การใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีอวกาศ

การใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีอวกาศ
ความสนใจใคร่รู้ของมนุษย์เกี่ยวกับความมหัศจรรย์บนฟากฟ้า   เกี่ยวกับโลกที่มนุษย์อาศัยอยู่และดาวดวงอื่นๆ ที่มนุษย์มองเห็น  ทำให้มีการศึกษาค้นคว้าอย่างต่อเนื่องมาโดยตลอด    ส่งผลให้เกิดความก้าวหน้าของเทคโนโลยีอวกาศ   มีการใช้ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ในการศึกษา พัฒนา และประดิษฐ์อุปกรณ์ถ่ายภาพในช่วงคลื่นต่างๆ จากระยะไกล  ตลอดจนเครื่องรับและส่งสัญญาณให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นและนำอุปกรณ์และเครื่องรับและส่งสัญญาณไปประกอบเป็นดาวเทียมที่ถูกส่งขึ้นไปโคจรรอบโลก   ทำให้สามารถสังเกตสิ่งต่างๆ บนโลกได้จากระยะไกลในเวลาอันรวดเร็ว ได้เรียนรู้เกี่ยวกัย เอภพ โลก ดวงจัทร์ และดาวอื่นๆ อีก   ความก้าวหน้าด้านเทคโนโลยีอวกาศช่วยเปิดเผยความลี้ลับในอดีต   และก่อให้เกิดประโยชน์ต่อมนุษย์ในด้านต่างๆ มากมาย

ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา
เป็นดาวเทียมที่มีอุปกรณ์ถ่ายภาพเมฆ   และเก็บข้อมูลของบรรยากาศในระดับสูง   ช่วยให้ได้ข้อมูลที่สำคัญในการพยากรณ์อากาศได้อย่างถูกต้อง   รวดเร็วรวมถึงการเฝ้าสังเกตการก่อตัว   การเปลี่ยนแปลง และการเคลื่อนตัวของพายุที่เกิดขึ้นบนโลก   ช่วยป้องกันหรือบรรเทาความเสียหายรุนแรงที่เกิดขึ้นได้อย่างมาก  ข้อมูลจากดาวเทียมเป็นข้อมูลสำคัญมากในการพยากรณ์อากาศ


ภาพถ่ายเมฆจากดาวเทียม GMS-5 (ถ่ายเมื่อ 3 ก.พ. 2546)
ดาวเทียมสำรวจทรัพยากรโลก
เป็นดาวเทียมที่มีอุปกรณ์สำรวจแหล่งทรัพยากรณ์ที่สำคัญ   นอกจากนี้ยังเฝ้าสังเกตสภาพแวดล้อมที่เกิดบนโลก   ช่วยเตือนอุทกภัย และความแห้งแล้งที่เกิดขึ้น   การตัดไม้ทำลายป่า การทับถมของตะกอนปากแม่น้ำ รวมไปถึงแหล่งที่มีปลาชุกชุม    และอื่นๆ อีกมาก

ภาพถ่ายดาวเทียมบริเวณโรงกรองน้ำและผลิตน้ำประชาชื่น   และนอร์ธปาร์ค จากดาวเทียม IRS-ID ถ่ายเมื่อ 24 ก.พ. 2544 หลอมกับภาพจาก Landsat-7 ETM + ถ่ายเมื่อ 24 ม.ค. 2545


ดาวเทียมสังเกตการณ์ดาราศาสตร์

เป็นดาวเทียมที่มีกล้องโทรทรรศน์และอุปกรณ์ดาราศาสตร์สำหรับศึกษาวัตถุท้องฟ้า   ดาวเทียมสังเกตการณ์ดาราศาสตร์มีทั้งหมดที่โคจรอยู่รอบโลกและประเภทที่โคจรผ่านไปใกล้ดาวเคราะห์   หรือลงสำรวจดาวเคราะห์   ซึ่งเรีกยอีกอย่างว่ายานอวกาศ เช่นยานอวกาศวอยเอเจอร์ที่เดินทางผ่านเฉียดดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูล เป็นต้น

ดาวเทียมสื่อสาร
เป็นดาวเทียมที่มีอุปกรณ์สื่อสารติดตั้งอยู่ เช่น ดาวเทียมอินเทลแซท (ภาพ 7.6 ) ดาวเทียมชุดนี้อยู่ในวงโคจรรอบโลก 3 แห่ง คือเหมือนมหาสมุทรอินเดียเพื่อการติดต่อระหว่างทวีปยุโรปเหนือมหาสมุทรแปซิฟิกเพื่อการติดต่อระหว่างทวีปเอเชียกับทวีปอเมริกา และและเหนือมหาสมุทรแอตแลนติกเพื่อการติดต่อระหว่างทวีปอเมริกากับทวีปยุโรป   เมื่อรวมทั้งระบบจึงสามารถติดต่อกันได้ทั่วโลก


ภาพ 7.6 ดาวเทียมอินเทลแซท
ดาวเทียมสื่อสารของไทย (ภาพ 7.7) ชื่อไทยคม สร้างโดยบริษัท ฮิวจ์ แอร์คราฟท์ ประเทศสหรัฐอเมริกา   ส่งขึ้นสู่อวกาศโดยบริษัทแอเรียน สเปซ ประเทศฝรั่งเศษ จากฐานส่งที่เมืองคูรู ดินแดนแฟรนช์เกียนา   ดาวเทียมไทยคมช่วยการติดต่อสื่อสารได้ทั่วประเทศไทยและประเทศในแถบอินโดจีนไปจนถึงเกาหลีและญี่ปุ่น   รวมทั้งชายฝั่งทะเลด้านตะวันออกของจีน   เป็นดาวเทียมสื่อสารที่ประเทศไทยให้บริการสื่อสารโทรคมนาคมด้านต่างๆ เช่น การถ่ายทอดโทรทัศน์ วิทยุ โทรศัพท์ การประชุมทางไกล และระบบถ่ายทอดสัญญาณโทรทัศน์สู่เสาอากาศของผู้รับในบ้านได้ โดยตรง

