โซลูชันการพิมพ์ 3 มิติเพื่อผลิตดาวเทียมขนาดเล็กปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ

เทคโนโลยีจรวด หรือ ดาวเทียม อาจฟังดูว่าเป็นสิ่งที่เข้าถึงยาก ต้องเป็นบริษัทที่มีเงินทุนสูงอย่าง SPACEX หรือองค์กร NASA ที่จะเข้าถึงและผลิตได้ แต่ในปัจจุบันโลกได้เปลี่ยนไปแล้ว ความรู้ในการสร้างดาวเทียมขนาดเล็กสามารถหาได้จากแหล่งข้อมูลเปิดที่แชร์ให้คนทั่วไปสามารถเข้าถึงได้ (Open Source) ในขณะเดียวกันวัสดุที่ใช้เป็นเกรดที่ใช้ได้กับอวกาศสามารถทนต่อสภาวะสุดขั้วที่สุด และเทคโนโลยีการผลิตก็สามารถเข้าถึงได้ง่ายด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ เพื่อผลิตดาวเทียมขนาดเล็กปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ สามารถใช้เก็บข้อมูลและส่งกลับมายังสถานีบนโลก ในหลายปีก่อน เราเคยได้ยินคำว่า “ใคร ๆ ก็บินได้” ของสายการบินโลว์คอสต์ แต่ตอนนี้มีจะได้ยินคำว่า “ใคร ๆ ก็ปล่อยดาวเทียมได้”  ซึ่งมหาวิทยาลัยต่าง ๆ ทางยุโรปมีมานานเป็น 10 ปีแล้ว ทำให้มหาวิทยาลัยเหล่านั้นสามารถผลิตนักศึกษาที่ดีได้มากยิ่งขึ้น เนื่องจากสามารถลงมือทำได้จริง และมีประสบการณ์ตรงในการปฏิบัติ เมื่อนักศึกษาได้จบออกไปจะเป็นกำลังขับเคลื่อนที่สำคัญ และสร้างความได้เปรียบในการแข่งขันสำหรับประเทศต่อไป ในประเทศไทยก็มีโครงการปล่อยดาวเทียมของนักศึกษา จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือแล้วด้วยเช่นกัน 

บทความนี้จะกล่าวถึงแนวทางของโอเพนซอร์ส (Open Source) ซึ่งแบ่งปันความรู้ให้กับทุกคนนำไปใช้งาน และสามารถนำไปพัฒนาต่อยอดได้ ทุกคนจะได้รับประโยชน์ร่วมกัน เมื่อเทคโนโลยีอยู่ในมือคนหมู่มากจะยิ่งพัฒนาให้เทคโนโลยีนั้นก้าวหน้าไปได้ไกล เพราะมีหลายคนช่วยกันคิดและพัฒนาต่อยอด

“ความรู้จากแหล่งโอเพนซอร์ส วัสดุสำหรับการใช้งานอวกาศที่ผ่านการทดสอบแล้ว และเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่ทะลายข้อจำกัดของการออกแบบ ทำให้ดาวเทียมมีขนาดเล็กลง” ปัจจัยทั้งหมดนี้เมื่อรวมกันทำให้สร้างดาวเทียมขนาดเล็กในราคาไม่แพงได้

บริษัทโซลูชันการพิมพ์ 3 มิติ CRP USA ได้ผลิตชิ้นส่วน 3 มิติ ‘Oresat0 Cube Sat’ ของสมาคมการบินอวกาศของรัฐพอร์ตแลนด์ (Portland State Aerospace Society – PSAS) ซึ่งเป็นดาวเทียมดวงแรกของ Oregon ที่ปล่อยสู่วงโคจรระดับต่ำของโลกเมื่อเดือนมีนาคม 2021 ที่ผ่านมา และประสบความสำเร็จในการดำเนินงานตั้งแต่นั้นมา ส่วนประกอบที่เป็นเสาอากาศหมุนได้ เลนส์กล้องติดตามดาว ส่วนประกอบของเซนเซอร์และแบตเตอรี่ ทั้งหมดนี้เป็นงานพิมพ์ 3 มิติ โดยใช้วัสดุ Windform LX 3.0 จาก CRP USA ที่เป็นผู้ให้บริการโซลูชันการพิมพ์ 3 มิติ

* Cube Sat ลักษณะเป็นทรงลูกบาศก์ขนาด 10x10x10 Cubic Meters และมีน้ำหนักไม่เกิน 1.33 กก. เป็นแบบโมดูลทรงลูกบาศก์ที่สามารถต่อกันเป็นแบบ 1U, 2U, 3U และ 6U (U คือ Unit หรือ หน่วย)

