ก้าวสำคัญกับอนาคตอุตสาหกรรมดาวเทียม

Updated on Sep 04, 2023

ทีมนักวิจัยจาก Tokyo Tech ได้ออกแบบ phased-array transmitter หรืออุปกรณ์ส่งสัญญาณแบบพับได้ เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการสร้างดาวเทียม ให้มีขนาดเล็กลงและน้ำหนักเบาขึ้น เพื่อลดต้นทุนค่าการนำส่งดาวเทียมขึ้นโคจรได้อีกด้วย โดย transmitter นี้สร้างขึ้นจากพอลิเมอร์ผลึกเหลว (LPC) ประกอบไปด้วยรอยพับที่ยืดหยุ่นได้ ทำให้อุปกรณ์ชิ้นนี้สามารถถูกพับขณะนำส่งและกางออกได้เมื่อขึ้นใช้งาน นวัตกรรมนี้จะช่วยให้อุตสาหกรรมดาวเทียมเข้าถึงได้มากขึ้นในหมู่บริษัทเอกชน และธุรกิจสตาร์ทอัพ

ในช่วงสองสามปีให้หลัง อุตสาหกรรมอวกาศได้มีการเปลี่ยนผ่านสู่ยุค new-space หรือยุคที่อวกาศเป็นพื้นที่คล้ายสนามเด็กเล่น เปิดกว้างให้องค์กรอื่นๆนอกเหนือจากองค์กรยักษ์ใหญ่อย่างนาซ่า รวมไปถึงบริษัทเอกชนและธุรกิจสตาร์ทอัพได้เข้ามาร่วมลงทุนในการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆและสำรวจอวกาศไปด้วยกัน นับเป็นเรื่องดีที่ความก้าวไกลของเทคโนโลยีและองค์ความรู้ของมนุษย์เราได้เปิดประตูสู่การศึกษาวิจัยอวกาศ ด้านการพัฒนาดาวเทียมเพื่อการสำรวจสิ่งใหม่ๆ และการสื่อสารคมนาคม อย่างไรก็ตามค่าใช้จ่ายในการส่งดาวเทียมขึ้นโคจรยังคงสูงลิบลิ่ว และยังคงเป็นอุปสรรคใหญ่ในด้านการลงทุนต่อหลายๆองค์กร

โดยทั่วไปแล้ว ดาวเทียมในวงโคจรระดับต่ำ มักมีราคาต่ำ แต่จะมีคุณภาพสัญญาณสูง เนื่องจากมีระยะโคจรที่ใกล้โลก จึงทำให้เป็นดาวเทียมที่เป็นที่นิยมในหลายธุรกิจ Phased-array transmitter หนึ่งในอุปกรณ์ส่งสัญญาณสำคัญในดาวเทียม เป็นรูปแบบระบบของเสาอากาศที่ประกอบไปด้วยเสาอากาศเดี่ยวๆ ทำงานร่วมกันเป็นหนึ่งเดียว ความสำคัญของระบบเสาอากาศแบบนี้คือสามารถควบคุมทิศทางของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งออกไปได้โดยง่าย

แต่ทว่าเสาอากาศสำหรับดาวเทียมในวงโคจรระดับต่ำนั้นมักมีขนาดใหญ่และหนักอึ้ง ทำให้เป็นข้อเสียในการออกแบบดาวเทียมให้กะทัดรัด โดยยังคงประสิทธิภาพการทำงานของเสาอากาศเอาไว้ เนื่องจากว่าเสาอากาศที่มี Aperture หรือบริเวณรับสัญญาณใหญ่ๆนั้น จะมีค่า Gain สูง นั่นคือ ดาวเทียมจะสามารถส่งและรับสัญญาณได้ระหว่างระยะที่ไกลขึ้นและมีความแม่นยำมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เสาอากาศที่ใหญ่ ส่งผลให้มีพื้นที่ผิวกว้าง และขนาด กับน้ำหนักก็มากขึ้นตามไปด้วย และแน่นอนว่าค่าส่งดาวเทียมขึ้นโคจร ก็ย่อมสูงขึ้นตามน้ำหนัก นับเป็นความท้าทายอย่างหนึ่งในอุตสาหกรรมดาวเทียม เมื่อต้องเลือกอย่างใดอย่างหนึ่งระหว่างต้นทุน หรือคุณภาพ

เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมนักวิจัยนำโดยศาสตราจารย์ Atsushi Shirane จาก Tokyo Tech ที่ประเทศญี่ปุ่น ได้พัฒนา phased-array transmitter ที่พับเก็บได้ สำหรับดาวเทียมขนาดเล็กในวงโคจรระดับต่ำ เพื่อทำงานในย่านความถี่ Ka band (18-31 GHz) และนำเสนอเป็นตัวเลือกในการพัฒนาดาวเทียมขนาดเล็กที่มีน้ำหนักเบาลง โดยไม่ต้องลดประสิทธิภาพการทำงานของตัวส่งสัญญาณ

นวัตกรรมนี้ประกอบไปด้วยชิ้นส่วนย่อยจำนวน 64 ชิ้นส่วนที่สามารถสร้างและควบคุมสัญญาณได้ด้วยตนเอง phased-array transmitter ได้ใช้ชิ้นส่วนทั้งหมดนี้สร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เมื่อปรับเฟสและความเข้มของสัญญาณ จะสามารถปรับทิศทางของรังสีให้โฟกัสในจุดที่ต้องการ ชิ้นส่วนทั้งหมดถูกติดตั้งในชั้นของพอลิเมอร์ผลึกเหลว เพื่อสร้างรอยพับให้ไม่ไปกระทบกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ทีมนักวิจัยได้ซ้อนเสาอากาศและองค์ประกอบวงจรอยู่บนชั้นของพอลิเมอร์ผลึกเหลว รวม 6 ชั้นและใช้ 2 ชั้นสำหรับรอยพับ ทำให้สามารถพับเก็บได้โดยตัววงจรไม่ถูกทำลาย

นอกจากนี้ ทีมนักวิจัยยังต้องนึกถึงการทำงานของ phased-array transmitter ที่มุมพับงอต่างๆกัน เนื่องจากเมื่อติดตั้งเข้ากับดาวเทียมแล้ว ยังต้องมีการทดสอบและปรับเปลี่ยน เนื่องจากชิ้นส่วนสามารถมีการบิดเบี้ยวไปจากตำแหน่งเดิมได้ ทั้งจากการพับ และจากรอบพับที่ทำให้เสาอากาศเปลี่ยนตำแหน่งไป ซึ่งหลังจากทำสอบแล้วพบว่าสามารถทำงานได้ดีในช่วง 10 - 20 องศา แสดงให้เห็นว่านวัตกรรมที่เป็นส่วนประกอบเล็กๆของภารกิจใหญ่ๆนั้น จำเป็นต้องใช้ความแม่นยำสูง และสำคัญไม่แพ้กับชิ้นส่วนอื่นๆเลยทีเดียว

ผลสรุปแล้ว พลังงานการแผ่รังสีสูงถึง 46.7 dBm ซึ่งนับว่าสูงมากสำหรับเสาอากาศที่เบามากๆและคุณภาพสูง โดยหนักเพียง 9.65 กรัม และมีถึง 64 องค์ประกอบ นับเป็นการพัฒนาอย่างยิ่งจาก transmitter ทั่วไปที่มีเพียง 16 องค์ประกอบแต่หนักถึง 33.64 กรัม

การวิจัยพัฒนา Phased-array transmitter แบบพับได้นี้ จะช่วยอนาคตของอุตสาหกรรมดาวเทียมได้ในหลายด้าน ไม่ว่าจะเป็น นวัตกรรมใหม่ๆที่เปิดให้หลายธุรกิจให้เข้ามีส่วนร่วม การแข่งขันที่สูงขึ้นกระตุ้นให้เกิดการค้นพบที่หลากหลาย อีกทั้งต้นทุนที่ต่ำลง และเวลาการผลิตที่สั้นลง สามารถตอบสนองต่อตลาดที่มีต้องการสูง

ไม่เพียงแค่นั้น เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับสารรับส่งสัญญาณและเสาอากาศยังสามารถใช้ต่อยอด ประยุกต์เข้ากับสายงานอื่นๆนอกเหนือจากการสำรวจอวกาศและงานวิจัย อย่างการสื่อสารโทรคมนาคม การพยากรณ์อากาศ และการสำรวจโลก จึงนับว่าเป็นนวัตกรรมที่มีประโยชน์ทั้งกับวงการวิทยาศาสตร์ ธุรกิจ รวมไปถึงสังคม และสิ่งแวดล้อมอีกด้วย