สวทช. ผนึกภาคี TSC พัฒนาแบตเตอรี่-วัสดุทนสภาวะสุดขั้ว หนุนดาวเทียมสัญชาติไทย

“ดาวเทียม” คือ หนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญที่ช่วยให้ประชากรโลกเข้าถึงข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็ว เช่น ข้อมูลพยากรณ์อากาศ ข้อมูลระบบนำทาง ข้อมูลรับมือภัยพิบัติธรรมชาติ รวมไปถึงการสื่อสารผ่านดาวเทียมในพื้นที่ห่างไกล

กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.) โดยศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ (เอ็นเทค) ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) และศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ร่วมเป็นส่วนหนึ่งในภาคีความร่วมมืออวกาศไทยหรือ Thai Space Consortium (TSC) ในการวิจัยและพัฒนาดาวเทียมสัญชาติไทย สร้างองค์ความรู้ และพัฒนาบุคลากร เพื่อรองรับการเติบโตอุตสาหกรรมอวกาศไทยในอนาคต

ทั้งนี้การดำเนินงาน TSC เป็นการดำเนินงานภายใต้การนำของสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ NARIT, สำนักงานพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศและภูมิสารสนเทศ (องค์การมหาชน) หรือ GISTDA และหน่วยงานภายใต้กระทรวง อว. โดยได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากหน่วยบริหารจัดการทุนด้านเทคโนโลยีและนวัตกรรมเพื่ออุตสาหกรรมแห่งอนาคต (บพค.)

เอ็นเทคจับมือเนคเทคพัฒนาแบตเตอรี่ดาวเทียม

ดาวเทียมที่ภาคี TSC กำลังพัฒนามี 2 ดวง คือ “TSC-1” ดาวเทียมสำรวจเก็บข้อมูลภาพโลกเพื่อนำไปวิเคราะห์ด้านการเกษตร ป่าไม้ และทรัพยากรธรรมชาติ อีกดวงหนึ่ง คือ “TSC-2” ดาวเทียมสำรวจดวงจันทร์ เพื่อการวิจัยและการพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศ

ดร.จิราวรรณ มงคลธนทรรศ หัวหน้าทีมวิจัยเทคโนโลยีระบบกักเก็บพลังงาน เอ็นเทค สวทช. เล่าถึงการเข้าร่วมเป็นส่วนหนึ่งของ TSC ว่า ทีมวิจัยได้พัฒนาต้นแบบแพ็กแบตเตอรี่เพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานหลักของดาวเทียมร่วมกับพลังงานแสงอาทิตย์ โดยแพ็กแบตเตอรี่ทำหน้าที่จ่ายพลังงานขณะดาวเทียมโคจรเข้าสู่พื้นที่ที่ไม่สามารถรับพลังงานจากดวงอาทิตย์ได้

ความท้าทายในการพัฒนา คือ การออกแบบให้แบตเตอรี่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีเสถียรภาพ และระบบมีความน่าเชื่อถือสูง ภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่สลับระหว่างร้อนจัดกับเย็นจัดตั้งแต่ประมาณ -20 ถึง 60 องศาเซลเซียส

ทีมวิจัยให้ความสำคัญอย่างยิ่งกับการออกแบบการจัดเรียงและการเชื่อมต่อเซลล์แบตเตอรี่อย่างเหมาะสม ควบคู่กับการพัฒนาระบบบริหารจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management System: BMS) โดยดำเนินงานร่วมกับ ภัทรกร รัตนวรรณ์ วิศวกรอาวุโส ทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ (TRT) เนคเทค สวทช. และทีมวิจัยจาก NARIT

ดร.จิราวรรณ อธิบายว่า ระบบ BMS ที่พัฒนาขึ้นทำหน้าที่ควบคุม ตรวจวัด และป้องกันความผิดปกติของแบตเตอรี่ รวมถึงการติดตามสถานะและสั่งการจากระยะไกล เพื่อให้แพ็กแบตเตอรี่ทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ มีความทนทานต่อสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง และรองรับการใช้งานในภารกิจอวกาศได้อย่างมีเสถียรภาพและเชื่อถือได้

