Blockdit Logo (Mobile)
Antfield
•
9 ส.ค. 2023 เวลา 12:20 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี

จีนเตรียมนำหุ่นยนต์มาใช้บำรุงรักษา "FAST" กล้องโทรทรรศน์วิทยุใหญ่ที่สุดในโลก

ด้วยจานรวมสัญญาณขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางครึ่งกิโลเมตร และเสาอากาศหนัก 30 ตันที่ถูกห้อยโยงด้วยสายเคเบิล 6 เส้น งานบำรุงรักษาอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ขนาดยักษ์นี้จึงไม่ใช่เรื่องง่ายและอันตรายยิ่งสำหรับมนุษย์ หุ่นยนต์จึงอาจเป็นทางเลือกที่เหมาะสมกับงานนี้
ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จัก "FAST" กันก่อน
Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope หรือ FAST คือกล้องโทรทรรศน์วิทยุจานเดี่ยวที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ณ ปัจจุบัน ตั้งอยู่ที่มณฑลกุ้ยโจว ประเทศจีน
ตามชื่อ"Five-hundred-meter Aperture" ซึ่งก็คือขนาดของจานรับสัญญาณวิทยุที่มีขนาดมหึมาด้วยเส้นผ่าศูนย์กลาง 500 เมตร ทำให้ FAST เป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุจานเดี่ยวที่มีความสามารถในการตรวจจับรับฟังสัญญาณวิทยุอันแผ่วเบาจากห้วงอวกาศอันไกลโพ้นที่ดีที่สุดในปัจจุบัน หากไม่นับรวมพวกโครงข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ใช้จานรับสัญญาณวิทยุหลายตัวทำงานร่วมกันเป็นโครงข่ายอย่าง SKA
จานรับสัญญาณของ FAST ใหญ่กว่าสนามฟุตบอล 30 เท่า และใหญ่กว่ากล้อง Arecibo ที่ประเทศเปอร์โตริโก ที่เคยถือครองสถิติกล้องโทรทรรศน์วิทยุจานเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุดด้วยขนาดจานรับสัญญาณขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 305 เมตร
เปรียบเทียบขนาดจานรับสัญญาณระหว่าง FAST และ Arecibo
ย้อนกลับไปเมื่อช่วงปี 90 จีนเคยเสนอตัวเข้าร่วมโครงการพัฒนาโครงข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ใช้จานรับสัญญาณวิทยุหลายตัวทำงานร่วมกันเป็นโครงข่ายเพื่อเพิ่มความสามารถในการรับสัญญาณวิทยุจากอวกาศที่เรียกว่า Square Kilometre Array หรือ SKA
โดยจีนได้เสนอใช้พื้นที่ทางตอนใต้ของจีนสำหรับเป็นพื้นที่ก่อสร้างโครงการ SKA รวมถึงได้มีการศึกษารูปแบบโครงการก่อสร้างกล้องแบบจานเดี่ยวด้วยเช่นกัน
จานรับสัญญาณวิทยุในโครงข่าย SKA ที่ออสเตรเลีย
แต่หลังจากการศึกษาความเป็นไปได้ของพื้นที่ต่าง ๆ ทั่วโลก จีนก็ถูกตัดออกจากตัวเลือกในการเป็นที่ตั้งโครงการ SKA ในปี 2006 และตัดสินใจเริ่มโครงการเฟสแรกที่แอฟริกาและออสเตรเลีย
