ฟิสิกส์ในGundam 00 : ลิฟต์อวกาศ

Space Elevator in Mobile Suit Gundam 00



ลิฟต์อวกาศ(Space Lift ) คือ ความหวังอย่างหนึ่งของมนุษยชาติ มันมีบทบาทโลดแล่นอยู่ในนิยายวิทยาศาสตร์ของนักเีขียนอย่างเช่น อาเธอร์ ซี คลาร์ก ผู้ล่วงลับ ในงานมังงะเรื่อง เพชรฆาตไซบอร์ก(Gunnm& Gunnm Last Order) Masked Rider Kabuto:God Speed Love หรือแม้แต่นิทานแจ๊คผู้ฆ่ายักษ์(ก็ต้นถั่วที่โตจนขึ้นไปถึงเมฆนั่นไง) และหอคอยแห่งบาเบล
นิทานเรื่องแจ๊คผู้ฆ่ายักษ์(Jack and the Bean stalk) ลิฟต์อวกาศในนิทานsource:http://www.eventidearts.org/images/jack.JPG

หอคอยแห่งบาเบล เมืองบาบิลอน หอคอยที่มนุษย์สร้างเพื่อจะไปให้ถึงแดนสวรรค์

จนถูกสาปให้ล่มสลายและทำให้มนุษย์คุยกันไม่รู้เรื่องหรือทำให้เกิดภาษามากมาย


ฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์เบื้องหลังลิฟต์อวกาศ สิ่งปลูกสร้างระดับ giga-project จะขนถ่ายวัสดุอุปกรณ์หรือแม้แต่มนุษย์ขึ้นไปยังอวกาศโดยไม่ใช้จรวดซึ่งสิ้น เปลืองเชื้อเพลิง นี่อาจจะเปลี่ยนโฉมการขนส่งอวกาศ เทคโนโลยีอวกาศ การท่องเที่ยวในอวกาศ ตลอดจนเป็นตัวเร่งเร้าให้เกิดการสร้างอาณานิคม(colony)ในอวกาศ หรือแม้แต่แหล่งติดตั้งอุปกรณ์กำเนิดพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์!!! แบบที่ไม่ต้องกลัวเมฆฝนหรือกลางวันกลางคืน


ดาวเทียมกำเนิดพลังงานแสงอาทิตย์ซึ่งทำหน้าที่ผลิตไฟฟ้า แล้วส่งพลังงานไฟฟ้าลงมาผ่านทางลิฟต์อวกาศ เพื่อป้อนให้กับมนุษย์บนโลก

เมื่อปี 1895 นัก วิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Konstantin Tsiolkovsky ได้รับแรงบันดาลใจจากหอไอเฟลในกรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส นำมาเสนอแนวคิดการสร้างหอคอยที่สูงขึ้นไปถึงอวกาศ ที่ระดับความสูง 35,786 กิโลเมตร เหนือระดับน้ำทะเล บริเวณเส้นศูนย์สูตร อันเป็นระดับความสูงที่วัตถุหรือดาวเทียมจะโคจรรอบโลกด้วยความเร็วเดียวกับ ที่โลกหมุนรอบตัวเอง ผู้สังเกตบนพื้นผิวโลกจึงมองเห็นว่าดาวเทียมนั้นค้างอยู่บนฟ้าไม่เคลื่อนที่ ไปไหน ที่เรียกว่า วงโคจรค้างฟ้า(geostationary orbit : GSO)

วงโคจรพ้องคาบโลก(geosyncronize orbit) คือ วงโคจรที่วัตถุใช้เวลาโคจรรอบโลกครบรอบเป็นเวลาเดียวกับที่โลกใช้โคจรรอบตัว เอง แต่วงโคจรพ้องคาบโลกอาจจะเอียงทำมุมกับศูนย์สูตรหรือไม่ก็ได้ สำหรับวงโคจรที่ขนานกับเส้นศูนย์สูตร ทำให้ตัววัตถุดูเหมือนว่าอยู่นิ่งเที่ยบกับผู้สังเกตบนผิวโลก เรียกว่า วงโคจรค้างฟ้า(geostationary orbit)

