ในการเดินทางอย่างต่อเนื่องของการสํารวจจักรวาลของมนุษย์ น้ําซึ่งเป็นรากฐานที่สําคัญของชีวิตเป็นจุดสนใจของการวิจัยมาโดยตลอด เพื่อเจาะลึกลงไปในรูปแบบลึกลับของพฤติกรรมน้ําในอวกาศ NASA ได้ทําการทดลองที่เป็นนวัตกรรมใหม่หลายชุด การศึกษาเหล่านี้ไม่เพียงแต่ขับเคลื่อนด้วยความอยากรู้อยากเห็น แต่ยังมีภารกิจในการจัดหาพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่มั่นคงสําหรับการจัดการและการใช้ทรัพยากรน้ําอย่างมีประสิทธิภาพในการสํารวจอวกาศในอนาคต
บนเวทีของสภาพแวดล้อมแรงโน้มถ่วงขนาดเล็กของสถานีอวกาศนานาชาตินักบินอวกาศผู้กล้าหาญปล่อยตัวอย่างน้ําเหลวสู่อวกาศอันกว้างใหญ่และสังเกตและบันทึกการเปลี่ยนแปลงอย่างระมัดระวัง ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง: น้ําไม่ได้แข็งตัวเป็นน้ําแข็งโดยตรงตามที่คาดไว้ แต่ผ่านขั้นตอนเดือดก่อนที่จะค่อยๆเปลี่ยนเป็นผลึกน้ําแข็งที่ส่องแสงระยิบระยับ ปรากฏการณ์ที่ไม่คาดคิดนี้ได้ล้มล้างความคิดที่คาดเดาไว้ล่วงหน้าของเราเกี่ยวกับพฤติกรรมดั้งเดิมของน้ําบนโลก และจุดประกายความสนใจอย่างมากและการอภิปรายอย่างดุเดือดในชุมชนวิทยาศาสตร์
ในการไขปริศนาของพฤติกรรมที่แปลกประหลาดของน้ําในอวกาศก่อนอื่นเราต้องเข้าใจกลไกที่ความดันส่งผลต่อจุดเดือด บนดาวเคราะห์สีน้ําเงิน น้ําจะเดือดที่ 100°C ที่ความดันบรรยากาศมาตรฐาน อย่างไรก็ตามเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้นความดันบรรยากาศจะลดลงและจุดเดือดของน้ําจะลดลงทําให้น้ําเริ่มเดือดที่อุณหภูมิต่ํากว่า ในทํานองเดียวกันเมื่อน้ําเข้าสู่สุญญากาศของอวกาศจุดเดือดของน้ําจะลดลงอย่างมากเนื่องจากความดันลดลงอย่างกะทันหันเพื่อให้โมเลกุลของน้ําเริ่มกระโดดและเดือดที่อุณหภูมิต่ํากว่า 0 °C
ต่อไปเรามาเน้นที่ความสัมพันธ์ที่ละเอียดอ่อนระหว่างอุณหภูมิและจุดเยือกแข็ง จุดเยือกแข็งของน้ําในขณะที่เปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็งมักจะอยู่ที่ประมาณ 0°C อย่างไรก็ตามในเหวอวกาศที่หนาวเหน็บอุณหภูมิแวดล้อมอาจลดลงต่ํากว่าจุดเยือกแข็งของน้ําเนื่องจากไม่มีผ้าห่มอุ่นของชั้นบรรยากาศ ในทางทฤษฎีน้ําควรแข็งตัวอย่างรวดเร็ว แต่ไม่เป็นเช่นนั้นและเหตุผลที่อยู่เบื้องหลังคือความจุความร้อนจําเพาะของน้ําสูง