แม้จะผิดหวังแต่จีนก็ยังไม่ล้มเลิก ได้มีการผลักดันเสนอโครงการก่อสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุของจีนเอง ซึ่งจีนได้ตัดสินใจเลือกสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุแบบจานเดี่ยวด้วยเพราะกล้องแบบจานเดี่ยวนี้มีจุดเด่นในการตรวจจับสัญญาณวิทยุได้ในช่วงย่านความถี่ที่กว้าง
1
ซึ่งเหมาะกับการมองหาสัญญาณวิทยุจากสิ่งมีชีวิตทรงภูมิปัญญาจากนอกโลก และกล้องแบบจานเดี่ยวนี้มีค่าใช้จ่ายในการอัพเกรดชุดเสาอากาศเพื่อเพิ่มความสามารถในการรับสัญญาณที่ถูกกว่ากล้องแบบ SKA ที่ต้องอัพเกรดเสาทุกต้นในโครงข่าย
จนในที่สุดก็ได้รับอนุมัติงบประมาณจากคณะกรรมการพัฒนาและปฏิรูปจีน (National Development and Reform Commission หรือ NDRC) ด้วยงบประมาณ 3,000 ล้านบาทในปี 2007 และได้งบประมาณสนับสนุนอีก 3,000 ล้านบาทจากหน่วยงานอื่น ๆ
บนซ้าย พื้นที่ก่อนเริ่มงานก่อสร้าง, ขวาบน คอนเซปการทำงานของ FAST, ภาพล่าง ช่วงขณะก่อสร้าง
จากพื้นที่ก่อสร้างที่ศึกษาไว้กว่า 400 แห่ง หลังผ่านการพิจารณาจนได้พื้นที่ก่อสร้างที่เหมาะสมด้วยลักษณะภูมิประเทศที่เป็นแอ่งโค้งขนาดใหญ่ตามธรรมชาติ และเป็นพื้นที่ที่มีผู้คนอาศัยอย่างเบาบางทำให้การอพยพคนออกจากพื้นที่ทำได้ง่าย
ทั้งนี้บริเวณรัศมี 5 กิโลเมตรรอบกล้อง FAST จะกลายเป็นพื้นที่ควบคุมการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่สามารถส่งสัญญาณวิทยุออกมาที่เรียกว่า Radio Silence Area ซึ่งทำให้ต้องมีการอพยพคนกว่า 8,000 คนออกจากพื้นที่ดังกล่าวและต้องใช้งบประมาณในการย้ายคนอีกกว่าหมื่นล้านบาท
แม้พื้นที่จะเหมาะเหม็งกับการสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุแต่งานก่อสร้างนั้นนับว่านรกเลยทีเดียว เพราะด้วยเส้นทางที่คดเคี้ยวขึ้นเขาและอยู่ห่างจากถนนทางหลวงที่ใกล้สุดก็ 7 กิโลเมตรไม่สามารถนำเครื่องจักรหนักเข้าพื้นที่ก่อสร้างได้ในช่วงแรก ทำให้เหล่าคนงานต้องแบกวัสดุอุปกรณ์ก่อสร้างหนักร่วม 100 กิโลขึ้นไปยังพื้นที่ไซด์งาน
เส้นทางสุดคดเคี้ยวกว่าจะขึ้นไปถึงตัวกล้องได้
ด้วยระยะเวลาก่อสร้างนานกว่า 5 ปีครึ่งเริ่มตั้งแต่ปี 2011 กล้อง FAST ก็ได้เริ่มทดสอบการใช้งานครั้งแรกในปี 2016 และด้วยขนาดจานรับสัญญาณขนาดมหึมาของ FAST ในการทดสอบรับสัญญาณครั้งแรกที่ใช้เพียงเสาอากาศทีวีธรรมดานั้น แต่ก็สามารถรับสัญญาณวิทยุที่ส่งมาจากเนบิวลาปูที่อยู่ห่างออกไป 6,500 ปีแสงได้
