เจาะลึกการทำงานของ MATCH อุปกรณ์วิทยาศาสตร์แรกของไทยที่โคจรรอบดวงจันทร์

ในปลายเดือนสิงหาคมนี้ ชุดการทดลอง MATCH (Moon-Aiming Thai-Chinese Hodoscope) มีกำหนดออกเดินทางสู่ดวงจันทร์ไปพร้อมกับภารกิจ Chang’E-7 (ฉางเอ๋อ 7) ของจีน MATCH จะกลายเป็นอุปกรณ์วิทยาศาสตร์หรือ Scienctific Instrument ชิ้นแรกของไทยที่จะได้ออกเดินไปสู่วงโคจรของดวงจันทร์ ซึ่งแน่นอนว่าหลาย ๆ คนอาจจะยังไม่เข้าใจว่า MATCH คือชุดการทดลองอะไร และอาจจะมีใครหลาย ๆ คนที่สงสัยว่าทำไมเราต้องตื่นเต้นกับชุดการทดลองที่แค่ไปโคจรรอบดวงจันทร์ ไม่ได้ลงจอดบนพื้นผิวของดวงจันทร์ด้วยซ้ำ แล้วสิ่งนี้มันสำคัญกับภาพรวมของวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมประเทศไทยอย่างไร ในบทความนี้จะมาเจาะลึกถึงฟิสิกส์ของ MATCH ว่าทำไมการส่ง Scienctific Instrument ชิ้นแรกของไทยไปโคจรรอบดวงจันทร์ถึงเป็นเรื่องใหญ่ที่ทุกคนห้ามพลาด

บทความนี้ ถือว่าเป็นบทความละเอียดเจาะลึก ซึ่งจะทำหน้าที่เก็บรวมรวม บันทึกเรื่องราง และประวัติศาสตร์การสำรวจอวกาศของไทย ซึ่งนับว่าโครงการ MATCH เป็นครั้งแรกที่ประเทศไทยได้สัมผัสกับคำว่า Deep Space หรืออวกาศห้วงลึกจริง ๆ และนี่จะเป็นก้าวแรกสู่การเดินทางที่ไกลขึ้นไปอีกของเรา

• กองยาน Chang’E-7
• เมื่อทุกคนก้มมองดวงจันทร์แต่เราหันหน้ามองห้วงอวกาศ
• Hodoscope วิวัฒนาการติดตามสิ่งที่มองไม่เห็นจากอวกาศ
• MATCH คือความท้าทายของการตรวจจับอนุภาคของคนไทย
• สูตรโกงน้ำหนักด้วยการใช้แมกนีเซียมในการขึ้นรูป
• แล้วเราจะได้อะไรต่อจาก MATCH

กองยาน Chang’E-7

ก่อนที่จะไปรู้จักกับชุดการทดลอง MATCH เรามาทำความรู้จักกับภารกิจ Chang’E-7 ที่จะพา MATCH เดินทางไปด้วยกันก่อน โดยภารกิจ Chang’E-7 ไม่ใช่ ยานอวกาศคล้ายกับดาวเทียมที่ไปโคจรรอบดวงจันทร์แล้วไม่ได้ทำอะไร แต่นี่คือภารกิจที่บ้าพลังของจีนและไม่เคยมีใครทำมาก่อน เพราะมันไม่ใช่ยาน Orbiter แค่ลำเดียว แต่มันคือกองยาน โดยจะมี Lander, Rover และ Hopper หรือ 4 ภารกิจที่แตกต่างกันภายในภารกิจเดียว

โดย Lander ของ Chang’E-7 มีเป้าหมายไปลงจอดยังขั้วใต้ดวงจันทร์ และปล่อยยานสำรวจ Lander และ Hopper ซึ่งในส่วนของ Hopper เป็นสิ่งที่ไม่เคยมีใครทำมาก่อน กับยานสำรวจที่กระโดดดีดออกจาก Lander เพื่อเดินทางลงไปสำรวจยังหลุมอุกกาบาตที่แสงอาทิตย์ส่องไม่ถึง หรือ Permanently Shadowed Region บริเวณขั้วใต้ดวงจันทร์ ที่เป็นสถานที่ที่เชื่อว่าน่าจะมีมีน้ำแข็งอยู่ที่ก้นหลุม ซึ่งเป็นสิ่งที่ยังไม่เคยมีใครส่งยานลงไปสำรวจมาก่อน ทำให้จีนจะเป็นชาติแรกที่ส่งยานลงไปสำรวจที่ก้นหลุมอุกกาบาตที่มืดมิดและฉายแสงลงไปยังหลุมอุกกาบาตที่มืดมิดหลายล้านปีนี้ให้เราได้เห็นภาพพื้นผิวของมันเป็นครั้งแรก

กลับมาที่ยาน Orbiter ตัวยานจะทำหน้าที่สนับสนุนการสำรวจของ Lander Rover และ Hopper บนพื้นผิวของดวงจันทร์ ผ่านอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ใน list ที่ตัวยานติดไปมากมายพร้อมความร่วมมือจากอุปกรณ์วิทยาศาสตร์นานาชาติ

• High Resolution Stereo Mapping Camera (HRSMC)
• Miniature Synthetic Aperture Radar (MSAR)
• Wide Band Infrared Spectrum Mineral Imaging Analyzer (WISMIA)
• Lunar Neutron Gamma Spectrometer (LNGS)
• Lunar Orbit Magnetometer (LOM)
• Lunar Surface Material Hyperspectral Imager (อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ภายใต้ความร่วมมือของ Egyptian Space Agency และ Bahrain National Space Science Agency)
• Moon-based Dual-channel Earth Radiation Spectrometer (อุปกรณ์จาก Physical Meteorological Observatory in Davos Switzerland)
• Space Weather Global Monitoring Sensor Device (MATCH) จากประเทศไทยนั่นเอง

