ปีกที่ขับเคลื่อนด้วยแสง อนาคตของยานอวกาศ?

By: terminus
Writer
on Mon, 06/12/2010 - 22:39

การที่ปีกเครื่องบินยกตัวขึ้นไปในอากาศได้นั้นเป็นเพราะความดันอากาศเหนือปีกน้อยกว่าความดันใต้ปีก ทำให้เกิดแรงยกให้เครื่องบินลอยตัว นักฟิสิกส์ชื่อดังอย่าง James Clerk Maxwell และ Adolfo Bartoli ได้ทำนายไว้ว่า หากเราแทนที่อากาศด้วยแสง ปรากฏการณ์คล้ายๆ กันนี้ก็เกิดได้เช่นกัน แทนที่จะเป็น "ความดันอากาศ" (air pressure) ก็กลายเป็น "radiation pressure"

Radiation pressure เกิดจากการที่เมื่อโฟตอนกระทบหรือวิ่งผ่านวัตถุ โฟตอนจะส่งต่อโมเมนตัมของตัวเองไปยังวัตถุ (นี่เป็นเหตุผลที่ "หาง" ของดาวหางชี้ไปในทิศตรงข้ามกับดวงอาทิตย์เสมอ เพราะโฟตอนจากแสงอาทิตย์ผลักไอน้ำที่ระเหิดออกไปในทางนั้น) ดังนั้นหากมีการจัดมุมตกกระทบหรือมุมสะท้อนให้พอเหมาะ ในทางทฤษฎี เราก็สามารถสร้างปีกแสง หรือ "lightfoil" ที่สามารถสร้างแรงยกตัวเองได้ คำว่า lightfoil มาจาก light + (aero)foil นั่นเอง

ทีมนักฟิสิกส์ที่นำโดย Grover Swartzlander แห่ง Rochester Institute of Technology ในนิวยอร์ค ได้จำลองการเกิด radiation pressure บนปีกที่มีรูปร่างต่างๆ พวกเขาพบว่าปีกที่มีลักษณะเป็นแท่งทรงกระบอกจะสร้างแรงดันจาก radiation pressure ได้มากที่สุด เนื่องจากโฟตอนที่ตกกระทบจะสะท้อนและหักเหไปในทิศทางที่ทำมุมตั้งฉากกับแกนพอดี

เพื่อทดสอบสิ่งที่ได้จากแบบจำลอง ทีมนักวิจัยจึงได้เอาแท่งพลาสติกทรงกระบอกผ่าครึ่งเล็กๆ (ความยาวประมาณ 2-3 ไมโครเมตร) ใส่ลงไปในน้ำ จากนั้นก็ฉายแสงเลเซอร์ขึ้นมาจากด้านใต้ พบว่าแท่งพลาสติกลอยขึ้นมาได้จริงๆ และยังเคลื่อนที่ไปในแนวนอนได้อีกด้วย

การที่พลาสติกลอยขึ้นมานั้นเป็นสิ่งที่เกิดจากโมเมนตัมของแสงเลเซอร์โดยตรง ไม่น่าสนใจเท่าไร เพราะทราบกันดีอยู่แล้ว แต่การเคลื่อนที่ในแนวนอนนี่แหละที่น่าสนใจ เพราะมันคือการพิสูจน์ให้เห็นว่าแบบจำลองใช้ได้จริง แรงที่ดันพลาสติกให้เคลื่อนที่ไปในแนวนอนไม่ได้มาจากแรงอธิษฐานของใครแน่ๆ มันจะต้องเป็นแรงที่เกิดจาก radiation pressure เท่านั้น

แม้ว่านี่จะเป็นความก้าวหน้าที่เล็กมากๆ แต่นักฟิสิกส์คิดฝันกันไปไกลแล้ว ในอนาคตนักฟิสิกส์วาดฝันไว้ว่าจะใช้ radiation pressure เป็นแรงในการขับเคลื่อนยานอวกาศ ปลายปีนี้ Planetary Society วางแผนที่จะปล่อยยานอวกาศ LightSail-1 ขึ้นไปทดลองดูว่าเราจะสามารถใช้ radiation pressure ควบคุมทิศทางของยานอวกาศได้หรือไม่

นอกจากเรื่องใหญ่โตเพ้อฝันแบบยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยแสงแล้ว งานชิ้นนี้ยังเป็นการปูทางเพื่อการประยุกต์ใช้ในการควบคุมเครื่องจักรขนาดเล็กไว้ขนส่งอนุภาคต่างๆ ในของเหลวอีกด้วย

