เรื่องโดย รศ. ดร.ณัฐพร ฉัตรแถม
คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
ณ แหลมคะแนเวอรัล รัฐฟลอริดา สหรัฐอเมริกา ในวันที่ 15 กันยายน พ.ศ. 2568 เวลา 05.11 น. ตามเวลาประเทศไทย จรวดฟัลคอน 9 ของบริษัทสเปซเอกซ์พุ่งทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าเพื่อพายานขนส่งซิกนัสภารกิจเอ็นจี-23 (Cygnus NG-23) มุ่งหน้าสู่สถานีอวกาศนานาชาติ โดยมีงานวิจัยของคนไทยอยู่ในการเดินทางครั้งนี้ด้วย
งานวิจัยดังกล่าวคือ เพย์โหลด (payload) หรืออุปกรณ์การทดลองของโครงการ Thailand Liquid Crystals in Space (TLC) ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์กับสำนักงานพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศ (GISTDA) ภายใต้บันทึกข้อตกลง (MOU) ที่ลงนามกับองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ หรือนาซา (NASA) ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2564 มีเป้าหมายเพื่อศึกษาพฤติกรรมของผลึกเหลวในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำซึ่งช่วยให้เข้าใจคุณสมบัติพื้นฐานของผลึกเหลวได้อย่างลึกซึ้ง และนำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีจอภาพผลึกเหลว (liquid crystal display: LCD) หรือจอแอลซีดีที่เป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์แสดงผลต่าง ๆ ให้มีประสิทธิภาพดีขึ้น ทั้งการตอบสนองที่ไวขึ้น ภาพคมชัดขึ้น แต่ใช้พลังงานต่ำลง
รู้จักกับเพย์โหลดสำหรับการทดลองผลึกเหลวบนสถานีอวกาศนานาชาติ
เพย์โหลดสำหรับการทดลองผลึกเหลวบนสถานีอวกาศนานาชาติ คือ ชุดอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อทำการทดลองผลึกเหลวบนสถานีอวกาศนานาชาติ มีจุดประสงค์เพื่อใช้ศึกษาจุดพร่องที่เกิดขึ้นบนฟิล์มผลึกเหลวเนื่องด้วยการรบกวนจากสิ่งเร้าภายนอก ได้แก่ ความต่างความดันไอ (vapor pressure gradient), ความต่างอุณหภูมิ (temperature gradient) และการเฉือนของอากาศ (air shearing) ภายใต้สภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำและไร้การพาความร้อน ผลลัพธ์จากการศึกษาจะช่วยเพิ่มความเข้าใจพฤติกรรมของผลึกเหลวในสภาวะแรงโน้มถ่วงต่ำ รวมถึงมีศักยภาพที่จะนำไปใช้พัฒนาเทคโนโลยีต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับผลึกเหลว เช่น จอแสดงผล เซนเซอร์
ทีมวิจัยออกแบบให้ควบคุมเพย์โหลดและดำเนินการทดลองได้จากระยะไกล โดยใช้ Raspberry Pi 4 Model B ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์บอร์ดเดียว (single-board computer) ที่มีความยืดหยุ่นและขนาดเล็กกะทัดรัดเป็นตัวควบคุมหลักในการควบคุมอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการทดลอง เช่น มอเตอร์ เซนเซอร์ รีเลย์ไฟฟ้า อุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิ อุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมการไหลของมวลสาร ผ่านพอร์ตเอนกประสงค์ GPIO (general purpose input/output) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เพย์โหลดแบ่งออกเป็นสองส่วนหลัก ได้แก่ ส่วนบันทึกภาพ (image module) จะทำหน้าที่ศึกษาผลึกเหลว โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ KERMIT (KEyence Research Microscope Testbed) ที่ติดตั้งอยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติ บันทึกภาพและข้อมูลเกี่ยวกับพฤติกรรมของฟิล์มผลึกเหลวที่เกิดจากการรบกวนต่าง ๆ ในระหว่างการทดลอง การเก็บข้อมูลเหล่านี้จะช่วยให้ศึกษาได้ว่าการรบกวนจากภายนอก เช่น ความแตกต่างของความดันไอ อุณหภูมิ และการเฉือนของอากาศ มีผลกระทบอย่างไรต่อฟิล์มผลึกเหลว