จะเห็นว่าตัวยาน Chang’E 7 มี Payload ให้กับชาติพันธมิตรในโครงการ ILRS 3 อุปกรณ์และหนึ่งในนั้นคือ MATCH ของไทย ซึ่ง MATCH ของไทยหากมองผิวเผินถึงตัวอุปกรณ์ ชื่อของมันคือ Space Weather Global Monitoring Sensor Device หรือ อุปกรณ์ตรวจวัดสภาพอวกาศ ที่เหมือนกับภารกิจวัดสภาพอวกาศทั่วไปที่พบได้ทั่วไปและพบเห็นได้บ่อย แค่เปลี่ยนจากตำแหน่ง L1 หรือ Polar Orbit รอบโลกมาอยู่ที่วงโคจรของดวงจันทร์แทน ซึ่งหากพูดแบบนั้นมันคงผิดมหัตเลย เพราะ MATCH ไม่ใช่แค่อุปกรณ์พื้นฐานสำหรับวัดสภาพอวกาศทั่วไป แต่เป็น Frontier Hodoscope ระดับเดียวกับ HIT (High-Energy Ion Telescope) บน IMAP ยาน Space Weather ตัวล่าสุดของ NASA ที่เพิ่งปล่อยออกสู่อวกาศเมื่อปีที่แล้วเลยทีเดียว และ MATCH ไม่ได้มีเป้าหมายแค่การวัดอนุภาคจากดวงอาทิตย์ (Solar Energetic Particles) แต่เรากำลังจะทำสิ่งที่ยิ่งใหญ่กว่านั้น คือการวัดมันทุกอย่างที่สามารถวัดได้ตั้งแต่ Albedo Cosmic Ion (Lunar) ไปจนถึง Galactic Cosmic Ray และ Jovian Electrons หรืออิเล็กตรอนจากดาวพฤหัสบดีที่เดินทางข้ามระบบสุริยะมาถึงดวงจันทร์ของเรา

และด้วยทั้งหมดที่กล่าวมาไม่ได้เกินจริงเลย มันสามารถทำทั้งหมดได้จริง ๆ และนี่คือเหตุผลว่าทำไมจีนถึงเลือก Payload ของเราขึ้นยาน Chang’E-7 ซึ่ง MATCH เป็น Payload เดียวใน Orbiter ที่ไม่ได้หันมองดินดวงจันทร์แต่เลือกหันมองอวกาศลึกเพื่อทำการศึกษาด้านสภาพอวกาศ โดยอุปกรณ์ MATCH นั้น ได้ถูกส่งมอบให้กับจีนในเดือนกรกฎาคม 2025 ที่ผ่านมา เพื่อนำไปติดตั้งกับยาน Chang’e 7 ในส่วน Orbiter ที่จะโคจรรอบดวงจันทร์ หลังจากนั้นในช่วงเดือนเมษายน 2026 ตัวยาน Chang’e 7 ได้ถูกนำส่งมายังฐานปล่อยที่ Wenchang เป็นที่เรียบ ตามด้วย วันที่ 13 กรกฎาคม 2026 จรวด Long March 5 หมายเลข Y14 ซึ่งจะใช้สำหรับภารกิจฉางเอ๋อ 7 ได้เดินทางถึงฐานปล่อยเรียบร้อย

เมื่อทุกคนก้มมองดวงจันทร์แต่เราหันหน้ามองห้วงอวกาศ

ในขณะที่อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ทุกชิ้นบนยาน Chang’E 7 มีเป้าหมายเพื่อมองพื้นผิวของดวงจันทร์ แต่ MATCH คืออุปกรณ์เพียงชิ้นเดียวบนยานที่หันมองห้วงอวกาศ เพราะแม้ดวงจันทร์จะอยู่ในอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงโลกอยู่แต่ว่าสภาพแวดล้อมที่รอบดวงจันทร์นั้นไม่ได้เหมือนกับวงโคจรใกล้โลก เพราะวงโคจรของดวงจันทร์ไม่ได้อยู่ในอาณาเขตของสนามแม่เหล็กโลกแล้ว สภาพแวดล้อมรอบดวงจันทร์ก็จึงไม่ได้ต่างอะไรกับสภาพแวดล้อมของอวกาศลึก (Deep Space) และมันไม่ได้มีแค่ดวงจันทร์ แต่มันคือสถานที่ที่เปิดรับอนุภาคพลังงานสูงจากทั่วทุกแหล่งกำเนิดที่เรารู้จัก

อนุภาคขาประจำที่จะต้องพบเลยนั้นคือ Solar Energetic Particles อนุภาคในกลุ่มนี้คือตัวการหลักที่กำหนดสภาพอวกาศภายในระบบสุริยะของเรา เพราะในทุก ๆ วินาทีดวงอาทิตย์ปลดปล่อยสสารรวมกันมากกว่า 6 ล้านตันต่อวินาที และสามารถปลดปล่อยมวลออกมาได้มากถึง พันล้านตันต่อวินาทีเมื่อเกิดดวงอาทิตย์ปลดปล่อยมวลสารใน Event Coronal Mass Ejection

Galactic Cosmic Ray คืออีกหนึ่งขาประจำที่เข้ามาปั่นป่วนสภาพอวกาศภายในระบบสุริยะของเรา Galactic Cosmic Ray มันคืออนุภาคพลังงานสูงที่ไม่ใช่แค่อนุภาคมีประจุมวลน้อยเหมือนที่ปลดปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ แต่อนุภาคที่มาจาก Galactic Cosmic Ray เป็นอนุภาคพลังงานสูงที่มีมวลมากหรือ Heavy Nuclei เช่น คาร์บอน ออกซิเจน หรือแม้แต่เหล็ก ที่ถูกกระชากอิเล็กตรอนออกจนหมดเกลี้ยง แล้วถูกเครื่องเร่งอนุภาคตามธรรมชาติระดับจักรวาลเร่งความเร็วจนเกือบเท่าความเร็วแสง ซึ่งต้นกำเนิดของอนุภาคเหล่านี้เกิดจากซูเปอร์โนวาและกิโลโนวาทั่วทั้งเอกภพ เดินทางเข้าในระบบสุริยะของเรา หากเปรียบเทียบพฤติกรรมของมันก็เหมือนกับกระสุนปืนไรเฟิลที่มีปริมาณที่น้อยแต่พลังงานสูงและสร้างความเสียหายต่อหนึ่งการชนรุนแรงยิ่งกว่า Solar Energetic Particles อย่างมหาศาล