“ทั้งนี้ทีมวิจัยได้เลือกใช้เซลล์แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (lithium-ion) ที่ผ่านการทดสอบการใช้งานในสภาวะอวกาศจากองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA) มาใช้ในการออกแบบและพัฒนาต้นแบบ พร้อมทั้งพัฒนากระบวนการผลิตแพ็กแบตเตอรี่ที่ถ่ายทอดสู่ภาคเอกชนได้ในอนาคต

นอกจากนี้ทีมวิจัยยังออกแบบการใช้งานแบตเตอรี่ให้ทำงานได้เต็มประสิทธิภาพตลอดอายุภารกิจ 2 ปี โดยจำกัดช่วงการใช้งานไว้ที่ประมาณร้อยละ 20–30 ของความจุทั้งหมด เพื่อช่วยยืดอายุการใช้งานและรับมือการเสื่อมสภาพในระยะยาว เนื่องจากสภาวะแวดล้อมที่มีการแปรผันของอุณหภูมิระหว่างร้อนจัดกับเย็นจัดส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการกักเก็บพลังงานและเร่งการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่”

ปัจจุบันการวิจัยและพัฒนาแพ็กแบตเตอรี่อยู่ในระดับความพร้อมทางเทคโนโลยี (Technology Readiness Level: TRL) ระดับ 4 หรือการทดสอบในระดับห้องปฏิบัติการ โดยต้นแบบได้ผ่านการทดสอบในสภาวะควบคุมแล้ว และอยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อเตรียมความพร้อมสำหรับการทดสอบในสภาพแวดล้อมที่ใกล้เคียงการใช้งานจริง นั่นคือสภาวะสุญญากาศและสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูง

เอ็มเทคกับการวิจัยวัสดุดาวเทียม-การทำ Simulation

อีกหนึ่งบทบาทสำคัญที่นักวิจัย สวทช. เข้าไปมีส่วนร่วมในโปรเจ็กต์นี้ คือ การทำวิจัยเพื่อสนับสนุนการคัดเลือกวัสดุเพื่อใช้ผลิตดาวเทียม เนื่องจากวัสดุจะต้องมีน้ำหนักเบาและต้องทนทานต่อสภาพแวดล้อมสุดท้าทายด้วย

ดร.ชินะ เพ็ญชาติ นักวิจัยทีมวิจัยวิศวกรรมน้ำหนักเบา เอ็มเทค สวทช. อธิบายว่า ทีมวิจัยได้คัดเลือกวัสดุจากปัจจัยด้านความแข็งแรง น้ำหนัก และความทนทาน ตัวอย่างกลุ่มวัสดุที่สนใจเป็นพิเศษ ได้แก่ วัสดุโครงสร้างแบบแซนด์วิช (sandwich panel) ซึ่งมีลักษณะเป็นแผ่นวัสดุสองชิ้นประกบกันและมีโครงสร้างภายในน้ำหนักเบา ทำหน้าที่ช่วยเสริมความแข็งแรงของชิ้นงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

“แม้ปัจจุบันประเทศไทยยังขาดความพร้อมในการผลิตวัสดุลักษณะนี้ตามข้อกำหนดที่ต้องการ แต่องค์ความรู้ที่เกิดขึ้นจากการวิจัยครั้งนี้ต่อยอดไปสู่การยกระดับขีดความสามารถเทคโนโลยีการผลิตของผู้ประกอบการไทยในอนาคต รวมไปถึงการสนับสนุนทีมวิจัยจาก NARIT ในการทดสอบคัดกรองคุณสมบัติทางความร้อนของวัสดุประเภทต่าง ๆ เพื่อศึกษาความเหมาะสมในการออกแบบใช้งานในระบบระบายความร้อนภายในดาวเทียม”

นอกจากการทำวิจัยเพื่อสนับสนุนการคัดเลือกวัสดุ ทีมวิจัยจากเอ็มเทค ยังนำความเชี่ยวชาญเรื่องการสร้างแบบจำลองเสมือนด้วยแบบจำลองคอมพิวเตอร์ (computer simulation) มาใช้สนับสนุนการวิจัยและพัฒนาด้วย

