สิ่งที่เราเห็นคุ้นชินในชีวิตประจำวันคล้ายกับสิ่งเหล่านี้อยู่กับมนุษย์เราเสมอมา แต่ความจริงแล้วไม่ได้เป็นเช่นนั้นเลย เครื่องบินที่มนุษย์ใช้ประโยชน์ในการขนส่งสิ่งของ ผู้คน และประโยชน์อื่นๆ ในปัจจุบันนี้ ย้อนกลับไปยังตอนแรก เมื่อพี่น้องแห่งตระกูลไรต์สร้างเครื่องบินบินได้สำเร็จเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1903 นับว่าไม่นานเลยเมื่อเทียบกับยุคประวัติศาสตร์ของมนุษย์ (ยุคที่มีการเขียนบันทึกสิ่งต่างๆ) คือประมาณหนึ่งหมื่นปีที่ผ่านมา ยุคการบินของมนุษย์คิดเป็นเวลาเพียงร้อยละ 1 ของยุคประวัติศาสตร์ทั้งหมดของมนุษย์ ซึ่งดูเหมือนว่าในปัจจุบันเราจะขาดเทคโนโลยีการบินไม่ได้เลย เพราะเทคโนโลยีการบินสร้างประโยชน์แก่มนุษย์มหาศาลในประมาณร้อยกว่าปีนับจากพี่น้องแห่งตระกูลไรต์สร้างเครื่องบินบินบนโลก ในที่สุดเราก็สามารถสร้างอากาศยานไปบินบนดาวเคราะห์ดวงอื่นได้ คือดาวอังคาร นับเป็นวิวัฒนาการที่ก้าวกระโดด

     หากเราลองพิจารณาชื่อยานสำรวจดาวอังคารขององค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ จะพบว่าเป็นชื่อที่มีความไพเราะ และมีความหมายดีมาก เช่น ยานสำรวจชื่อคิวริออซิตี (Curiosity) ใน Cambridge Dictionary ได้ให้ความหมายไว้ว่า “an eager wish to know or learn about something” แปลเป็นภาษาไทยได้ว่าความกระหายใคร่รู้ในการที่จะเรียนรู้บางสิ่งบางอย่าง ยานสำรวจเพอร์เซเวียแรนซ์ (Perseverance) แปลว่าความมุมานะบากบั่น อินเจนูอิตี (Ingenuity) แปลว่าความเฉลียวฉลาด ผู้ที่ติดตามข่าวสารด้านการสำรวจอวกาศอาจจะทราบว่าทั้งคิวริออซิตีและเพอร์เซเวียแรนซ์เป็นยานสำรวจที่มีล้อแล่นสำรวจไปตามพื้นผิวของดาวอังคาร ขณะที่อินเจนูอิตีนั้นต่างออกไป อินเจนูอิตีเป็นเฮลิคอปเตอร์หุ่นยนต์ขนาดเล็กที่ใช้สำรวจดาวอังคาร นี่ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ เพราะอินเจนูอิตีใช้พลังงานที่สามารถบังคับได้ทำการบินบนพื้นผิวของดาวเคราะห์อื่นที่ไม่ใช่โลกเป็นครั้งแรก อินเจนูอิตีเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Mars 2020 ขององค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA) อินเจนูอิตีมีน้ำหนักรวม 1.8 kg มีความสูงประมาณครึ่งเมตร ทำการบินครั้งแรกบนดาวอังคารเมื่อวันที่ 19 เมษายน ค.ศ. 2021 บินสำรวจบริเวณที่เรียกว่าเจเซโร (Jezero) บนดาวอังคาร ใช้การบินแบบโรเตอร์คู่แกนร่วม (Coaxial Rotors) หมายความว่าโรเตอร์มีสองชุดบนแกนหมุนเดียวกัน แต่หมุนในทิศทางตรงข้ามกันเพื่อให้ทอร์ก (Torque หมายถึง ปริมาณที่ทำให้เกิดการหมุนของวัตถุอันเนื่องมาจากแรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุไม่ผ่านศูนย์กลางมวล ทอร์กเป็นปริมาณเวกเตอร์ มีทิศทางตั้งฉากกับระนาบการหมุนของวัตถุ โดยทิศทางของทอร์กจะพุ่งออกตั้งฉากกับระนาบการหมุนเมื่อวัตถุหมุนในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา และทิศทางของทอร์กจะพุ่งเข้าตั้งฉากกับระนาบการหมุนเมื่อวัตถุหมุนในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ทอร์กอาจหมายถึงโมเมนต์ของแรง โดยมีทิศทางพุ่งออกตั้งฉากกับระนาบการหมุนในกรณีโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกา และมีทิศทางพุ่งเข้าตั้งฉากกับระนาบการหมุนในกรณีโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกา) หักล้างกันเอง อินเจนูอิตีถูกออกแบบให้บินในช่วงสั้นๆ ที่ความสูงไม่เกิน 12 เมตร และบินได้นานสูงสุดไม่เกินครั้งละประมาณ 3 นาที ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักคือ เสาวิทยุไว้ติดต่อสื่อสาร แบตเตอรี่ แผงเซลล์สุริยะ โรเตอร์คู่ที่แต่ละอันมีความยาว 1.2 m ขาจำนวนสี่ขา ตัวตรวจจับและกล้องบันทึกภาพ และสุดท้ายคือส่วนประกอบหลักที่ด้านในประกอบด้วยฉนวนกันความร้อนและอุปกรณ์สร้างความร้อน เพื่อให้ด้านในที่เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมการบินของอินเจนูอิตี

ชิ้นส่วนต่างๆของเฮลิคอปเตอร์หุ่นยนต์อินเจนูอิตี (Ingenuity)
ที่มา: https://en.wikipedia.org/wiki/Ingenuity_(helicopter)#/media/File:Anatomy_of_the_Mars_Helicopter.png

     อินเจนูอิตีสามารถบินบนดาวอังคารได้เนื่องจากชั้นบรรยากาศของดาวอังคารและโลกต่างกันมาก ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ร้อยละ 97 มีแก๊สอาร์กอนร้อยละ 2 ในขณะที่โลกมีแก๊สไนโตรเจนร้อยละ 78 มีแก๊สออกซิเจนร้อยละ 21 อีกทั้งบนดาวอังคารมีความโน้มถ่วงพื้นผิว 3.720 m/s² และความหนาแน่นของอากาศเพียง 0.02 kg/m ซึ่งถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับโลก แล้วอินเจนูอิตีจะสามารถสร้างแรงยกอย่างเพียงพอบนดาวเคราะห์ที่มีอากาศเบาบางเช่นนี้ได้อย่างไร

ภาพจริงขณะอินเจนูอิตีทำการบินบนดาวอังคาร
ที่มา: https://www.bbc.com/news/science-environment-56849723

Michael Liebl ได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง “Investigating Flight with a Toy Helicopter” ลงในวารสาร The Physics Teacher เมื่อวันที่ 17 กันยายน ค.ศ. 2010 เพื่อทำการวิเคราะห์การบินของเฮลิคอปเตอร์ของเล่น โดย Liebl ได้นำเสนอสมการอธิบายแรงยกของเฮลิคอปเตอร์ของเล่น โดยเราสามารถเขียนได้เป็น

\( F_T = k \rho_{atm} R^4 f^2 \)                  (1)

โดย \( F_T, k, \rho_{atm}, R^4, f^2 \) คือแรงยกของเฮลิคอปเตอร์ของเล่น (Lifting Thrust Force) ค่าคงที่ไม่มีหน่วยขึ้นอยู่กับจำนวน รูปทรง และมุมแหลมที่ทำมุมขึ้นจากระนาบปกติของใบพัดเฮลิคอปเตอร์ของเล่น (Pitch Angle) รัศมีของโรเตอร์ และความถี่เชิงวงกลม (Cyclic Frequency) ของโรเตอร์ ตามลำดับ

โดยเราใช้ความรู้เดียวกันกับเฮลิคอปเตอร์ของเล่นนี้มาอธิบายการบินของอินเจนูอิตี จะพบว่าจาก (1)

\( F_T = mg = k \rho_{atm} R^4 f^2 \)

เมื่อเราต้องการหาค่าความถี่เป็นวงกลม f ให้ทำการย้ายข้างตัวแปรในสมการและจัดสมการใหม่จะได้

\( f = \sqrt{\frac{g}{\rho_{atm}}} \sqrt{\frac{m}{kR^4}} \)        (2)

     ค่าคงที่ k นั้นไม่แปรเปลี่ยนแม้เราจะย้ายการบินจากบนโลกเป็นบนดาวอังคาร ฉะนั้น เราสามารถหาค่า k นี้ได้ก่อนบนโลก สิ่งที่จะต่างเมื่อทำการบินเปลี่ยนจากบนโลกมาเป็นบนดาวอังคารคือค่า g = 3.7 m/s^2 หรือคิดเป็น 0.38 เท่าเมื่อเทียบกับโลก และค่า ρ_atm = 0.020 kg/m หรือคิดเป็น 0.017 เท่าเมื่อเทียบกับโลก เมื่อแทนค่าเหล่านี้ลงในสมการ ความถี่ของโรเตอร์ในการหมุนบนดาวอังคารจะเป็นประมาณ 4.7 เท่าเมื่อเทียบกับโลกเพื่อที่จะได้แรงยกเท่ากัน ซึ่งสอดคล้องกับข้อมูลการรายงานของอินเจนูอิตีบนดาวอังคารที่มีข้อมูลว่าโรเตอร์ของอินเจนูอิตีหมุนที่ประมาณ 2,400 รอบต่อนาที เทียบกับบนโลกที่หมุนประมาณ 500 รอบต่อนาที และนี่คือคำตอบว่าบนดาวอังคารที่มีอากาศเบาบาง ความถี่ในการหมุนของโรเตอร์จะต้องเพิ่มมากขึ้นหลายเท่าเพื่อที่จะสามารถทำการบินบนดาวอังคารได้ และเรายังสามารถทราบอีกว่า เมื่อเราแทนค่าต่างๆ ลงในสมการคือ f = 40 Hz (เท่ากับ 2,400 รอบต่อนาที), m = 1.8 kg, R = 0.6 m จะพบว่าค่าคงที่ k = 1.6

