“ไทเทเนียม” วัสดุในฝันแห่งวิศวกรรมอวกาศแห่งอนาคต

“ไทเทเนียม” วัสดุในฝันแห่งวิศวกรรมอวกาศแห่งอนาคต

หลายคนคนมี iPhome 15 อยู่ในมือแล้ว  เพราะวันนี้ (22 กันยายน 2566  ) เป็นวันแรกที่ Apple วางขาย  iPhone 15 ทุกรุ่นในประเทศไทย   แต่รุ่นที่กำลังถูกพูดถึงมากที่สุดคือ iPhone15 Pro  และ 15Pro Max ซึ่งตัวเครื่องทำจากไทเทเนียม

หลายคนๆ จึงพากันเรียกสั้นๆ ว่า iPhone 15 ไทเท

มีเรื่องน่าสนใจเกี่ยวกับไทเทเนียม  ซึ่งสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (สดร.) องค์กรมหาชน  หรือ NARIT  ได้เผยแพร่บทความของ ดร. มติพล ตั้งมติธรรม – นักวิชาการดาราศาสตร์ สดร. เกี่ยวกับไทเทเนียม  ไว้ดังนี้

“ไทเทเนียม” วัสดุในฝันแห่งวิศวกรรมอวกาศแห่งอนาคต

การเปิดตัวของ iPhone 15 Pro รุ่นใหม่ มีการใช้ไทเทเนียมเป็นส่วนประกอบ ซึ่งเป็นวัสดุและเทคโนโลยีเดียวกับที่ใช้ในอุตสาหกรรมอวกาศ ในบทความนี้ เราจะมาดูกันว่าเพราะเหตุใด ไทเทเนียมจึงเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมการบินอวกาศ

ธาตุไทเทเนียม มีคุณสมบัติเป็นโลหะ สีเทาเงิน ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี และมีจุดหลอมเหลวที่สูงถึง 1,668 °C จึงทนต่ออุณหภูมิ และสภาพแวดล้อมอันสุดขั้วได้ดี

แต่สิ่งที่ทำให้ไทเทเนียมนั้นโดดเด่นที่สุด อยู่ที่ความแข็งแรงของมัน หากเราเปรียบเทียบกันแล้วแม้ว่าไทเทเนียมจะทนแรงเค้นได้น้อยกว่าเหล็กที่ขนาดเท่ากัน แต่ก็มีน้ำหนักเบากว่ามาก

และแม้ว่าไทเทเนียมจะหนักกว่าอะลูมิเนียม แต่มันกลับมีความแข็งแรงมากกว่าถึงสองเท่า ทั้งหมดนี้จึงทำให้โลหะผสมไทเทเนียม (titanium alloy) เป็นโลหะที่มีความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงที่สุดที่มนุษย์รู้จักในปัจจุบัน

นั่นหมายความว่าหากเราต้องการสร้างโครงสร้างหนึ่งที่ทนทานต่อแรงที่เกิดขึ้นในการใช้งานโครงสร้างที่สร้างจากโลหะไทเทเนียมจะมีน้ำหนักเบาที่สุดในหมู่โลหะทั้งหมดที่มนุษย์รู้จัก และด้วยคุณสมบัติที่ทนทานต่อการกัดกร่อน และอุณหภูมิสุดขั้วอีกเช่นกัน จึงทำให้ไทเทเนียมเป็นวัสดุในฝันวัสดุหนึ่งของวิศวกรรมการบินอวกาศ

แต่การได้มาซึ่งโลหะไทเทเนียมนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย แม้ว่าไทเทเนียมจะเป็นโลหะที่พบได้มากที่สุดในเปลือกโลกเป็นอันดับสี่ของโลก และหาได้ในหินและดินแทบทุกก้อน แต่สินแร่ไทเทเนียมที่มีเยอะเพียงพอจะสามารถนำไปใช้เชิงอุตสาหกรรมได้นั้นก็หาได้ค่อนข้างยาก ปัจจุบันจึงมีประเทศที่มีเหมืองแร่ไทเทเนียมอยู่เพียงไม่กี่ประเทศ

และสิ่งที่ทำให้ยากขึ้นไปอีกก็คือกระบวนการผลิตและถลุงจากสินแร่ให้กลายมาเป็นโลหะบริสุทธิ์ ที่จะต้องผ่านกระบวนการอันสลับซับซ้อนอาศัยความร้อนสูง ห้องสูญญากาศ แก๊สคลอรีน และเทคโนโลยีที่ค่อนข้างละเอียดอ่อน ด้วยเหตุนี้เองจึงทำให้ในแต่ละปีนั้น แร่ไทเทเนียมที่ขัดได้ทั่วโลกส่วนมากนั้นถูกใช้ไปในรูปของไทเทเนียมออกไซด์ ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีสีขาวบริสุทธิ์ที่ทนทาน ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในสีทาบ้าน ผสมในพลาสติก หรือแม้กระทั่งครีมกันแดด ในขณะที่ไทเทเนียมประมาณ 5% เพียงเท่านั้นที่ถูกนำไปถลุงจนกลายเป็นโลหะ