ที่มา - Scientific American

12 Comments

tontpong's picture

เอ๋ แอบงงแหะ.. lightfoil นี่โอเคว่าใหม่
แต่แนวๆ Light Sail นี่ เค้าทำไปแล้วนิ

แล้วก้อ .. Light Sail เปนยานอวกาศ
กระสวยอวกาศ = space shuttle
แต่ Light Sail = spacecraft

terminus's picture

เอาเรื่องคำผิดก่อนนะครับ
ขอบคุณครับ แก้ให้ทันทีครับ เมื่อวานเมาแดด (วันนี้เมากรดทั้งวัน เลยไม่ได้เขียนข่าวเลย พรุ่งนี้มีข่าวเยอะแน่นอนครับ ดองไว้เพียบเลย ^.^)


ส่วนเรื่อง Lightfoil ในข่าวนี้กับ Ligh sail อาจจะฟังดูคล้ายๆ กันครับ แต่ต่างกันเล็กน้อยเรื่องทิศทางการเคลื่อนที่

Light sail จะเป็นการใช้ radiation pressure "ผลัก" ยานไปข้างหน้าตรงๆ คล้ายกับแรงลมผลักใบเรือ ทิศทางการเคลื่อนที่ก็จะเป็นทางเดียวกับทิศทางแสง (ลม)

Lightfoil จะเป็นการสร้างแรงยกจาก radiation pressure คล้ายๆ กับแรงยกปีกเครื่องบินที่เกิดจากความดันอากาศ ทิศทางของแรงยกตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของแสง (อากาศ) (ในการทดลองแสงฉายจากด้านใต้ "แรงยก" (lift) จึงเกิดในแนวนอน ฟังดูทะแม่งๆ ดีเนอะ)

Lightsail ไม่ใช่เรื่องใหม่จริงๆ ครับ (Lightfoil ก็ดูเหมือนจะไม่ใหม่เท่าไร แต่เพิ่งทำได้ในทางปฏิบัติ) ก่อนหน้านี้เคยมียานอวกาศที่ทดลองขับเคลื่อนแบบ lightsail หลายครั้ง แต่นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่จะให้ความเห็นว่าแรงจาก radiation pressure ไม่พอจะขับเคลื่อนยานอวกาศได้จริง (อันนี้คงหมายถึงเป็นแบบ lightsail เพราะ lightfoil เพิ่งจะทำได้ในแล็บเอง) นักวิทยาศาสตร์เค้าเลยอยากจะทดลองกันอีกครั้ง บางทีในอนาคต Lightfoil อาจจะเข้าไปประยุกต์ร่วมใช้ด้วยก็ได้

http://www.newscientist.com/blogs/shortsharpscience/2010/11/nasas-spare-solar-sail-reaches.html

tontpong's picture

ต้นข่าวพาหลงด้วยมั้ง.. เอาเรื่องเลกมาพาดหัว หยังกะ นสพ บ้านเรา (พอดูเนื้อ มีเกี่ยวประโยคนึง)

อย่างไร.. หากหยิบประโยคนี้จากต้นข่าวมาเตมๆ อาจจะ mislead น้อยลง ..
lightfoil would be to control the direction of space vehicles that rely on radiation pressure for thrust

คือ radiation pressure นี่ ประยุกต์ได้ 2 แบบ..

1] radiation pressure for thrust .. อันนี้คือ Light sail ซึ่งจะใช้รังสีคล้ายๆ ปล่อยลมจากลูกโป่งหรือเราเป่าของ ซึ่งทำได้ในทางปฏิบัตินานละ

2] radiation pressure for lift .. อันนี้คือ Lightfoil ซึ่งจะสร้างแรงยกคล้ายเครื่องบินเช่นที่ว่ามา ซึ่งคุมทิศทางง่ายกว่า แต่มิได้ใช้ขับเคลื่อน

ดังนั้น ถ้าจะประยุกต์ Lightfoil ก้อคงเอามาคุมทิศ ไม่ได้เอามาเสริมแรงขับเคลื่อนให้ Light sail

คือที่สรุปมาทีแรก.. เหมือนจะขาดเรื่อง 'การคุมทิศทาง' ไป
พอต่อด้วยเรื่องแนวคิดจะใช้กับยานอวกาศ ต่อด้วยเรื่องยาน Light sail ที่กำลังจะปล่อย
พออ่านเลยนึกว่าเปนเรื่องต่อเนื่องกัน ทั้งที่จิงๆ เปนคนละเรื่องกันเลย แต่จะเอามาผสานกัน

