การเดินทางไปดวงจันทร์ของประเทศไทยในวันนี้ อาจไม่ได้เริ่มต้นจากการสร้างยานอวกาศทั้งลำ หรือการส่งนักบินอวกาศขึ้นไปด้วยตัวเอง แต่เริ่มต้นจากสิ่งที่เล็กกว่านั้นมาก นั่นคือการสร้าง “เครื่องมือวิทยาศาสตร์” ที่คนไทยสามารถออกแบบ พัฒนา และทำให้ผ่านมาตรฐานสำหรับการเดินทางสู่อวกาศได้และข้อมูลที่ได้จะมีมูลค่ามหาศาลในอนาคต

หนึ่งในก้าวสำคัญคือ CE-7 MATCH หรือ Chang’E-7 Moon-Aiming Thai-Chinese Hodoscope เครื่องมือศึกษารังสีคอสมิกที่พัฒนาโดยนักวิจัยและวิศวกรไทยจากสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ NARIT ร่วมกับมหาวิทยาลัยมหิดล และความร่วมมือกับจีน เพื่อเดินทางไปกับภารกิจฉางเอ๋อ-7

MATCH ไม่ได้มีความหมายเพียงการนำเครื่องมือของไทยขึ้นสู่อวกาศ แต่เป็นส่วนหนึ่งของความพยายามที่ยาวนานในการสร้างองค์ความรู้ บุคลากร และขีดความสามารถด้านเทคโนโลยีอวกาศของประเทศไทย เพื่อเปลี่ยนจากประเทศที่เคยต้อง “ซื้อ” เทคโนโลยีจากต่างประเทศ ไปสู่การเป็นประเทศที่สามารถ “สร้าง” เทคโนโลยีบางส่วนได้ด้วยตัวเอง

จากงานวิจัยรังสีคอสมิก สู่เครื่องมือของไทยในอวกาศ

เบื้องหลัง MATCH มาจากงานศึกษารังสีคอสมิกที่นักวิจัยสะสมองค์ความรู้มายาวนานไม่ต่ำกว่า 35 ปีของ ศาสตราจารย์พิเศษ ดร.เดวิด รูฟโฟโล อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์จากคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล นักวิทยาศาสตร์ผู้เชี่ยวชาญระดับโลก

ศาสตราจารย์พิเศษ ดร.เดวิด รูฟโฟโล บรรยายในงานสัมมนาเชิงเทคนิคด้านวิทยาศาสตร์อวกาศและวิศวกรรมการสำรวจห้วงอวกาศลึก ไทย–จีน ณ เมืองเหวินชาง มณฑลไห่หนาน สาธารณรัฐประชาชนจีน
บรรยายถึง รังสีคอสมิก หรือ Cosmic Rays คืออนุภาคพลังงานสูงที่เดินทางอยู่ในอวกาศ ประกอบด้วยอนุภาคหลายชนิด เช่น โปรตอน ไอออน อิเล็กตรอน รวมถึงอนุภาคทุติยภูมิที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์ต่าง ๆ

แหล่งสำคัญสามารถแบ่งกว้าง ๆ ได้เป็น Galactic Cosmic Rays (GCRs) ซึ่งมาจากนอกระบบสุริยะ และอนุภาคพลังงานสูงจากกิจกรรมบนดวงอาทิตย์ หรือ Solar Energetic Particles (SEPs) ที่อาจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดเหตุการณ์รุนแรงบนดวงอาทิตย์

สำหรับมนุษย์ที่อาศัยอยู่บนโลก เรามีเกราะป้องกันตามธรรมชาติที่สำคัญถึงสองชั้น ได้แก่ “สนามแม่เหล็กโลก” และ “ชั้นบรรยากาศ”

สนามแม่เหล็กโลกช่วยเบี่ยงเบนอนุภาคมีประจุจำนวนมาก ขณะที่อนุภาคพลังงานสูงที่ผ่านเข้ามาได้ยังต้องปะทะกับชั้นบรรยากาศ เกิดเป็นอนุภาคทุติยภูมิอีกจำนวนมากก่อนเดินทางลงมาถึงพื้นโลก