แต่แม้ว่าเราจะสามารถถลุงไทเทเนียมให้กลายเป็นโลหะแล้ว คุณสมบัติที่ดีเยี่ยมของไทเทเนียมหลายประการก็ทำให้มันกลายเป็นวัสดุที่สามารถนำไปแปรรูปได้ค่อนข้างยาก ไทเทเนียมที่ถูกหลอมจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศได้อย่างรวดเร็ว จึงทำให้ไม่สามารถนำมาหล่อหรือเชื่อมได้ในสภาพบรรยากาศปรกติ นอกไปจากนี้ สว่านหรือเครื่องมือที่จะขึ้นรูปใดๆ จะเสื่อมสภาพลงอย่างรวดเร็วด้วยความร้อนสูงที่เกิดขึ้น อันเนื่องมาจากคุณสมบัติการนำความร้อนต่ำของมัน

ด้วยสาเหตุนานับประการเหล่านี้ จึงทำให้โลหะไทเทเนียมเป็นวัสดุที่มีต้นทุนแพงที่สุดชนิดหนึ่ง การใช้งานจึงมักจำกัดอยู่ที่อุตสาหกรรมการบินที่มีความต้องการในการทนความร้อน และน้ำหนักที่ลดได้ทุกกรัมนั้นหมายถึงต้นทุนเชื้อเพลิงที่จะลดลงตามมา

ตัวอย่างเช่น ในขั้นตอนแรกของการพัฒนาเครื่องบินสอดแนม Lockheed SR-71 หรือ Blackbird นักวิทยาศาสตร์พบว่า ไทเทเนียมเป็นวัสดุเพียงชนิดเดียวที่จะทนความร้อนของเครื่องบินที่บินด้วยความเร็วมากกว่า 3 เท่าของความเร็วเสียง ทนทานต่อแรงและสภาพอากาศอันสุดขั้วของบรรยากาศในชั้น stratosphere ที่สูงขึ้นไปกว่า 26 กม. และยังคงมีน้ำหนักเบาเพียงพอที่จะทำให้อากาศยานสามารถคงอัตราเร็วอันมหาศาลไว้ด้วย

ด้วยเหตุนี้ กว่า 90% ของ SR-71 จึงสร้างขึ้นจากไทเทเนียม (ซึ่ง CIA ไปซื้อมาจากสหภาพโซเวียตผ่านทางบริษัทตัวแทน เพื่อนำไปสอดแนมสหภาพโซเวียต) และตลอดกว่าครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา SR-71 ก็ยังคงเป็นอากาศยานที่มีคนขับ ที่บินได้เร็วที่สุดในชั้นบรรยากาศของโลก ด้วยสถิติที่ไม่เคยมีการเปลี่ยนแปลงเลยมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1976

ทุกวันนี้ ไทเทเนียมเริ่มถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายและเริ่มเข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันมากขึ้นโดยเฉพาะการใช้งานที่ต้องการความทนทานต่อการกัดกร่อน และมีน้ำหนักเบา ตั้งแต่หัวไม้กอล์ฟ การทำทันตกรรม กรอบแว่นตา สายนาฬิกา เครื่องประดับ และล่าสุดแม้กระทั่งในโทรศัพท์มือถือ

นอกจากนี้ ไทเทเนียมยังเป็นวัตถุที่ร่างกายมนุษย์ไม่เกิดการต่อต้าน จึงมักจะนำไปใช้เป็นอวัยวะเทียม หรือข้อต่อเทียม

ในยุคที่อุตสาหกรรมอวกาศกำลังเติบโตนี้ แน่นอนว่าไทเทเนียมย่อมที่จะมีบทบาทเป็นอย่างมากในการพัฒนายานสำรวจหรือดาวเทียมที่มีน้ำหนักที่เบา ขีดจำกัดทั้งทางด้านต้นทุนและเชิงกลหลายๆประการในขั้นตอนการขึ้นรูปของไทเทเนียมกำลังถูกพัฒนาขึ้น เช่น การพัฒนา 3D printer ที่สามารถสร้างโครงสร้างไทเทเนียมในรูปแบบใดก็ได้ ซึ่งนวัตกรรมการแปรรูปไทเทเนียมเหล่านี้เอง ย่อมหมายถึงดาวเทียมที่ทนทานมากขึ้น มีน้ำหนักที่เบากว่า และสามารถแบกบรรทุกอุปกรณ์ขึ้นไปพร้อมกับภารกิจได้มากยิ่งขึ้น เพื่อตอบรับกับยุคใหม่ของอุตสาหกรรมการบินที่จะถึงนี้

ข้อมูล Facebook : NARIT สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