(เสริมเพื่อกัน mislead .. ไงในอวกาศคงมิต้องใช้ Lightfoil สร้างแรงยกในเชิงของแรงลอยตัว)

mementototem's picture

>Our computer model predicts and our experiments prove that sustained optical lift is possible and can be used to make particles move perpendicular to the direction of the light flow. Combined with the previously known ‘levitation force’ of light, the specially shaped particles can be made to ‘fly.’ (ที่มา)

ผมแปลไม่ค่อยเก่ง แต่เข้าใจว่า

  • ก่อนหน้านี้เราทำให้วัตถุลอยขึ้นด้วยแรงดันของแสง วัตถุจะเคลื่อนไปตามแรงนั้น (ลอยไปตามแสง)
  • ตอนนี้ เราพบวิธีที่จะทำให้วัตถุเคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับทิศทางของแสง (กำหนดทิศทางที่จะไป)

ผมดูจากวิดีโอแล้วดูเหมือนว่า วัตถุนั้นจะลอยเข้าหากล้อง แล้วก็ลอยไปด้านขวา (แสงยิงเข้าหากล้อง)

แต่ผมสงสัยอย่างนึงคือ อวกาศมันมีอนุภาคโปรตอนหนาแน่นขนาดที่จะสร้างแรงพวกนี้ได้งั้นเหรอ? เป็นไปได้สร้างใบพัดสำหรับแสง อย่างที่เราสร้างใบพัดสำหรับลม?

ปล. วันนี้เราใช้เครื่องบินท่องทั่วท้องนภาด้วยแรงแห่งลม อีกไม่นานเราจะใช้ยานท่องทั่วอวกาศด้วยแรงแห่งแสง แต่หลักการเดียวกัน ธรรมชาติหนอธรรมชาติ มันเรียบง่ายเกินไปไหม?

tontpong's picture

เอ๋ ไหง reply แล้วมันไม่เปน sub-post หว่า
รึตูเมา รบกวนอ่านใน post ข้างล่างละกันน้า

terminus's picture

พออ่านๆ ไป ผมก็คิดว่าหัวข่าวชวนหลงจริงๆ ด้วยแฮะ โดยเฉพาะคำว่าขับเคลื่อน จริงๆ ผมควรจะใช้คำว่า "ยกตัว" มากกว่า แต่ผมก็เสียวๆ ว่าถ้าใช้คำว่า "ยกตัว" มันก็จะพานึกถึงว่ามันลอยขึ้นอีก ซึ่งการทดลองมันดัน "ยกตัว" ในแนวนอน (การทดลองมันชวนให้งงมากๆ อ่านทีแรกผมก็งง)

ผมเห็นเหมือนกับความเห็นข้างบนนะว่ายานอวกาศมันต้องมีทั้ง lift และ thrust ส่วนเรื่องการควบคุมทิศทางก็เป็นอย่างที่คุณ tontpong เสริมครับ lightfoil น่าจะควบคุมง่ายกว่า ส่วนเรื่องแรงยกจะมากพอใช้เป็นแรงยกยานขึ้นในทางปฏิบัติจริงๆ ได้มั้ย อันนี้ต้องรอดูกันอีกยาวครับ

tontpong's picture
งืมม ใช้ว่า "ปีกแสง" ไปเลยมั้ยอ่ะ แล้วค่อยอธิบายว่าปีกในที่นี่ใช้คุมทิศทาง ไม่ใช่สร้างแรงยกเพื่อลอยตัว เพราะอันนี้อยู่ในอวกาศ แกนอื่นๆ ที่ไม่ใช่แกนการเคลื่อนที่ มันดุลอยู่ละ ดังนั้น ยานอวกาศจะต่างจากอากาศยาน.. คือมี thrust พอ ไม่ต้องมี lift ส่วนที่แยก radiation pressure เปน 2 แบบ.. อันนี้ถอดความต้นข่าวมา ที่บอก radiation pressure for lift ใช้คุมทิศทาง.. ก้อว่าตามเค้าเช่นกัน แต่จิงๆ ที่เปนอยู่.. ก้อใช้ thrust คุมทิศทางเช่นกัน ซึ่งต้องมีต้นพลังงาน ซึ่งส่วนตัว ถ้าจะใช้พลังงานภายนอกงี้ ใช้พลังงานแสงสร้างพลาสมาดีก่า เพราะอวกาศก้อใช่จะว่างๆ เลย ตามรายทางพอมีอนุภาคให้เกบสะสมแล ไม่งั้น พอพ้นระบบสุริยะไปไกลๆ แสงมาสารพัดทาง จะคุมทิศยังไงหนอ ว่าแต่.. 'แรงยกจะมากพอใช้เป็นแรงยกยานขึ้นในทางปฏิบัติจริงๆ ได้มั้ย' นี่คือยกขึ้นจากไหนอ่ะ จากโลกคงหมดสิทธิ์ คงต้องไปปล่อยนอกโลกอ่ะ ปล. จิงๆ แม้แต่กับอากาศยาน เค้าก้อไม่ชอบการยกตัวด้วยปีก (fixed-wing) เพราะมันเคลื่อนที่ได้ไม่อิสระ.. ที่เค้าอยากได้สุดๆ ก้อปีกแบบนก/แมลง รองมาก้อคุมทิศของ thrust .. ซึ่งเมื่อก่อนทำยาก แต่เดวนี้สบาย มีคอม และจิงๆ แบบมีปีกมัน drag เยอะ.. ติดแค่ว่า บนโลก ใช้ปีกประหยัดกว่า
tontpong's picture