หากไม่สร้างที่วงโคจรค้างฟ้า ตัว ลิฟต์ก็จะเคลื่อนที่ไปเรื่อยๆ ไม่อยู่เป็นหลักแหล่งที่ใดที่หนึ่งบนผิวโลก จะทำให้ใช้งานและบำรุงรักษาได้ยาก(อาจถึงขั้นพัง) ดังนั้นก็ต้องสร้างที่วงโคจรแบบนี้ล่ะนะ ส่วนตัวสถานีภาคพื้นดินจึงต้องอยู่บริเวณศูนย์สูตรโลกเพื่อความสะดวกในการขน ส่งและโครงสร้างของลิฟต์ที่จะเป็นแนวตั้งฉากดับพื้นผิวโลกพอดี

อนึ่ง จาก DragonBall จะเห็นว่าวังของพระเจ้า จะอยู่ตรงหัว "หอคอยการิน" อยู่เสมอ แล้วใช้กระบองยืดได้ืยืดขึ้นไปหา(หลังๆ บินเอา) แสดงว่า วังของพระเจ้าอยู่ที่วงโคจรค้างฟ้าสินะ แล้วหอคอยการินกับวงพระเจ้าก็ต้องอยู่ตรงศูนย์สูตรด้วย

วงโคจรค้างฟ้า geostationary orbit

บริเวณเส้นศูนย์สูตรและพื้นที่ไม่เกินละติจูด 10 องศาเหนือใต้ เป็นบริเวณที่เหมาะแก่การสร้างลิฟต์อวกาศ credit: nasa

นอกจากปัจจัยทางด้านเทคนิคข้างต้นแล้ว อีก ปัจจัยหนึ่งที่ทำให้บริเวณศูนย์สูตรเหมาะแก่การสร้างลิฟต์อวกาศก็คือด้าน สภาพภูมิอากาศ บริเวณศูนย์สูตรเป็นบริเวณที่แทบไม่มีพายุหมุนเขตร้อนพัดผ่าน (พายุหมุนเขตร้อนจะกำเนิดบริเวณละติจูดสูงกว่า 5 องศาเหนือใ้ต้) มีสถานที่หลายแห่งที่ถูกระบุว่าเหมาะแก่การสร้าง แต่ก็ัยังหาข้อสรุปไม่ได้ เช่น กลางมหาสมุทรแปซิฟิค (ปลอดพายุ) สิงค์โปร์(เมืองท่า) สีหลังคา เอ๊ย!! ศรีลังกา(ท่านอาเธอร์ ซี คลาร์ก ชมชอบเป็นการส่วนตัว จนมาซื้อบ้านอยู่โดยไม่กลัวสงครามระหว่างสองเผ่าบนเกาะ --หรือท่านจะรอให้ Celestial Being มาช่วย) หรือแอฟริกากลาง เป็นต้น แน่นอนสำหรับใน Gundam 00 ลิฟต์อวกาศ Tenshou ของสหพันธ์ปฏิรูปมนุษยชาติ Tower ของ Union และ La Tour ของ AEU ทั้งสามล้วนตั้งอยู่บริเวณเส้นศูนย์สูตรทั้งสิ้น

ลิฟต์อวกาศ (space lifts) ยัง ถูกเรียกได้อีกหลายชื่อ อาทิ ต้นถั่วของบักแจ๊ค(beanstalks), สะพานอวกาศ(space bridges), บันไดเลื่อนอวกาศ(space elevator), (บันได(พาดแล้วปีน)อวกาศ) space ladders, ตะขอฟ้า skyhooks, หอคอยวงโคจร(orbital towers) หรือแม้แต่บันไดเลื่อน(ออก MG)วงโคจร orbital elevators.

