ไมโครแกรวิตีคืออะไร

            ไมโครแกรวิตีคือ สภาวะที่มนุษย์อวกาศหรือสิ่งของที่ปรากฎไม่มีน้ำหนักเป็นสภาวะที่ลอยอยู่ในอากาศหรือกำลังตกอย่างอิสระไมโคร แปลว่า เล็กมากหรือ 1 ในล้าน ไมโครแกรวิตีจึงแปลว่า แกรวิตีที่น้อยมาก ๆ ในไมโครแกรวิตีนักบินอวกาศสามารถยกของหนัก ๆ หลายร้อยกิโลกรัมได้อย่างง่ายดาย การเรียก ไมโครแกรวิตี ว่าเป็น ซีโรแกรวิตี (Zero-G ทำให้เกิดความเข้าใจผิดได้ เพราะซีโรแกรวิตีแปลว่า แกรวิตีเป็นศูนย์ แต่ไมโครแกรวิตียังมีแกรวิตีอยู่

ไมโครแกรวิตี ไม่ใช่ ซีโรแกรวิตี

            เชอร์ อาร์เทอร์ ซี คลาร์ก นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ผู้มีชื่อเสียง ได้ใช้คำว่า ซีโรแกรวิตี สำหรับมนุษย์อวกาศที่อยู่ในอวกาศทำให้หลายคนเข้าใจผิดว่าในยานอวกาศไม่มีแรงโน้มถ่วงหรือแรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์  ส่วนที่เป็นศูนย์ไม่ใช่แรงโน้มถ่วงของโลกแต่เป็นน้ำหนักของมนุษย์อวกาศ จี้งเรียกว่ามนุษย์อวกาศอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนัก (weightlessness) กล่าวคือ ถ้านักบินอวกาศนั่งอยู่บนตาชั่งในสถานีอวกาศ เข็มตาชั่งจะชี้เลข 0 เพราะทั้งตาชั่งและมนุษย์อวกาศต่างกำลังตกลงอย่างอิสระพร้อม ๆ กัน ตกลงสู่โลกด้วยแรงโน้มถ่วงของโลกเดียวกัน แรงโน้มถ่วงของโลกที่ผิวมีค่ามากกว่าที่ระดับสูงกว่า เช่น ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่ผิวเท่ากับ 9.81 เมตรต่อวินาทีกำลังสองที่ระดับสูง 400 กิโลเมตร ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกเท่ากับ 8.74 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง

            ถ้า g₀ เป็นความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่ผิว g_h เป็นความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกที่ระดับความสูง h จะพบว่า

มีไมโครแกรวิตีในอวกาศหรือไม่

            แกรวิตีเกิดจากโลก ดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์ และดวงดาวทั้งหลาย ดังนั้นจึงมีแกรวิตีในอวกาศ โดยมีค่าต่าง ๆ กัน เช่น แกรวิตีที่ผิวโลกจะมากกว่าที่ระดับสูง 400 กิโลเมตร์ แกรวิตีดังกล่าวเกิดจากแรงโน้มถ่วงของโลกโดยตรง และแรงโน้มถ่วงของโลกลดลงตามกฎกำลัง 2 ผกผัน ที่ผิวโลกความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก g₀ = 9.81 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง ที่ระดับสูง 400 กิโลเมตร ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก g₄₀₀ = 8.7369 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง ที่ระดับสูง 401 กิโลเมตร ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก g₄₀₁ = 8.7318 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง ดังนั้นที่ระดับสูง 400 กิโลเมตร ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกลดลง 0.0059 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง ต่อ 1 กิโลเมตร = 0.59 µg เมตรต่อวินาทีกำลังสอง ต่อกิโลเมตร ตามการคำนวณข้างต้น

ทำไมวัตถุจึงลอยในอวกาศและยานอวกาศตกรอบโลกได้อย่างไร

            วัตถุไม่ลอยอยู่นิ่งในอวกาศเทียบกับโลก วัตถุที่อยู่ในยานอวกาศลอยอยู่ในยานอวกาศ เพราะทั้งวัตถุและยานอวกาศต่างเคลื่อนที่ไปด้วยกัน กำลังตกสู่พื้นโลกพร้อมกัน วัตถุจึงลอยในยานอวกาศ ยานอวกาศตกลงตามเส้นโค้งรอบโลก ยานอวกาศและวัตถุภายในยานกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร่งในทิศทางเข้าสู่จุดศูนย์กลางของโลก แรงที่ดึงยานอวกาศก็คือแรงโน้มถ่วงของโลกนั่นเอง เส้นทางที่ยานอวกาศเคลื่อนที่ไม่เป็นเส้นตรง แต่เป็นทางโค้ง ทิศทางการเคลื่อนที่เปลี่ยนตลอดเวลา ยานอวกาศจึงมีความเร่ง ถ้า  v เป็นอัตราเร็วของยานอวกาศที่ระดับสูง h เราสามารถหาได้ว่า ความเร่งของยานในทิศทางเข้าสู่ศูนย์กลางของโลกมีค่าเท่ากับ

