ความพยายามในการศึกษาและเข้าใจ “โลก” ของมนุษย์ เริ่มตั้งแต่การตั้งคำถามว่า ทำไมแอบเปิ้ลถึงตกจากต้นลงสู่พื้นดิน จนกลายเป็นทฤษฎีแรงโน้มถ่วงโลกในเวลาต่อมา และสุดท้ายได้พัฒนาไปถึงการสร้างยานอวกาศที่สามารถต้านแรงโน้มถ่วงขึ้นไปสำรวจโลกในชั้นที่ไกลกว่าชั้นบรรยากาศได้
จุดเริ่มต้นของการท่องอวกาศ
เทคโนโลยียานอวกาศเริ่มต้นขึ้นในช่วงสงครามเย็น ที่เกิดความตึงเครียดทางการเมืองและการทหารระหว่างสหรัฐฯอเมริกากับสหภาพโซเวียต ระหว่างปี ค.ศ. 1947 ถึง 1991 ซึ่งนอกจากการแข่งกันสร้างระเบิดนิวเคลียร์แล้ว สงครามแห่งเทคโนโลยีในอวกาศอย่างดาวเทียมโคจรรอบโลกที่เกินกว่าจินตนาการของมนุษย์ธรรมดาหลายๆ คน ก็ปรากฎขึ้น
วันที่ 4 ตุลาคม ค.ศ. 1957 สหภาพโซเวียตได้ปล่อยดาวเทียม Sputnik พร้อมจรวด R7 เพื่อส่งสัญญาณวิทยุกลับมายังสถานีภาคพื้นดินเมื่อเข้าสู่วงโคจรโลกได้สำเร็จ และจะส่งสัญญาณเสียง “ปี๊ป” เมื่อดาวเทียมเคลื่อนมาอยู่ในตำแหน่งเดียวกันกับสถานีภาคพื้นดินทุกๆ 96 นาที ถือเป็นประวัติศาสตร์โลกที่สามารถนำสิ่งประดิษฐ์ฝีมือของมนุษย์ขึ้นไปเหนือชั้นบรรยากาศได้สำเร็จเป็นครั้งแรก และยังประสบความสำเร็จอย่างต่อเนื่องในการนำยานที่มีสิ่งมีชีวิตคือ สุนัขชื่อ Laika ขึ้นไปสู่ชั้นบรรยากาศโลกได้เป็นครั้งแรก เมื่อวันที่ 3 พฤศจิกายน ค.ศ. 1957 ด้วยเจ้า Sputnik II
ด้านสหรัฐอเมริกาได้จัดตั้งองค์กรบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ หรือ องค์กรนาซ่า ขึ้นในวันที่ 29 กรกฎาคม ค.ศ. 1958 เพื่อทำปฏิบัติการทางอวกาศและวิจัยห้วงอวกาศ รวมถึงบริหารโครงการอวกาศต่างๆ โดยถือว่าเป็นส่วนหนึ่งในการส่งเสริมกิจกรรมทางการทหารของสหรัฐฯด้วย
ถึงแม้ว่า สหภาพโซเวียตจะประสบความสำเร็จนำหน้าสหรัฐฯ มาตลอด แต่ในปี ค.ศ. 1962 สหรัฐฯได้สร้างความสำเร็จครั้งสำคัญที่สุดในหน้าประวัติศาสตร์การสำรวจอวกาศของมนุษย์ โดยการนำมนุษย์ไปเหยียบบนดวงจันทร์ได้เป็นครั้งแรกและสามารถกลับมายังโลกได้อย่างปลอดภัย จากภารกิจยาน Apollo 11 ของนักบินอวกาศชื่อ นิว อาร์มสตรองค์ และ บัส อัลดริน
นิว อาร์มสตรองค์ และ บัส อัลดริน นักบินอวกาศสหรัฐฯ เป็นมนุษย์กลุ่มแรกที่เหยียบดวงจันทร์ได้สำเร็จในภารกิจ Apollo 11
ประโยชน์ของการท่องอวกาศ
การแข่งขันทางอวกาศทำให้มนุษย์เข้าใจ “โลก” จากการสำรวจอวกาศ การศึกษาชิ้นส่วนจากนอกโลก การศึกษาภาพถ่ายภูมิศาสตร์ของโลก การศึกษาสภาพอากาศ และทำให้เกิดเทคโนโลยีการติดต่อสื่อสารจากการใช้ประโยชน์ของคลื่นความถี่พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้ามากมาย
