เทคโนโลยีของมนุษย์ที่ส่งตรงมาจากยุคหินกำลังถูกนำมาใช้สำหรับภารกิจอันทะเยอทะยานในศตวรรษที่ 21 ‒ เพื่อศึกษาดวงอาทิตย์ในระยะประชิด
เมื่อฉันพบเขาในสำนักงานของเขาที่ Airbus Defense and Space ใน Stevenage เมืองอุตสาหกรรมที่ไม่ซับซ้อนซึ่งอยู่ห่างจากลอนดอนไปทางเหนือโดยทางรถยนต์ประมาณหนึ่งชั่วโมง คริส เดรเปอร์กำลังนั่งอยู่ที่โต๊ะของเขาอย่างเกียจคร้านและสะบัดแถบยาวแคบๆ ของสิ่งที่ดูเหมือนกระดาษฟอยล์ทำอาหาร ด้านหนึ่งเป็นโลหะขัดมันเรียบ อีกด้านเป็นรอยสีดำด้าน วัสดุบางมีเสียงดังขณะบิดไปมา
แม้จะปรากฏตัวครั้งแรก แต่อันที่จริงแล้วนี่เป็นองค์ประกอบที่สำคัญสำหรับภารกิจทางวิทยาศาสตร์ที่มีความทะเยอทะยานในการโคจรรอบดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดของเรา แม้ว่าในการค้นพบเพิ่มเติม กลับกลายเป็นว่ามีความเกี่ยวข้องกับสัตว์ที่ปรุงสุกแล้วที่ตายแล้ว
“ฟอยล์ทำมาจากไททาเนียม ดังนั้นมันจะค่อนข้างแพงถ้าคุณห่อไก่ย่างทุกวันอาทิตย์” เดรเปอร์ วิศวกรแผงระบายความร้อนกล่าว “แต่พื้นผิวสีดำที่เคลือบไททาเนียมนั้นทำมาจากกระดูกสัตว์อบแบบผง”
แผ่นฟอยล์ไททาเนียมเคลือบกระดูกสัตว์นี้หนาเพียง 1/20 มิลลิเมตร ประกอบเป็นส่วนนอกของแผงป้องกันความร้อนที่ติดตั้งกับยานอวกาศ Solar Orbiter ใหม่ขององค์การอวกาศยุโรป (ESA) มีกำหนดเปิดตัวในปี 2560 โพรบนี้จะโคจรรอบดวงอาทิตย์ในระยะทางประมาณ 40 ล้านกิโลเมตร (25 ล้านไมล์) นั่นอยู่ใกล้ดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดของเรามากกว่าภารกิจครั้งก่อน ๆ และอยู่ในวงโคจรของดาวพุธ
ยานอวกาศนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อทำการศึกษารายละเอียดของดวงอาทิตย์และอนุภาคพลังงานสูงที่มันระเบิดไปทั่วระบบสุริยะ ไม่เพียงแต่จะช่วยให้เราเข้าใจดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดได้ดีขึ้น แต่ยังมีอิทธิพลต่อโลกและเทคโนโลยีที่มีช่องโหว่ เช่น ดาวเทียมและระบบไฟฟ้า ที่เราพึ่งพา (อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบของสภาพอากาศในพื้นที่นี้ในเรื่องก่อนหน้า )
เบาแต่แกร่ง
เพื่อเอาตัวรอดจากการเผชิญหน้าอย่างใกล้ชิด Solar Orbiter จะต้องรับมือกับอุณหภูมิที่สูงกว่า 550C ในด้านที่สังเกตดวงอาทิตย์ และต่ำกว่า -200C ที่ฝั่งตรงข้ามของยานอวกาศ ในขณะที่ยังคงรักษาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องมือ และระบบขับเคลื่อนให้อยู่สบาย ในระหว่าง.
“การทำเช่นนั้นค่อนข้างท้าทาย” เดรเปอร์ยอมรับ “การออกแบบแผงกันความร้อนนั้นขับเคลื่อนด้วยวัสดุเป็นหลัก เราต้องถามก่อนว่าวัสดุประเภทใดที่คุณต้องใช้เพื่อไม่ให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ถูกอบ”
แผงระบายความร้อนขนาด 3.1 x 2.4 ม. ยังต้องมีน้ำหนักเบาเพียงพอสำหรับจรวดที่จะยกมันขึ้นจากพื้น และควรจะสามารถอยู่รอดได้อย่างน้อยห้าปีในอวกาศที่ถูกทิ้งระเบิดโดยทุกสิ่งที่ดวงอาทิตย์พ่นใส่ ยิ่งไปกว่านั้น โล่ต้องมีช่องเปิดที่พื้นผิวด้านนอก โดยมีประตูเปิด เพื่อให้เครื่องมือมองผ่านไปยังดาวที่ออกแบบมาเพื่อศึกษา
“มันเป็นการแลกเปลี่ยน” เดรเปอร์กล่าว “วัสดุที่เราใช้ต้องอยู่รอดในสภาพแวดล้อม แต่เบาพอที่จะสร้างเป็นโครงสร้างที่เราสามารถเปิดตัวได้จริง”
จุดหลอมเหลวสูง
การออกแบบแผงระบายความร้อนขั้นสุดท้ายประกอบด้วยแซนวิชที่มีความหนา 40 ซม. (16 นิ้ว) ระหว่าง 8 ถึง 18 ชั้น (จำนวนสุดท้ายยังไม่ได้รับการสรุป) โดยมีช่องว่างระหว่างกัน ซึ่งขณะนี้เต็มไปด้วยอากาศ แต่สุดท้ายแล้วจะเป็นเพียงแค่ ระยะใกล้-ไม่มีอะไรของพื้นที่ ชั้นในมีโครงสร้างคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อยึดแผงเข้าด้วยกัน ส่วนชั้นนอกทำจากฟอยล์ไททาเนียม
โลหะได้รับการคัดเลือกเนื่องจากความแข็งแรง ความยืดหยุ่น และจุดหลอมเหลวสูงที่ 1,668C ที่สำคัญ แต่เนื่องจากไททาเนียมนั้นสะท้อนแสงได้ แล้วทำไมถึงต้องลำบากในการทาสีดำด้วย?