น้ํามีความจุความร้อนจําเพาะสูง ซึ่งหมายความว่าสามารถดูดซับความร้อนจํานวนมากและทําให้ร้อนขึ้น และในทํานองเดียวกัน น้ําสามารถเย็นลงอย่างช้าๆ เมื่อมีการปล่อยความร้อนจํานวนมาก ดังนั้นแม้ในสภาพแวดล้อมที่เย็นจัดของอวกาศน้ําก็สามารถรักษาอุณหภูมิได้ในระดับหนึ่งจึงชะลอการเกิดกระบวนการแช่แข็ง นอกจากนี้ ไม่ควรมองข้ามบทบาทสําคัญของแรงตึงผิวในกระบวนการนี้ ในอวกาศที่ได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วงขนาดเล็กน้ํามีแนวโน้มที่จะสร้างรูปร่างทรงกลมที่สมบูรณ์แบบเพื่อลดพื้นที่ผิวซึ่งจะช่วยลดอัตราการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสภาพแวดล้อมโดยรอบทําให้กระบวนการแช่แข็งล่าช้าลง
เมื่อพิจารณาถึงปัจจัยที่ซับซ้อนเหล่านี้เราสามารถเข้าใจการเดินทางที่ไม่ธรรมดาของน้ําในอวกาศ: น้ําในสภาพแวดล้อมที่มีความดันต่ําเดือดก่อนเพราะจุดเดือดลดลงอย่างมาก ในขณะเดียวกันด้วยผลการป้องกันสองเท่าของความจุความร้อนจําเพาะสูงและแรงตึงผิวอุณหภูมิของน้ําจึงไม่ลดลงต่ํากว่าจุดเยือกแข็งในทันทีดังนั้นไอของมันจึงไม่แข็งตัวในทันที แต่เมื่อไอน้ํานี้ลอยเข้าไปในอวกาศระหว่างดวงดาวที่เย็นกว่าในที่สุดมันก็สูญเสียความร้อนอย่างรวดเร็วและควบแน่นเป็นผลึกน้ําแข็งที่สดใส
ในความกว้างใหญ่ของจักรวาล น้ํามีพฤติกรรมเหมือนซิมโฟนีที่ยอดเยี่ยมของธรรมชาติ ในตอนแรก น้ําเหลวยังคงเป็นของเหลวในรูปของเหลวในที่อยู่อาศัยในอวกาศที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น สถานีอวกาศนานาชาติ ด้วยระบบควบคุมอุณหภูมิและระบบความดันอากาศที่เสถียร อย่างไรก็ตาม ทันทีที่พวกเขาเริ่มต้นการเดินทางและถูกปล่อยเข้าสู่อ้อมแขนของอวกาศ พวกเขาก็ต้องเผชิญกับผลกระทบจากสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงทันที
ความดันในอวกาศแทบไม่มีนัยสําคัญใกล้กับสุญญากาศที่สมบูรณ์แบบ ในสภาพแวดล้อมนี้จุดเดือดของน้ําจะลดลงทําให้น้ําเหลวเปลี่ยนเป็นสถานะเดือดอย่างรวดเร็ว ในงานเลี้ยงเดือดโมเลกุลของน้ําจะหลุดพ้นจากโซ่ตรวนของของเหลวและลอยขึ้นเป็นไอน้ํา ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนี้พบได้ที่ระดับความสูงบนโลก ซึ่งน้ําสามารถเดือดได้ที่อุณหภูมิต่ํา
อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิในอวกาศต่ํามาก ต่ํากว่าจุดเยือกแข็งของน้ํา ดังนั้นเมื่อไอน้ําก่อตัวขึ้นมันจะสูญเสียความร้อนอย่างรวดเร็วในจักรวาลน้ําแข็งและแข็งตัวเป็นผลึกน้ําแข็งใสอย่างรวดเร็ว กระบวนการนี้เปรียบเสมือนปรากฏการณ์ที่หายากบนโลก: หยดน้ําร้อนกระทบอากาศเย็น เดือดและกลายเป็นผลึกน้ําแข็ง
กระบวนการควบแน่นเป็นน้ําแข็งในอวกาศยังเป็นปรากฏการณ์การเปลี่ยนเฟสในระหว่างที่โมเลกุลของน้ําค่อยๆเคลื่อนจากการจัดเรียงก๊าซที่ไม่สม่ําเสมอไปสู่ของแข็งปกติในระหว่างที่พลังงานจะถูกปล่อยออกมา ผลึกน้ําแข็งเหล่านี้ที่เกิดจากอวกาศระหว่างดวงดาวอาจมีขนาดเล็กและเปราะบาง หรือผลึกน้ําแข็งจํานวนมากอาจมาบรรจบกันเป็นโครงสร้างที่งดงามกว่า