อนุภาคโปรตอน ?

ว่าแต่.. ไอเดียเรื่องใบพัดแสงน่าสนดีแหะ ไม่แน่ๆ ซักวัน Lightfoil อาจพัฒนาไปถึงขั้นนั้น
ระหว่างรอใช้ radiation pressure for lift .. ก้อใช้ radiation pressure for thrust กันไป

ปล่อยไปตามลม จะพัดพาเราไป จะไปไหนก็แล้วแต่สายลม จะปลิวไปไกล ไปให้มันไกลๆ
.. แต่เปนลมสุริยะนะ ถ้าอันนี้ทำได้ละ เปนเหมือนดอกหญ้า คือตามแต่ลมจะพัดพาไปจริงๆ
หรือพูดอีกที ก้อเหมือนปะการัง/แพลงตอน/สาหร่าย ที่ลอยไปตามกระแสน้ำกระแสสมุทร

ส่วนถ้าจะท่องอวกาศ อย่างเช่นนกที่มีปีกหรือปลาที่มีครีบ อยากไปไหนๆ ก้อไปได้ตามใจ
อันนี้คงต้องรอไปก่อน ตอนนี้เกาะ "กระแส" ไปพลาง.. ไม่แน่ เผลอๆ อาจมีใบพัดสสารมืด

ห้วงน้ำ ห้วงนภา ห้วงอวกาศ ต่างก้อมีวิธีท่องไปละ.. แต่ห้วงใจนี่สิ ต้องใช้วิธีไหนท่องไปน้า

mementototem's picture

อ๊าก พิมพ์ผิดขออภัยอย่างยิ่ง "โฟตอน" ครับ

ปล. ตอบอันโน้นแล้วด้วย เรื่องพิมพ์ผิดบางทีผมก็ไม่เข้าใจเหมือนกันว่าทำไม ทั้งที่จริงเป็นคำง่าย ๆ ที่ไม่ควรจะผิดเลยเสียด้วยซ้ำ ส่วนตัวคิดว่า จิต กับ กาย มันไม่สัมพันธ์กันมั้ง

tontpong's picture

อ้ากก เอ๋ออีกแล้ว.. รบกวนอ่าน reply ข้างล่างนะ

tontpong's picture

แล้วจิงๆ น้องเค้าชื่อ โปรตอน หรือ โฟตอน ล่ะ.. ไงเคลียร์กันเองนะคับ ผมไม่เกี่ยวววว

ส่วนที่ถามว่ามีอนุภาคโฟตอนหนาแน่นแค่ไหนนี่.. อันนี้ไม่รุเหมือนกันว่าเค้าวัดกันยังไง
แต่เอาเปนว่าโลกเที่ยงๆ สว่างแค่ไหน ในอวกาศนี่น่าจะมีโฟตอนหนาแน่นกว่าในโลกนะ
เทียบ ณ จุดที่ห่างดวงอาทิตย์เท่าโลกนะ ใกล้กว่าก้อหนาแน่นกว่า ไกลกว่าก้อน้อยกว่า

แต่จิงๆ ใบพัดโฟตอนนี่ คงยากมั้ง เพราะโฟตอนมันวิ่งเร็วจี๊ด เหมือนแล่นเรือน้ำเชี่ยวอ่ะ
ถ้าจะท่องอวกาศด้วยแสง เรื่องการคุมทิศทาง/ความเรว ให้เทียบคงทำนองแล่นเรือใบ

หากจะฝันๆ ดู อีกวิธีก้อ light jet มั้ง.. ไม่เคยได้ยินนะ หากใครเคยผ่านตา ก้อแชร์ด้วย