Engineering: Concrete in Space

งานคอนกรีตบนดวงจันทร์

(Concreting on Moon)

โดย ศาสตราจารย์.ดร. ปิติ สุคนธสุขกุล

เคยมีคนกล่าวว่า คอนกรีตเป็นวัสดุก่อสร้างแห่ง อดีต ปัจจุบัน และ อนาคต ไม่แน่ใจว่าจะมีคนเห็นด้วยทั้งหมดหรือไม่ แต่คอนกรีตก็ได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นวัสดุก่อสร้างที่ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายตั้งแต่อดีตมาจนถึงปัจจุบัน ส่วนอนาคตนั้นเป็นสิ่งที่ต้องรอการพิสูจน์ ทั้งนี้ขึ้นกับว่าเทคโนโลยีงานคอนกรีตจะได้รับการพัฒนาให้ทันสมัยสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของโลกและตอบสนองความต้องการที่จะเกิดขึ้นในอนาคตได้หรือไม่

ในโลกแห่งอนาคต สิ่งหนึ่งที่เรามักจะได้อ่านจากหนังสือหรือเห็นจากภาพยนตร์สารคดีหรือข่าวคือเรื่องของการหมดไปของทรัพยากรธรรมชาติและการเพิ่มขึ้นของจำนวนประชากรอย่างรวดเร็วจนทำให้โลกของเราไม่มีพื้นที่หรือทรัพยากรธรรมชาติเพียงพอต่อความต้องการของมนุษย์ จนอาจจะจำเป็นที่จะต้องออกไปล่าอาณานิคมนอกโลกหรือใช้ดาวดวงอื่นเป็นที่อยู่อาศัยหรือเป็นแหล่งทรัพยากรธรรมชาติสำรอง ที่กล่าวถึงและมีความเป็นไปได้มากที่สุดคงจะเป็นดาวพระจันทร์ ซึ่งเป็นดวงดาวที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดและเป็นดาวที่มนุษย์เคยไปเยือนมาแล้ว

ถ้ามีการตั้งรกรากถิ่นฐานกันบนดวงจันทร์จริงๆ คำถามที่ตามมาก็คือคอนกรีตยังคงจะเป็นวัสดุก่อสร้างที่เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดหรือไม่ ถ้าใช่ งานคอนกรีตบนดวงจันทร์จะต่างกับงานคอนกรีตบนโลกอย่างไร มีเทคโนโลยีปัจจุบันอะไรบ้างที่พอจะทำให้งานคอนกรีตบนดวงจันทร์มีความเป็นไปได้ ขอเชิญผู้อ่านที่สนใจลองติดตามอ่านดูครับ

ลำดับแรกน่าเป็นเรื่องของวัตถุดิบ ในการทำงานคอนกรีตนั้น อยากจะให้ผู้อ่านเข้าใจว่าสาเหตุที่คอนกรีตได้รับความนิยมเป็นวัสดุก่อสร้างลำดับต้นๆ มาจากปัจจัยหลัก 2-3 ประการ 1) คอนกรีตเป็นวัสดุที่มีต้นทุนไม่สูงและใช้วัตถุดิบที่มีในท้องถิ่น 2) คอนกรีตเป็นวัสดุที่เทขึ้นรูปเป็นรูปทรงที่ซับซ้อนได้ และ 3) คอนกรีตเป็นวัสดุที่มีกำลังสูง ในกรณีของการก่อสร้างบนดวงจันทร์นั้น สิ่งแรกที่ต้องคำนึงถึงเลยคือเรื่องของการมีอยู่ของวัตถุดิบ เนื่องจากต้นทุนการขนส่งทางอวกาศนั้นค่อนข้างจะสูง ทำให้ไม่คุ้มค่าที่จะขนวัตถุดิบต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น ปูนซีเมนต์ หิน ทราย และน้ำ ไปจากโลกได้ โดยวัตถุดิบเกือบทุกชนิดจำเป็นต้องไปหาเอาข้างหน้าหมด

ผลจากการสำรวจขององค์การนาซ่า พบว่าหินบนดวงจันทร์ส่วนมากจะเป็นหินบะซอลต์และหินอนอร์โทไซต์ (Basalt and Anorthosite) ซึ่งทั้งสองชนิดเป็นหินที่เกิดจากการเย็นตัวและทับถมของลาวาที่ออกมาจากภูเขาไฟ ลักษณะมีสีดำหรือเทาเข้ม มีองค์ประกอบทางเคมีหลักคือแร่แพลจิโอเคลสเฟลด์สปาร์ และแร่สีเข้มอื่น ๆ เช่น ไพรอกซีนละเอียดมาก เฟลด์สปาร์ ฮอร์นเเบลนด์ และโอลิวีน ซึ่งไม่นิยมใช้ในงานคอนกรีตเนื่องจากหายากและไม่มีอยู่ทั่วไปเหมือนหินปูน แต่ถ้ามีก็สามารถนำมาใช้เป็นมวลรวมในคอนกรีตได้ แต่ไม่สามารถนำมาผลิตเป็นปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ได้ การไม่มีหินปูนบนดวงจันทร์ทำให้เรื่องของผลิตซีเมนต์ปอร์ตแลนด์บนดวงจันทร์เป็นเรื่องที่แทบจะเป็นไปไม่ได้ จำเป็นต้องหาวัสดุซีเมนต์ประเภทอื่นมาทดแทน นอกจากหินบะซอลต์แล้วบนดวงจันทร์ก็มีดินฝุ่นที่เป็นลักษณะของเถ้าภูเขาไฟที่มีองค์ประกอบของซัลเฟอร์เช่นกัน

