นักวิจัยใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ค้นพบสาเหตุยานสำรวจ Spirit ติดหล่มทรายบนดาวอังคารในปี 2009

ความเข้าใจเดิมและกรณีศึกษาของยาน Spirit

ก่อนหน้านี้วิศวกรผู้ออกแบบยานสำรวจได้คำนึงถึงปัจจัย "แรงโน้มถ่วงต่ำ" เป็นหลัก โดยมุ่งเน้นไปที่ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อตัวยานสำรวจโดยตรง อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการออกแบบที่พิจารณาถึงปัจจัยนี้แล้ว ยานสำรวจก็ยังคงติดขัดอยู่บ่อยครั้ง 

กรณีที่ชัดเจนที่สุดคือ ยานสำรวจดาวอังคาร Spirit ของ NASA ที่ติดอยู่ในดินอ่อนตั้งแต่ปี 2009 และไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อีกเลยจนถึงทุกวันนี้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าความเข้าใจเดิมนั้นยังไม่สมบูรณ์

รู้จักยานสำรวจ Spirit

สำหรับยานสำรวจสปิริต (Spirit) ของ NASA ถูกส่งขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 10 มิถุนายน พ.ศ. 2546 และลงจอดบนดาวอังคารสำเร็จในวันที่ 4 มกราคม พ.ศ. 2547 บริเวณ หลุมอุกกาบาตกูเซฟ (Gusev Crater) ซึ่งสันนิษฐานว่าเคยเป็นทะเลสาบมาก่อน 

ภารกิจของยานสปิริตคือการค้นหาร่องรอยของน้ำและสำรวจสภาพแวดล้อมในอดีตของดาวอังคาร โดยมีการค้นพบที่สำคัญคือ หลักฐานของน้ำในอดีต เช่น การพบแร่ซัลเฟตและคาร์บอเนต และการค้นพบซิลิกาบริสุทธิ์เกือบ 100% ซึ่งบ่งชี้ถึงสภาพแวดล้อมที่เคยมีน้ำพุร้อนหรือไอน้ำจากภูเขาไฟ 

อย่างไรก็ตาม หลังจากปฏิบัติภารกิจยาวนานเกินกว่าที่คาดการณ์ไว้หลายปี ในที่สุดยานสปิริตก็ได้ติดหล่มทรายอย่างถาวรในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2552 บริเวณที่เรียกว่าทรอย (Troy) ทำให้ไม่สามารถขยับหรือปรับแผงโซลาร์เซลล์เพื่อรับพลังงานได้ และขาดการติดต่อไปในที่สุด

การค้นพบใหม่แรงโน้มถ่วงส่งผลต่อ "เม็ดทราย"

ล่าสุด ทีมวิศวกรเครื่องกลจากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-เมดิสัน นำโดย แดน เนกรัท ได้ค้นพบชิ้นส่วนที่หายไปของปริศนานี้ โดยพบว่าต้องพิจารณา "ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อเม็ดทราย" ไม่ใช่แค่ที่ตัวยานเท่านั้น 

เนื่องจากภายใต้สภาวะแรงโน้มถ่วงที่ต่ำกว่าโลก ฝุ่นและทรายบนดวงจันทร์หรือดาวอังคารมีความ "ฟูและยืดหยุ่น" มากกว่า ทำให้เคลื่อนที่ได้ง่ายและลดการยึดเกาะของล้อ คล้ายกับการขับรถบนโคลนลื่นหรือทรายที่ร่วนซุยมากบนโลก ซึ่งทำให้ล้อติดขัดได้ง่ายขึ้น

"Project Chrono" การจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อไขปริศนา

ทีมวิจัยได้ใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ผ่านซอฟต์แวร์ที่ชื่อว่า "Project Chrono" ซึ่งเป็นเอนจินที่อิงหลักการทางฟิสิกส์ขั้นสูง เพื่อวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของยานสำรวจบนดินที่เป็นเม็ด ๆ 

ผลจากการจำลองชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่า การทดสอบยานสำรวจบนโลกที่ผ่านมานั้นละเลยรายละเอียดสำคัญที่ว่าพฤติกรรมของทรายจะเปลี่ยนไปอย่างมากเมื่ออยู่ในสภาวะแรงโน้มถ่วงที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของปัญหาที่เกิดขึ้น

A rover’s operation is simulated in Project Chrono, an open-source physics simulation engine developed at UW–Madison. Image courtesy of Dan Negrut

A rover on sand in the Simulation-Based Engineering Lab. Photo by Joel Hallberg

บทสรุปและภารกิจในอนาคต

การค้นพบนี้ถือเป็นกุญแจสำคัญที่จะช่วยให้การออกแบบยานสำรวจในอนาคตมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยวิศวกรจะสามารถสร้างแบบจำลองที่แม่นยำกว่าเดิม เพื่อพัฒนายานสำรวจที่ไม่ประสบปัญหาติดหล่มบนพื้นผิวของดาวดวงอื่นอีกต่อไป 

งานวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ช่วยแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่สำคัญของ NASA แต่ยังแสดงให้เห็นถึงคุณค่าของการใช้ซอฟต์แวร์จำลองขั้นสูงเพื่อแก้ปัญหาในโลกแห่งความเป็นจริงด้วย