แต่สถานการณ์จะแตกต่างออกไปทันที เมื่อมนุษย์เดินทางออกไปไกลจากเกราะป้องกันของโลก

ทำไมต้องไปวัดรังสีถึงดวงจันทร์

คำถามสำคัญคือ ในเมื่อเรามีเครื่องตรวจวัดรังสีคอสมิกบนโลกและบนดาวเทียมอยู่แล้ว เหตุใดจึงต้องนำเครื่องมือไปวัดบริเวณดวงจันทร์?

คำตอบอยู่ที่สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันอย่างมาก

เครื่องตรวจวัดบนพื้นโลกได้รับอิทธิพลจากทั้งสนามแม่เหล็กและบรรยากาศโลก ขณะที่ดาวเทียมในวงโคจรต่ำสามารถตรวจวัดอนุภาคพลังงานบางช่วงได้ แต่ยังมีข้อจำกัดจากวงโคจรและช่วงเวลาที่ดาวเทียมผ่านบริเวณที่เหมาะสมต่อการตรวจวัด

บริเวณดวงจันทร์จึงเปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์ตรวจวัดสภาพแวดล้อมของอนุภาคพลังงานสูงในเงื่อนไขที่แตกต่างออกไป และสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงได้เป็นระยะเวลายาวนาน

นอกจากนี้ ดวงจันทร์แทบไม่มีชั้นบรรยากาศและไม่มีสนามแม่เหล็กโลกแบบที่ปกป้องพื้นผิวโลก รังสีคอสมิกจึงสามารถกระทบพื้นผิวดวงจันทร์ได้โดยตรง และทำให้เกิดอนุภาคทุติยภูมิกระเด็นออกมาจากพื้นผิว ซึ่งเป็นอีกหนึ่งสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการศึกษา

เมื่อดวงจันทร์เดินทางผ่าน “หางสนามแม่เหล็กโลก”

อีกหนึ่งเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจของ MATCH คือการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโลก ดวงจันทร์ และอนุภาคพลังงานสูง

เมื่อลมสุริยะพัดเข้าปะทะสนามแม่เหล็กโลก สนามแม่เหล็กด้านตรงข้ามดวงอาทิตย์จะถูกยืดออกไปเป็นบริเวณยาวที่เรียกว่า magnetotail หรือหางสนามแม่เหล็กโลก

ในแต่ละเดือน ดวงจันทร์จะเคลื่อนผ่านบริเวณหางสนามแม่เหล็กโลกเป็นเวลาหลายวัน

นี่ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเปรียบเทียบข้อมูลในช่วงที่ดวงจันทร์อยู่ภายในและภายนอก magnetotail เพื่อศึกษาว่าสภาพแวดล้อมของอนุภาคพลังงานสูงเปลี่ยนแปลงอย่างไร รวมถึงศึกษาประชากรของอนุภาคอย่างอิเล็กตรอนในช่วงพลังงานที่ทีมวิจัยให้ความสนใจ

ข้อมูลเหล่านี้ยังเชื่อมโยงไปถึงความเข้าใจเรื่อง Space Weather หรือสภาพอวกาศ ซึ่งมีความสำคัญเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในยุคที่มนุษย์พึ่งพาดาวเทียม ระบบสื่อสาร การนำทาง และเทคโนโลยีในอวกาศ

รังสีในอวกาศ โจทย์ใหญ่ของการส่งมนุษย์กลับดวงจันทร์

ความรู้เรื่องรังสีคอสมิกไม่ได้มีความสำคัญเฉพาะต่อนักฟิสิกส์เท่านั้น แต่เป็นหนึ่งในโจทย์สำคัญของการสำรวจอวกาศโดยมนุษย์

เมื่อมนุษย์เดินทางออกไปนอกบริเวณที่ได้รับการปกป้องจากสนามแม่เหล็กโลก นักบินอวกาศต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมด้านรังสีที่แตกต่างจากบนโลก โดยเฉพาะหากเกิดเหตุการณ์อนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์ขนาดใหญ่