ดร.ชินะ อธิบายต่อว่า ทีมวิจัยได้สนับสนุนทีมวิจัยภายใต้ภาคีฯ ในการใช้งานซอฟต์แวร์ต่าง ๆ สร้างแบบจำลอง วิเคราะห์การถ่ายเทความร้อน การกระจายอุณหภูมิ และความแข็งแรงของโครงสร้างดาวเทียมภายใต้สภาพแวดล้อมต่าง ๆ รวมถึงการจำลองกลไกการทำงานของระบบดาวเทียม เช่น การกางแผงโซลาร์เซลล์เพื่อประเมินการทำงานเบื้องต้น ก่อนนำอุปกรณ์ที่ผลิตไปทดสอบสภาวะจริงในห้องสุญญากาศและห้องทดสอบอุณหภูมิ

“ในระยะต่อไปของการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตดาวเทียมสัญชาติไทย ทีมคาดว่าจะสามารถสนับสนุนการวิจัยเพิ่มในเรื่องการออกแบบการจัดวางอุปกรณ์ภายในยาน เช่น ตำแหน่งของแบตเตอรี่ และการจัดเรียงอุปกรณ์ในส่วนบรรทุก (payload) ซึ่งต้องคำนึงถึงทั้งการใช้พื้นที่อย่างคุ้มค่า การควบคุมอุณหภูมิ และการป้องกันการชำรุดของอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่เกิดจากแรงกระทำภายนอก ตั้งแต่ขั้นตอนการปล่อยยานอวกาศขึ้นไป จนถึงการปฏิบัติงานในวงโคจร”

จากการวิจัยเทคโนโลยีอวกาศ สู่การยกระดับเทคโนโลยีภาคพื้น

การวิจัยและพัฒนาแพ็กแบตเตอรี่และวัสดุสำหรับผลิตดาวเทียม ภายใต้ความท้าทายทั้งการออกแบบให้แข็งแรงทนทานสูง และใช้งานได้เต็มประสิทธิภาพภายใต้สภาพแวดล้อมแบบสุดขั้ว คือองค์ความรู้สำคัญที่จะนำไปต่อยอดสู่การพัฒนาเทคโนโลยีภาคพื้นได้หลากหลาย

ดร.จิราวรรณ อธิบายว่า องค์ความรู้จากการพัฒนาแพ็กแบตเตอรี่สำหรับดาวเทียมนำไปประยุกต์ใช้ในการพัฒนาเทคโนโลยีด้านความมั่นคง รวมถึงอุตสาหกรรมเฉพาะทางได้เป็นอย่างดี เนื่องจากแบตเตอรี่ที่ใช้งานในกลุ่มนี้ต้องทำงานภายใต้สภาวะแวดล้อมที่รุนแรง และต้องมีความปลอดภัยระดับสูง ส่วนองค์ความรู้ด้านการคัดเลือกวัสดุและการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสม นำไปใช้พัฒนาวัสดุที่มีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงทนทานสูงสำหรับอุตสาหกรรมวัสดุก่อสร้างและอุตสาหกรรมยานยนต์ เพื่อให้ผลิตภัณฑ์มีประสิทธิภาพด้านพลังงานที่เพิ่มขึ้นแต่ยังคงตอบโจทย์มาตรฐานความปลอดภัยสากลต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องได้

“องค์ความรู้ทั้งสองส่วนที่ทีมวิจัย สวทช. ร่วมกันพัฒนาจึงไม่ได้เป็นเพียงหนึ่งในรากฐานที่สำคัญของอุตสาหกรรมอวกาศในประเทศไทย แต่ยังต่อยอดสู่การยกระดับขีดความสามารถทางการแข่งขันในระยะยาว โดยเฉพาะในกลุ่มอุตสาหกรรมพลังงานและอุตสาหกรรมวัสดุ รวมไปถึงการต่อยอดใช้งานในอุตสาหกรรม S-Curve และ New S-Curve ของไทย ซึ่งจะนำไปสู่การสร้างโอกาสทางเศรษฐกิจมูลค่าสูงของประเทศในอนาคต”