อีกส่วนคือ ส่วนควบคุม (control module) ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ในระหว่างการทดลอง เช่น ควบคุมการเคลื่อนที่ของมอเตอร์ที่ใช้ในการสร้างฟิล์มผลึกเหลว ควบคุมอุณหภูมิ ควบคุมการไหลของสารภายในระบบ การควบคุมเหล่านี้จะดำเนินการผ่าน Raspberry Pi 4 Model B ซึ่งควบคุมระบบทั้งหมดให้สอดคล้องกับขั้นตอนการทดลองได้อย่างต่อเนื่อง
ทีมวิจัยต้องทุ่มเทพัฒนาเพย์โหลดนี้ถึง 4 รอบ กว่าผ่านการตรวจสอบจากคณะกรรมการของนาซาและได้รับอนุมัติให้ส่งขึ้นอวกาศได้ในที่สุด โดยหลังจากที่จรวดฟัลคอน 9 ทะยานขึ้นสู่ท้องฟ้าเมื่อเช้ามืดของวันที่ 15 กันยายน ที่ผ่านมา ทีมวิจัยก็ยังคงเฝ้าติดตามภารกิจนี้อย่างใจจดใจจ่อ จนวันที่ 18 กันยายน พ.ศ. 2568 ยานซิกนัสได้เชื่อมต่อเข้ากับสถานีอวกาศนานาชาติเพื่อขนส่งเพย์โหลดและเสบียงเข้าสู่สถานีอวกาศนานาชาติได้สำเร็จ นั่นหมายความว่าเพย์โหลดของทีมวิจัยไทยอยู่ในสถานีอวกาศนานาชาติเรียบร้อยแล้ว
ปัจจุบันทีมวิจัยกำลังเตรียมปฏิบัติการร่วมกับเจ้าหน้าที่ภาคพื้นดินเพื่อซ้อมดำเนินการร่วมกับนักบินอวกาศ โดยการทดลองบนสถานีอวกาศนานาชาติจะเริ่มในวันที่ 1 ธันวาคม พ.ศ. 2568 นี้ แบ่งเป็น 48 ช่วง ดำเนินการช่วงละ 3 ชั่วโมง เพื่อให้ได้ชั่วโมงการทดลองทั้งสิ้น 144 ชั่วโมง มีรายละเอียดการทดลองดังต่อไปนี้
การทดลองที่ 1 การทดลองฟิล์มผลึกเหลวภายใต้สภาวะแวดล้อมที่มีความแตกต่างของความดันไอ
การทดลองฟิล์มผลึกเหลวภายใต้สภาวะแวดล้อมที่มีความต่างของความดันไอ (water-vapor experiment) เป็นการศึกษาพฤติกรรมของฟิล์มผลึกเหลวภายใต้สภาวะแวดล้อมของฟิล์ม ณ ตำแหน่งด้านบนและด้านล่างของฟิล์มที่มีความชื้นของสิ่งแวดล้อมที่ต่างกัน โดยระบบเพย์โหลดจะเพิ่มความชื้นของสิ่งแวดล้อมในระบบปิดบริเวณด้านบนหรือด้านล่างของฟิล์มผลึกเหลวด้วยการบรรจุไอน้ำ ณ บริเวณที่ต้องการ เมื่อมีการบรรจุไอน้ำเข้าสู่สิ่งแวดล้อมจะทำให้เกิดความต่างของความชื้น ณ บริเวณด้านบนและด้านล่างของฟิล์ม บริเวณที่มีความชื้นสูงกว่าจะส่งผ่านไอน้ำผ่านฟิล์มของผลึกเหลวเข้าสู่บริเวณที่มีความชื้นต่ำกว่าเพื่อปรับสมดุลความชื้นของระบบปิดโดยรวม ไอน้ำที่เคลื่อนผ่านฟิล์มของผลึกเหลวทำให้ฟิล์มเกิดการหมุนแบบเลห์มันน์ (Lehmann rotation) ส่งผลให้เนื้อฟิล์มเกิดการหมุนเป็นเส้นของจุดพร่อง (defect) และขดตัวเป็นลักษณะของรูปก้นหอยดังภาพด้านล่าง
การทดลองที่ 2 การทดลองฟิล์มผลึกเหลวภายใต้การเฉือนของอากาศ