ภาพ 7.7 ดาวเทียมไทยคม
– ให้นักเรียนสืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับการใช้ประโยชน์จากดาวเทียมในประเทศไทย
กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล
กล้องโทรทรรศน์ เป็นอุปกรณ์สำคัญที่ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถเฝ้าติดตามสังเกตวัตถุบนท้องฟ้าได้อย่างชัดเจนและต่อเนื่อง  มีการพัฒนากล้องโทรทรรศน์ให้มีประสิทธิภาพสูงตามความต้องการที่จะศึกษา
ยานขนส่งอวกาศดิสคัฟเวอรีนำกล้องโทรทรรศน์ มูลค่า 1,500 ล้านเหรียญสหรัฐ   ขึ้นสู่อวกาศในวันที่ 25 เมษายน พ.ศ. 2533 เพื่อเป็นเกียรติแก่ เอ็ดวิน ฮับเบิล นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกา   ผู้ศึกษาค้นดว้าเรื่องราวเกี่ยวกับกาแลกซีต่างๆ กล้องโทรทรรศน์กล้องนี้จึงได้ชื่อว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลหรือเรียกสั้นๆ ว่ากล้องฮับเบิล ดังภาพ 7.8


ภาพ 7.8 กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล
กล้องฮับเบิลเป็นกล้องโทรทรรศน์ชนิดสะท้อนแสงกระจกเว้ารับแสงมัขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร ตัวกล้องมีความกว้าง 4.3 เมตร ยาว 13.3 เมตร มวลประมาณ 11,360 กิโลกรัม   ใช้พลังงานจากแผงเซลล์สุริยะที่ปีก 2 ข้าง กระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่นิเกิล-ไฮโดรเจนขนาดใหญ่ 6 ตัว เพื่อใช้งานเมื่อกล้องโคจรไปอยู่ในเงาของโลก   ขณะไม่ได้รับแสงอาทิตย์   อุปกรณ์สำคัญที่ติดไปกับกล้องคือ ระบบคอมพิวเตอร์ กล้องถ่ายภาพมุมกว้าง เครื่องตรวจรับสเปกตรัม   เครื่องปรับทิศทางของกล้อง เป็นต้น   โดยอุปกรณ์ทั้งหมดสามารถควบคุมการทำงานได้จากศูนยืควบคุมบนโลก   ภาพถ่ายจากกล้องจะได้รับการศึกษาวิเคราะห์โดยสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ   เพื่อใช้ป็นข้อมูลทางด้านดาราศาสตร์
กล้องบนพื้นโลกส่องสังเกตวัตถุท้องฟ้าได้ไกลราว 2 พันล้านปีแสง   แต่กล้องฮับเบิลส่องเห็นไปได้ไกลราว 14,000 ล้านปีแสง   ข้อมูลที่ได้จากกล้องฮับเบิลเพียงระยะเวลาสั้นๆ   ได้แสดงให้เห็นรายละเอียดต่างๆ ของวัตถุท้องฟ้า   ช่วยให้เกิดความเข้าใจถึงส่วนประกอบในระบบสุริยะ  การกำเนิดดาวฤกษ์โครงสร้างและการเปลี่ยนแปลงของกาแล็กซีรวมทั้งวิวัฒนาการของเอกภพ   ที่นักดาราศาสตร์เฝ้าสังเกตมานานหลายร้อยปีซึ่งไม่เคยเห็นมาก่อน   เป็นการมองออกไปในเอกภพอย่างกว้างไกล

กิจกรรม 7.2  โครงการอวกาศที่น่าสนใจ
ให้นักเรียนสืบค้นเกี่ยวกับโครงการอวกาศที่น่าสนใจ   วางแผนศึกษาประเด็นสำคัญ และนำเสนอ เช่น สถานีอวกาศนานาชาติ ผลงานของกล้องฮับเบิล โครงการสตาร์ดัสท์ (Stardust) โครงการโรเซตตา (Rosetta) โคงการแคสสินี (Cassini) เป็นต้น
ความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับดาราศาสตร์ช่วยให้เราเข้าใจกำเนิดของโลกในฐานะที่เราเป็นสมาชิกของระบบสุริยะ และกำเนิดเอกภพ รวมทั้งสารและพลังงานที่มนุษย์นำมาใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆที่เกี่ยวข้องกับชีวิตของเรา   เรื่องราวเกี่ยวกับเอกภพและอวกาศยังมีความลี้ลับอีกมากมายที่ยังรอการค้นพบ   ของนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อไป   ในอนาคตนักเรียนอาจเป็นคนหนึ่งในจำนวนนักดาราศาสตร์ที่เปิดโลกดาราศาสตร์ให้คนทั่วไปด้เรียนรู้มากขึ้น

ยานอวกาศ Stardust

 

ระบบการขนส่งอวกาศ

ระบบการขนส่งอวกาศ

ระบบการขนส่งอวกาศเป็นโครงการที่ถูกออกแบบให้สามารถนำชิ้นส่วนบางส่วนที่ใช้ไปแล้วกลับมาใช้ใหม่อีกเพื่อเป็นการประหยัดและมีประสิทธิภาพมากที่สุด ประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก คือ จรวดเชื้อเพลิงแข็ง ถังเชื้อเพลิงภายนอก (สำรองไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว) และยานอวกาศ