ซึ่งตามปกติอนุภาคพลังงานสูงจากดวงอาทิตย์หรือจากแหล่งกำเนิดอื่น ๆ จะไม่เคยเดินทางมาถึงพื้นโลกเลยแม้แต่อนุภาคเดียวเนื่องจากโลกของเรานั้นมีสนามแม่เหล็กและชั้นบรรยากาศที่หนาแน่นอยู่ อนุภาคที่พุ่งเข้ามายังโลกจะต้องชนกับอะตอมของชั้นบรรยากาศโลก และสร้างอนุภาคใหม่ชนกันเป็นทอด ๆ หรือที่เรียกว่า Secondary Radiation ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Air Shower และอย่างที่บอกไปว่าไม่มีอนุภาคพลังงานสูงอนุภาคไหนจากนอกโลกเคยเดินทางมาถึงพื้นผิวโลกได้เลย แปลว่าเครื่องตรวจจับอนุภาคพลังงานสูงที่นักฟิสิกส์ใช้ในการตรวจจับอนุภาคกันนั้นต้องอาศัยการคำนวณอนุภาคย้อนกลับจากอนุภาคที่เกิดจากการแตกตัวจาก Air Shower อีกทอดหนึ่ง ดังนั้นการยกเครื่องตรวจจับอนุภาคออกไปจากเกราะป้องกันอนุภาคของโลกไปไว้ใน Deep Space เราจะได้ Primary Radiation ซึ่งเป็นการตรวจวัดที่ดีและตรงไปตรงมามากกว่า

แน่นอนว่า Primary Radiation คือสิ่งแรกที่เราอยากตรวจจับ แต่ MATCH ไม่ได้สนใจที่จะวัดแค่ Primary Radiation แต่ MATCH เลือกที่จะจับ Secondary Radiation จากดวงจันทร์ อนุภาคพลังงานสูงทั้ง Solar Energetic Particles และ Galactic Cosmic Ray เมื่อพุ่งชนผิวของดวงจันทร์มันจะเกิด Nuclear Evaporation ทำให้อะตอมของพื้นผิวดวงจันทร์แตก ปลดปล่อยอนุภาคไอออนและโปรตอนพลังงานสูงออกสู่อวกาศ มุมมองที่เรามองมันจะคล้ายกับการสะท้อนของรังสีที่พื้นผิว ซึ่งอนุภาคกลุ่มนี้เป็นกลุ่ม Secondary Radiation เราเรียกกลุ่มอนุภาคที่สะท้อนกลับมาจากดวงจันทร์ว่า Lunar Albedo Particles

ซึ่งอนุภาคที่ชนจนฝังตัวเข้าไปในเนื้อดินจนสะท้อนกลับขึ้นมาเป็น Secondary Radiation นั้น มันคืออนุภาคที่มีพลังงานสูงระดับ MeV ที่มาจาก Coronal Mass Ejection และ Galactic Cosmic Ray ลมสุริยะไม่ได้มีพลังงานมากพอที่จะ Nuclear Evaporation ได้ สิ่งที่มันเกิดขึ้นบนพื้นผิวของมันได้เพียงแค่ Sputtering พื้นผิวของดวงจันทร์เท่านั้น ดังนั้นลมสุริยะจึงไม่ก่อให้เกิด Secondary Radiation ที่มากพอที่จะเรียกว่า Albedo Particles โดยเป้าหมายของการศึกษา Albedo Particles จากดวงจันทร์คือการศึกษา ความผิดปกติของสนามแม่เหล็กดวงจันทร์ (Lunar Magnetic Anomalies) ซึ่งถือว่าเป็นหนึ่งในเป้าหมายรองของการศึกษานี้

และอนุภาคแหล่งสุดท้ายที่ปั่นป่วนสภาพอวกาศของระบบสุริยะคือดาวพฤหัสบดี หรือ Jovian Electron ซึ่งเราอาจจะคิดว่า อนุภาคจากดาวพฤหัสบดีคือ Secondary Radiation แต่นักฟิสิกส์นิยาม Jovian Electron เป็น Primary Radiation เนื่องจากแหล่งกำเนิดหลักของอนุภาคพลังงานสูงจากดาวพฤหัสบดีเหล่านี้ไม่ใช่ดวงอาทิตย์ แต่เป็นดวงจันทร์ Io

ดวงจันทร์ Io ปลดปล่อยมวลสารออกมายังสภาพแวดล้อมรอบดาวพฤหัสบดีด้วยปริมาณหนึ่งตันต่อวินาที ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ที่เป็นองค์ประกอบหลักที่ปลดปล่อยออกมาถูกสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสบดีเร่งความเร็วและเหวี่ยงจนแตกตัวเป็นทะเลพลาสมารอบดาวพฤหัสบดีที่เต็มไปด้วย อิเล็กตรอน ซัลเฟอร์ไอออน และออกซิเจนไอออน ก่อตัวเป็นโดนัทพลาสมาขนาดยักษ์ล้อมรอบดาวพฤหัสบดีที่เรียกว่า Io Plasma Torus ซึ่งนี่คือแหล่งกำเนิดของ Jovian Electron