การสำรวจอวกาศมีการแบ่งระดับชั้นวงโคจรโลกออกเป็น 3 ระดับ คือ วงโคจรรอบโลกระดับต่ำ (Low Earth Orbit) เป็นระดับที่ใช้ในการศึกษาและสำรวจโลกจากสถานีอวกาศ การพยากรณ์อากาศโลก และดาวเทียมโทรคมนาคมเพื่อการพาณิชย์ ถัดมาเป็นวงโครจรรอบโลกระดับกลาง (Medium Earth orbit) ซึ่งใช้ในการนำทาง และวงโคจรรอบโลกระดับประจำที่ (Geostationary Earth orbit) ใช้สำหรับดาวเทียมเพื่อการสื่อสารทางการทหาร
การแบ่งระดับชั้นวงโคจรโลก (3 ระดับ) (ที่มา: NASA)
นอกจากการใช้ประโยชน์เพื่อการทหารและการสำรวจอวกาศแล้ว เมื่อเวลาผ่านไปก็มีการนำเทคโนโลยีทางอวกาศมาใช้ในเชิงพาณิชย์มากขึ้น อาทิ ธุรกิจการนำมนุษย์ไปเดินทางท่องเที่ยวในอวกาศโดยสถาบันทางอวกาศภาคเอกชน เพราะเทคโนโลยีการปล่อยยานอวกาศมีต้นทุนถูกลงและปลอดภัยมากขึ้น ส่วนการใช้คลื่นความถี่แม่เหล็กเป็นตัวกลางในการสื่อสารก็มีการเติบโตเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยกิจกรรมเหล่านี้ ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นในวงโคจรระดับต่ำ (LEO)
จำนวนการปล่อยยานขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศแยกตามจุดประสงค์การใช้งาน (ภาพจาก รายงานความยั่งยืนทางอวกาศ ของ OECD)
กำเนิดขยะอวกาศ
กว่า 60 ปี (ค.ศ. 1957 – 2020) ของการส่งสิ่งประดิษฐ์และสิ่งมีชีวิตขึ้นไปบนวงโคจรของโลกได้สร้างขยะอวกาศจำนวนมาก โดยขยะอวกาศ หรือ วัตถุในอวกาศที่ไม่ได้ใช้งานแล้ว เป็นวัสดุที่ไม่สามารถนำมาใช้ซ้ำได้ หากมีขนาดเล็กจะสามารถย่อยสลายไปตามธรรมชาติจากการเผาไหม้ในชั้นบรรยากาศโลกหรือย่อยสลายได้ด้วยตัวเอง แต่หากมีขนาดใหญ่อย่างยานอวกาศหรือดาวเทียมจะต้องยิงทำลายจากพื้นผิวโลกหรือปล่อยให้หลุดวงโคจรของโลกไป
ขยะอวกาศมีที่มาจากหลากหลายสาเหตุ ทั้งการผลักออกจากวงโคจรเมื่อไม่ได้ใช้ประโยชน์แล้ว (Propulsion) การทำลายทิ้ง (Deliberate) อุบัติเหตุการชนกัน (Collision/Accidental) ความผิดปกติของแบตเตอรี่ (Battery) และส่วนที่ไม่ทราบสาเหตุ (Unknown) โดยต้นเหตุที่ทำให้เกิดขยะอวกาศจำนวนเยอะที่สุดคือ อุบัติเหตุการชนกัน
เหตุการณ์ที่ทำให้ขยะอวกาศได้รับความสนใจเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 10 กุมภาพันธ์ ปี ค.ศ. 2009 เมื่อดาวเทียมเพื่อการโทรคมนาคม Iridium-33 น้ำหนัก 560 กิโลกรัม ของสหรัฐฯ ชนกับ ซากดาวเทียมเพื่อการโทรคมนาคม Cosmos-2251 น้ำหนัก 900 กิโลกรัม ของรัสเซีย ที่ระดับความสูง 790 km มวลและความเร็วของดาวเทียมทั้งสองทำให้เกิดการชนกันอย่างรุนแรง จนส่งผลให้ระบบโทรคมนาคมในประเทศสหรัฐฯไม่สามารถใช้งานได้ชั่วคราว และทำให้เกิดขยะอวกาศขนาดใหญ่กว่า 10 เซนติเมตรจำนวน 1,800 ชิ้น ชิ้นเล็กขนาด 1 – 10 เซนติเมตร อีกประมาณ 200,000 ชิ้น และสหรัฐฯยังพบเศษซากของถังน้ำมันจากดาวเทียม Iridium-33 ที่หลุดจากวงโคจรตกลงสู่พื้นโลกในรัฐแคลิฟอร์เนีย เมื่อเดือนตุลาคม 2018 ทำให้ผู้คนเริ่มตั้งคำถามว่า ขยะอวกาศอาจไม่ใช่ปัญหาทางเทคนิคอีกต่อไป แต่เป็นปัญหาในระดับประเทศชาติและนานาชาติ