นอกจากผลกระทบต่อมนุษย์แล้ว อนุภาคพลังงานสูงยังสามารถสร้างปัญหาต่อระบบอิเล็กทรอนิกส์ ดาวเทียม และยานอวกาศ ขณะที่ปรากฏการณ์จากดวงอาทิตย์ เช่น Coronal Mass Ejection หรือ CME ยังสามารถก่อให้เกิดผลกระทบต่อสภาพอวกาศและระบบเทคโนโลยีได้

ดังนั้น หากในอนาคตมนุษย์ต้องการกลับไปดวงจันทร์และอยู่อาศัยเป็นระยะเวลานาน การเข้าใจ “สภาพแวดล้อมด้านรังสี” จึงเป็นองค์ความรู้พื้นฐานที่ขาดไม่ได้

เครื่องมือเล็ก ๆ ที่ต้องรอดจากสภาวะสุดขั้ว

การสร้างเครื่องตรวจวัดที่ทำงานได้ดีในห้องทดลอง กับการสร้างเครื่องมือที่สามารถส่งขึ้นไปทำงานในอวกาศ เป็นคนละโจทย์กัน

เครื่องมือบนยานอวกาศถูกจำกัดทั้งน้ำหนัก ขนาด และพลังงานไฟฟ้าที่สามารถใช้ได้ ทุกกรัมที่เพิ่มขึ้นมีผลต่อการออกแบบภารกิจ

นอกจากนี้ยังต้องเผชิญกับแรงสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงระหว่างการปล่อยจรวด สภาวะสุญญากาศ และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างมาก

วัสดุที่ใช้ก็ต้องผ่านการพิจารณาอย่างละเอียด เพราะวัสดุบางชนิดสามารถปล่อยก๊าซออกมาเมื่ออยู่ในสุญญากาศ หรือเกิดปรากฏการณ์ outgassing ซึ่งอาจสร้างปัญหาต่ออุปกรณ์อื่นได้

MATCH จึงต้องผ่านกระบวนการทดสอบหลายด้าน ตั้งแต่ระบบไฟฟ้า เครื่องกล การสั่นสะเทือน สุญญากาศ ไปจนถึงการทดสอบทางความร้อน เพื่อให้มั่นใจว่าจะสามารถทำงานได้จริงหลังเดินทางออกจากโลก

นี่คืออีกหนึ่งคุณค่าของโครงการ เพราะสิ่งที่ประเทศไทยได้รับไม่ได้มีเพียงข้อมูลทางวิทยาศาสตร์ แต่รวมถึงประสบการณ์ในการสร้าง space-qualified hardware และองค์ความรู้ด้านวิศวกรรมอวกาศด้วย

จาก MATCH บน Chang’e-7 สู่ ALIGN บน Chang’e-8

เส้นทางของไทยไม่ได้หยุดอยู่ที่ MATCH

ภารกิจต่อไปที่กำลังพัฒนาคือเครื่องมือสำหรับ Chang’e-8 ซึ่งมีชื่อว่า ALIGN – Assessing Lunar Ion-Generated Neutrons และจะขยายการศึกษาจากบริเวณวงโคจรลงไปสู่สภาพแวดล้อมบนพื้นผิวดวงจันทร์

หนึ่งในอนุภาคสำคัญที่ ALIGN ต้องการศึกษาคือ นิวตรอน

เมื่อรังสีคอสมิกพลังงานสูงกระทบพื้นผิวดวงจันทร์ จะเกิดปฏิสัมพันธ์กับสสารและสร้างอนุภาคทุติยภูมิขึ้นมา รวมถึงนิวตรอนที่สามารถกระเด็นกลับออกมาจากพื้นผิว หรือที่เรียกว่า albedo neutrons