“ไม่ชัดเจนว่าทำไมเราถึงทำอย่างนั้น” เดรเปอร์ยอมรับ “คุณสมบัติทางความร้อนและความสมดุลระหว่างความร้อนที่วัสดุดูดซับกับความร้อนที่ปล่อยออกมา”
ตรรกะอาจแนะนำว่าเมื่อคุณบินเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ การเคลือบสีขาวที่สะท้อนแสงอาทิตย์จะเหมาะสมที่สุด เพราะเหตุใดหลังคาในประเทศทะเลทรายจึงทาสีขาวเพื่อให้บ้านเย็น แต่มีข้อเสียคือ พื้นผิวสีขาวไม่ให้ความร้อนมากเท่ากับพื้นผิวสีดำ
แม้ว่าชั้นในของแผ่นบังความร้อนหลายชั้นจะสะท้อนแสงได้ แต่วิศวกรที่พัฒนายานอวกาศคำนวณว่าชั้นนอกสีดำจะเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการปลดปล่อยความร้อนสู่อวกาศ เมื่อทำเสร็จแล้ว ต่อมาคือความท้าทายในการค้นหาสารเคลือบที่เหมาะสม ซึ่งเป็นสีที่คงสีเดิมและไม่ละลาย ลอกออก หรือเสื่อมสภาพ
เทคโนโลยีที่พวกเขาใช้นั้นไม่มีอะไรใหม่ อันที่จริงมนุษย์ได้ใช้กระดูกสัตว์ที่ถูกเผาและเป็นผงตั้งแต่เช้าตรู่เพื่อวาดภาพบนผนังถ้ำ แม้แต่หลักการพื้นฐานก็ยังเหมือนเดิม “กระดูกสัตว์ถูกเผาในเตาเผาและบดเพื่อให้ได้ผงสีเข้มมาก เช่นถ่าน” เดรเปอร์กล่าว แต่ถึงแม้จะเป็นแหล่งกำเนิดที่มีเทคโนโลยีต่ำ แต่ก็กลายเป็นสารเคลือบที่แข็งแกร่งที่สุดตัวหนึ่ง
การทดสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วน
อย่างไรก็ตาม ขั้นต่อไปมีความซับซ้อนมากขึ้น และเดิมได้รับการพัฒนาโดยบริษัทEnbio ของไอร์แลนด์ เพื่อให้เป็นการเคลือบที่ปลอดภัยสำหรับการปลูกถ่ายทางการแพทย์ “พวกเขาใช้หัวฉีดพิเศษเพื่อระเบิดพื้นผิวไททาเนียมด้วยวัสดุที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเพื่อลอกชั้นออกไซด์ออก” Draper อธิบาย “แล้วแทนที่ด้วยหมึกถ่าน”
ไททาเนียมเคลือบกระดูกทำงานอย่างไร แม้ว่ายานอวกาศ Solar Orbiter แบบกล่องจะมีรูปร่างขึ้นในคลีนรูมของ Airbus ซึ่งเป็นพื้นที่ขนาดสนามกีฬาสีขาวซึ่งเต็มไปด้วยฮาร์ดแวร์ด้านอวกาศ ทีมงานของ Draper ได้ทำการทดสอบวัสดุป้องกันความร้อนแบบครบวงจรแล้ว
“เราทำให้ร้อนขึ้นที่อุณหภูมิสูง แล้วหย่อนลงในไนโตรเจนเหลวเพื่อดูว่ามีผลหรือไม่” เดรเปอร์กล่าว “เรายังทำการทดสอบการยึดเกาะโดยที่เราพยายามดึงสารเคลือบออก และสำหรับประตูในแผงระบายความร้อน เราได้เปิดและปิดประตูไปแล้วมากกว่า 20,000 ครั้ง”
จนถึงตอนนี้ การให้ความร้อน การระบายความร้อน และการขูดได้สำเร็จ พิสูจน์ให้เห็นว่าแม้ในยุคอวกาศ กลอุบายบางอย่างของยุคหินยังคงมีประโยชน์