เมื่อจำนวนขยะอวกาศส่งผลให้การทำกิจกรรมต่างๆ ในอวกาศไม่มีเสถียรภาพ องค์กรนาซาจึงวางแผนว่าจะกำจัดขยะอวกาศขนาดใหญ่ปีละ 5 ชิ้น เพื่อให้ดาวเทียมที่โคจรอยู่สามารถกลับมาดำเนินกิจกรรมได้อย่างมีเสถียรภาพดังเดิม ส่วนขยะที่เหลือจะถูกทิ้งให้ย่อยสลายเองโดยอาจใช้เวลามากกว่า 100 ปี
อีกเหตุการณ์หนึ่งที่สร้างผลกระทบอย่างใหญ่หลวงเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 11 มกราคม ค.ศ. 2007 เมื่อระบบต่อต้านดาวเทียมของประเทศจีนได้ทำลายดาวเทียมพยากรณ์อากาศ Fengyun 1C ด้วยการยิงระเบิดขีปนาวุธจากภาคพื้นดิน ทำให้เกิดขยะอวกาศจากเศษซากของดาวเทียมจำนวน 3,442 ชิ้น หรือประมาณ 30% ของขยะอวกาศทั้งหมด นับเป็นเหตุการณ์ที่สร้างเศษซากขยะอวกาศครั้งเลวร้ายที่สุดในประวัติศาสตร์ 50 ปีของการปฏิบัติงานในอวกาศของมนุษยชาติ
ปริมาณขยะอวกาศขนาดตั้งแต่ 10 cm ขึ้นไป แยกประเภทเป็น ขยะที่เกิดจากการเสื่อมสภาพและการทำลายยานทิ้ง (Fragmentation debris), ซากยานอวกาศ (Spacecraft), ซากลำตัวของจรวด (Rocket bodies) และซากยานจากการทำภารกิจ (Mission-related debris) (ที่มา: NASA)
สถาบัน European space agency (ESA) หนึ่งในผู้เก็บข้อมูลขยะอวกาศของยุโรปได้รายงานสภาวแวดล้อมของชั้นบรรยากาศในปี 2019 ว่า มีขยะอวกาศจำนวนทั้งสิ้น 22,014 ชิ้น คิดเป็นน้ำหนักรวม 8,493.8 ตัน หรือเท่ากับน้ำหนักของคนจำนวน 141,563 คนรวมกัน (1 คน = 60 กิโลกรัม) โดยขยะอวกาศส่วนมาก 13,485 ชิ้น (2,688.5 ตัน) จะอยู่ที่ชั้นวงโคจรระดับต่ำ หรือ LEO ซึ่งส่วนใหญ่มีที่มาจากกิจกรรมที่เกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณโทรคมนาคม การตรวจตราสภาพอากาศ และกิจการเชิงพาณิชย์อื่นๆ และ 842 ชิ้น ( 2,429.6 ตัน) อยู่ในระดับวงโคจร GEO และเศษอื่นๆที่กระจายอยู่ทั่ววงโคจรอีก จำนวน 7,687 ชิ้น
หากแบ่งลักษณะเศษซากที่พบเจอในวงโคจร LEO จะพบว่า หลักๆ จะมาจากเศษซากที่หลุดลอกออกจากยานหรือดาวเทียม ทั้งจากการเสื่อมสภาพและการทำลายยานทิ้ง (Fragmentation debris) จำนวน 8,681 ชิ้น (1.5 ตัน) รองลงมาเป็นซากตัวยานที่ใช้เพื่อการขนส่ง (Payloads) จำนวน 2,943 ชิ้น (1,406.5 ตัน) ซากจรวดจำนวน 855 ชิ้น (1271.7 ตัน) และซากยานจากการทำภารกิจจำนวน 769 ชิ้น (7.5 ตัน)
สำหรับข้อมูลการคาดการณ์ตัวเลขขยะอวกาศในปี ค.ศ. 2020 จาก ESA ระบุว่า อาจมีขยะอวกาศขนาดต่างๆ ลอยอยู่ในวงโคจรโลกดังนี้ ขนาดมากกว่า 10 เซนติเมตร จำนวน 34,000 ชิ้น ขนาดมากกว่า 1 ถึง 10 เซนติเมตร จำนวน 900,000 ชิ้น และขนาด 1 มิลลิเมตรถึง 1 เซนติเมตร จำนวน 128 ล้านชิ้น แต่ขยะอวกาศที่สามารถติดตามได้จาก Space Surveillance Network (SSN) มีเพียง 26,510 ชิ้น