แม้ว่ากล้อง FAST จะเป็นจานรับสัญญาณที่ไม่สามารถหมุนจานตามวัตถุบนท้องฟ้าได้เหมือนจานรับสัญญาณแบบเสาที่ใช้ใน SKA แต่ด้วยการออกแบบจานรับสัญญาณที่ประกอบขึ้นจากแผ่นสะท้อนสัญญาณรูป 3 เหลี่ยมจำนวน 4,450 ที่ยึดอยู่กับก้านลูกสูบที่สามารถปรับยืดหดได้จำนวน 2,225 ตัวทำหน้าในการปรับระนาบของแผ่นสะท้อนเพื่อให้สามารถปรับแนวรับและสะท้อนสัญญาณไปยังเสาอากาศตามวัตถุบนท้องฟ้าที่เคลื่อนไปตามการหมุนของโลก
ด้านล่างของแผ่นสะท้อนสามเหลี่ยมจะมีกระบอกลูกสูบชนิดพิเศษที่ไม่ส่งสัญญาณวิทยุรบกวนออกมาระหว่างทำงาน ชุดลูกสูบเหล้านี้คอยทำหน้าที่ในการควบคุมตำแหน่งของแผ่นสะท้อนสัญญาณ โดยจะสามารถขยับขึ้นลงได้ประมาณ 47 เซนติเมตร
และเมื่อทำงานร่วมกับระบบห้อยโยงเสาอากาศรับสัญญาณวิทยุที่ทำหน้าในการย้ายตำแหน่งเสาอากาศให้ไปอยู่ในจุดโฟกัสสัญญาณวิทยุที่สะท้อนมาจากจานรับสัญญาณ ทำให้กล้อง FAST นี้แม้ไม่สามารถหมุนจานได้แต่ก็จะสามารถติดตามวัตถุที่อยู่บนฟ้าได้เป็นมุมกวาดกว่า 40 องศา
ด้วยบริเวณแผ่นสะท้อนที่ปรับระนาบได้บนพื้นที่ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 300 เมตร ทำให้ FAST นั้นเสมือนจานรับสัญญาณวิทยุที่สามารถปรับหมุนจานตามวัตถุบนท้องฟ้าได้
ซึ่งการที่จะควบคุมให้ตัวแผ่นสะท้อนสัญญาณสามารถรวมสัญญาณไปยังเสาอากาศและตัวเสาอากาศเองก็ต้องไปลอยอยู่ในตำแหน่งที่จะรับสัญญาณที่รวมมาจากวัตถุที่เฝ้าสังเกตได้อย่างแม่นยำนั้นก็ต้องอาศัยระบบเล็งเป้าด้วยเลเซอร์กว่า 1,000 จุดที่ติดตั้งแทรกอยู่ระหว่างแผ่นสะท้อนสัญญาณเพื่อใช้ในการระบุแนวสะท้อนสัญญาณว่าตรงไปรวมกันทั้งหมดที่เสาอากาศ
ด้วยการปรับสายเคเบิลทำให้ตัวเสาอากาศสามารถปรับตำแหน่งให้ไปลอยอยู่ตรงกับจุดโฟกัสสัญญาณได้แบบ real-time
ดังนั้นระบบควบคุมจะต้องทำงานสอดคล้องกันทั้งการควบคุมแนวสะท้อนของแผงสะท้อนสัญญาณและควบคุมตำแหน่งเสาอากาศ ที่สำคัญระบบควบคุมทั้งหมดนั้นต้องทำงานสอดประสานกันได้แบบ Real-time ตลอดระยะเวลาที่กล้องโทรทรรศน์เฝ้าติดตามเป้าหมายบนท้องฟ้า
จากที่กล่าวมาข้างต้น ทำให้กล้อง FAST นั้นจัดเป็นอุปกรณ์ตรวจจับสัญญาณวิทยุจากห้วงอวกาศที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดชิ้นหนึ่งในปัจจุบัน (มีความไวในการตรวจจับสัญญาณดีกว่ากล้อง Arecibo 10 เท่า)
ภาพคอนเซปของระบบควบคุมตำแหน่งเสาอากาศของ FAST
ปัจจุบันกล้อง FAST ได้เปิดให้บริการอย่างเป็นทางการมาตั้งแต่มกราคมปี 2020 ซึ่งนักดาราศาสตร์จากทั่วทุกมุมโลกสามารถขอใช้งานกล้อง FAST ได้ไม่เว้นแม้แต่บ้านเรา (ถ้าเขาอนุมัติภารกิจที่มีคนติดต่อไป)
** หน้าที่และภารกิจของ FAST **
ทั้งนี้การสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดยักษ์นี้ขึ้นมาก็ด้วยจุดประสงค์ในการศึกษาด้านดาราศาสตร์และทำความเข้าใจเกี่ยวกับจักรวาลของเราให้ได้ลึกซึ้งกว่าที่เป็นอยู่ ซึ่งภารกิจของ FAST ก็ได้แก่แ