รูป 1. นักบินอวกาศอยู่ภายใต้ไมโครแรวิตี้ในสถานีอวกาศนามาชาติ ISS

            ยานอวกาศจะต้องมีความเร็วตามสมการข้างบนนี้จึงจะโคจรรอบโลกได้ เช่น ที่ความสูง 420 กิโลเมตร ยานอวกาศจะต้องมีความเร็ว 7.66 กิโลเมตรต่อวินาที หรือ 27,576 กิโลเมตรต่อชั่วโมง จึงจะอยู่ในวงโคจรนี้ได้

บนโลกมีไมโครแกรวิตีหรือไม่

            มีแต่เกิดในเวลาสั้นมาก เพราะเกิดขณะกำลังตกอย่างอิสระหรือขณะที่อยู่ในสภาวะไร้น้ำหนัก ถ้ามีหอสูงมาก ๆ ที่อยู่ภายใต้สุญญากาศจะเพิ่มเวลาของการมีไมโครแกรวิตีได้มากขึ้นดังนั้นการทดลองเกี่ยวกับไมโครแกรวิตีที่ต้องใช้เวลานาน ๆ จึงต้องทำในสถานีอวกาศ เช่น การทดลองบนสถานีอวกาศนานาชาติของเที่ยวบิน STS-87 และ STS-107 เป็นต้น

ตัวอย่างของหอสูงที่ใช้ทดลองไมโครเกรวิตีบนโลกมีหลายแห่ง เช่น

            1.อุปกรณ์การวิจัยซี่โรแกรวิตีขององค์การนาซา (NASA's Zero Gravity Research Facility) อยู่ในศูนย์วิจัยเกลนน์ คลีฟแลนด์รัฐโอไฮโอ สหรัฐอเมริกา เป็นศูนย์ทดลองไมโครแกรวิตีบนพื้นโลกที่ใหญ่ที่สุดในโลก สามารถสร้างสภาวะไร้น้ำหนักได้นาน 5.18 วินาที โดยห้องทดลองสุญญากาศเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.1 เมตร ลึก 142 เมตร อยู่ภายในช่องลิฟต์คอนกรีตขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.7 เมตร์ ลึก 155 เมตร จากระดับพื้นดิน แต่ระยะทางที่ใช้ทดลองตกอย่างอิสระยาว 132 เมตร ส่วนระบบที่รองรับหรือหยุดการเคลื่อนที่เป็นรถชะลอความเร็วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3.3 เมตร สูงเกือบ 6.1 เมตร บรรจุด้วยเม็ดกลมเล็ก ๆ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 มิลลิเมตร ทำด้วยพอลิสไตรีนที่ขยายตัวได้  เม็ดพอลิสไตรีนเหล่านี้รับถ่ายโอนความร้อนจากยานมวล 1,130 กิโลกรัม ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 50.5 เมตรต่อวินาที และหยุดในระยะ 4.6 เมตร เม็ดกลมพอลิสไตรีนทั้งหมดจึงรองรับแรงมหาศาลเพราะความเร่งของยานจะมากถึง 65 g (65 เท่าของความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกหรือหนักมากขึ้น 65 เท่า)

รูป 2. อุปกรณ์การวิจัยซีโรแกรวิตีของนาชาที่ศูนย์วิจัยเกลนน์ผู้วิจัยกำลังติดตั้งยาน เหมือห้องสูญญากาศ

            2.อุปกรณ์การวิจัยซีโรแกรวิตีขององค์การนาซา ที่ศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลล์ คล้าย ๆ กับอุปกรณ์ที่ศูนย์วิจัยเกลนน์แต่ระยะตกอย่างอิสระสั้นกว่าเป็น 105 เมตร จึงอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนักได้เพียง 4.6 วินาที

            3.ห้องปฏิบัติการไมโครแกรวิตีของญี่ปุ่น สามารถสร้างสภาวะไร้น้ำหนักได้นาน 4.5 วินาที

            4.หอสูงของมหาวิทยาลัยเบรเมน เป็นศูนย์เทคโนโลยีอวกาศประยุกต์และไมโครแกรวิตีของมหาวิทยาลัยเบรเมน เมืองเบรเมน เยอรมนี หอสูง 123 เมตร มีระยะตกอย่างอิสระ110 เมตร สามารถสร้างสภาวะไมโครแกรวิตีได้ 4.74 วินาที