Oresat ในวงโคจร

(ที่มา: PSAS)

การปฏิวัติ ‘ดาวเทียมนาโน’

ก่อนนั้นดาวเทียม Cube Sat ใช้ฟังก์ชันการทำงานที่มีขนาด 100 – 1,000 กก. แต่ในปัจจุบันการพิมพ์ 3 มิติเป็นตัวเร่งให้เกิดการปฏิวัติเป็นดาวเทียมขนาดเล็ก หรือ Nanosatellite ในมหาวิทยาลัยหลายแห่ง บริษัทต่าง ๆ และอีกหลายประเทศจากทั่วโลก รวมถึง Oregon ที่มีการปล่อย Cube Sat สู่วงโคจรของโลกเมื่อไม่นานมานี้ โดยสมาคมการบินอวกาศแห่งรัฐพอร์ตแลนด์ (Portland State Aerospace Society – PSAS) ได้สร้าง Oresat0 ระบบ Cube Sat ขึ้นมาด้วยวัสดุคอมโพสิต Windform LX 3.0 และใช้ระบบต่าง ๆ ที่เป็นการพิมพ์ 3 มิติเชิงอุตสาหกรรม

โครงการ Oresat Bus

Oresat Bus หมายถึง ตัวกล่องที่มีการ์ดสอดเป็นชั้น ๆ สำหรับใส่สิ่งที่จำเป็นสำหรับดาวเทียม โดยทำให้เหมือนรถบัสขนดาวเทียม จึงเรียกว่า รถบัส Oresat (ที่มา: Oresat)

สมาคมการบินอวกาศรัฐพอร์ตแลนด์ (Portland State Aerospace Society – PSAS) เป็น โอเพนซอร์ส โครงการการบินอวกาศของนักศึกษาสหวิทยาการของมหาวิทยาลัยรัฐพอร์ตแลนด์ ในเมืองพอร์ตแลนด์ รัฐโอเรกอน โดยร่วมงานกับมหาวิทยาลัยต่าง ๆ ในรัฐโอเรกอน ซึ่งผลงานของพวกเขา ได้แก่ การสร้างจรวดสมัครเล่นที่มีความซับซ้อน เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวขนาดเล็ก ดาวเทียมนาโน Cube Sat เป็นต้น

ปัจจุบัน PSAS มีภารกิจ Cube Sat 3 ภารกิจที่ใช้ Oresat Bus ซึ่งเป็นโอเพนซอร์สเต็มรูปแบบ โดยใช้แพลตฟอร์ม ‘DIY’ ที่ราคาไม่แพง (สำหรับดาวเทียม) เพื่อการออกแบบและสร้าง Cube Sat ตั้งแต่ 1-3 ยูนิต 

ทีมงานของ PSAS กล่าวว่า “Oresat เป็นระบบ Cube Sat โอเพนซอร์สเต็มรูปแบบ เป็น Modular (แยกเป็นหน่วย ๆ และประกอบกันได้) และสามารถนำมาใช้งานใหม่ได้ ซึ่งออกแบบมาใช้สำหรับประกอบการศึกษา ทั้งนี้ Oresat ใช้ระบบกรงสำหรับใส่การ์ด (Card Cage System) โดยที่การ์ดนำกลับมาใช้ใหม่ได้ในภารกิจต่าง ๆ ตั้งแต่ Cube Sat 1-3 ยูนิต ซึ่งการ์ดจะรวมทุกอย่างที่ไว้บน Cube Sat อย่างคอมพิวเตอร์บนบอร์ดพร้อมกับวิทยุมัลติแบนด์ ชุดแบตเตอรี่ เครื่องติดตามดาว ตัวรับ GPS ตลอดจนระบบการระบุตำแหน่งและควบคุมดาวเทียม (Attitude Determination and Control System – ADCS) อีกทั้งยังมีแผงโซลาร์เซลล์ติดที่ด้านนอกของกรอบอลูมิเนียม และเสาอากาศรอบทิศทาง” 

Oresat0 ถูกปล่อยสู่วงโคจรโลกระดับต่ำในวันที่ 15 มีนาคม 2021 และประสบความสำเร็จในการดำเนินงานตั้งแต่นั้นมา ส่วน Oresat0.5 พร้อมสำหรับการบินในเดือนตุลาคม 2023 และ Oresat1 มีกำหนดการปล่อยออกจากสถานีอวกาศนานาชาติในต้นปี 2024