แล้วอนุภาคจากดาวพฤหัสบดีมันจะเดินทางไปทั่วระบบสุริยะจนเดินทางมาถึงโลกจริง ๆ หรือ คำตอบคือได้ เพราะความบ้าคลั่งของการเหวี่ยงอนุภาคของดาวพฤหัสบดีนั้นมันเร็วมากจนเราสามารถเรียกมันว่าเครื่อง Cyclotron ธรรมชาติที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ โดย Cyclotron ที่ชื่อว่าดาวพฤหัสบดีนี้เหวี่ยงอนุภาคจากดวงจันทร์ไอโอให้มีความเร็วเท่ากับความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของดาวพฤหัสบดี หรือเท่ากับ 266,400 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และก่อให้เกิดปรากฏการณ์ Cyclotron Maser Radiation ที่เมื่ออนุภาคมีประจุถูกเหวี่ยงด้วยความเร็วสูงมันจะก่อให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าปลดปล่อยออกมา เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Cyclotron Maser Radiation ซึ่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปลดปล่อยออกมาจากดาวพฤหัสบดีนี้ แผ่ขยายไปทั่วทั้งระบบสุริยะ สามารถได้ยินแม้กระทั่งบนผิวโลกของเรา ซึ่งเรามักจะได้ยินเรื่องราวที่ วิทยุในย่าน AM ถูกรบกวนในช่วงเวลากลางคืนในพื้นที่ห่างไกล ซึ่งสาเหตุหนึ่งของการรบกวนก็มาจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาการเหวี่ยง Cyclotron ของดาวพฤหัสบดี

นี่เป็นแค่ความเร็วตั้งต้นของการเหวี่ยง และความเร็วในการเหวี่ยงแค่นี้ไม่สามารถทำให้อนุภาคเหล่านี้หลุดออกจากสนามแม่เหล็กที่ทรงพลังของดาวพฤหัสบดีได้ แต่สิ่งที่ทำให้อนุภาคเหล่านี้หลุดออก คือ Coronal Mass Ejection

Coronal Mass Ejection ไม่ได้ปลดปล่อยแค่มวลสารมีประจุของดวงอาทิตย์ออกมาเท่านั้น แต่มันปลดปล่อยสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ออกมาด้วย ซึ่งสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์นั้น สามารถไปเชื่อมกับสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสบดีได้ และเกิดปรากฏการณ์ Magnetic Reconnection และปลดปล่อยประจุภายใน Plasma Torus ออกมา และพาอนุภาคจากดาวพฤหัสบดีออกเดินทางด้วยความเร็วแสงไปทั่วทั้งระบบสุริยะ และนี่คือที่มาว่าทำไมอนุภาคจากดาวพฤหัสบดีสามารถที่จะตรวจจับที่วงโคจรของดวงจันทร์ได้

นี่ทำให้ MATCH เป็นการตรวจจับอนุภาคที่พบได้ในระบบสุริยะทุกกลุ่มและครอบคลุมมากที่สุดที่ประเทศไทยเคยทำมา และอย่างที่เราทราบกันดี NARIT ได้โปรโมท MATCH ว่าเป็นเครื่องมือวัดอนุภาคพลังงานสูงสำหรับ Space Mission เครื่องแรกของไทยที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรคนไทยได้ออกแบบและพัฒนาขึ้นมา แต่คำว่า Hodoscope ในชื่อของ MATCH นั้นมันคือเครื่องมืออะไร ทำไมมันสำคัญกับการวัดอนุภาค แล้วมันต่างจาก Sensors แบบอื่นยังไง แล้วมันต่างจาก Cosmic Ray Telescope ที่อยู่ในยานสำรวจ Space Weather อื่นอย่างไร

Hodoscope วิวัฒนาการติดตามสิ่งที่มองไม่เห็นจากอวกาศ

ย้อนกลับไปในยุคบุกเบิกของการศึกษาอนุภาคพลังงานสูง (High Energy Particles) นักฟิสิกส์เผชิญกับปัญหาที่ยากมากในเวลานั้น คือเราจะตรวจวัดอนุภาคพลังงานสูงที่เรามองไม่เห็นและมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงเหล่านี้อย่างไร ในยุคนั้นเราค้นพบสองอย่าง หนึ่งคืออนุภาคเหล่านี้เมื่อชนกับฟิล์มถ่ายภาพมันจะทิ้งร่องรอยไว้บนแผ่นฟิล์ม กับหากเราทำให้ห้องทั้งห้องเต็มไปด้วยไอน้ำ อนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงเมื่อพุ่งชนไอน้ำมันจะทิ้งร่องรอยของประจุเป็นทางเอาไว้ให้เราสามารถมองเห็นและบันทึกไว้ได้ ที่เราเรียกอุปกรณ์นี้ว่า Cloud Chamber สองอย่างนี้สร้างปฏิหารย์และการค้นพบอย่างมากมาย แต่กว่าที่เราจะค้นพบแต่ละครั้งนั้นมันเต็มไปด้วยหยาดเหงื่อของนักฟิสิกส์ที่ต้องรอถ่ายภาพเมื่ออนุภาควิ่งเข้ามาชนในฟิล์มหรือ Cloud chamber และต้องเอาฟิล์มไปล้าง

นักฟิสิกส์ในเวลานั้นได้ใช้หลักการ Ionizing ของก๊าซ เมื่ออนุภาคมีประจุมาชน มันจะกระชากอิเล็กตรอนออก เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าในวงจร นี่คือหลักการทำงานของ Geiger Muller Tube และ Geiger Muller Counter ที่เรามักเห็นในห้องทดลองนิวเคลียร์หรือตามหนังที่มีเรื่องเกี่ยวกับนิวเคลียร์และเสียง “แต๊ก แต๊ก” ที่เป็นเอกลักษณ์ของมัน แม้ Geiger Muller จะเป็นเครื่องมือมาตรฐานของฟิสิกส์นิวเคลียร์ แต่ตัวของมันนั้นบอกได้แต่จำนวนของอนุภาคที่มาชน Tube ไม่สามารถบอกพลังงานของประจุและทิศทางได้ ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงต้องเอาความรู้เรื่องไฟฟ้าและวงจรมารวมกันและเกิดเป็น Hodoscope ขึ้นมาในปี 1933 จากการที่เขาเอา Geiger Muller Tube มาวางเรียงกันและสามารถจับตำแหน่งของอนุภาคที่เคลื่อนที่ได้เป็นครั้งแรก แบบ Realtime ด้วย

