Kreios Space ได้ร่วมมือกับ Kongsberg NanoAvionics เพื่อส่งไมโครแซทเทลไลต์ (microsatellite) น้ำหนัก 200 กิโลกรัม ที่ติดตั้งระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าจากชั้นบรรยากาศขึ้นสู่ระดับวงโคจรต่ำมากของโลก (VLEO) ในช่วงความสูง 150-300 กม. ซึ่งเป็นระดับที่ดาวเทียมส่วนใหญ่มักจะตกลงสู่โลกภายในเวลาไม่กี่เดือน หากการทดสอบนี้พิสูจน์แนวคิดได้สำเร็จ ดาวเทียมจะสามารถใช้ชั้นบรรยากาศที่เบาบาง (ซึ่งปกติเป็นอุปสรรคในการรักษาความสูง) มาเป็นเชื้อเพลิง ช่วยลดความจำเป็นในการใช้เชื้อเพลิงเคมีที่มีน้ำหนักมากและราคาแพง

ทำไม VLEO จึงเป็นปัญหา

ที่ระดับความสูง VLEO โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจนที่หลงเหลืออยู่จะสร้างแรงต้านที่วัดค่าได้ แรงต้านนี้จะลดความเร็วในวงโคจร และภายในไม่กี่สัปดาห์ถึงไม่กี่เดือน ดาวเทียมที่ไม่มีระบบขับเคลื่อนจะค่อยๆ หมุนวนกลับเข้าสู่โลก นอกจากนี้ อนุภาคเหล่านี้ยังกัดกร่อนพื้นผิวที่สัมผัสกับชั้นบรรยากาศ ทำให้ระยะเวลาการปฏิบัติภารกิจสั้นลง เครื่องยนต์ขับเคลื่อนแบบดั้งเดิมแก้ปัญหาแรงต้านได้ด้วยการบรรทุกเชื้อเพลิงขับดัน แต่การเพิ่มมวลนี้จะไปลดความสามารถในการบรรทุกอุปกรณ์ (payload) และทำให้ค่าใช้จ่ายในการปล่อยจรวดสูงขึ้น

"การใช้บรรยากาศเป็นเชื้อเพลิง" ทำงานอย่างไร

ระบบของ Kreios ทำงานเหมือนเครื่องดูดฝุ่นขนาดจิ๋วที่รวมเข้ากับเครื่องยนต์ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า โดยมีช่องรับอากาศ (intake scoop) ทำหน้าที่เก็บรวบรวมโมเลกุล O₂ และ N₂ จากสิ่งแวดล้อม แหล่งพลังงานบนดาวเทียมจะทำให้ก๊าซกลายเป็นไอออน จนเปลี่ยนสภาพเป็นพลาสมา (plasma) ซึ่งเป็นก๊าซที่มีประจุ จากนั้นพลาสมาจะถูกพ่นออกผ่านหัวฉีดไฟฟ้า (electric nozzle) เพื่อสร้างแรงขับที่ช่วยต้านทานแรงต้าน กล่าวคือ ชั้นบรรยากาศที่เคยทำให้ดาวเทียมช้าลง จะกลายเป็นเชื้อเพลิงที่ช่วยผลักดันให้ดาวเทียมเคลื่อนที่ไปข้างหน้าแทน

แนวทางนี้ให้ประโยชน์ทันทีสองประการ:

  • การประหยัดมวล – ไม่ต้องมีถังเชื้อเพลิงเฉพาะหรือเครื่องยนต์เคมีขนาดใหญ่ ทำให้มีน้ำหนักเหลือสำหรับเซนเซอร์หรืออุปกรณ์สื่อสารได้มากขึ้นหลายกิโลกรัม
  • การขยายระยะเวลาภารกิจ – แรงขับที่ต่อเนื่องสามารถรักษาดาวเทียมให้อยู่ในระดับ VLEO ได้นานหลายปีแทนที่จะเป็นเพียงไม่กี่เดือน ช่วยให้สามารถถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูงขึ้นและสร้างการเชื่อมต่อที่มีความหน่วงต่ำ (low-latency) ซึ่งทำได้เฉพาะในชั้นบรรยากาศที่หนาแน่นที่สุดเท่านั้น