โครงการดาวเทียมของมหาวิทยาลัยมุ่งผลิตนักศึกษาที่ดี 

สมาคมการบินอวกาศรัฐพอร์ตแลนด์ (Portland State Aerospace Society – PSAS) มีความมุ่งมั่นที่จะพัฒนานักศึกษาผ่านโครงการวิศวกรรมระบบสหวิทยาการแบบลงมือทำจริง ทุกอย่างถูกออกแบบ สร้าง และทดสอบโดยทีมนักศึกษาสหวิทยาการ ไม่ว่าจะเป็นวิศวกรเครื่องกลที่ทำงานกับโครงสร้าง อุณหภูมิ และโปรแกรม CAD หรือ วิศวกรไฟฟ้าที่ออกแบบการ์ดจาก PCB (บอร์ดมาตรฐาน 2 และ 4 ชั้น) รวมถึงนักศึกษาวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่เขียนโปรแกรมกล่อง Linux และอุปกรณ์ควบคุมสำหรับ Cube Sat

ทีมงาน PSAS กล่าวเสริมว่า “มีดาวเทียมที่เป็นโอเพนซอร์สน้อยมากในโลก ดาวเทียมของเราน่าจะมีคุณสมบัติครบถ้วนที่สุด เรากำลังร่วมมือกับมหาวิทยาลัยอีก 4 แห่งที่กำลังสร้างดาวเทียมและสถานีภาคพื้นดินตามโครงการของเรา”

คุณสมบัติและการพิมพ์ 3 มิติเชิงอุตสาหกรรมด้วย Windform

ในระยะเริ่มแรก ทีมงานของ PSAS ใช้เทคโนโลยีราคาถูกสำหรับการทำต้นแบบ ก่อนที่จะเปลี่ยนมาใช้วิธีการเผาผนึกด้วยเลเซอร์ (Selective Laser Sintering – SLS) และ Windform LX 3.0 สำหรับการผลิตระบบย่อยบน Oresat0 

“เราออกแบบและผลิตชิ้นส่วนต่าง ๆ โดยใช้เครื่อง FDM ที่ราคาไม่แพง จนกระทั่งสร้างต้นแบบที่ใช้งานได้จริง จากนั้นจึงเปลี่ยนมาเป็นการพิมพ์ 3 มิติแบบ SLS ซึ่งใช้งานได้ดีมาก แต่เราไม่สามารถหาชิ้นส่วน SLS ที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสุดขั้วได้ และได้รับการประเมินระดับสุญญากาศ ตามมาตรฐานการปล่อยก๊าซของ Nasa และ Esa 

* วัสดุที่อยู่ในอวกาศจะมีการระเหิดกลายเป็นไอ ซึ่งทำให้สูญเสียคุณสมบัติเชิงกล ดังนั้น วัสดุที่จะนำไปใช้กับดาวเทียมจำเป็นจะต้องผ่านมาตรฐานการปล่อยก๊าซปริมาณน้อยในระดับที่สามารถใช้ได้ในสุญญากาศ 

เราตื่นเต้นมากที่ได้พบกับวัสดุคอมโพสิต Windform LX 3.0 ของ CRP Technology และ CRP USA เราสามารถออกแบบชิ้นส่วนในการพิมพ์ 3 มิติ สร้างต้นแบบกับเครื่องพิมพ์ที่มีอยู่ได้อย่างรวดเร็ว จากนั้นก็พิมพ์งานด้านวิศวกรรมและการบินออกมาได้จาก Windform” ทีมงาน PSAS กล่าว

ตามคำกล่าวของวิศวกร สิ่งนี้ได้เปลี่ยนวิธีการออกแบบทุกชิ้นส่วนของดาวเทียม ด้วยลักษณะเฉพาะของ Windform LX 3.0 ที่สามารถใช้ในอวกาศได้ โดยที่วัสดุมีคุณสมบัติง่ายต่อการใช้งาน ดีกว่าวัสดุการพิมพ์ 3 มิติอื่น ๆ เป็นอย่างมาก รวมถึงเทคโนโลยี FDM, SLA และ SLS ที่ทีมงานเคยใช้ด้วย

ทีมงานเลือก Windform LX 3.0 วัสดุเสริมเส้นใยแก้วจากกลุ่มวัสดุคอมโพสิต Windform Top-Line สำหรับกระบวนการพิมพ์ 3 มิติแบบ Powder Bed Fusion วัสดุนี้ทำให้ทีมงาน PSAS สามารถใช้กระบวนการ 3 มิติบนระบบย่อยที่สำคัญได้ ประกอบด้วยสิ่งที่นำมาปรับใช้นั้นเชื่อถือได้ อย่างเสาอากาศหมุน 3 แบนด์ที่แยกกัน คือ UHF ที่ 436.5 MHz, L band ที่ 1.265 GHz และ L1 ที่ 1.575 GHz แต่ละเสามี 4 องค์ประกอบ ซึ่งรวมกันได้ 12 องค์ประกอบโดยใช้สายเส้นใยไนลอนเดี่ยวและตัวต้านทานหลอมละลายเพียงตัวเดียว 