แต่ถึงอย่างนั้นโลกก็ยังไม่ยอมรับ Hodoscope อีกนานหลายปีจนต้องเปลี่ยนผ่านจากยุคของ Cloud Chamber สู่ Bubble Chamber สู่ยุคของ Photomultiplier Tube ที่มีการใช้ Scintillator ที่เมื่ออนุภาคมีประจุชนแร่คริสตัลเหล่านี้มันจะปล่อยแสงวาบออกมา และแสงเหล่านั้นถูกแปลงไปอิเล็กตรอนที่ถูกวงจรอิเล็กทรอนิกส์ขยายพลังงาน ซึ่งเป็นการวัดที่ได้ค่าพลังงานออกมา แต่ด้วยฟิสิกส์ของ Scintillator ที่ปลดปล่อยแสงออกในหลักนาโนวินาที ทำให้ Scintallator ถูกนำมาใช้วางเป็นแถวเรียงกันพร้อมกันวงจร Photomultipler เพื่อสร้าง Hodoscope ที่สามารถให้ค่าทั้งขนาดของพลังงานและทิศทางได้

และถึงจะมีวิธีการ Track ทิศทางและพลังงานของอนุภาคที่ยอดเยี่ยมอย่าง Scintillator แล้วแต่นักฟิสิกส์ก็ยังไม่พอใจ เพราะราคาต่อชิ้นของ Photomultiplier Tube มันแพงมาก นักฟิสิกส์จึงพยายามที่จะสร้างเครื่องมือเพื่อใช้ในการติดตามเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ราคาถูกพอจะใช้คราวละจำนวนมาก ๆ เพื่อใช้กับเครื่องเร่งอนุภาค และในเวลานั้นนักวิทยาศาสตร์ CERN ชื่อ Georges Charpak ได้สร้างสิ่งประดิษฐ์ที่เอาทั้ง Hodoscope และ Cloud Chamber มารวมกันคือ Wire Chamber หรือ Multi-wire Proportional Chamber ห้องก๊าซขนาดมหึมาที่ขึงด้วยเส้นลวดนับหมื่นเส้น เมื่ออนุภาควิ่งผ่าน มันจะสร้างรอยทางของอิเล็กตรอน (Ionization Trail) ที่ลอยไปชนเส้นลวด เกิดเป็นการแกะรอยแบบ Digital Tracking ครั้งแรก

ในตอนนี้เราได้รู้ประวัติของเทคโนโลยีที่เป็นมาตรฐานของการตรวจวัดอนุภาคและรังสีนิวเคลียร์ไปแล้ว ตั้งแต่ Cloud Chamber, Geiger Muller Tube มาจนถึง Scintillator แต่หากเรามองที่ MATCH เราจะพบกับอีกเทคโนโลยีหนึ่งที่อยู่ใน MATCH ด้วยมันก็คือ Solid Stage Detector หรือการเอา Photodiode มาตรวจวัดอนุภาค ซึ่งเทคโนโลยีนี้นับว่าเป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีชั้นสูงที่หลาย ๆ เครื่องมือตรวจวัดใช้งานกัน และมันไม่ได้มีฟิสิกส์ที่มาตรฐานตรงไปตรงมาเหมือนกับเครื่องมือที่กล่าวมาข้างต้น โดยต้นกำเนิดจริง ๆ มันย้อนกลับไปในยุค 50 ที่นักวิทยาศาสตร์ของกองทัพพบว่า Photodiode สามารถที่จะฟังก์ชั่นกับอนุภาคมีประจุได้ ซึ่งสามารถทำงานในการวัดพลังงานได้เหมือนกับ Scintillator และเมื่อนำมาวางซ้อนกันสามารถ Track เส้นทางของอนุภาคได้ และด้วยประโยชน์ที่ SSD นั้นบาง ทำให้อนุภาคที่ชนไม่ระเบิดออกเป็น Secondary Radiation แต่ยังเป็น Primary Radiation อยู่และสามารถใช้ช่วงเวลาในการเคลื่อนที่ Track ในการดูทิศทางเพื่อบอกประจุและชนิดของอนุภาคได้ และสามารถใช้ตัวรองด้านหลังเป็น Scintillator เพื่อเป็น Callories Meter ที่หยุดอนุภาคได้ ซึ่งเทคนิคที่กล่าวมานำมาสู่เทคโนโลยีที่ใช้ใน ATLAS ของ LHC ที่ใช้ในการตรวจจับ Higgs Boson ได้เป็นครั้งแรก

และวิธีที่กล่าวมา ที่ใช้ SSD ประกบหน้า Scintillator มันก็คือ Gold Standard ในวงการ Cosmic Ray Telescope สำหรับยานอวกาศไปแล้ว เช่น SOHO เครื่องมือวัด Energetic and Relativistic Nuclei and Electron (ERNE) ที่ใช้ในการวัด Ion/electron มากกว่า 1 MeV ก็ใช้ หลักการ SSD อยู่ด้านหน้า Scintillator หรือแม้แต่ยานยุคใหม่อย่าง Parker Solar Probe ก็ใช้วิธีการนี้เพราะมันพิสูจน์แล้วว่าใช้งานได้จริงและสามารถจำแนกประเภทของอนุภาคและ ΔE\Delta E อนุภาคที่ชนกับ Silicon ก่อนและหลังการชนได้