เดิมพันของอุตสาหกรรม

หากการทดสอบของ Kreios ประสบความสำเร็จ ผู้ให้บริการกลุ่มดาวเทียมสำรวจโลก การสื่อสาร และ IoT จะสามารถลดต้นทุนการปล่อยจรวดและเพิ่มคุณภาพของข้อมูลได้ ภาพที่คมชัดขึ้นเกิดจากการที่ดาวเทียมอยู่ใกล้พื้นโลกมากขึ้น ส่วนความหน่วงจะลดลงสำหรับบริการบรอดแบนด์ที่ต้องพึ่งพาการส่งสัญญาณผ่านดาวเทียมวงโคจรต่ำ บริษัทที่ต้องพึ่งพาข้อมูลดาวเทียม เช่น บริษัทโลจิสติกส์ ผู้จัดการงานก่อสร้าง และผู้ให้บริการเกษตรแม่นยำ จะได้รับประโยชน์จากข้อมูลที่รวดเร็วและละเอียดมากขึ้น

เทคโนโลยีนี้ยังมาพร้อมกับความเสี่ยงใหม่ๆ การสร้างพลาสมาในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงจำเป็นต้องมีพลังงานที่เชื่อถือได้ ระบบต้องดึงไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์ให้เพียงพอโดยไม่กระทบต่ออุปกรณ์บรรทุกอื่นๆ ระดับแรงขับนั้นค่อนข้างน้อย ดังนั้นการรักษาตำแหน่งวงโคจรที่แม่นยำจึงต้องใช้ซอฟต์แวร์ควบคุมที่ซับซ้อน นอกจากนี้ การสัมผัสกับไอเสียที่มีประจุเป็นเวลานานอาจเร่งการสึกหรอของพื้นผิวยานอวกาศ ซึ่งเป็นปัจจัยที่ยังไม่มีการวัดผลที่แน่ชัดในการบินระยะยาว

ขั้นตอนต่อไป

Kreios วางแผนที่จะปล่อยยานทดสอบ (test bus) ในช่วงปลายปีนี้ โดยตั้งเป้าที่วงโคจรแบบวงกลมความสูง 150 กม. เพื่อให้ได้รับความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศสูงสุด ภารกิจนี้จะเฝ้าติดตามประสิทธิภาพของแรงขับ การใช้พลังงาน และการเสื่อมสภาพของวัสดุเป็นเวลาหลายเดือน ความสำเร็จอาจนำไปสู่บริการเชิงพาณิชย์ที่นำเสนอชุดอุปกรณ์ขับเคลื่อนแบบ "ใช้บรรยากาศเป็นเชื้อเพลิง" สำหรับไมโครแซทเทลไลต์ และอาจกระตุ้นให้สตาร์ทอัพรายอื่นหันมาสำรวจแนวคิดที่คล้ายคลึงกัน

บทสรุป

การเปลี่ยนแรงต้านของชั้นบรรยากาศให้เป็นแรงขับอาจเป็นการเขียนกฎเศรษฐศาสตร์ใหม่สำหรับการปฏิบัติภารกิจในระดับ VLEO ด้วยการเก็บเกี่ยวอนุภาคที่คอยฉุดดาวเทียมให้ตกลงมา Kreios Space จึงมุ่งหวังที่จะรักษาดาวเทียมให้อยู่ในวงโคจรได้นานขึ้น ในราคาที่ถูกลง และด้วยประสิทธิภาพที่สูงขึ้น การบินที่กำลังจะมาถึงนี้จะเป็นตัวตัดสินว่าแนวคิดนี้จะสามารถเปลี่ยนจากฟิสิกส์ในห้องปฏิบัติการไปสู่การปฏิบัติงานในอวกาศจริงได้หรือไม่