ผลกระทบของขยะอวกาศ
เศษซากของขยะอวกาศเหล่านี้เป็นอันตรายต่อสถานีอวกาศและดาวเทียมดวงอื่นๆ ที่โคจรอยู่ในวงโคจรระดับเดียวกัน โดยเฉพาะในวงโคจรระดับต่ำ (LEO) และมีรายงานความเสียหายมากมายจากอุบัติเหตุการชนจากวัตถุขนาดเล็กไปจนถึงขนาดใหญ่ เช่น การชนของวัตถุขนาด 0.365 มิลลิเมตรกับแผงพลังงานโซลาเซลล์ของยาน Jason-1 ของสหรัฐฯและฝรั่งเศส ในปี ค.ศ. 2002 ซึ่งส่งผลให้แผงโซลาเซลล์ทั้งหมดเกิดความเสียหาย 10 % และเส้นทางโคจรของยานเปลี่ยนทิศไป 30 เซนติเมตร
ส่วนอุบัติเหตุการชนกันของดาวเทียม Iridium-33 และซากดาวเทียม Cosmos-2251 นั้น ส่งผลให้นักบินอวกาศที่ประจำอยู่บนสถานีอวกาศที่โคจรอยู่รอบๆ ในเวลานั้น ต้องหลบขยะอวกาศถึง 2 รอบ และ Space debris office ได้เปิดเผยข้อมูลว่า ในช่วงปี ค.ศ. 2009 ถึง 2016 ยานสำรวจอวกาศของ ESA ต้องหลบหลีกขยะอวกาศเฉลี่ยจำนวน 1.8 รอบต่อปี
ขณะที่ขยะอวกาศจำพวกจรวดหรือกระสวยอวกาศที่มีขนาดใหญ่ซึ่งไม่สามารถเผาไหม้ให้หมดในชั้นบรรยากาศโลก ก็จะตกลงสู่พื้นผิวโลก และอาจทำให้เกิดความเสียหายต่อทรัพย์สินและชีวิตมนุษย์ได้ (Re-entry Risk)
รูปภาพถังพลังงานเชื้อเพลิงจากดาวเทียม Iridium ที่ปล่อยตัวเมื่อปี ค.ศ. 1997-1998 ถูกแรงโน้มถ่วงโลกดึกกลับมายังชั้นบรรยากาศและตกลงสู่โลกที่รัฐแคลิฟอเนียในช่วงเดือน กรกฎาคม ปีค.ศ. 2018 ภาพจาก สำนักงานนายอำเภอของคิงส์เคาน์ตี้ (Kings County Sheriff’s Office) ที่มา: https://theconversation.com/why-space-debris-cleanup-might-be-a-national-security-threat-105816
การเติบโตของกิจกรรมอวกาศในอนาคต
ปัจจุบันการสื่อสารผ่านคลื่นสัญญาณจากอวกาศได้กลายเป็นองค์ประกอบหนึ่งที่ทำให้เศรษฐกิจนานาประเทศเติบโตอย่างต่อเนื่อง ทั่วโลกจึงแข่งขันกันเพื่อครอบครองและเป็นเจ้าของดาวเทียมและสถานีอวกาศ โดยในปี ค.ศ. 2018 คณะกรรมการกลางกำกับดูแลกิจการสื่อสารของสหรัฐฯได้อนุมัติแผนการปล่อยดาวเทียม ทั้งหมด 30,000 ดวง ของบริษัท SpaceX เพื่อกิจการโทรคมนาคม และเมื่อต้นปี ค.ศ. 2020 บริษัท SpaceX ได้ทำการปล่อยดาวเทียมสู่วงโคจรโลกไปแล้วกว่า 200 ดวง ภายใต้โครงการ Starling Broadband
นอกจากนี้ในปี ค.ศ. 2019 บริษัท Amazon จากประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ส่งเรื่องขออนุญาตคณะกรรมการกลางกำกับดูแลกิจการสื่อสารของประเทศสหรัฐฯ เพื่อทำการปล่อยกลุ่มดาวเทียมเพื่อการโทรคมนาคมจำนวน 3,236 ดวง ภายใต้ชื่อโครงการ Kuiper System constellation และ บริษัท WebNet ประเทศสหรัฐฯ จะปล่อยดาวเทียมทั้งหมดอีกกว่า 650 ดวง ซึ่งจำนวนดาวเทียมทั้งหมดจากทั้ง 3 บริษัทนี้ จะมีจำนวนมากกว่าดาวเทียมที่มีในปัจจุบันถึง 16 เท่า โดยทั้งหมดจะโคจรในวงโคจรระดับต่ำ (LEO)