  • ✓
    ตรวจจับหา HI Cloud หรือกลุ่มหมอกแก๊สไฮโดรเจนธรรมชาติซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนอะตอมเดี่ยว
  • ✓
    ตรวจจับและศึกษาพัลซาร์
  • ✓
    ตรวจจับสัญญาณวิทยุที่อาจบ่งบอกถึงสิ่งมีชีวิตทรงภูมิปัญญาจากนอกโลก
  • ✓
    ตรวจจับสัญญาณวิทยุที่อยู่ห่างไกลและอ่อนมาก ๆ อย่างคลื่นแรงโน้มถ่วง, การลุกจ้าอย่างฉับพลันในช่วงคลื่นวิทยุ (Fast Radio Burst)
** ผลการค้นพบที่ผ่านมาของ FAST **
ตั้งแต่เริ่มการทดสอบใช้งานและหลังจากเปิดให้ใช้งานอย่างเป็นทางการ กล้อง FAST ก็ได้อยู่เบื้องหลังการค้นพบและสังเกตเหตุการณ์ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นบนท้องฟ้าซึ่งตัวอย่างผลงานของกล้อง FAST ได้แก่
  • ●
    การตรวจพบ "กาแล็กซีมืด กาแล็คซีทางทฤษฎีที่ประกอบด้วยสสารมืด กลุ่มหมอกไฮโดรเจน เป็นกาแล็คซีที่แทบไม่มีดาวอยู่เลย ดังนั้นพวกมันจึงแทบมองไม่เห็นเมื่อมองด้วยกล้องโทรทรรรศน์ในช่วงแสงปกติ
กาแล็กซีมืดเมื่อมองด้วย FAST จะเห็นถึงบริเวณที่กลุ่มหมอกก๊าซไฮโดรเจนรวมตัวหนาแน่น แต่เมื่อมองด้วยกล้องโทรทรรศน์ทั่วไปกลับมองไม่เห็นอะไรเลย
  • ●
    ตรวจพบพัลซาร์กว่า 800 แห่ง (นับถึงกรกฎาคมที่ผ่านมา)
1
  • ●
    ตรวจวัดความเข้มสนามแม่เหล็กของกลุ่มก๊าซไฮโดรเจนที่อยู่ห่างไกล
  • ●
    ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากช่วงสัญญาณระดับนาโนเฮิรตซ์ ซึ่งความยาวคลื่นแรงโน้มถ่วงนี้อาจยาวถึง 7 ปีแสงและระยะเวลาที่ส่งผลกระทบอาจยาวนานเป็นหลาย ๆ ปี
  • ●
    ตรวจย้อนหาแหล่งกำเนิดของสัญญาณวิทยุปริศนาที่เคยตรวจจับได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุอื่น ซึ่งก็ด้วยอานิสงค์ของความไวในการตรวจจับของ FAST ที่มีมากกว่ากล้องกล้องโทรทรรศน์วิทยุตัวอื่น
เกริ่นนำข่าวมาซะยาว ขอเข้าเนื้อหาข่าวกันต่อ
ย้อนกลับไปจากที่เล่าถึงระบบต่าง ๆ ที่ทำให้กล้อง FAST สามารถติดตามวัตถุบนท้องฟ้าได้เป็นมุมกว้างกว่าปกตินั้น แน่นอนว่าก็ต้องอาศัยการบำรุงรักษาที่ดีและต่อเนื่อง เพื่อให้แน่ใจว่ากล้องจะสามารถทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ ไม่เช่นนั้นหายนะแบบเดียวกับกล้อง Arecibo ก็อาจจะเกิดขึ้นกับ FAST ได้
1
สภาพของกล้อง Arecibo ก่อนและหลังเกิดหายนะจากการที่สายเคเบิลยึดเสาอากาศขาดจนทำให้เสาอากาศและสายเคเบิลร่วงกระแทกจานรับสัญญาณ ซึ่งปัจจุบันกล้อง Arecibo ถูกยกเลิกการใช้งานและจะถูกแปลงสภาพเป็นพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ต่อไป
ทำไมต้องใช้หุ่นยนต์?