 

ส่วนประกอบของระบบขนส่งอวกาศ ยานอวกาศ

 
     ระบบขนส่งอวกาศมีน้ำหนักรวมเมื่อขึ้นจากฐานปล่อยประมาณ 2,041,200 กิโลกรัม โดยจรวดเชื้อเพลิงแข็งจะถูกขับเคลื่อนจากฐานปล่อยให้นำพาทั้งระบบขึ้นสู่อวกาศด้วยความเร็วที่มากกว่าค่าความเร็วหลุดพ้น เมื่อถึงระดับหนึ่งจรวดเชื้อเพลิงแข็งทั้งสองข้างจะแยกตัวออกมาจากระบบ จากนั้นถังเชื้อเพลิงภายนอกจะแยกตัวออกจากยานอวกาศ โดยตัวยานอวกาศจะเข้าสู่วงโคจรเพื่อปฏิบัติภารกิจต่อไป ดังรูป

 


ระบบขนส่งอวกาศ


 

 
     การปฏิบัติภารกิจสำหรับระบบขนส่งอวกาศมีหลากหลายหน้าที่ ตั้งแต่การทดลองทางวิทยาศาสตร์ (ในสภาวะไร้น้ำหนัก) การส่งดาวเทียม การประกอบกล้องโทรทรรศน์อวกาศ การส่งมนุษย์ไปบนสถานีอวกาศ ฯลฯ ยานอวกาศจึงถูกออกแบบสำหรับบรรทุกคนได้ประมาณ 7-10 คน ปฏิบัติภารกิจได้นานตั้งแต่ไม่กี่ชั่วโมงหรืออาจใช้เวลาถึง 1 เดือน สำหรับโครงการขนส่งอวกาศขององค์การนาซามีอยู่ด้วยกัน 6 โครงการ คือ

1. โครงการเอนเตอร์ไพรส์

2. โครงการโคลัมเบีย

3. โครงการดิสคัฟเวอรี

4. โครงการแอตแลนติส

5. โครงการแชลแลนเจอร์

6. โครงการเอนเดฟเวอร์

ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันว่าโครงการแชลแลนเจอร์และโครงการโคลัมเบียประสบความสูญเสียครั้งร้ายแรง เมื่อยานทั้งสองเกิดระเบิดขึ้นขณะอยู่บนท้องฟ้า โดยระบบขนส่งอวกาศแชลแลนเจอร์ระเบิดเมื่อวันที่ 28 มกราคม 2529 ระหว่างเดินทางขึ้นสู่อวกาศไม่เพียงกี่นาทีด้วยสาเหตจากการรั่วไหลของก๊าซเชื้อเพลิงอุณหภูมิสูงจากรอยต่อของจรวดเชื้อเพลิงแข็งด้านขวาของตัวยาน ทำให้ก๊าซอุณหภูมิสูงดังกล่าวลามไปถึงถังเชื้อเพลิงภายนอกที่บรรจุไฮโดรเจนเหลว จึงเกิดการเผาไหม้อย่างรุนแรงและเกิดระเบิดขึ้น คร่าชีวิตนักบินอวกาศ 7 คน ส่วนระบบขนส่งอวกาศโคลัมเบียเกิดระเบิดขึ้นเมื่อวันที่ 1 กุมภาพันธ์ 2546 (17 ปี หลังการระเบิดของยานแชลแลนเจอร์) โดยวิศวกรนาซาเชื่อว่าอาจเพราะตัวยานมีการใช้งานยาวนานจนอาจทำให้แผ่นกันความร้อนที่หุ้มยานชำรุด ทำให้เกิดระเบิดขึ้นหลังจากนักบินกำลังพยายามร่อนลงสู่พื้นโลก แต่ทั้งสองเหตุการณ์ในสหรัฐอเมริกายังไม่ร้ายแรงเท่าเหตุการณ์ระเบิดของจรวดของสหภาพโซเวียตขณะยังอยู่ที่ฐาน เมื่อวันที่ 24 ตุลาคม 2503 โดยมีผู้เสียชีวิตจากเหตุการณ์ดังกล่าวถึง 165 คน โศกนาฏกรรมเหล่านี้ที่เกิดขึ้นแม้จะทำให้เกิดความสูญเสียทั้งชีวิตและทรัพย์สิน แต่มนุษย์ก็ยังไม่เลิกล้มโครงการอวกาศ ยังมีความพยายามคิดและสร้างเทคโนโลยีใหม่ๆ เพื่อความปลอดภัยและลดค่าใช้จ่ายให้มากขึ้น ด้วยเป้าหมายหลักของโครงการขนส่งอวกาศในอนาคตคือการสร้างสถานีอวกาศถาวรและการทดลองทางวิทยาศาสตร์อื่นๆ

 

การขนส่งและการโคจรของดาวเทียม

เทคโนโลยีอวกาศ :  การโคจรของดาวเทียมและกล้องโทรทรรศน์อวกาศ


ปัจจุบันความก้าวหน้าด้านวิทยาศาสตร์เทคโนโลยีด้านการโคจรภายใต้แรงดึงดูดระหว่างมวล ถูกนำมาประยุกต์ใช้เพื่อช่วยพัฒนาองค์ความรู้ต่างๆ ทั้งทางด้านวิทยาศาสตร์ เศรษฐกิจ สังคม อุตุนิยมวิทยา ภูมิศาสตร์ หรือแม้แต่ช่วยอำนวยความสะดวกด้านการติดต่อสื่อสารอย่างทั่วถึงและรวดเร็ว ดังเช่นในยุคข้อมูลไร้พรมแดนอย่างทุกวันนี้ ตัวอย่างของวัตถุที่มีการโคจรภายใต้แรงดึงดูดระหว่างมวล เช่น ดาวเทียม กล้องโทรทรรศน์อวกาศ สถานีอวกาศ เป็นต้น พื้นฐานของการโคจรภายใต้แรงดึงดูดระหว่างมวลจำเป็นต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับเรขาคณิตของเส้นโค้งซึ่งเป็นรูปร่างของเส้นทางการเคลื่อนที่ โดยเฉพาะเรขาคณิตของวงรี ซึ่งได้กล่าวไว้คร่าวๆ แล้วในบทที่ 4 เส้นทางการเคลื่อนที่แบบวงรีสามารถอธิบายได้ด้วยกฎของเคปเลอร์ 3 ข้อ ดังต่อไปนี้ คือ