การใช้ Windform LX 3.0 ของ CRP นั้นทีมงาน PSAS สามารถติดเซนเซอร์สำหรับติดตามดวงดาว และเลนส์บนบอร์ดขนาดเล็กเพื่อที่จะเก็บส่วนประกอบทั้งหมดไว้ในการ์ดฟอร์มแฟกเตอร์ที่มีความสูงเพียง 10 มม. เท่านั้น

นอกจากนี้ ทีมงาน PSAS ได้มีการสร้างชุดประกอบแบตเตอรี่ที่มีขนาดกะทัดรัดเป็นพิเศษและมีความทนทานมาก เนื่องจากชุดแบตเตอรี่ต้องรองรับเซลล์ได้ถึง 18650 เซลล์ ผ่านการทดสอบการสั่นสะเทือน และในขณะเดียวกันก็ต้องมีฉนวนกันความร้อนและไฟฟ้าจากส่วนที่เหลือของดาวเทียมด้วย  

การทดสอบสภาวะสุดขั้วบนชิ้นส่วนพิมพ์ 3 มิติ

ก่อนที่จะติดตั้งพร้อมกับพาหนะสำหรับปล่อยดาวเทียม Oresat0 รวมทั้งชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติด้วย Windform LX 3.0 จะต้องทำการทดสอบโดยการสั่นแบบสุ่ม 14 g (Gravity) 3 แกน, การหมุนรอบอุณหภูมิ -40 ถึง +80°C และการหมุนรอบสุญญากาศ ทั้งนี้ Windform ทำงานได้อย่างไร้ที่ติในทุกการทดสอบ และยังทำงานอยู่ในวงโคจรระดับต่ำของโลกตั้งแต่ปี 2021

“การทำงานกับดาวเทียมนาโนนั้นต้องจำกัดปริมาณทุกอย่างทั้งระบบ ดังนั้น ความสามารถในการพัฒนาและการใช้พื้นที่ให้เกิดประโยชน์สูงสุดจึงเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างมาก เนื่องจากพื้นที่มีขนาดเล็กมาก ต้องวางแผนในการใช้งานทุกลูกบาศก์มิลลิเมตรในการใช้ชิ้นส่วน 3 มิติ” นักศึกษากล่าว

มหาวิทยาลัยต่าง ๆ ที่มีโครงการ Cube Sat สามารถใช้บริการ Spaceflight ซึ่งเป็นบริการ Ride Sharing สำหรับการขนส่งไปอวกาศ เพื่อนำดาวเทียมเล็กไปปล่อยในวงโคจรของโลกได้

คุณผู้อ่านสามารถดูข้อมูลเพิ่มเติมของ Spaceflight ได้ที่ลิงก์ด้านล่าง

https://spaceflight.com/customers/

ทั้งนี้ คุณผู้อ่านสามารถดูคลิปวิดีโอว่า Cube Sat ทำงานอย่างไร ได้ในลิงก์ข้างล่าง

Cube-Sat คืออะไร?

Cubesat ดาวเทียมลูกบาศก์ขนาดเล็ก

ส่วนประกอบของ OreSat

Cube sat ของนักศึกษามหาวิทยาลัยแห่ง Kentucky สหราชอาณาจักร 

TED Talks: ดาวเทียมจิ๋ว ที่ถ่ายรูปทั้งดาวเคราะห์ ทุก ๆ วัน

บทความอ้างอิง: https://www.etmm-online.com/

บทความที่น่าสนใจ

• ชิปคอมโบ AIROC Wi-Fi และ Bluetooth® นำเอาการเชื่อมต่อสมรรถนะสูง เชื่อถือได้มาสู่ระบบนำทางด้วยดาวเทียม (satnav) ใหม่ของ TomTom
• เทรนด์และนวัตกรรมของวัสดุอุตสาหกรรม 10 อันดับปี 2022
• สู่ยุคใหม่ของแอปพลิเคชันการควบคุมมอเตอร์ขั้นสูงด้วย EiceDRIVER
• เซนเซอร์เรดาร์ และไมโครคอนโทรลเลอร์สำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ในการตรวจจับการเคลื่อนไหว

About The Author