รูป 3. หอสูงของมหาวิทยาลัยเบรเมน

            5.หอปล่อยของแผนกโลหะวิทยา ของมหาวิทยาลัยเกรอโนบล์ ประเทศฝรั่งเศส  สามารถสร้างสภาวะไร้น้ำหนักได้นาน 3.1 วินาที

            6.หอปล่อย ของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีควีนส์แลนด์ประเทศออสเตรเลีย สามารถสร้างสภาวะไร้น้ำหนักได้นาน 2.0 วินาที

ตัวอย่างของไมโครแกรวิตีในเครื่องบิน

            การสร้างสภาวะไมโครแกรวิตีในเครื่องบินทำได้โดยมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าวิธีอื่น เครื่องบินจะต้องบินตามเส้นโค้งรูปพาราโบลาเป็นระยะทาง 9.6 กิโลเมตร

รูป 4. สภาวะไรน้ำหนักจะเกิดขึ้นบาน 25 วินาที ขณะที่อยู่ใพแนวยอดของพาราโบลาที่ความสูงประมาณ 10 กิโลเมตร

            ผู้โดยสารภายในเครื่องบินจะอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนักขณะที่เครื่องบินบินตามเส้นโค้งที่เป็น (รูปเกือบพาราโบลา) รูปอิลลิปส์เทียบกับจุดศูนย์กลางของโลก ขณะที่บินตามเส้นทางนี้เครื่องบินและผู้โดยสารจะกำลังตกอย่างอิสระในวงโคจร องค์การนาซาใช้วิธีนี้เพื่อให้นักบินอวกาศคุ้นเคยกับสภาวะเมื่ออยู่ในวงโคจรรอบโลก ระหว่างเวลานี้เครื่องบินไม่ได้รับแรงกดจากผู้โดยสารผู้โดยสารจึงอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนัก

            การบินเพื่อให้ไปถึงสภาวะไร้น้ำหนักดำเนินการดังต่อไปนี้เริ่มจากเครื่องบินบินขึ้นทำมุม 45 โดยใช้เครื่องยนต์เต็มแรงและเครื่องควบคุมความสูง ความรู้สึกไร้น้ำหนักเกิดขึ้นเมื่อลดกำลังเครื่องยนต์และปรับหัวเครื่องบินให้อยู่ในแนวระดับ (มุม 0 ของการโจมตี) สภาวะไร้น้ำหนักจะเกิดขึ้นนาน 25 วินาที่ ขณะอยู่ในแนวยอดของพาราโบลาที่ความสูงประมาณ 10 กิโลเมตร โดยใช้เวลาบินขึ้นจาก 7.2 กิโลเมตร ในเวลา 20 วินาที และลงจาก 10 กิโลเมตรเป็น 7.2 กิโลเมตร 20 วินาที รวมเวลาต่อรอบเป็น 65 วินาที การฝึกหัดให้คุ้นเคยกับสภาวะไร้น้ำหนักในเครื่องบินเช่นนี้ปกติจะบินประมาณ 40-60 รอบ ผู้โดยสารราว 2 ใน 3 เมาอากาศจนอาเจียน ทำให้เครื่องบินได้รับชื่อเล่นว่า "ดาวหางแห่งการอาเจียน" (Vomit comet)

รูป 5. ฮอว์กิง (ภาพขององค์การนาซา)
ที่มา: http://msnbcmedia.msn.com/yMSNBC/Components/Photo/_.new/pb-120106-hawking-weightless-1p.photoblog900.jpg

            รูป5 สตีเฟน ฮอว์กิง นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ มีความสุขอยู่กับสภาวะไร้น้ำหนักบนเครื่องบินโบอิง 727 ของบริษัทซีโรจี เมื่อวันที่ 26 เมษายน ค.ศ. 2007 ฮอว์กิงอายุ 65 ปี เมื่อวันที่ 8 มกราคม ค.ศ. 2007  เป็นโรคลู เกริก (Lou Gehrig's Disease) ตั้งแต่ยังไม่จบปริญญาเอก กำลังลอยอยู่ในอวกาศ ขวามือคือผู้ก่อตั้งบริษัทซีโรจีชื่อ ปีเตอร์ ไดอาแมนดิส ซ้ายมือคือ ไบรอัน ลิ้กเตนเบิร์ก นักบินอวกาศอดีตผู้เชี่ยวชาญด้านสัมภาระคนหนึ่งของยานขนส่งอวกาศ ปัจจุบันเป็นประธานบริษัทซีโรจี ส่วนสุภาพสตรีผู้คุกเข่าใต้ฮอว์กิ่งคือ พยาบาลของเขาชื่อ นิโคลา โอไบรน์