ตัวเลขของดาวเทียมและสถานีอวกาศที่เพิ่มขึ้นอย่างน่าตกใจนี้ ทำให้เกิดคำถามว่า The Blue Marble หรือภาพเต็มของโลก ซึ่งถ่ายเมื่อวันที่ 7 ธันวาคม ค.ศ. 1972 จากยานสำรวจอวกาศ Apollo 17 ที่จอดอยู่บนดวงจันทร์และหันกลับมาถ่ายภาพโลกทั้งใบ ให้เราได้มีโอกาสเห็นเป็นครั้งแรกนั้น จะมีหน้าตาเหมือนเดิมอยู่หรือไม่
The Blue Marble หรือภาพเต็มของโลก ถ่ายเมื่อวันที่ 7 ธันวาคม ค.ศ. 1972 จากยานสำรวจอวกาศ Apollo 17 จากระยะห่างประมาณ 29,000 กม. (ภาพจาก NASA) เข้าถึงจาก https://www.nationalgeographic.com/photography/photos/milestones-space-photography/
ภาพขยะอวกาศเปรียบเทียบกับขนาดของโลก ที่มา:https://www.esa.int/Education/ESA_Academy/Applications_now_open_for_the_Space_Debris_Training_Course
การแก้ปัญหาขยะอวกาศในปัจจุบัน
การแก้ปัญหาขยะอวกาศต้องอาศัยเทคโนโลยีขั้นสูงและการร่วมมือกันของสถาบัน และองค์กรจำนวนมาก เนื่องจากขยะอวกาศเป็นปัญหาที่แก้ไขได้ยาก เพราะต้องใช้ทรัพยากรจำนวนมาก และต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูง จึงต้องการความร่วมมือของสถาบันและองค์กรจำนวนมาก ซึ่งปัจจุบันองค์กรอวกาศจากทั่วโลกก็เริ่มมีการรวมตัวกันเพื่อจัดการปัญหานี้ และเริ่มมีการเสนอนโยบายเพื่อกระตุ้นให้รัฐบาลตระหนักถึงความสำคัญในการจัดการขยะอวกาศ รวมถึงยังมีบริษัท Start Up ที่ระดมทุนเพื่อสร้างเทคโนโลยีในการดึงขยะชิ้นเล็กกลับมาทำลายในชั้นบรรยากาศโลก
ก่อนที่ขยะอวกาศจะกลายเป็นอีกปัญหาหนึ่งของสัตว์โลก นอกเหนือจากปัญหาขยะบนพื้นโลกที่ทุกชีวิตกำลังเผชิญอยู่ร่วมกันในขณะนี้
แหล่งอ้างอิง
Undseth, M., Jolly, C., & Olivar, M. (2020). Space sustainability: The economics of space debris in perspective. OECDpublishing, 87, 63. Retrieved from https://www.oecd-ilibrary.org/science-and-technology/space-sustainability_a339de43-en;jsessionid=YN0KkwVf8x816lIcYHhVaJAk.ip-10-240-5-156
National Aeronautics and Space Administration (NASA). (2009). The Collision of Iridium 33 and Cosmos 2251: The Shape of Things to Come. 60th International Astronautical Congress, October. Retrieved from https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20100002023.pdf
National Geographic. (2020). The History of Space Exploration. National Geographic. Retrieved from https://www.nationalgeographic.org/article/history-space-exploration/