1. ดาวเคราะห์ทั้งหมดจะมีเส้นทางการเคลื่อนที่เป็นวงรี โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ที่ตำแหน่งจุดโฟกัสจุดหนึ่งของวงรี

2. ถ้าลากเส้นตรงเชื่อมระหว่างดาวเคราะห์กับดวงอาทิตย์แล้ว เส้นตรงดังกล่าวจะกวาดพื้นที่ได้ค่าเท่ากันเมื่อช่วงเวลาที่ใช้เท่ากัน

3. สำหรับวงโคจรแบบวงรีของวัตถุท้องฟ้าภายใต้แรงโน้มถ่วงระหว่างกัน คาบการโคจรกับระยะครึ่งแกนยาวจะมีความสัมพันธ์กันโดยที่ คาบการโคจรของวัตถุท้องฟ้า (หน่วยปี) ยกกำลังสอง จะมีค่าเท่ากับระยะครึ่งแกนยาว (ในหน่วย AU) ยกกำลังสาม

กฎของเคปเลอร์ในเบื้องต้นใช้อธิบายเส้นทางการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ ซึ่งเกิดจากแรงดึงดูดระหว่างมวลของดวงอาทิตย์กับดาวเคราะห์ แต่เนื่องจากแรงดังกล่าวเป็นแรงชนิดเดียวกับแรงดึงดูดระหว่างมวลของโลกกับดาวเทียม โลกกับสถานีอวกาศ ดวงอาทิตย์กับยานอวกาศ ฯลฯ จึงสามารถใช้กฎของเคปเลอร์ในการอธิบายเส้นทางการเคลื่อนที่ของวัตถุเหล่านี้ได้

– ดาวเทียม

ปัจจุบันดาวเทียมถูกมนุษย์ส่งไปโคจรรอบโลกจำนวนนับไม่ถ้วน ด้วยประโยชน์ต่างๆมากมาย สามารถแบ่งประเภทของดาวเทียมตามหน้าที่ต่างๆ ได้ดังนี้

(ก) ดาวเทียมสื่อสาร

(ข) ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา

(ค) ดาวเทียมสำรวจทรัพยากร

(ง) ดาวเทียมทางทหาร

(จ) ดาวเทียมสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์

ดาวเทียมถูกส่งขึ้นไปจากโลกโดยยานขนส่งอวกาศ และสามารถโคจรรอบโลกได้อาศัยหลักการโคจรตามแรงดึงดูดระหว่างมวล ซึ่ง ณ ระดับความสูงจากผิวโลกระดับหนึ่ง ดาวเทียมจะต้องมีความเร็วเพียงค่าหนึ่งเท่านั้นจึงสามารถจะโคจรรอบโลกอยู่ได้โดยไม่หลุดจากวงโคจร โดยความเร็วดังกล่าวจะอยู่ในช่วง 7.6-11.2 กิโลเมตรต่อวินาที (รูปแบบการโคจรแบบวงกลมจนกระทั่งถึงรูปแบบการโคจรแบบพาราโบลา) ดังรูปที่ 1 ความเร็วดังกล่าวนี้ถูกควบคุมตั้งแต่เริ่มต้นปล่อยดาวเทียมเข้าสู่วงโคจรเพื่อให้เส้นทางการโคจรของดาวเทียมไม่ซ้อนทับกันกับดาวเทียมดวงอื่นๆ ดังนั้นแม้จะมีดาวเทียมอยู่มากมายแต่ดาวเทียมเหล่านี้จะไม่โคจรชนกันเลย เนื่องจากดาวเทียมแต่ละดวงจะมีสมบัติการเคลื่อนที่เฉพาะตัว

ขอบเขตความเร็วเริ่มต้นของดาวเทียมรูปที่ 1

การโคจรของดาวเทียม

นอกจากนั้นยังสามารถแบ่งประเภทของดาวเทียมตามความสูงในการโคจรเทียบกับพื้นโลกได้ดังนี้คือ

(1) สูงจากพื้นโลกประมาณ 41,157 กิโลเมตร เป็นดาวเทียมที่โคจรหยุดนิ่งกับที่เทียบกับพื้นโลก(Geostationary Satellites) จะลอยอยู่หยุดนิ่งค้างฟ้าเมื่อเทียบกับตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งบนโลก โดยส่วนมากจะเป็นดาวเทียมประเภทดาวเทียมสื่อสาร ตัวอย่างเช่นดาวเทียมไทยคม ดาวเทียมเหล่านี้อยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรโลกประมาณ จะวางตัวอยู่ในแนวเส้นศูนย์สูตรโลก และสูงจากพื้นโลกประมาณ 41,157 กิโลเมตร หรือประมาณ 1/10 เท่าของระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์ มีคาบการโคจรประมาณ 24 ชั่วโมง

