ากัน ทำจากวัสดุบางเฉียบ ด้านหนึ่งเคลือบด้วยสีเงินสะท้อนแสง และอีกด้านเป็นสีดำ 

ใบเรือทั้งสองจะถูกวางในอวกาศโดยหันด้านสะท้อนแสงไปในทิศทางตรงกันข้ามกันและเชื่อมต่อกันด้วยสายโยง เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบ ใบเรือด้านเงินจะได้รับแรงดันรังสีมากกว่าด้านดำประมาณสองเท่า 

วิธีการนี้จะทำให้ระบบเริ่มหมุนและเร่งความเร็วอย่างต่อเนื่อง ระบบนี้ทำหน้าที่เหมือน แบตเตอรี่เชิงกล หรือล้อตุนกำลัง (Flywheel) ที่แปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นการหมุน

เมื่อ T.A.R.S. หมุนเร็วขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงความเร็ววิกฤตที่แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางมีมากเกินไป ก่อนที่จะถึงจุดที่สายโยงจะขาด ระบบจะปล่อยยานสำรวจขนาดเล็กเท่าชิปคอมพิวเตอร์ (Microchip sat) ออกไป ยานสำรวจนี้จะพุ่งออกไปด้วยความเร็วสูงเข้าสู่อวกาศระหว่างดวงดาว เดินทางด้วยความเร็ว 997.7908 กิโลเมตร ต่อวินาที หรือ 0.33% ของความเร็วแสง เทียบได้กับ 1/300 เท่า ของความเร็วแสง

การแก้ปัญหาการคงตำแหน่งด้วยวงโคจรแบบ Quasite

ปัญหาสำคัญของใบเรือแสง คือ แรงดันรังสีจากดวงอาทิตย์จะผลักใบเรือออกไปห่างจากดวงอาทิตย์ ทำให้ได้รับพลังงานน้อยลง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ T.A.R.S. จึงถูกวางในรูปแบบวงโคจรแบบ Quasite

ก่อนอื่นต้องทำความใจวงโคจรแบบ Statite หรือใบเรือแสงที่บางและเงามากพอจนแรงดันรังสีจากดวงอาทิตย์สมดุลกับแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์ ทำให้สามารถลอยนิ่งอยู่ในอวกาศได้อย่างสมบูรณ์

ในขณะที่วงโคจรแบบ Quasite นั้นเป็นแนวคิดที่ศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง (David Kipping) พัฒนาขึ้นมาเมื่อ 6 ปีก่อน เป็นใบเรือที่บางและเงาแต่ไม่มากพอที่จะต้านทานแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ได้อย่างสมบูรณ์

โดยแรงโน้มถ่วงยังคงมีอิทธิพลมากกว่าเล็กน้อย ทำให้สามารถใช้ "ความเร็วสัมผัส" (Tangential velocity) เพียงเล็กน้อยเพื่อรักษาการโคจรไว้ วงโคจรแบบ Quasite นี้แตกต่างจากกฎของเคปเลอร์ทั่วไป ที่กล่าวเอาไว้ว่าวัตถุต่างๆ จะโคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งหมายความว่าวัตถุที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์จะโคจรเร็วกว่าวัตถุที่อยู่ไกลออกไป ตัวอย่างเช่น ดาวพุธโคจรรอบดวงอาทิตย์เร็วกว่าโลก

แต่สำหรับ Quasite นั้นแตกต่างออกไป แรงโน้มถ่วงยังคงมีอิทธิพลมากกว่าเล็กน้อย มันไม่ได้สมดุลกันอย่างสมบูรณ์เหมือน Statite แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ยังคงดึง Quasite เข้าหาดวงอาทิตย์มากกว่าแรงผลักจากแสงอาทิตย์

และเพื่อไม่ให้ Quasite ตกลงไปในดวงอาทิตย์ มันจึงต้องมีความเร็วในการเคลื่อนที่ไปด้านข้าง หรือ ความเร็วสัมผัส เล็กน้อย เหมือนกับที่ดาวเทียมโคจรรอบโลก นั่นคือดาวเทียมกำลังตกลงมาตลอดเวลา แต่ความเร็วไปด้านข้างของมันทำให้มันเคลื่อนที่ไปตามความโค้งของโลกแทนที่จะพุ่งชนกับพื้นโลก

ด้วยแรงโน้มถ่วงที่ยังคงมีอิทธิพลอยู่และต้องการความเร็วสัมผัสเพียงเล็กน้อย Quasite จึงสามารถโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยความเร็วที่ ช้ากว่าที่กฎของเคปเลอร์จะคาดการณ์ไว้ ทำให้ T.A.R.S. สามารถคงระยะห่างจากดวงอาทิตย์ไว้ได้ที่ 1 หน่วยดาราศาสตร์ (AU) เพื่อรับพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างต่อเนื่องและสูงสุดนั่นเอง

การออกแบบทางวิศวกรรมและประสิทธิภาพ

ศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง (David Kipping) ได้ทำงานร่วมกับแคทรีน ลัมโป (Kathryn Lampo) นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย สหรัฐอเมริกา เพื่อปรับปรุงการออกแบบ โดยพวกเขาพบว่ารูปทรงของใบเรือควรเป็นแบบริบบิ้นที่กว้างตรงกลาง และเรียวออกไปทางปลาย เพื่อรับมือกับแรงตึงที่สูงที่สุดตรงกลาง และเพื่อให้มั่นใจในเสถียรภาพการหมุน โดยหลีกเลี่ยงผลกระทบจากปรากฎการณ์ T-handle ที่อาจทำให้ระบบหมุนพลิกคว่ำได้