MATCH คือความท้าทายของการตรวจจับอนุภาคของคนไทย

MATCH มันคือ Hodoscope ที่มีหน้าต่างเปิดรับอนุภาคให้เดินทางเข้ามาได้จากสองฝั่งพร้อมกัน ทั้งฝั่งจากอวกาศลึกและฝั่งของดวงจันทร์ เพราะอย่างที่เราทราบดี MATCH จะถูกติดไปที่ด้านนอกยาน Orbiter ของ Cheng’ E-7 ทำให้นี่คือโอกาสดีที่จะสามารถรับประจุอนุภาคจากทั้ง Primary Radiation จากห้วงอวกาศลึกและ Secondary Radiation ที่สะท้อนออกมาจากพื้นผิวของดวงจันทร์

โดยหน้าสุดของ MATCH จะเป็น Double-sided Silicon Detectors ที่มีทั้งหมดสองชุด แต่ละชุดมีสองชั้น แต่ละชั้นคือชุดของเซนเซอร์ Silicon Detector ที่เรียงแถวยาวเต็มแผ่น แผ่นละ 8 แถว และอีกชั้นจะวางไขว้เป็นการวางตัวตามแนว X กับ Y และแต่ละชั้น Silicon Detector หนา 600 ไมโครเมตร โดยเราจะเห็น Legacy Technique ใน MATCH อยู่จากการวาง Layout แบบนี้ที่มักใช้งานกับท่อ Geiger-Muller ที่ในอดีตท่อเหล่านี้มีราคาแพง แต่ต้องการที่จะตรวจจับแบบเป็น Pixel 2 มิติ เพื่อให้ทำได้แบบนั้นเลยต้องออกแบบการวางท่อซ้อนกัน เป็นตามแนว X แถวหนึ่ง และตามแนวแกน Y ในอีกแถวหนึ่ง เมื่ออนุภาควิ่งชน มันจะวิ่งชนทั้งสองท่อพร้อมกัน และเราสามารถเอาแถวกับคอลัมภ์มาหาว่าตำแหน่งไหนคือตำแหน่งที่มันชนแบบ 2 มิติ

และถัดจาก Silicon detector แล้วก็จะเป็นส่วนของ BGO Crystal Scintillators มันอยู่ด้านในถัดมา ซึ่งชุดของ Scintillators นั้นมีทั้งหมด 3 ตัว และจับแสงวาบของ Scintillator ด้วย Silicon Photomultiplier (SiPMs) ที่ฝังอยู่บนบอร์ดของแต่ละตัว โดยตรงกลางออกแบบให้เป็น Scintillator ที่หนาที่สุด คือ 10 mm และ ชั้นที่ปิดประกอบทั้งด้านหน้าและด้านหลังของชิ้นตรงกลางมีความหนาชิ้นละ 6 mm โดยทั้ง Scintillators และ Silicon Detector ล้วนทำงานแบบ Callories meters ที่สามารถคำนวนปริมาณพลังงานที่สูญเสียไประหว่างการชนในแต่ละชั้นได้

และที่ชั้นของ Silicon detector ยังมีการออกแบบ Logic เพื่อการประเมินว่าเป็นเหตุการณ์ที่อนุภาคพุ่งชนจริงหรือเป็นแค่ Error ของระบบ และ Particle Identification Logic ที่ใช้ในการประเมินว่า Readout ที่ได้ออกมาจาก Sensor ทั้งหมดในเหตุการณ์นั้นมาจากอนุภาคประเภทไหน มาจากดวงอาทิตย์ Cosmic Ray ดาวพฤหัสบดี หรือสะท้อนมาจากดวงจันทร์กันแน่

และแน่นอนเมื่อเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มันย่อมต้องมีวงจรไฟฟ้าเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย เพราะหากเอาเข้าจริง สัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากทั้ง Silicon detector และ SiPMs มันต่ำมาก จำเป็นต้องมีวงจรขยายสัญญาณและแปลงสัญญาณเข้ามาใช้ในงานนี้ โดยในฝั่งของ Scintillator SiPMs ส่งสัญญาณออกไปจะไปทำการขยายสัญญาณด้วย Pre Amplifier และส่งเข้า Analog-Digital Converter (ADC) และในส่วนของ Silicon Detector เมื่อสัญญาณส่งออกจากเซลล์ของเซนเซอร์ในแต่ละแถวแล้วมันจะเข้าสู่ Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) ซึ่งคือ Integation Circuit ที่รวมวงจรขยายสัญญาณและจัดการสัญญาณรบกวนที่มีถึง 32 Channels ก่อนส่งให้ ADC เหมือนกัน โดยทุกวงจรย่อยเราจะเห็นจาก Diagram ว่ามันมี Pulse Width and Threshold มันคือกล่อง Cut Off ว่าเท่าไหร่ถึงจะส่งข้อมูลไปที่ภาคสื่อสาร และเมื่อไหร่สัญญาณอ่อนเกินจนเป็นแค่ noise ซึ่งเป็นการตั้งค่า Threshold ของสัญญาณลดการเก็บข้อมูลที่ไม่จำเป็นและให้ข้อมูลที่จะถูกส่งกลับโลกเป็นข้อมูลเหตุการณ์จริง ไม่ใช่เหตุการณ์ปลอม โดยภาคสื่อสารเป็นชุด FPGA ที่ออกแบบมาให้เข้ากับระบบการสื่อสารของยาน Chang’E-7

จะเห็นว่าจริง ๆ ระบบอิเล็กทรอนิกส์ภายใน MATCH ค่อนข้างซับซ้อนมากเลยทีเดียว และเมื่อระบบอิเล็กทรอนิกส์ซับซ้อนนั้นหมายถึงอีกโจทย์จะตามมานั้นก็คือเรื่องของ Thermal Noise เนื่องจากอย่างที่เราทราบกันดี ดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศ จุดกที่ได้รับแสงกับไม่ได้รับแสงอุณหภูมิต่างกัน 400 องศาเซลเซียส จากติดลบ 200 องศา ไปที่มากกว่า 200 องศาเซลเซียส ดังนั้นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ของยานต้องได้รับการออกแบบมาเพื่อทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่สูงมากได้แต่ต้องเกิด Thermal Noise ในสัญญาณไฟฟ้าต่ำมาก นี่คือหนึ่งในโจทย์ที่ท้าทายมากและเป็น Know How ที่เคยไม่มีในไทยอย่างแน่นอน