(2) สูงจากพื้นโลกประมาณ 9,700-19,400 กิโลเมตร เป็นดาวเทียมที่ไม่ได้หยุดนิ่งเทียบกับพื้นโลก(Asynchronous Satellite) ซึ่งโดยส่วนมากจะเป็นดาวเทียมนำทางแบบจีพีเอส (GPS: Global Positioning System) ซึ่งนำไปประยุกต์ใช้ในระบบการติดตาม บอกตำแหน่ง หรือนำร่องบนโลก ไม่ว่าจะเป็น เครื่องบิน เรือเดินสมุทร รถยนต์ ระบบดาวเทียมจีพีเอสจะประกอบด้วยดาวเทียม 24 ดวง ใน 6 วงโคจร ที่มีวงโคจรเอียงทำมุม 55 องศาในลักษณะสานกันคล้ายลูกตระกร้อ ดังรูปที่ 2 มีคาบการโคจรประมาณ 12 ชั่วโมง

(3) สูงจากพื้นโลกประมาณ 4,800-9,700 กิโลเมตร เป็นดาวเทียมที่ไม่ได้หยุดนิ่งเทียบกับพื้นโลก (Asynchronous Satellite) ซึ่งเป็นระดับที่ถูกแบ่งวงโคจรไว้สำหรับดาวเทียมสำหรับการสำรวจ และสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์ อาทิเช่น การวิจัยเกี่ยวกับพืช-สัตว์ การติดตามร่องรอยของสัตว์ป่า เป็นต้น ดาวเทียมที่ระดับดังกล่าวมีคาบการโคจรประมาณ 100 นาที

(4) สูงจากพื้นโลกประมาณ 130-1940 กิโลเมตร เป็นดาวเทียมที่ไม่ได้หยุดนิ่งเทียบกับพื้นโลก (Asynchronous Satellite) โดยส่วนมากจะเป็นดาวเทียมที่ใช้ในการสำรวจทรัพยากรบนโลกรวมไปถึงดาวเทียมด้านอุตุนิยมวิทยา

– กล้องโทรทรรศน์อวกาศ

ในการสังเกตการณ์วัตถุท้องฟ้าทางดาราศาสตร์ซึ่งอยู่ไกล นักดาราศาสตร์จำเป็นต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ จึงมีกล้องโทรทรรศน์กระจายอยู่ทั่วทุกมุมโลก แต่เนื่องจากกว่าที่แสงจากวัตถุท้องฟ้าเหล่านั้นจะเข้ามาสู่กล้องโทรทรรศน์บนโลกได้ต้องผ่านชั้นบรรยากาศโลกซึ่งมีบางช่วงความยาวคลื่นที่ถูกดูดกลืนหรือกระเจิงออกไปทำให้ผลการสังเกตการณ์ต้องคิดถึงค่าการรบกวนจากชั้นบรรยากาศ จึงมีแนวความคิดในการส่งดาวเทียมซึ่งติดตั้งกล้องโทรทรรศน์สังเกตการณ์ในอวกาศ และในปี พ.ศ. 2533 องค์การนาซาได้ส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) ขึ้นไปประจำในวงโคจรรอบโลกที่ความสูง 600 กิโลเมตรเหนือผิวโลก บรรยากาศที่ความสูงดังกล่าวนี้เบาบางเทียบได้กับสภาวะสุญญากาศ ในการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ที่ระดับความสูงดังกล่าวจึงไม่มีผลกระทบจากบรรยากาศ

กล้องโทรทรรศน์อวกาศ ฮับเบิล

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเป็นกล้องชนิดสะท้อนแสง มีขนาดความกว้างของกระจกปฐมภูมิ 2.4 เมตร โคจรรอบโลกทุกๆ 97 นาทีรวมน้ำหนักของตัวกล้องและอุปกรณ์ต่างๆ หนักถึง 11 ตัน มีขนาดความกว้าง 4.3 เมตร ยาว 13.3 เมตร ใช้พลังงานจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ปีกทั้งสองข้าง กระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้จะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่นิเกิล-ไฮโดรเจนขนาดใหญ่ ตัวเพื่อใช้งานขณะที่กล้องโคจรไปอยู่ในเงาของโลกขณะไม่ได้รับแสง อุปกรณ์สำคัญที่ติดตั้งไปกับกล้องคือระบบคอมพิวเตอร์ กล้องถ่ายภาพมุมกว้าง เครื่องตรวจวัดสเปกตรัม เครื่องปรับทิศทางของกล้อง เป็นต้น ภาพถ่ายจากกล้องจะได้รับการวิเคราะห์โดยสถาบันวิทยาศาสตร์เพื่อใช้เป็นข้อมูลในทางดาราศาสตร์

กล้องบนโลกนั้นสามารถส่องวัตถุท้องฟ้าได้ไกลราว 2 พันล้านปีแสง แต่กล้องฮับเบิลสามารถส่องได้ไกลถึง 14,000 ล้านปีแสง ข้อมูลที่ได้จากกล้องฮับเบิลเพียงระยะเวลาสั้นๆ สามารถแสดงให้เห็นถึงรายละเอียดต่างๆ ของวัตถุท้องฟ้าที่มนุษย์ไม่เคยเห็นมาก่อน กล้องฮับเบิลมีอายุการใช้งานนานถึง 20 ปี โดยคาดว่านาซาจะปลดระวางในปี พ.ศ. 2553

นอกจากนั้นยังมีกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีเอกซ์จันทรา (Chandra X-Ray Observatory) ซึ่งถูกส่งขึ้นสู่อวกาศเมื่อวันที่ 23 กรกฎาคม 2543 ปฏิบัติภารกิจบนวงโคจรสูงจากผิวโลก โดยระยะห่างจากผิวโลกมากที่สุด 133,000 กิโลเมตร