สำหรับวัสดุ ใช้วัสดุแผ่นคาร์บอนนาโนทิวบ์ ซึ่งมีความแข็งแรงต่ออัตราส่วนน้ำหนักสูงที่สุดในปัจจุบัน ด้านหนึ่งถูกพ่นด้วยเงินนาโนโครงสร้างเพื่อการสะท้อนแสงสูง และอีกด้านใช้ฟิล์มคาร์บอน ใบเรือ T.A.R.S. ตามตัวอย่างการคำนวณจะมีขนาดกว้าง 7 เมตร ยาว 63 เมตร และหนาเพียง 2.8 ไมครอน มีน้ำหนักรวมประมาณ 1.6 กิโลกรัม ทำให้มีน้ำหนักเบาสำหรับการปล่อย

T.A.R.S. สามารถพับเก็บเป็นทรงกระบอกแล้วกางออกในอวกาศได้ การหมุนจะใช้เวลาประมาณ 3 ปีในการเร่งความเร็วไปสู่จุดแตกหักที่ 12.1 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งจำกัดโดยความต้านทานแรงดึงของแผ่นคาร์บอนนาโนทิวบ์ 

เมื่อรวมกับความเร็วในการโคจรแบบ Quasite รอบดวงอาทิตย์ที่ 28.3 กิโลเมตรต่อวินาที ยานสำรวจจะถูกปล่อยออกไปด้วยความเร็ว 40.4 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งเกินความเร็วหลุดพ้นจากระบบสุริยะที่ 40 กิโลเมตรต่อวินาที ทำให้สามารถเดินทางระหว่างดวงดาวได้

แม้ความเร็วนี้จะทำให้ใช้เวลามากกว่า 30,000 ปี ในการเดินทางไปถึงระบบดาว Alpha Centauri ซึ่งห่างออกไป 4.3 ปีแสง แต่ศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง (David Kipping) เชื่อว่านี่เป็นจุดเริ่มต้นที่มีคุณค่าสำหรับการเดินทางระหว่างดวงดาวที่อาจใช้เวลาหลายชั่วอายุคน

แนวคิดการเดินทางข้ามดวงดาวที่มีประโยชน์ด้านอื่น ๆ

นอกจากการเดินทางระหว่างดวงดาวแล้ว T.A.R.S. ยังมีศักยภาพในด้านอื่น ๆ เช่น การสร้าง เครือข่ายถ่ายทอดข้อมูล โดยปล่อยยานหลายลำต่อกันเป็นห่วงโซ่ เพื่อขยายสัญญาณการสื่อสารไปยังระยะไกล และการ ป้องกันรังสีสำหรับดาวอังคาร 

โดยอาศัย T.A.R.S. ที่ชาร์จประจุไฟฟ้าให้แปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นสนามแม่เหล็กเฉพาะที่ เพื่อใช้เป็นเกราะป้องกันรังสีจากดวงอาทิตย์ ปกป้องฐานทัพและนักสำรวจอวกาศบนดาวอังคาร ทั้งยังสามารถนำไปใช้วางเป็น “ฝูงยานแม่เหล็ก” รอบดาวเคราะห์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันได้อีกด้วย

ปัจจุบัน T.A.R.S. ยังคงเป็นแนวคิดที่นำเสนอในเอกสารทางวิชาการ ไม่มีการสร้างต้นแบบหรือถูกนำไปพัฒนาต่อยอด

อย่างไรก็ตาม มันเป็นระบบปล่อยยานที่มีความเป็นไปได้สูง สำหรับยานสำรวจระหว่างดวงดาวขนาดเล็กและราคาประหยัด โดยใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์และวัสดุที่มีอยู่ ศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง (David Kipping) ยืนยันว่า T.A.R.S. ไม่ใช่ "กระสุนเงิน" ที่แก้ปัญหาการเดินทางระหว่างดวงดาวทั้งหมดได้ในทันที และไม่สามารถใช้ขนส่งมนุษย์ได้เนื่องจากแรง G มหาศาล แต่มีจุดประสงค์เพื่อนำแนวคิดที่ยิ่งใหญ่ เช่น Breakthrough Starshot มาปรับให้เป็นเวอร์ชันที่สามารถนำมาใช้จริงได้มากขึ้น และเพื่อกระตุ้นให้ผู้อื่นทำเช่นเดียวกัน

ศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง (David Kipping) ได้รับความสนใจจากบริษัทอวกาศเอกชนบางแห่งที่เสนอพื้นที่บนยานปล่อยจรวดครั้งต่อไป หากเขาสามารถจัดหายานต้นแบบขนาด CubeSat ได้ เขามองว่านี่เป็นโครงการที่นักศึกษาวิศวกรรมศาสตร์ระดับปริญญาตรีสามารถช่วยสร้างได้ แนวคิดนี้ได้ถูกเผยแพร่สู่สาธารณะเพื่อให้นักวิจัยคนอื่น ๆ สามารถต่อยอดและปรับปรุงการออกแบบได้ โดยศาสตราจารย์เดวิด คิปปิ้ง เชื่อมั่นว่ามนุษย์ควรเริ่มลงมือทำตั้งแต่วันนี้เพื่อประโยชน์ของคนรุ่นหลัง