สูตรโกงน้ำหนักด้วยการใช้แมกนีเซียมในการขึ้นรูป

ตัดมาในส่วนที่มักถูกพูดถึงกันโดยตลอดคือเรื่องของ Housing ที่ต้องทำจากแมกนีเซียมเนื่องจากเบากว่าอลูมิเนียม คนใน NARIT จะเล่าว่าต้องใช้โลหะแมกนีเซียมเพราะน้ำหนักเบากว่า ซึ่งนั้นก็จริง แต่หากเรามามองที่โจทย์ว่าทำไมถึงเกิดการใช้โลหะแมกนีเซียมขึ้นนั้นก็เป็นเพราะว่า ชิ้นส่วนอื่น ๆ ทั้งหมดภายในมันลดมวลมากกว่านี้ไม่ได้แล้ว โดยเฉพาะส่วนที่หนักที่สุดในก็คือ Scintillator และแผงวงจร Space Grade ดังนั้นทีมของ NARIT ต้องหาทางลดมวลของชิ้นงานยังไงก็ได้ ซึ่งมาจบที่การทำ Housing ให้เบาลง

ซึ่งการเอาโลหะแมกนีเซียมมาขึ้นรูปทำ Housing คือโจทย์ที่ยากและท้าทายมากจริง ๆ เนื่องจากว่ากันตามตรงแมกนีเซียมเป็นโลหะในกลุ่มที่คนทั่วไปจะไม่ค่อยได้ยินกันในการเอามาทำงานอุตสาหกรรมหรือโครงสร้าง เราจะได้ยินชื่อของเหล็ก อลูมิเนียม และไทเทเนียมมากกว่า ที่เป็นเช่นนั้นเพราะว่า แมกนีเซียมอัลลอยด์ขึ้นรูปยากมาก

เทียบกันกับโลหะที่เราคุ้นหูอย่างอลูมิเนียมที่ขึ้นรูปง่าย นั้นก็เพราะว่า การเรียงตัวของอะตอม อะลูมิเนียมมีโครงสร้างแบบ Face-Centered Cubic (FCC) ซึ่งยอมให้ตัวมันถูกดัด พับ หรือขึ้นรูปได้ง่ายดายในอุณหภูมิห้อง แต่แมกนีเซียมมีโครงสร้างแบบ Hexagonal Close-Packed (HCP) ซึ่งทำให้มันเปราะและแข็ง หากจะนำแมกนีเซียมมาขึ้นรูปเป็นชิ้นงานที่ซับซ้อน มักจะต้องทำที่อุณหภูมิสูง การจัด CNC แมกนีเซียมนี่คือฝันร้ายไปเลย เพราะแมกนีเซียมเป็นพวก Highly Reactive ที่นอกจากจะเป็นสนิมง่ายมากแล้ว มันยังติดไฟง่ายมากและไฟอุณหภูมิสามารถสูงได้มากกว่า 3,000 องศาเซลเซียส และที่สำคัญที่สุดมันใช้น้ำในการดับไฟจากแมกนีเซียมไม่ได้ เพราะจะทำให้ไฟลุกโหมมากกว่าเดิม นั้นทำให้ทั้งหมดการขึ้นรูปงานแมกนีเซียมอัลลอยด์ถึงยากและไม่มีใครในประเทศไทยทำ

แต่ถึงอย่างนั้นการขึ้นรูป Housing ด้วยแมกนีเซียมอัลลอยด์กลับมีข้อดีที่มากกว่าทุกสิ่งที่กล่าวมานั้นคือ น้ำหนักที่น้อยกว่า และสิ่งนี้ก็มาจากความรู้ฟิสิกส์โดยตรง แมกนีเซียมเป็นโลหะที่มีเลขอะตอมแค่ 12 ส่วนอลูมิเนียมมีเลขอะตอมที่ 13 ที่หากเรามองผิวเผินแล้ว มันก็ดูเลขอะตอมที่ใกล้เคียงกันมาก หากกะ ๆ ผ่านสายตา น้ำหนักของผลิตภัณฑ์ก็ไม่ควรต่างกันไม่ แต่แท้จริงแล้วไม่ใช่เพราะว่าแมกนีเซียมที่มีขนาดเท่ากัน (อะตอมมีจำนวนเท่ากัน) น้ำหนักของมันน้อยกว่าอลูมิเนียมถึง 35% นั้นหมายความว่าเราสามารถลดน้ำหนักของชิ้นงานไปได้เยอะมาก และเพิ่มมวลให้กับงานวิทยาศาสตร์เพิ่มเติมขึ้นได้ การตัดสินใจรีดน้ำหนักผ่านการเลือกเลขอะตอมที่ต่ำกว่า ถือเป็น “ศิลปะของการบริหารมวล” ที่ชาญฉลาดมากสำหรับงานวิจัยไปดวงจันทร์ชิ้นแรกของคนไทย

เอาเข้าจริงหากเรามองเข้าไปที่เทคโนโลยีของ MATCH แล้ว มันปฏิเสธไม่ได้ที่จะเทียบว่า MATCH คือเครื่องมือวิทยาศาสตร์ตรวจจับอนุภาคพลังงานสูงในระดับเดียวกับ HIT ของ IMAP ที่ใช้ Silicon Detector แบบเดียวทั้งหมดใน Payload และตัว HIT เองก็เปิดให้อนุภาคไหลเข้ามาทั้งสองฝั่งพร้อมกัน เพื่อรองรับการสังเกตการณ์จากทุกมุมอย่างไม่คลาด และตัวยาน IMAP เองก็จงใจให้ยานหมุนตลอดเวลาตามปรัชญาแบบ Pioneer ทำให้อุปกรณ์ทั้งหมดของยานรับกับการทำงานของยานแบบนี้ได้ แต่ในส่วนของ Chang’E-7 ตัวยานออกแบบมาเพื่อสำรวจพื้นผิวของดวงจันทร์ด้วยกล้องถ่ายภาพนิ่งและด้วยอุปกรณ์อื่น ๆ ตามหลักปรัชญาออกแบบ Mariner นั้นเอง แต่โดยรวมการที่ไทยมาสนใจ Payload ที่ทันสมัยตามกระแสโลกและกระแสการวิจัยของ Space Weather ในตอนนี้