ในอนาคตองค์การนาซาวางแผนจะสร้างและส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศตัวใหม่เพื่อทดแทนกล้องฮับเบิล ชื่อว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เว็บบ์ (James Webb Space Telescope) คาดว่าจะส่งขึ้นไปประมาณปี 2554 โดยกล้องดังกล่าวมีขนาดกระจกปฐมภูมิใหญ่ 6.5 เมตร ซึ่งใหญ่กว่ากล้องฮับเบิลประมาณ2-3 เท่า

กล้องโทรทรรศน์

กล้องโทรทรรศน์

ในการสังเกตการณ์ดาราศาสตร์นั้น กล้องโทรทรรศน์เป็นสิ่งที่จำเป็นต้องใช้แทบจะขาดมิได้ เนื่องจากวัตถุท้องฟ้า ไม่ว่าจะเป็นดวงดาว กาแล็กซี หรือเนบิวลาต่าง ๆ ล้วนอยู่ห่างจากโลกเราหลายปีแสง และมักมีความสว่างน้อยนิด จึงจำเป็นต้องใช้กล้องโทรทรรศน์เพื่อดึงภาพของวัตถุเหล่านั้นให้เหมือนกับว่ามาอยู่ใกล้ ๆ เพื่อศึกษารายละเอียดได้สะดวก และรวมแสงให้สว่างพอให้ตามองเห็น นอกจากการดึงภาพให้เข้ามาใกล้แล้ว กล้องโทรทรรศน์ยังมีประโยชน์อื่น ๆ อีก เช่น ช่วยให้เราได้สามารถศึกษาวัตถุท้องฟ้าในย่านสเปกตรัมอื่น ๆ ที่ตาเรามองไม่เห็นอีก ทั้งนี้เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาจากดวงดาวและวัตถุท้องฟ้าต่าง ๆ นั้นมีย่านความถี่ที่กว้างมาก ตั้งแต่ความถี่วิทยุ ไมโครเวฟ รังสีอินฟราเรด แสงขาว (สีแดงถึงสีม่วง) รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ จนถึงรังสีแกมมา ตาของมนุษย์นั้นสามารถมองเห็นได้เฉพาะแสงขาวเท่านั้น การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ในย่านแสงขาวเพียงย่านเดียว จึงดูเป็นการสังเกตการณ์ในขอบเขตที่แคบมาก ๆ สัญญาณบางอย่างที่ปลดปล่อยมาจากดวงดาวและวัตถุท้องฟ้า มักจะอยู่ในย่านความถี่ที่ตามองไม่เห็นเสียมาก เช่น หากสังเกตมองควอซาร์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ธรรมดาที่ทำงานในยานแสงขาว จะมองเห็นไม่ต่างกับดาวฤกษ์ธรรมดาดวงหนึ่งเลย และเมื่อถ่ายภาพควอซาร์ในย่านอินฟราเรดแล้ว จะพบว่ามันมีลักษณะแตกต่างจากดาวฤกษ์โดยสิ้นเชิง นอกจากนี้ กล้องโทรทรรศน์ยังมีประโยชน์ในการถ่ายและบันทึกภาพของดวงดาวได้อีกด้วย

กล้องโทรทรรศน์โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นชนิดใหญ่ ๆ ตามย่านความถี่ที่ทำงาน เช่นกล้องโทรทรรศน์อินฟราเรด (Infrared telescope) กล้องโทรทรรศน์วิทยุ (Radio Telescope) เป็นต้น กล้องโทรทรรศน์ที่พบเห็นและรู้จักกันมากที่สุดก็คือ กล้องโทรทรรศน์ที่ทำงานในย่านความถี่ที่ตามองเห็นหรือ Optical telescope ในที่นี้จะกล่าวถึงกล้องโทรทรรศน์แบบหลังนี้เท่านั้น

ชนิดของกล้องโทรทรรศน์

กล้องโทรทรรศน์อาจแบ่งได้ตามหลักการสร้างภาพได้เป็น 2 ชนิดใหญ่ ๆ ได้ดังนี้

กล้องแบบหักเหแสง

กล้องแบบหักเหแสงใช้เลนส์นูนอย่างน้อยสองชิ้นประกอบด้วยกัน ชิ้นหนึ่งเรียกว่า เลนส์วัตถุ อยู่ทางด้านหน้าของตัวกล้อง อีกชิ้นหนึ่งเรียกว่า เลนส์ตา อยู่ตำแหน่งใกล้ตา อัตราขยายของกล้องชนิดนี้สามารถหาได้จาก

กำลังขยาย = ความยาวโฟกัสของเสนส์วัตถุ / ความยาวโฟกัสของเลนส์ตา

หอสังเกตการณ์เยอร์คิส์ (Yerkes Observatory) ที่ตั้งของกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงที่ใหญ่ที่สุดในโลก

กล้องแบบสะท้อนแสง

กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงประกอบด้วยกระจกเว้าโค้งแบบพาราโบลาเรียกว่า กระจกหลัก (primary mirror) กับเลนส์ตาอีกอันหนึ่ง กำลังขยายของกล้องแบบสะท้อนแสงหาได้จาก