เนื่องจากขนาดพื้นที่แผ่นสะท้อนที่ใหญ่กว่าสนามฟุตบอล 30 เท่า งานดูแลและบำรุงรักษาอุปกรณ์ในระบบควบคุมเหล่านี้โดยใช้แรงงานคนย่อมใช้เวลาและแรงงาน แถมยังมีความเสี่ยงในการเกิดอุบัติเหตุจากการทำงานอีกด้วย
โดยเฉพาะงานดูแลรักษาสายเคเบิลที่ยึดโยงเสาอากาศนั้นจัดว่าเป็นการทำงานในที่สูงซึ่งอันตราย จึงเป็นที่มาในการพัฒนาใช้หุ่นยนต์เพื่อรับหน้าที่ในการตรวจสอบและบำรุงรักษากล้อง FAST นี้
โฉมหน้าของ feed cabin all-weather smart measurement robot หุ่นยนต์ที่ทำหน้าที่คอยตรวจเช็คสภาพของสายเคเบิลที่ใช้ยึดโยง feed cabin
โดยสายเคเบิลที่ใช้ยึดโยง feed cabin เสาอากาศหนัก 30 ตันที่เป็นตัวรับสัญญาณจากจานสะท้อนจะมีหุ่นยนต์ feed cabin all-weather smart measurement robot จำนวน 5 ตัว ผลัดกันคอยวิ่งตรวจเช็คสภาพของสายเคเบิลทั้ง 6 เส้น
ซึ่งหุ่นยนต์ชุดนี้พัฒนาขึ้นโดย National Astronomical Observatory โดยใช้เทคโนโลยี microwave ranging ในการตรวจวัดและตรวจสอบสภาพเคเบิล
ในส่วนงานภาคพื้นที่ต้องคอยดูแลและตรวจสภาพของแผ่นจานสะท้อนสัญญาณและระบบเป้าเล็งเลเซอร์นั้นจะเป็นหน้าที่ของ reflective surface laser target maintenance robot หุ่นยนต์ที่จะคอยวิ่งตรวจเช็คสภาพไปตามจานรับสัญญาณ รับหน้าที่ในการดูแลระบบเป้าเล็งเลเซอร์และกระบอกสูบควบคุมตำแหน่งจานรับสัญญาณ
โฉมหน้าของ reflective surface laser target maintenance robot
โดยหุ่นซ่อมบำรุงภาคพื้นนี้เป็นการพัฒนาร่วมกันระหว่าง Institute of Automation of the Chinese Academy of Sciences, the National Astronomical Observatory และ Guizhou Radio Astronomy Observatory
ซึ่งหุ่นยนต์ตัวนี้ก็ประสบความสำเร็จในการทดสอบใช้งานเพื่อเปลี่ยนชิ้นส่วนของระบบเป้าเล็งเลเซอร์
หัวหน้าทีมวิศวกรของ FAST ประเมินว่าการเอาหุ่นยนต์เหล่านี้เข้าช่วยงานดูแลและซ่อมบำรุงกล้อง FAST จะสามารถช่วยลดระยะเวลางานซ่อมบำรุงทำให้กล้อง FAST สามารถทำภารกิจในการสำรวจอวกาศเพิ่มได้อีกกว่า 30 วันต่อปีเลยทีเดียว
ภาพถ่ายยามค่ำคืนของกล้อง FAST ในระหว่างงานหยุดซ่อมบำรุงประจำปี
ก็นับว่าเป็นอีกหนึ่งการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเพื่อช่วยลดความเสี่ยงของคนงานที่ต้องคอยทำหน้าที่บำรุงรักษา และยังช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการสำรวจอวกาศของกล้อง FAST ได้อีกด้วย
หวังว่าการนำหุ่นยนต์มาช่วยงานนี้จะเปิดโอกาสให้เราได้ค้นพบความรู้ใหม่ ๆ เพิ่มมากยิ่งขึ้นจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ใหญ่ที่สุดในโลกแห่งนี้

ดูเพิ่มเติมในซีรีส์

โฆษณา