การทดลองฟิล์มผลึกเหลวภายใต้การเฉือนของอากาศ (air shearing) จะสร้างฟิล์มผลึกเหลวขึ้นบนแผ่นสเตนเลสที่เจาะเป็นรูกลมขนาดประมาณ 3 มิลลิเมตร ที่อุณหภูมิห้อง (ประมาณ 25 องศาเซลเซียส) จากนั้นจึงเป่าลมจากระบบผ่านเข็มหัวตัดโดยใส่ลมในลักษณะขนานกับฟิล์มผลึกเหลวเพื่อให้ลมที่ออกมาเกิดความเค้นเฉือน (shearing) เป็นระยะเวลาหนึ่งจนกระทั่งได้ความหนาฟิล์มที่ต้องการ สังเกตได้จากการเปลี่ยนแปลงของสีฟิล์มและจุดพร่องที่เกิดขึ้นเป็นจำนวนมากซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องการในการทดลองนี้ แล้วจึงบันทึกพฤติกรรมของจุดพร่องเหล่านี้ภายใต้กระบวนการรวมตัวกันของจุดพร่องที่มีประจุตรงกันข้ามเนื่องมาจากการแพร่ (diffusion) เพื่อนำมาวิเคราะห์ผลการทดลองต่อไป
การทดลองที่ 3 การทดลองฟิล์มผลึกเหลวภายใต้สภาวะแวดล้อมที่มีความแตกต่างของความร้อน
การทดลองฟิล์มบางผลึกเหลวเนื่องจากผลของความร้อน (indium tin oxide (ITO) heater experiment) เป็นการทดลองเพื่อศึกษาว่าผลต่างของอุณหภูมินั้นมีผลกับการเปลี่ยนทิศทางการจัดเรียงโมเลกุลของสารผลึกเหลวชนิดฟิล์มบางอย่างไร โดยจำลองให้เกิดผลต่างของอุณหภูมิจากแผ่นให้ความร้อนแบบใส (ITO heater) เพื่อให้มองผ่านจากกล้องจุลทรรศน์ KERMIT และสังเกตลักษณะลวดลายที่เปลี่ยนไปบนฟิล์มบางผลึกเหลวนั้นได้ กระบวนการนี้เรียกว่า การหมุนแบบเลห์มันน์ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าผลต่างของอุณหภูมิส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงการจัดเรียงตัวของโมเลกุล เราจึงเห็นเป็นการเปลี่ยนแปลงลวดลายของฟิล์มบางผลึกเหลวนั่นเอง
การทดลองทั้งสามแบบวิเคราะห์การเรียงตัวของโมเลกุลผ่านกล้องจุลทรรศน์ KERMIT ของนาซาซึ่งทีมวิจัยได้ดัดแปลงโดยส่งอุปกรณ์กรองแสง (filter cube) จำนวน 6 ชิ้น ขึ้นไปพร้อมกับเพย์โหลดของโครงการ เพื่อให้นักบินอวกาศเปลี่ยนฟิลเตอร์ของกล้องจุลทรรศน์จากแบบฟลูออเรสเซนซ์ (fluorescence filter) เป็นแบบโพลาไรซ์ (polarization filter) กล้องจุลทรรศน์ KERMIT จึงทำงานได้เหมือนกล้องจุลทรรศน์โพลาไรซ์ (polarizing microscope) ที่วิเคราะห์การเรียงตัวของโมเลกุลได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ผลทดลองจากฟากฟ้าสู่การพัฒนาเทคโนโลยีแห่งอนาคต
การทดลองผลึกเหลวในอวกาศช่วยให้เราเห็นและควบคุมจุดพร่องเล็ก ๆ ในวัสดุได้ชัดเจนกว่าบนโลก เมื่อนำความรู้นี้กลับมาใช้ในกระบวนการผลิตในโรงงานจะทำให้ตัวสินค้ามีความสม่ำเสมอขึ้น การรั่วของแสงน้อยลง คอนทราสต์ดียิ่งขึ้น การใช้ไฟน้อยลง และอายุการใช้งานยาวขึ้น ส่งผลให้ผู้ผลิตผลิตสินค้าได้มากขึ้น การคัดทิ้งในโรงงานน้อยลง ต้นทุนลดลง ขณะที่ผู้บริโภคได้จอภาพที่คมชัดสวยงามยิ่งขึ้น
การประยุกต์ใช้ผลึกเหลวยังมีให้เห็นในอุตสาหกรรมอื่นด้วย เช่น กระจกอัจฉริยะจากผลึกเหลวช่วยสั่งงานแสงได้ตามต้องการ โดยกระจกปรับทึบ–ใส ลดแสงจ้าและความร้อน ประหยัดพลังงานและเพิ่มความเป็นส่วนตัว นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์กรองแสง (optical filter) แบบปรับจูนได้ด้วยไฟฟ้าเพื่อเลือกความยาวคลื่นหรือโพลาไรซ์ได้ทันที ทำให้กล้องอุตสาหกรรม โดรน ดาวเทียม และเครื่องมือแพทย์วิเคราะห์สารได้แม่นขึ้นโดยไม่ต้องเปลี่ยนเลนส์ พร้อมยกระดับเทคโนโลยีเออาร์ วีอาร์ และเลนส์กล้องให้ภาพคม สีตรง อุปกรณ์บางเบาและใช้ไฟน้อยลง รวมถึงรองรับงานสื่อสาร เรดาร์ และไลดาร์ (Light Detection and Ranging: LiDAR) ที่ต้องปรับตัวไวตามสภาพแสงและสภาพอากาศได้อีกด้วย
About Author