กำลังขยาย = ความยาวโฟกัสของกระจกหลัก / ความยาวโฟกัสของเลนส์ตา

เมื่อเปรียบเทียบกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงกับกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงแล้ว กล้องแบบสะท้อนแสงเหมาะกับกล้องขนาดใหญ่มากกว่ากล้องแบบหักเหแสง เนื่องจากกระจกสะท้อนแสงสามารถสร้างให้มีขนาดใหญ่ และมีโครงสร้างเสริมหนุนอยู่ด้านหลังกระจกเพื่อรักษาความโค้งเอาไว้ได้ ในขณะที่กล้องหักเหแสงสามารถยึดติดกับสิ่งอื่นได้เฉพาะที่ขอบเลนส์เท่านั้น จึงมีขีดจำกัดอยู่ที่เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 เมตรเท่านั้น หากสร้างกระจกใหญ่กว่านี้ น้ำหนักของเลนส์จะถ่วงให้กระจกมีรูปร่างบิดเบี้ยวจนภาพที่ได้มีความเพี้ยนมากเกินไป ปัจจุบันกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงที่ใหญ่ที่สุดตั้งอยู่ที่หอสังเกตการณ์เยอร์คิส์ มีเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์ 1 เมตร กล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสงยังมีชนิดย่อย ๆ อีกหลายชนิด เช่น

กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบนิวตัน (Newtonian Reflecter)

มีกระจกเว้าอยู่ท้ายกระบอก ที่ด้านหน้าใกล้กับปากกระบอกกล้องมีกระจกเฉียง 45 องศาเพื่อสะท้อนแสงออกไปทางด้านข้างลำตัวกล้องซึ่งมีเลนส์ตาติดอยู่ เวลาส่องดูจึงต้องส่องดูข้าง ๆ ลำตัวกล้อง ชื่อของกล้องชนิดนี้ตั้งขึ้นเพื่อเป็นเกียรติแก่นิวตัน ผู้ออกแบบกล้องชนิดนี้

กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบแคสสิเกรน (Cassigrain Reflecter)

มีกระจกนูนชิ้นเล็ก ๆ เรียกว่ากระจกรอง (secondary mirror) อยู่ที่ด้านหน้าของตัวกล้อง กระจกชิ้นนี้สะท้อนแสงจากกระจกหลักผ่านรูที่อยู่ตรงกลางของกระจกหลัก ซึ่งเลนส์ตาจะติดอยู่ที่ด้านหลังของกระจกหลัก เนื่องจากกระจกรองช่วยย่นความยาวของกระบอกกล้อง กล้องชนิดนี้จึงมักมีรูปร่างสั้นป้อม

กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบชมิดท์แคสสิเกรน

กล้องโทรทรรศน์แบบชมิดท์ แคสสิเกรน คล้ายกับกล้องแบบแคสสิเกรน แต่มีกระจกปรับความโค้ง (correcter plate) ปิดอยู่ด้านหน้าของตัวกล้อง ส่วนกระจกหลักโค้งแบบทรงกลม กล้องชนิดนี้มักจะสั้นป้อมกว่าแบบแคสสิเกรนเล็กน้อย เป็นชนิดที่นักดูดาวใช้กันมาก

กล้องโทรทรรศน์แบบมักซูตอฟนี้ คล้ายกับแบบชมิดท์แคสสิเกรน แต่ความโค้งกระจกด้านหน้าต่างกัน กระจกปรับความโค้งของกล้องชนิดนี้ดูคล้ายกับเป็นเลนส์เว้า เลนส์ซูเปอร์เทโลโฟโต้ชนิดรีเฟล็กซ์สำหรับถ่ายภาพทั่วไปมักใช้โครงสร้างของเลนส์เป็นแบบมักซูตอฟนี้

กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบมักซูตอฟ

เอฟเรโช (f ratio)

ดังได้กล่าวมาแล้วว่า กล้องโทรทรรศน์นอกจากมีหน้าที่ขยายภาพให้ใหญ่ขึ้นหรือให้เหมือนกับวัตถุอยู่ใกล้เข้ามา นอกจากนี้ยังมีอีกหน้าที่หนึ่งก็คือ ขยายแสงหรือการรวมแสงให้สว่างมากขึ้นนั่นเอง บางครั้งวัตถุท้องฟ้าที่เราต้องการส่องนั้นมีขนาดไม่เล็กเลย แต่ว่าจางมากจนมองไม่เห็น ดังนั้นการขยายทางแสงจึงเป็นปัจจัยที่สำคัญไม่น้อยไปกว่าการขยายขนาดภาพเลย ในขณะที่กำลังขยายภาพของกล้องโทรทรรศน์ถูกกำหนดด้วยความยาวโฟกัสของเลนส์หรือกระจก กำลังขยายทางแสงจะขึ้นกับขนาดความกว้างของกระจกและเลนส์เป็นสำคัญ ซึ่งบอกด้วยตัวเลขที่เรียกว่า เอฟเรโช

เอฟเรโช เป็นค่าที่บอกความสามารถในการรวมแสงของเลนส์วัตถุ มีความหมายเดียวกันกับเอฟเรโชของเลนส์กล้องถ่ายรูป (หรือกระจก ในกรณีของกล้องสะท้อนแสง) ค่าเอฟเรโชหาได้จาก ความยาวโฟกัสของเลนส์หารด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์ เช่นกล้องโทรทรรศน์หักเหแสงเส้นผ่านศูนย์กลางเลนส์วัตถุ 110 มม. ความยาวโฟกัส 1100 มม. ก็จะมีค่าเอฟเรโชเป็น 1100/110 = 10 หรือเขียนว่า f/10 ค่าเอฟเรโชยิ่งต่ำจะยิ่งมีกำลังรวมแสงมาก