แนวคิดในปัจจุบันและของจาก Tsiokovsky เอง แนะ นำให้ใช้ tether ซึ่งเป็นลักษณะของสถานีสองสถานีเชื่อมต่อกันด้วยเคเบิล(กลม)หรือสายแบน (Ribbon) โดยสถานีหนึ่งจะโคจรในอวกาศ ส่วนอีกสถานีหนึ่งจะอยู่บนผิวโลก (เหมือนกับนคร "เยรู" กับ "ซาเล็ม" ใน Gunnm หรือเพชรฆาตไซบอร์ก) ขณะที่โลกหมุนรอบตัวเอง แรงโน้มถ่วงที่ทำตัวเป็นแรงสู่ศูนย์กลางจะดึงให้สายเคเบิลนั้นตั้งตรง(แต่ก็ ดึงให้ตัวลิฟต์ตกลงไปด้วย) หากมองใน "กรอบอ้างอิงแบบหมุน"(rotating reference frame) จะพบว่าแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ซึ่งเป็นแร'ที่พบได้ในกรอบอ้างอิงแบบหมุนเท่านั้น จะเป็นตัวเหวี่ยงให้ตัวลิฟต์ตั้งฉากกับแนวแกนหมุน(rotating axis)รอบตัวเองของโลกนั่นเอง

สำหรับ ผู้สังเกตภายนอกรถยนต์ที่กำลังเข้าโค้ง จะเห็นว่าแก้วน้ำกับกระเป๋าตังค์ที่เลื่อนไถลนั้นเพราะมันเคลื่่อนที่ตามแนว เส้นทางเดิม ต่างหาก แต่สำหรับผู้สังเกตในรถ(ซึ่งเป็นกรอบหมุน) จะเห็นว่าของทั้งสองเคลื่อนที่ห่างออกจากตัวเขาเพราะแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ จึงเป็นความจริงคนละอย่าง ภายในกรอบอ้างอิงคนละกรอบ

อนึ่งสำหรับผู้สังเกตในกรอบอ้างอิงเฉื่อย(Initial Reference Frame)หรือ เกือบเฉื่อยจะไม่พบว่ามีเป็นแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ แต่กลับเป็นเพราะการพยายามรักษาสภาพการเคลื่อนที่ตามแนวสัมผัสต่างหากที่ทำ ให้ตัวลิฟต์ตั้งตรงหรือถูกเหวี่ยงออกจากศูนย์กลางการหมุน



กราฟ แสดงความเร่งและทิศทาง ณ แต่ละจุดบนสายเคเบิลหรือตัวลิฟต์อวกาศ ที่ระยะน้อยกว่าระยะวงโคจรพ้องคาบโลก จะมีแรงดึงให้ตกกลับสู่โลก จึงจำเป็นตั้งมี counter weight เพื่อใช้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่ทิศพุ่งออก ในส่วนที่ห่างออกจากวงโคจรพ้องคาบโลก ดึงรั้งตัวเคเบิลหรือลิฟต์ไม่ให้ตกลงไปบนโลก credit:Bradley C. Edwards, Ph.D.

ปัญหาแรงโน้มถ่วงกับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ อย่าง ไรก็ตามหากความสูงของลิฟต์วงโคจรต่ำกว่าระดับวงโคจรค้างฟ้า ซึ่งแรงดึงดูดของโลกมากกว่าแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ ตัวลิฟต์อวกาศจะถูกดึงให้ตกลงมา ดังนั้นจึงต้องมีส่วนที่ขยายออกไปซึ่งสูงกว่า ระดับวงโคจรค้างฟ้ายื่นไปยังบริเวณที่แรงเหวี่ยงหนีศูนย์มากกว่าแรงดึงดูด ของโลกเพื่อใช้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์ถ่วงเอาไว้เรียกว่า counter weight ซึ่งอาจใช้สถานีอวกาศ หรือดาวเคราะห์น้อยเป็นเหมือนตุ้มน้ำหนักได้เช่นกัน ใน Gundam 00 ส่วนที่ใช้เป็นตัวถ่วงน้ำหนักที่ส่วนยอดก็คือ "ดาวเทียมถ่วงน้ำหนัก" แต่อย่างไรก็ตามความท้าทายทางฟิสิกส์และวิศวกรรมก็คือ ก็ต้องออกแบบให้ จุดศูนย์กลางมวล(center of mass) ของลิฟต์ทั้งหมดอยู่ที่ระดับวงโคจรค้างฟ้า จึงจะเสมือนหนึ่งว่าทั้งตัวลิฟต์เป็นดาวเทียมที่โคจร ณ วงโคจรค้างฟ้านั่นเอง