นิวตรอนเหล่านี้มีความสำคัญอย่างน้อยสองด้าน

ด้านแรกคือ ความปลอดภัยของมนุษย์ เพราะนิวตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของสภาพแวดล้อมด้านรังสีที่ต้องนำมาประเมินเมื่อมนุษย์จะทำงานหรืออยู่อาศัยบนดวงจันทร์

อีกด้านคือ การศึกษาน้ำหรือไฮโดรเจนบริเวณใต้พื้นผิวดวงจันทร์ เนื่องจากการกระจายตัวของนิวตรอนสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับวัสดุที่มีไฮโดรเจน และเป็นหนึ่งในวิธีที่ใช้ศึกษาบริเวณซึ่งอาจมีน้ำแข็งอยู่ใต้พื้นผิว

เดิมทีมวิจัยมีแนวคิดที่จะติดตั้งเครื่องมือทั้งบน Lander และ Rover เพื่อให้สามารถเคลื่อนที่สำรวจและเปรียบเทียบข้อมูลจากหลายตำแหน่ง แต่การออกแบบเครื่องมืออวกาศต้องอยู่ภายใต้ข้อจำกัดด้านพื้นที่ น้ำหนัก พลังงาน และเงื่อนไขของยาน ทำให้ต้องปรับรูปแบบของเครื่องมือให้สอดคล้องกับทรัพยากรที่ได้รับ

นี่สะท้อนความเป็นจริงของงานอวกาศว่า นักวิทยาศาสตร์อาจเริ่มต้นด้วยคำถามที่อยากตอบจำนวนมาก แต่สุดท้ายต้องร่วมกับวิศวกรหาวิธีรักษา “เป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุด” เอาไว้ ภายใต้ข้อจำกัดของภารกิจจริง

กลางวัน 14 วัน กลางคืน 14 วัน ความท้าทายบนพื้นดวงจันทร์

การนำเครื่องมือไปทำงานบนพื้นผิวดวงจันทร์ยังท้าทายกว่าการทำงานบน Orbiter

วันหนึ่งบนดวงจันทร์ยาวนานมากเมื่อเทียบกับโลก พื้นที่จำนวนมากจึงต้องเผชิญกับช่วงกลางวันและกลางคืนที่ยาวประมาณครั้งละ 14 วันโลก

เมื่อไม่มีแสงอาทิตย์ แผงโซลาร์เซลล์ไม่สามารถผลิตพลังงานได้ตามปกติ ขณะที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง การออกแบบเครื่องมือให้สามารถอยู่รอดและกลับมาทำงานต่อได้จึงเป็นโจทย์ทางวิศวกรรมที่ยากขึ้นอีกระดับ

ดังนั้น Chang’e-8 ไม่ได้เป็นเพียงการนำเครื่องมือจากวงโคจร “ลงไปวางบนดวงจันทร์” แต่หมายถึงการพัฒนาเทคโนโลยีที่ต้องสามารถทำงานภายใต้สภาพแวดล้อมของพื้นผิวดวงจันทร์จริง

จากประเทศผู้ซื้อ สู่ประเทศผู้สร้าง

เบื้องหลังเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ ยังมีอีกคำถามสำคัญสำหรับประเทศไทย นั่นคือ เราจะสร้างเทคโนโลยีอวกาศของเราเองได้มากเพียงใด

ในอดีต เมื่อประเทศไทยต้องการเทคโนโลยีอวกาศ วิธีหนึ่งคือการจัดซื้อระบบจากต่างประเทศ ซึ่งโครงการขนาดใหญ่อาจมีมูลค่าหลายพันล้านบาท

ขณะที่ MATCH ใช้งบประมาณตามข้อมูลที่ทีมวิจัยกล่าวถึงประมาณ 70 ล้านบาท

เงินจำนวนนี้จึงไม่ได้ถูกมองเพียงในฐานะค่าใช้จ่ายของเครื่องมือหนึ่งชิ้น แต่เป็นการลงทุนเพื่อสร้างองค์ความรู้ วิศวกร นักวิทยาศาสตร์ และความสามารถในการพัฒนาเทคโนโลยีภายในประเทศ