ฐานตั้งกล้อง

ฐานตั้งกล้องมีหน้าที่ยึดจับและรับน้ำหนักของกล้องโทรทรรศน์ ฐานตั้งกล้องสำหรับกล้องโทรทรรศน์มีความจำเป็นมาก เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์นั้นมักมีกำลังขยายสูงและมีขนาดใหญ่ และหนัก ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะใช้กล้องโทรทรรศน์โดยปราศจากฐานตั้งกล้อง นอกจากนี้ในฐานตั้งกล้องบางระบบยังมีหน้าที่หันทิศทางกล้องเพื่อติดตามจับภาพดวงดาวให้คงที่อีกด้วย เนื่องจากดวงดาวนั้นมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลาอันเกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลก หากเราซื้อกล้องโทรทรรศน์มาชุดหนึ่ง มักพบว่าราคาในส่วนของฐานตั้งกล้องนั้นจะสูงกว่าส่วนตัวกล้องเสียอีก มีนักดูดาวบางคนถึงกับกล่าวว่า “ใช้กล้องคุณภาพธรรมดากับฐานตั้งกล้องดี ๆ ยังดีกว่าใช้กล้องคุณภาพดีแต่ฐานตั้งกล้องไม่มีคุณภาพ”

ฐานตั้งกล้องพอจะแบ่งได้เป็น 2 ชนิดใหญ่ ๆ ตามลักษณะของแกนหมุนคือ

แบบอัลตาซิมุท (Altazimuth)

ฐานตั้งกล้องระบบนี้เป็นระบบที่เรียบง่ายที่สุด มีแกนหมุนสองแนวคือแนวราบ (azimuth) และแนวตั้ง (altitude) ฐานตั้งกล้องถ่ายรูปทั่ว ๆ ไปก็เป็นฐานตั้งกล้องแบบอัลตาซิมุทนี้นั่นเอง ฐานตั้งกล้องแบบนี้มีราคาถูก สร้างง่าย แต่ไม่เหมาะกับงานทางดาราศาสตร์นัก เนื่องจากทิศทางการหมุนของแกนนั้นไม่สอดคล้องกับทิศทางการเคลื่อนที่ของดวงดาว แต่จะเหมาะการถ่ายภาพดาราศาสตร์บางอย่าง โดยเฉพาะภาพที่อิงขอบฟ้าโลก เช่นภาพปรากฏการณ์คอนจังก์ชันที่ขอบฟ้า ภาพดาวเคลื่อนที่เป็นเส้นยาว หรือภาพซึ่งใช้เวลาการเปิดหน้ากล้องค่อนข้างสั้น เช่น ภาพดวงอาทิตย์ ภาพดวงจันทร์ ภาพสุริยุปราคา หรือภาพจันทรุปราคา เป็นต้น

แบบอิเควตอเรียล

ฐานตั้งกล้องแบบอิเควตอเรียลจะมีแกนหมุนสองแกน แกนหนึ่งชี้ไปที่ขั้วท้องฟ้า (บริเวณใกล้ดาวเหนือ) เรียกว่าแกนขั้วฟ้า (Polar axis) แกนนี้จึงหมุนตามการเคลื่อนที่ของดวงดาว อีกแกนหนึ่งซึ่งตั้งฉากกับแกนขั้วฟ้า คือ แกนเดคลิเนชัน (Declination axis) แกนนี้จะหันกล้องไปในทางเดคลิเนชันหรือตามแนวขั้วฟ้าเหนือ-ใต้นั่นเอง ในขณะที่ตั้งกล้องสังเกตวัตถุท้องฟ้านั้น วัตถุจะเคลื่อนที่ตามแนวเดคลิเนชันไปทางตะวันตกช้า ๆ ผู้สังเกตการณ์จึงต้องปรับที่แกนเดคลิเนชันตามตลอดเวลาเพื่อไม่ให้วัตถุตกขอบจอภาพไป ถ้าเป็นฐานตั้งกล้องที่มีราคาจะมีมอเตอร์ไฟฟ้าหมุนแกนเดคลิเนชันด้วยความเร็ว 1 รอบต่อ 1 วันตามความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของโลก ทำให้ผู้สังเกตการณ์สามารถสังเกตการณ์ได้นานต่อเนื่องกันโดยไม่ต้องคอยปรับตำแหน่งกล้องเรื่อย ๆ ฐานตั้งกล้องคุณภาพสูงมักเป็นแบบอีเควตอเรียลทั้งสิ้น

ฐานตั้งกล้องแบบอิเควทอเรียลยังแบ่งย่อยไปได้อีกหลายชนิดตามโครงสร้างของกลไก ดังรูปทางด้านล่าง ซึ่งแสดงฐานตั้งกล้องอิเควตอเรียลแบบต่าง ๆ กล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กที่สามารถขนย้ายได้มักจะใช้ฐานตั้งกล้องแบบเยอรมันหรือแบบง่าม แบบเยอรมันจะเหมาะกับการสังเกตการณ์ในประเทศใกล้ศูนย์สูตรเช่นประเทศไทย ฐานตั้งกล้องแบบง่ามจะเหมาะกับประเทศในแถบละติจูดสูง ๆ นักดูดาวในประเทศสหรัฐอเมริกานิยมใช้ฐานตั้งกล้องแบบนี้มาก แต่สำหรับประเทศไทยไม่เหมาะกับฐานตั้งกล้องแบบนี้

ฐานตั้งกล้องแบบอังกฤษ แบบโย้ก และแบบเกือกม้านั้นเหมาะกับกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ตามหอดูดาวต่าง ๆ มากกว่ากล้องขนาดเล็ก มีจุดยืดบนพื้นสองจุดจึงมีความมั่นคงมาก ฐานตั้งกล้องแบบอังกฤษและแบบโย้กหาดูได้ยากและไม่เป็นที่นิยมแล้ว หอดูดาวสมัยใหม่นิยมใช้ฐานตั้งกล้องแบบเกือกม้า ซึ่งเป็นแบบที่พัฒนามาจากแบบโย้ก สามารถรับน้ำหนักกล้องได้มาก และสามารถหันกล้องส่องที่ขั้วเหนือได้ด้วย