ลำดับถัดมาคือเรื่องของน้ำ ข้อมูลจากองค์การนาซ่าอีกเช่นกันกล่าวว่าน้ำบนพื้นผิวของดวงจันทร์นั้นแทบจะไม่มี เนื่องจากดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศเหมือนโลกเรา น้ำจะระเหยกลายเป็นไอและฟุ้งกระจายออกสู่อวกาศอย่างรวดเร็ว แต่อย่างไรก็ตาม จากหลักฐานการพบแร่ธาตุที่มีองค์ประกอบของประจุไฮดรอกซิล ทำให้เชื่อว่าบนดวงจันทร์น่าจะยังพอมีน้ำอยู่บ้างบางส่วน โดยอาจจะหลบซ่อนอยู่ในระดับที่ต่ำกว่าผิวดินหรือแฝงตัวอยู่ในรูปของน้ำแข็ง แต่ก็น่าจะมีในปริมาณที่น้อยมากจนแทบจะไม่เพียงพอต่อการใช้งาน (10 ถึง 1000 ส่วนในล้านส่วน, ppm) การขาดแคลนน้ำบนดวงจันทร์ ทำให้การผลิตคอนกรีตที่ได้จากการผสมปูนซีเมนต์และน้ำแทบจะเป็นไปไม่ได้อีกเช่นกัน

เมื่อพิจารณาในแง่ของวัสดุแล้วพบว่า ส่วนประกอบที่สำคัญของคอนกรีต 2 ใน 3 ส่วนนั้นแทบจะไม่มี โดยสองส่วนแรกคือน้ำกับปูนซีเมนต์นั้นไม่มีหรือมีน้อยมากหรือผลิตไม่ได้ ส่วนที่สามคือมวลรวมนั้นน่าพอหาได้โดยใช้หินบะซอลต์แทน ดังนั้น การใช้งานคอนกรีตธรรมดาแบบที่ใช้กันบนโลกของเรา จึงไม่น่าจะมีความเป็นไปได้บนดวงจันทร์อย่างค่อนข้างแน่นอน คอนกรีตที่ใช้บนดวงจันทร์จะต้องเป็นคอนกรีตพิเศษที่ไม่ใช้น้ำและไม่ใช้ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ที่แข็งตัวจากการทำปฏิกิริยากับน้ำและด้วยเทคโนโลยีที่มีปัจจุบัน ผู้อ่านคิดว่ามีความเป็นไปได้หรือไม่

นักวิจัยด้านคอนกรีตได้มีการเสนอความคิดเกี่ยวกับเรื่องคอนกรีตที่ไม่ต้องผสมน้ำ (No-water concrete) มาเป็นระยะเวลาพอสมควร โดยการเปลี่ยนวัสดุเชื่อมประสานแทนที่จะใช้เป็นปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ไปเป็นซีเมนต์ประเภทอื่นที่สามารถแข็งตัวโดยไม่ใช้น้ำ ได้มีนักวิจัย Prof. Dr. Husam A. Omar จาก the University of South Alabama ซึ่งทำการทดลองร่วมกับองค์การนาซ่าเกี่ยวกับการพัฒนาคอนกรีตไม่ผสมน้ำ โดยใช้ซัลเฟอร์เป็นวัสดุเชื่อมประสานแทนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ ซึ่งซัลเฟอร์เป็นวัสดุที่นักวิจัยคอนกรีตคุ้นเคยกันเป็นอย่างดีในอดีต เพราะถูกใช้เป็นวัสดุเคลือบผิวด้านบนและล่างของตัวอย่างคอนกรีตที่ใช้ในการทดสอบกำลังรับแรงอัด โดยซัลเฟอร์จะมีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ประมาณ 119 องศาเซลเซียส ในการทดลองของเขา ได้ทำการหลอมซัลเฟอร์จนเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 150 องศา จากนั้นจึงทำการผสมหินและทรายเข้าในสัดส่วนผสมและผสมจนเข้ากัน Omar ได้แปรผันปริมาณของซัลเฟอร์ตั้งแต่ 25% ไปจนถึง 75% โดยน้ำหนัก ซึ่งค่ากำลังรับแรงสูงสุดที่ทำได้คือ 33.8 MPa (331 ksc, กิโลกรัมต่อตารางเซ็นติเมตร) ที่สัดส่วนผสมของซัลเฟอร์ประมาณ 35% โดยน้ำหนัก ซึ่งสูงใกล้เคียงกับคอนกรีตธรรมดาที่ใช้ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ นอกจากความคิดเกี่ยวกับคอนกรีตไม่ผสมน้ำ ยังมีแนวคิดเกี่ยวกับอลูมินัมซีเมนต์ แต่ยังเป็นไปได้ยากเนื่องจากอลูมินัมซีเมนต์ต้องใช้น้ำในการทำปฏิกิริยา ผู้วิจัยได้ตอบคำถามเกี่ยวกับเรื่องการได้มาของน้ำ ซึ่งต้องใช้เทคโนโลยีในการควบรวมโมเลกุลของไฮโดรเจนและออกซิเจนเข้าด้วยกัน แต่ในความเห็นของผู้เขียนคิดว่าอันแรกน่าจะพอมีทางเป็นไปได้มากกว่า

เป็นอย่างไรบ้างครับ แนวคิดเกี่ยวกับคอนกรีตบนดวงจันทร์ที่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีที่มีในปัจจุบัน และด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างไม่หยุดยั้ง ผมเชื่อว่าเมื่อถึงเวลาที่เราต้องย้ายไปอยู่บนดวงจันทร์จริงๆ เราน่าจะมีคำตอบอื่นๆเพิ่มขึ้นมากกว่านี้ แล้วพบกันใหม่ฉบับหน้าครับ

เอกสารอ้างอิง

· http://lroc.sese.asu.edu/EPO/Trivia/minerals_on_moon.php