ไมโครแกรวิตีกับสภาวะไร้น้ำหนัก

            ขณะที่อยู่ในสถานีอวกาศนานาชาติ หรือขณะกำลังตกอย่างอิสระใกล้ผิวโลก เครื่องชั่งตกลงพร้อมกันกับผู้ชั่งน้ำหนัก ทำให้น้ำหนักของผู้ที่กำลังตกอย่างอิสระเท่ากับ 0 แต่แท้ที่จริงผู้ชั่งยังมีแกรวิตีอยู่แต่เป็นแกรวิตีที่น้อยมากจึงเรียกว่าไมโครแกรวิตีหากเครื่องชั่งมีความไวและละเอียดในระดับไมโครก็จะสามารถวัดน้ำหนักของผู้ชั่งได้เช่นเดียวกัน

เปรียบเทียบเปลวเทียนไขบนโลกกับในสภาวะไมโครแกรวิตี

ที่มา : http://en.wikipedia.org/wiki/Micro-g.environment#mediaviewerFile:Space_Fire.jpg

            ซ้ายมือแสดงเปลวเทียนไขบนโลก ขวามือเป็นเปลวเทียนไขในสถานีอวกาศนานาชาติ เปลวไฟกระจายออกรอบด้านของจุดที่ไหม้ เปลวไฟจึงโค้ง ดังรูป

เปรียบเทียบการเดือดของน้ำบนโลกกับในสภาวะไมโครแกรวิตี

ที่มา: http://@n.wikipedia.org/wiki/Mioro-g_ environment#mediaviewerFile:Comparison2.jpg

            ซ้าย: การเดือดของน้ำบนโลก ขวา: การเดือดของน้ำบนสถานีอวกาศนานาชาติ ความร้อนแผ่กระจายรอบตำแหน่งที่น้ำได้รับความร้อนเท่า ๆ กันในแต่ละทิศทาง

ประโยชน์ของไมโครแกรวิตี

            ทรงกลมคุณภาพสูงที่มีความเป็นทรงกลม 100 % นั้นทำได้ยากในโรงานบนพื้นโล้กเพราะแรงโน้มถ่วงของโลกทำให้ทรงกลมเบี้ยวได้การสร้างทรงกลมสมบูรณ์ในอวกาศขณะอยู่ในยานขนส่งอวกาศเป็นสิ่งที่ทำได้ ทำให้ได้ทรงกลมสมบูรณ์ที่ต้องการโดยไม่จำเป็นต้องนำมาขัดแต่งเพิ่มเติม

            การสร้างผลึกหรือคริสตัลที่มีความสมบูรณ์ปราศจากรอยเสื่อนในระดับโมเลกุล หรือชั้นที่เป็นแลตทิซของคริสตัล คริสตัลที่สมบูรณ์เหล่านี้จะเป็นประโยชน์ในอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เป็นชิ้นส่วนของการประดิษฐ์คริสตัลโลกราฟฟิชนิดรังสีเอกซ์ เป็นต้น

            ในทางการแพทย์ยาบางชนิดไม่สามารถผลิตได้ที่พื้นโลกซึ่งมีความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกสูง แต่ในสภาวะไมโครแกรวิตีมนุษย์สามารถผลิตยาชนิดนี้ได้

            การเดินทางในอวกาศระหว่างดาว เช่น จากดวงจันทร์ไปยังดาวอังคารต้องใช้เวลาเดินทางนานหลายเดือน ยิ่งเดินทางไปไกลมากขึ้นย่อมต้องใช้เวลามากขึ้น การดำรงชีวิตในอวกาศเป็นเวลานานจำเป็นต้องปลูกพืชเพื่อใช้เป็นอาหารในระหว่างการเดินทางการทดลองปลูกพืชในอวกาศทำได้ในสภาวะไมโครแกรวิตี จะช่วยพัฒนาด้านการผลิตอาหารในอวกาศระหว่างการเดินทาง

            ไมโครแกรวิตีจึงช่วยพัฒนาการผลิตลูกปืนเป็นทรงกลมสมบูรณ์ การผลิตคริสตัลที่สมบูรณ์ในอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ การผลิตยาบางชนิด การปลูกพืชในอวกาศ และที่สำคัญคือการมีชีวิตอยู่ในอวกาศได้ยาวนานและปลอดภัยที่สุด

            บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

Micro-g environment. (2014). Retrieved September 15, 2014, from http://en.wikipedia.org/wiki/Micro_genvironment#mediaviewer