กุญแจเทคโนโลยีควอนตัมอยู่ที่ดวงจันทร์ ? เพราะสิ่งสำคัญในเทคโนโลยีควอนตัมบนโลกมีไม่พอ !

ฮีเลียม-3 (He-3) เป็นสารสำคัญต่อเทคโนโลยีการประมวลผลแบบควอนตัม (Quantum Processing) ซึ่งเป็นอนาคตของการประมวลผลทางคอมพิวเตอร์แบบใหม่ของโลก อย่างไรก็ตาม ฮีเลียม-3 ที่สามารถใช้งานได้บนโลกมีเพียง 100 กิโลกรัม ซึ่งไม่เพียงพอต่อความต้องการของระบบควอนตัมในอนาคต จึงมีแนวคิดทำเหมืองบนดวงจันทร์เพื่อนำฮีเลียม-3 ที่อาจมีมากเป็นล้านตันกลับมาใช้งานบนโลก

ฮีเลียม-3 กับเทคโนโลยีควอนตัม

ฮีเลียม-3 (He-3) เป็นธาตุไอโซโทปของฮีเลียม (He) แบบที่หาได้ยากมากที่สุดชนิดหนึ่งบนโลก ฮีเลียม-3 นั้นได้จากอนุภาคโฟตอน 2 ตัว รวมกับนิวตรอน 1 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว ซึ่งเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear fusion) บนดวงอาทิตย์ ในขณะที่ฮีเลียมที่พบทั่วไป (He-4) จะมีนิวตรอน 2 ตัว 

ด้วยเหตุนี้ ฮีเลียม-3 ส่วนใหญ่จึงพบปะปนในชั้นแมนเทิล (Mantle) ของโลก และบางส่วนที่ปะปนในชั้นบรรยากาศในรูปแบบของแก๊สในปริมาณที่น้อยมาก โดยฮีเลียม-3 เป็นส่วนสำคัญในการผลิตพลังงานในกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชัน รวมถึงยังมีสมบัติเป็นของเหลวที่เรียกว่าซูเปอร์ฟลูอิด (Superfluid) ซึ่งเป็นสถานะของเหลวพิเศษซึ่งไม่มีความหนืด (Zero viscosity) ที่อุณหภูมิ 2.491 มิลลิเคลวิน (mK) หรือ -273.1475 องศาเซลเซียส (°C) 

ในขณะเดียวกัน ระบบควอนตัมคอมพิวเตอร์จำเป็นต้องทำงานในสภาพใกล้เคียงกับศูนย์องศาสัมบูรณ์ (Absolute zero) หรือใกล้เคียงกับ 0 เคลวิน มากที่สุด จึงเป็นที่มาของความต้องการใช้ฮีเลียม-3 ที่เป็นซูเปอร์ฟลูอิดในการสร้างความเย็นแบบไครโอเจนิก (Cryogenic Cooling) ให้ระบบควอนตัมคอมพิวเตอร์ และยังช่วยลดสัญญาณรบกวนในระบบที่อาจเกิดขึ้นในระดับควอนตัมได้อีกด้วย

ฮีเลียม-3 บนโลก มีสิทธิ์ไม่พอใช้

งานวิจัยจากองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ หรือนาซา (NASA) ในปี 2021 ระบุว่า โลกมีปริมาณฮีเลียม-3 ที่สามารถดึงมาใช้ได้เพียง 100 กิโลกรัม เท่านั้น ซึ่งแม้ว่าปริมาณนี้จะเพียงพอต่อการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ รวมถึงการใช้งานทางการแพทย์ เช่น การเป็นส่วนระบบความเย็นแบบไครโอเจนิกของแม่เหล็กสำหรับเครื่อง MRI แต่ก็อาจไม่พอต่อการใช้งานส่วนอื่น รวมถึงระบบควอนตัมคอมพิวเตอร์ในอนาคต

สอดคล้องกับข้อมูลจากทีเอ็มอาร์ (TMR: Transparency Market Research) บริษัทสำรวจ วิจัยและวิเคราะห์ทางการตลาดในสหรัฐอเมริกาที่ระบุว่า โลกมีปริมาณฮีเลียม-3 เพียงร้อยละ 0.0001 ของฮีเลียมทั้งหมดในโลก 

ความต้องการฮีเลียม-3 ในปัจจุบัน

กว่า 80% ของฮีเลียม-3 ถูกนำไปใช้เพื่อความมั่นคงของประเทศทั้งในฝั่งสหรัฐอเมริกา ยุโรป และเอเชีย ส่วนที่เหลือเป็นการใช้งานทางการแพทย์ การสร้างความเย็น (cryogenic cooling) รวมถึงการใช้งานกับระบบควอนตัมคอมพิวเตอร์