แล้วเราจะได้อะไรต่อจาก MATCH

ถ้าคุณอ่านมาถึงตรงนี้แล้วตั้งคำถามว่า “ส่งอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ไปดวงจันทร์แล้วคนไทยได้อะไร?” ดร.วิภู รุโจปการ ผู้อำนวยการสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ มักจะกล่าวย้ำอยู่เสมอ นั่นคือภารกิจอวกาศไม่ใช่แค่การทำวิจัยบนหอคอยงาช้าง แต่มันคือ “หัวรถจักรที่ลากจูงอุตสาหกรรมขั้นสูงของประเทศ” ให้เดินไปข้างหน้า และ MATCH คือตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของ NARIT

เพราะแค่เรื่องของการขึ้นรูปโลหะแมกนีเซียมอัลลอยด์ก็เป็นเรื่องที่ยากมาก การที่อุตสาหกรรมโลหะของประเทศไทยสามารถที่จะขึ้นรูปโลหะได้ตามมาตรฐานอวกาศคือสิ่งที่สะท้อนให้เห็นว่า อุตสาหกรรมพื้นฐานในไทยตั้งแต่อุตสาหกรรมเหล็ก โลหะ อิเล็กทรอนิกส์ ของบ้านเราที่อยู่มาหลายสิบปี อุตสาหกรรมเหล่านี้วางรากฐานและองค์ความรู้ให้กับคนในประเทศมากมายและเป็นองค์ความรู้ที่พร้อมสำหรับอุตสาหกรรมอวกาศอยู่แล้วเพียงแค่ว่า อุตสาหกรรมเหล่านี้เขายังไม่มีโจทย์ด้านอวกาศป้อนเข้ามาเท่านั้น การที่ NARIT ป้อนงานด้านอวกาศเข้าไปในงาน คือโจทย์สำคัญที่พิสูจน์ให้คนในประเทศเห็นว่าโครงสร้างพื้นฐานและองค์ความรู้ในประเทศพร้อมสำหรับอุตสาหกรรมอวกาศแล้วเพียงแค่ว่าเรายังไมได้เริ่มต้นคิดเท่านั้น

แล้วที่สำคัญไปกว่านั้นในวันที่ภาครัฐและข่าวพยายามพูดถึงอุตสาหกรรม Semiconductor ในประเทศทยต้องลงทุนและแข่งขันกับประเทศรอบข้างและเจ้าตลาด ซึ่งหากมองกันตามตรง Semiconductor ไทยไม่สามารถลงทุนและแข่งขันในตลาด Semiconductor ขั้นสูงอย่างการสร้างชิปประมวลผล CPU GPU หรือสร้างหน่วยความจำ DRAM และ NAND ได้ทันกับตลาดในเวลานี้อย่างแน่นอนและการลงทุนใน Semiconductor ตอนนี้ อย่างการสร้างโรงงานใหม่ ใช้เวลาอย่างต่ำในการก่อสร้าวอีกเป็น 10 ปี ดังนั้นในมุมมองของการลงทุนใน Semiconductor ในเมื่อเข้าไปเล่นในตลาดที่ Red Oceans ไม่ได้ เราต้องหาร niche อะไรบางอย่างที่เราเชี่ยวชาญอละสามารถทำด้านผ่านการหยิบโจทย์อวกาศขึ้นมา ทั้งพัฒนา Lab-on-a-Chip เพื่อเลี้ยงเซลล์ในอวกาศ หรือการสร้างเซนเซอร์ Silicon Detector ขั้นสูงสำหรับงานอวกาศ ที่สามารถสร้างมูลค่าได้อีกมาก เพราะว่ากันตามตรงงานอวกาศไม่ได้ต้องการ CMOS gate ที่มีขนาดเล็ก 3 nm แต่พวกมันต้องการสิ่งที่ทนทานต่อรังสี ดังนั้น CMOS gate ที่ได้จากเครื่อง lithrography จะมีขนาดที่หลักไมครอนอยู่ก็ไม่ใช่ปัญหาสำหรับนักวิจัยเท่าไหร่

และสิ่งนี้จะทำให้เรากลายมาเป็น Hub ของอวกาศอย่างแท้จริงจากการที่เรามีโครงสร้างพื้นฐานทั้งหมดครบวงจรได้ ซึ่งสามารถชักชวนต่างชาติเข้ามาลงทุนในประเทศเราในฐานะของพื้นที่ที่มีโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการออกแบบและสร้างภารกิจอวกาศโดยเฉพาะได้ และมี Heritage ที่พิสูจน์แล้วว่าเป็นไปได้จริงในมาตรฐานระดับอวกาศจากชิ้นการทดลอง TIGERS-X ดังนั้นบทสรุปของ MATCH จึงไม่ใช่แค่การไปดักจับอนุภาคจากดาวพฤหัสบดี แต่มันคือการประกาศให้โลกรู้ว่า “อุตสาหกรรมเทคโนโลยีอวกาศของไทยพร้อมแล้ว” และนี่คือวิสัยทัศน์ของการทำภารกิจอวกาศเพื่อดึงเอาองค์ความรู้ เม็ดเงิน และประโยชน์สูงสุด กลับคืนสู่ประชาชนคนไทยอย่างแท้จริง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co