     อินเจนูอิตีบินสำรวจดาวอังคารตั้งแต่ปี ค.ศ. 2021 จนถึงช่วงต้นปี ค.ศ. 2024 ทำการบินทั้งหมด 72 ครั้งในช่วงเวลากว่าสามปี อินเจนูอิตีต้องพบกับอุปสรรคการบิน ทั้งสภาพบรรยากาศที่เบาบาง อุณหภูมิที่ต่ำในช่วงเวลากลางคืน พายุฝุ่น และการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบนดาวอังคารที่รุนแรงกว่าเมื่อเทียบกับบนโลก จนในวันที่ 18 มกราคม ค.ศ. 2024 ใบพัดของอินเจนูอิตีได้รับความเสียหายในระหว่างการลงจอด เกิดการงอ เปลี่ยนรูปของใบพัด ทำให้อินเจนูอิตีไม่สามารถทำการบินได้อีกต่อไป แต่นี่ก็นับเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่ เพราะในตอนแรกอินเจนูอิตีถูกตั้งเป้าหมายไว้สำหรับการบินทดสอบเพียง 5 ครั้งเท่านั้น อีกทั้งการบินสำรวจของอินเจนูอิตียังเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี ประสบความสำเร็จสำหรับการบินบนดาวเคราะห์ดวงอื่นในภารกิจการสำรวจอวกาศที่จะมีขึ้นต่อไปในอนาคต

     ในภาพยนตร์ ซีรีส์ไซไฟต่างๆ จะพบฉากการบินของอากาศยานบนดาวเคราะห์อื่นๆ เป็นเรื่องปกติ ความฝันจินตนาการต่างๆ นั้นอาจจะเป็นจริงได้ โดยอินเจนูอิตีเป็นจุดเริ่มต้นคล้ายกับในปี ค.ศ. 1903 ที่พี่น้องตระกูลไรต์ทำการบินครั้งแรก และวิวัฒนาการต่อเนื่องมาเป็นอากาศยานต่างๆ มากมายจนถึงปัจจุบัน ในอินเจนูอิตีประกอบด้วยชิ้นส่วนของเครื่องบินที่พี่น้องตระกูลไรต์ทำการบินในครั้งแรกด้วย เพื่อเป็นการระลึกถึงเหตุการณ์สำคัญนี้ เคยมีใครคนหนึ่งกล่าวไว้ว่ามนุษย์ไปสำรวจดาวสองครั้งด้วยกัน ครั้งแรกไปด้วยความฝัน จินตนาการ คิดอยากจะไปแบบที่เราพบในงานเขียน นวนิยาย มังงะ ภาพยนตร์ ซีรีส์ต่างๆ และครั้งที่สองคือ การไปสำรวจดาวนั้นจริงๆ ด้วยอุปกรณ์ เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีช่วยให้ความฝันเหล่านั้นเป็นจริงได้ ซึ่งทั้งสองอย่างที่กล่าวมานั้นไม่สามารถแยกจากกันได้เลย เป็นส่วนเสริมของกันและกัน จึงไม่น่าแปลกใจเลยที่เราอ่านหนังสือประวัติศาสตร์นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังระดับโลกหลายท่านที่ได้รับอิทธิพลจากหนังสือบางเล่ม นวนิยายบางเรื่องที่เคยอ่านในวัยเด็กมีผลผลักดันสู่การเป็นนักวิทยาศาสตร์ เช่น คาร์ล เซแกน (Carl Sagan) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ได้รับอิทธิพลจากการอ่านนวนิยาย War of the Worlds ผลงานของ H.G. Wells ในวัยเด็ก สำหรับท่านผู้สนใจเพิ่มเติมสามารถดูวีดิทัศน์การบินของเฮลิคอปเตอร์หุ่นยนต์อินเจนูอิตีได้ที่ https://youtu.be/wMnOo2zcjXA

ภาพจาก: https://www.usatoday.com/story/graphics/2024/02/05/nasa-mars-ingenuity-helicopter-defied-expectations/72364332007/

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 52 ฉบับที่ 250 กันยายน – ตุลาคม 2567

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/250/16/

บรรณานุกรม

Blanco, P. (2021). Rotorcraft RPM on Mars. The Physics Teacher, 59(6): 388-388.

Liebl, M. (2010). Investigating Flight with a Toy Helicopter. The Physics Teacher, 48(7): 458-460.

Sinek, S. (2009). Start with Why: how great leaders inspire everyone to take action. Penguin.

Strickland, A. (2024, January 25). After Damaging a Rotor Blade, NASA’s Ingenuity Helicopter Mission Ends on Mars. CNN. Retrieved September 4, 2024, from https://edition.cnn.com/2024/01/25/world/nasa-mars-ingenuity-helicopter-mission-ends-scn/index.html.

Wall, M. (2024, April 18). Ingenuity Team Says Goodbye to Pioneering Mars Helicopter. Space.com. Retrieved September 4, 2024, from https://www.space.com/mars-helicopter-ingenuity-team-says-goodbye.