ทำไมเครื่องบินเฉียดใกล้เถ้าภูเขาไฟไม่ได้?

ประเด็นข่าวนำเข้าสู่สาระ

จากเหตุประทุของภูเขาไฟใต้ธารน้ำแข็งในไอซ์แลนด์ ซึ่งมีเถ้าถ่านปริมาณมากพวยพุ่งสู่ชั้นบรรยากาศด้วยความสูงหลายกิโลเมตร และพัดสู่น่านฟ้าของหลายประเทศในแถบยุโรป จนสายการบินต่างๆ ต้องหยุดให้บริการ กระทบต่อผู้โดยสารหลายหมื่นราย หลายคนอาจสงสัยว่า อนุภาคจิ๋วๆ จากปล่องภูเขาไฟนั้นจะส่งผลกระทบต่อเครื่องบินลำใหญ่ได้จริงหรือ
       แกรนท์ มาร์ติน (Grant Martin) บลอกเกอร์ชาวอเมริกัน ผู้เชี่ยวชาญด้านธุรกิจการบินและการขนส่งและเป็นวิศวกรวัสดุด้วยนั้น ได้ไขข้อข้องใจดังกล่าวผ่านเว็บไซต์ Gadling.com ที่เขาเป็นบรรณาธิการว่า เถ้าภูเขาไฟปริมาณมหาศาลนั้น ส่งผลอย่างชัดเจนต่อสมรรถนะการบินของเครื่องบิน หากอนุภาคขนาดเล็กจากภูเขาไฟนี้หลุดเข้าสู่รูระบายความร้อนแล้ว จะเป็นเหตุให้ความดันและอุณหภูมิของเครื่องยนต์สูงขึ้น และกลายเป็นปัญหาใหญ่ต่อเครื่องยนต์ภายในได้
       ดังนั้น สายการบินต่างๆ จึงพยายามหลีกเลี่ยงสถานการณ์เริ่มต้นอันจะนำไปสู่กลไกการทำงานของเครื่องยนต์ที่ผิดพลาด ซึ่งจะส่งผลเสียอย่างใหญ่หลวงต่อเครื่องยนต์ในทันที และจะคุกคามความปลอดภัยของเครื่องบินด้วย ขณะที่เถ้าภูเขาไฟปริมาณน้อยๆ จะส่งผลเสียระยะยาวต่อสมรรถนะของเครื่องยนต์
       มาร์ตินยกตัวอย่างเครื่องยนต์เผาไหม้ ซึ่งถูกใช้ที่อุณหภูมิสูงมากพอที่จะละลายโลหะส่วนใหญ่ ดังนั้นวัสดุที่จะนำมาประกอบเครื่องยนต์นี้จึงได้รับการออกแบบให้ทนทานต่อความร้อนได้เป็นพิเศษ และใบพัดเครื่องยนต์ซึ่งมักได้รับความร้อนเกินกว่า 1,400 องศาเซลเซียสนั้นจะถูกเคลือบด้วยสารพิเศษที่เรียกว่า TBC (Thermal Barrier Coating) เพื่อป้องกันความร้อนที่สูงเกิน กล่าวโดยย่อคือ TBC ป้องกันไม่ให้ใบพัดละลายนั่นเอง
       TBC ปกป้องใบพัดไม่ให้ละลายได้เพราะโครงสร้างเล็กๆ ของสารเคลือบที่มีรูพรุนและมีความหนาแน่นน้อย เพื่อป้องกันการถ่ายเทความร้อนมากเกินไป แต่ด้วยลักษณะดังกล่าวทำให้สารเคลือบมีแนวโน้มที่จะถูกอนุภาคแปลกปลอม อย่างอนุภาคแคลเซียมแมกนีเชียมอะลูมิโนซิลิเกต (CMAS) ซึ่งมีคล้ายกับเม็ดทราย หรือเถ้าภูเขาไฟแทรกซึมสารเคลือบกันความร้อนนี้ได้
       เมื่อเวลาล่วงไปอนุภาคเหล่านั้นจะฝังตัวอยู่ในรูพรุนของสารเคลือบ TBC และคงอยู่โดยที่เครื่องยนต์ได้รับความร้อนสลับกับความเย็นซ้ำไปซ้ำมา ทุกครั้งที่เครื่องยนต์ร้อนและเย็นสลับไปมาเป็นวัฏจักรนี้ จะสร้างความเครียด (strain) ระหว่างวัสดุทั้งสอง คล้ายกับการแช่แข็งขวดที่ปิดผนึกแน่นซึ่งมีโอกาสระเบิดได้ และหากสารเคลือบเสียหาย ความร้อนจะไหลเข้าสู่ใบพัดได้อย่างอิสระ ซึ่งจะทำให้วัสดุละลายและเป็นสาเหตุหายนะได้
       ด้วยปริมาณเถ้าภูเขาไฟมหาศาลทำให้เกิดความเสียหายได้เร็วขึ้น แต่สารเคลือบ TBC ถูกออกแบบมาเพื่อรองรับความเสียหายระยะยาวเท่านั้น อีกทั้งเรายังไม่ทราบว่าเถ้าภูเขาไฟจะส่งผลระยะยาวอะไรบ้าง มีเพียงการทดสอบผลกระทบทั้งหมดที่ต้องใช้เวลาหลายอาทิตย์เท่านั้นที่จะให้คำตอบได้
ประเด็นคำถาม
       1. จากความรู้อะไรส่งผลอย่างชัดเจนต่อสมรรถนะการบินของเครื่องบิน 
         2. การเผาไหม้ของเครื่องยนต์เครื่องบินแตกต่างจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงธรรมชาติอย่างไร
         3. สาร TBC คืออะไร มีประโยชน์อย่างไร
         4. นักเรียน สรุปทำไมเครื่องบินเฉียดใกล้เถ้าภูเขาไฟไม่ได้?

กิจกรรมบูรณาการ (แบบ Intra Intigration)
       1. นักเรียนศึกษาเกี่ยวกับก๊าซ และอุณหภูมิในเรื่องระบบนิเวศน์
         2. นักเรียนทำการทดลองการเผาไหม้เพลิงต่างๆที่ใช้ก๊าซออกซิเจน ในภาชนะชนิดเดียวกัน
         3. นักเรียนแลกเปลี่ยนเรียนรู้ในผลการทดลอง แบบ Cooperation

ประเด็นสรุป   ครูและนักเรียนสรุปร่วมกันตามประเด็นคำถามและผลการทดลอง ดังนี้
เถ้าภูเขาไฟปริมาณมหาศาลนั้น ส่งผลอย่างชัดเจนต่อสมรรถนะการบินของเครื่องบิน หากอนุภาคขนาดเล็กจากภูเขาไฟนี้หลุดเข้าสู่รูระบายความร้อนแล้ว จะเป็นเหตุให้ความดันและอุณหภูมิของเครื่องยนต์สูงขึ้น และกลายเป็นปัญหาใหญ่ต่อเครื่องยนต์ภายในได้