ทีเอ็มอาร์ ระบุอีกด้วยว่า การผลิตฮีเลียม-3 ในปัจจุบัน พึ่งพาการผลิตที่เป็นผลพลอยได้ (Byproduct) ของการผลิตอาวุธนิวเคลียร์ซึ่งมีสหรัฐอเมริกาเป็นผู้นำ เช่น เรือดำน้ำ รถถัง เรือบรรทุกเครื่องบิน และหัวรบ ซึ่งได้กำลังการผลิตที่ปีละ 15 กิโลกรัม 

ความต้องการฮีเลียม-3 ในอนาคต

แต่อัตราการผลิตนี้อาจไม่ยั่งยืนในอนาคต จากปัญหาความมั่นคงระหว่างประเทศที่อาจทำให้ฮีเลียม-3 กลายเป็นแร่ยุทธศาสตร์ซึ่งส่งผลให้ฮีเลียม-3 ถูกจำกัดการผลิตและส่งออกได้เช่นกัน

นอกจากนี้ ข้อมูลจากบริษัทวิจัยการตลาดในสหราชอาณาจักรอย่าง ไอดีเทคเอ็กซ์ (IDTechEx) ระบุว่า โลกมีความต้องการใช้งานฮีเลียมกว่า 176 ล้านลูกบาศก์เมตร ในปี 2024 และคาดการณ์ว่า ความต้องการจะพุ่งขึ้นเป็น 322 ล้านลูกบาศก์เมตร ในปี 2035 นี้

ด้วยปัจจัยต่าง ๆ เหล่านี้ ทำให้ราคาฮีเลียม-3 ในปัจจุบัน อยู่ที่กิโลกรัมละ 20 ล้านดอลลาร์สหรัฐ หรือเกือบ 650 ล้านบาท และมีแนวโน้มพุ่งสูงขึ้นในอนาคตด้วยเช่นกัน 

ดวงจันทร์: แหล่งฮีเลียม-3 ที่รอวันนำไปใช้ ?

เนื่องจากฮีเลียม-3 เกิดขึ้นจากกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear fusion) บนดวงอาทิตย์ ทำให้ฮีเลียม-3 เล็กน้อยถูกพัดพาไปพร้อมกับลมสุริยะ (Solar wind) ได้เช่นกัน

แต่ว่าโลกมีชั้นบรรยากาศและสนามแม่เหล็กห่อหุ้มไว้ ทำให้ลมสุริยะไม่สามารถเข้าถึงโลกได้มากนัก ต่างจากดวงจันทร์ที่รับลมสุริยะอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายพันล้านปี นักวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะจาก NASA จึงคาดว่า ดวงจันทร์จะได้รับฮีเลียม-3 ปริมาณนับล้านตัน ฝังลึกหลายเมตรในชั้นเรโกลิธ (Regolith) หรือชั้นของเศษวัสดุร่วนที่ปกคลุมพื้นผิวของดวงจันทร์

การค้นหาและเก็บเกี่ยวแหล่งฮีเลียม-3 บนดวงจันทร์

การคาดการณ์ของ NASA ทำให้เกิดแนวคิดการทำเหมืองและเก็บเกี่ยวฮีเลียม-3 บนดวงจันทร์ ซึ่งมี 2 บริษัท ที่สนใจนำฮีเลียม-3 กลับมายังโลกด้วยวิธีที่แตกต่างกัน

การขุดหินบนดวงจันทร์ที่อาจมีฮีเลียม-3

บริษัท อินเตอร์ลูน (Interlune) เป็นสตาร์ตอัปที่ตั้งขึ้นในปี 2020 เพื่อเก็บเกี่ยวทรัพยากรต่าง ๆ บนดวงจันทร์ ซึ่งในเดือนธันวาคมนี้ Interlune จะส่งกล้องหลายสเปกตรัม (Multispectural camera) ที่พัฒนาร่วมกับศูนย์วิจัย Ames ของ NASA ไปกับยานสำรวจ FLEX Lunar Innovation Platform (FLIP) ของ Astrolab ที่จะเดินทางไปยังขั้วโลกใต้ของดวงจันทร์ เพื่อประเมินปริมาณและความเข้มข้นของฮีเลียม-3 ในเรโกลิธ

นอกจากนี้ Interlune อยู่ระหว่างออกแบบภารกิจที่เรียกว่า Prospect Moon ในปี 2027 เพื่อเก็บตัวอย่างเรโกลิธ, ประมวลผล และวัดฮีเลียม-3 โดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า แมสสเปกโตรมิเตอร์ (mass spectrometer) เพื่อพิสูจน์ทราบตำแหน่งของฮีเลียม-3 