เพราะเป้าหมายระยะยาวไม่ใช่การที่ประเทศไทยต้องสร้างทุกอย่างเองทั้งหมด แต่คือการมี in-house capability มากพอที่จะออกแบบ พัฒนา และเป็นเจ้าขององค์ความรู้บางส่วน สามารถเข้าร่วมภารกิจระดับนานาชาติในฐานะผู้สร้างและพันธมิตรทางวิทยาศาสตร์ ไม่ใช่เพียงผู้ซื้อเทคโนโลยี

งานอวกาศไม่สามารถวางแผนแบบปีต่อปี

อย่างไรก็ตาม หนึ่งในความท้าทายที่นักวิจัยไทยสะท้อนมาตลอดคือ “ความต่อเนื่องของงบประมาณ”

ภารกิจอวกาศไม่สามารถสร้างเสร็จภายในหนึ่งปี

ตั้งแต่คิดคำถามทางวิทยาศาสตร์ ออกแบบเครื่องมือ สร้างต้นแบบ ทดสอบ ปรับแก้ ผ่านมาตรฐาน ประสานกับยานแม่ จนถึงการปล่อยและปฏิบัติภารกิจ อาจกินเวลาหลายปี

ระบบทุนวิจัยแบบปีต่อปีจึงสร้างความไม่แน่นอน โดยเฉพาะโครงการที่จำเป็นต้องวางแผนล่วงหน้าหลายปี และต้องทำงานให้ตรงกับตารางภารกิจของพันธมิตรต่างประเทศ

ความสำเร็จของโครงการอวกาศจึงไม่ได้ขึ้นอยู่กับนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรเพียงอย่างเดียว แต่ต้องมีระบบสนับสนุนระยะยาวที่ทำให้ทีมสามารถวางแผนและรักษาบุคลากรได้อย่างต่อเนื่อง

เมื่อข้อจำกัดกลายเป็นแรงผลักให้ “คิดไม่เหมือนใคร”

นักวิจัยไทยอาจไม่มีงบประมาณ กำลังคน หรือโครงสร้างพื้นฐานเทียบเท่าประเทศมหาอำนาจด้านอวกาศ แต่ข้อจำกัดนี้เองทำให้เกิดหลักคิดสำคัญอย่างหนึ่ง คือ หากแข่งขันด้วยขนาดไม่ได้ ก็ต้องแข่งขันด้วยความคิด

โจทย์จึงอยู่ที่การค้นหาคำถามทางวิทยาศาสตร์ที่ยังมีช่องว่าง คิดแตกต่าง และสร้างคุณค่าทางวิชาการที่ทำให้พันธมิตรระดับนานาชาติเห็นความสำคัญ

MATCH เป็นหนึ่งในตัวอย่างของแนวคิดดังกล่าว เมื่อข้อเสนอของไทยได้รับเลือกให้เป็นหนึ่งในเครื่องมือวิทยาศาสตร์นานาชาติของภารกิจ Chang’e-7

และเมื่อได้ทำงานร่วมกับภารกิจจริง ทีมไทยก็สามารถเรียนรู้กระบวนการพัฒนาเครื่องมืออวกาศในระดับที่ยากจะจำลองได้จากห้องทดลองเพียงอย่างเดียว

สิ่งที่ได้กลับมาไม่ใช่เพียงข้อมูล แต่คือ “คน”

อีกหนึ่งผลลัพธ์สำคัญของโครงการคือการสร้างนักวิทยาศาสตร์ วิศวกร และนักศึกษารุ่นใหม่

เมื่อประเทศไทยมีโครงการอวกาศของตัวเอง นักศึกษาสามารถเข้ามามีส่วนร่วมกับโจทย์จริง ตั้งแต่ detector อิเล็กทรอนิกส์ ซอฟต์แวร์ การประมวลผลข้อมูล โครงสร้างเครื่องมือ ไปจนถึงการทดสอบระบบ

บางส่วนสามารถเริ่มต้นจากโครงการขนาดเล็ก เช่น การนำ payload ขึ้นไปทดสอบด้วยบอล