จากนั้น Interlune จะใช้เครื่องขุดเครื่องขุด (excavator) ที่ออกแบบให้ดูดซับเรโกลิธบนดวงจันทร์ในอัตรา 100 เมตริกตันต่อชั่วโมง เพื่อนำกลับมาสกัดฮีเลียม-3 บนโลกในอนาคต

โดยกลุ่มลูกค้าหลักของ Interlune คือบริษัทที่พัฒนาระบบควอนตัมคอมพิวเตอร์โดยเฉพาะ ซึ่งปัจจุบันทางบริษัทได้ลงนามกับบริษัทบลูฟอร์ส์ (Bluefors) ผู้ผลิตระบบทำความเย็นแบบไครโอเจนิก เพื่อรับซื้อฮีเลียม-3 สูงสุด 10,000 ลิตรต่อปี สำหรับเทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์อีกด้วย

การดักจับฮีเลียม-3 บนดวงจันทร์

อย่างไรก็ตาม บริษัทแมกนา เพตรา (Magna Petra) สตาร์ตอัปด้านการเก็บเกี่ยวทรัพยากรบนดวงจันทร์ในสหรัฐอเมริกาอีกราย มองว่า ดวงจันทร์เปรียบเสมือนฟองน้ำที่ดูดซับอนุภาคของลมสุริยะมานานหลายพันล้านปี ทำให้เป็นแหล่งไอโซโทปที่มีความอุดมสมบูรณ์

ด้วยเหตุนี้ แนวทางเก็บเกี่ยวฮีเลียม-3 ของบริษัทคือการดึงอะตอมของฮีเลียม-3 ที่อยู่ในรูปแก๊ส แทนการขุดเรโกลิธบนดวงจันทร์ด้วยเทคนิคการทำเหมืองแบบดั้งเดิมที่ใช้บนโลก โดยการดักจับแก๊สฮีเลียม-3 ที่ลอยตัวต่ำเหนือพื้นผิวเรโกลิธ พร้อมชูจุดเด่นที่ใช้พลังงานดักจับต่ำและไม่ต้องลงทุนโครงสร้างพื้นฐานของระบบสูงเหมือนการทำเหมืองแบบดั้งเดิม

ปัจจุบัน Magna Petra และไอสเปซ (ispace) บริษัทสำรวจดวงจันทร์ของญี่ปุ่น ได้บรรลุข้อตกลงที่จะร่วมมือกันพัฒนาการสำรวจ, การสกัด และการนำ He-3 กลับสู่โลก โดยมีแผนสำหรับภารกิจสำรวจดวงจันทร์ เพื่อนำตัวอย่างเรโกลิธกลับมาในช่วงปี 2029-2030 นี้

ควอนตัมคอมพิวเตอร์ ต้องการฮีเลียม-3 มากแค่ไหน ?

เมื่อเดือนพฤษภาคมที่ผ่านมา เมย์เบลล์ ควอนตัม (Maybell Quantum) สตาร์ตอัปด้านโครงสร้างพื้นฐานทางควอนตัมคอมพิวเตอร์ในสหรัฐฯ แถลงข่าวความร่วมมือระหว่างกับบริษัท อินเตอร์ลูน (Interlune) ว่าจะซื้อฮีเลียม-3 ที่ Interlune ผลิตได้จากการทำเหมืองบนดวงจันทร์ในอนาคต 

และตอนหนึ่งของการแถลงระบุว่า “กระบวนการแช่เย็นในปัจจุบันสำหรับเทคโนโลยีควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้ฮีเลียม-3 ไม่เกิน 20 - 40 ลิตร แต่เมื่อระบบเพิ่มขนาด (คิวบิต - qubit) การใช้ฮีเลียม-3 อาจพุ่งเป็นหลักร้อย หรือแม้แต่หลักพันลิตรได้”

ปัจจุบัน มีบริษัทด้านควอนตัมคอมพิวเตอร์กว่า 76 บริษัท ทั่วโลก รวมถึงไอบีเอ็ม (IBM) กูเกิล (Google) ไมโครซอฟท์ (Microsoft) เอ็นวิเดีย (NVIDIA) รวมถึงฝั่งจีนอย่างสปินคิว (SpinQ) ควอนตัมซีเท็ค (QuantumCTek) และ ออริจิน ควอนตัม (Origin Quantum) ซึ่งทั้งหมดผลิตหน่วยประมวลผลควอนตัม (Quantum Processing Unit: QPU) กว่า 1,000 ตัว และควอนตัมคอมพิวเตอร์ที่มีกำลังสูงที่สุดในโลกในปัจจุบันคือ ไอบีเอ็ม คอนดอร์ (IBM Condor) ที่ประมวลผลได้สูงสุด 1,121 คิวบิต (Qubit)