สิ่งสําคัญคือต้องสังเกตว่าพฤติกรรมของน้ําในอวกาศมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของอุณหภูมิและความดัน ไม่ว่าจะเดือดหรือแช่แข็งเป็นผลึกน้ําแข็ง โดยพื้นฐานแล้วเป็นการแสดงออกของน้ําที่แสวงหาสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน ภายใต้สภาวะที่รุนแรงเช่นอวกาศกระบวนการเปลี่ยนเฟสของน้ําทําให้พฤติกรรมของสสารในแรงโน้มถ่วงขนาดเล็กและอุณหภูมิต่ําง่ายขึ้น
เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับความลึกลับของน้ําในอวกาศ ให้พิจารณาปรากฏการณ์ที่น่าสนใจบนโลก นั่นคือการสาดน้ําลงสู่น้ําแข็ง ในบางพื้นที่ที่หนาวเย็นมากของโลกเช่นภาคตะวันออกเฉียงเหนือของจีนเมื่ออุณหภูมิลดลงเหลือลบ 30 องศาเซลเซียสหรือต่ํากว่านั้นผู้คนสาดน้ําร้อนขึ้นสู่อากาศและพวกเขาสามารถเห็นมันกลายเป็นหมอกน้ําแข็งที่งดงามได้ทันที
ปรากฏการณ์นี้คล้ายกับพฤติกรรมที่แสดงโดยน้ําในอวกาศ การกระเด็นของน้ําบนโลกเกิดจากอุณหภูมิต่ําอย่างรวดเร็วของน้ําร้อนเมื่อพบกับอากาศเย็นจัดทําให้การเคลื่อนที่ของโมเลกุลของน้ําช้าลงมากพอที่จะก่อตัวเป็นผลึกน้ําแข็ง ในอวกาศ น้ําจะเดือดก่อนแล้วจึงแข็งตัวภายใต้ความท้าทายสองประการของความกดอากาศต่ําและอุณหภูมิต่ํา แต่สภาพแวดล้อมของจักรวาลนั้นรุนแรงกว่า
ในทั้งสองกรณี น้ําจะเปลี่ยนไปเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของอุณหภูมิและความดันแวดล้อม บนโลก น้ําแข็งตัวเกิดจากอุณหภูมิที่ลดลงอย่างกะทันหัน ในอวกาศ เป็นกระบวนการมหัศจรรย์ของอุณหภูมิต่ําและความดันต่ําทําให้น้ําเดือดก่อนแล้วจึงแข็งตัว ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าน้ําในฐานะสารปรับเฟสให้เหมาะกับสภาวะอุณหพลศาสตร์ของช่วงเวลาในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันอย่างไร
ในขณะที่เราติดตามเส้นทางลับของน้ําในอวกาศคําพูดที่มีชื่อเสียงของนักปรัชญากรีกโบราณ Pinda สะท้อนอยู่ในหูของเรา: "ในบรรดาทุกสิ่งในธรรมชาติน้ํามีค่าที่สุด" "คุณค่าของน้ําไม่เพียงแต่อยู่ที่ความสําคัญอย่างยิ่งต่อชีวิตเท่านั้น แต่ยังอยู่ที่ความหลากหลายและความสามารถในการปรับตัวในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันด้วย
บนโลก น้ํามีอยู่ทั่วไปในสามรูปแบบ ได้แก่ ของเหลว ของแข็ง และก๊าซ และสภาพแวดล้อมค่อนข้างอ่อนโยน แต่ในส่วนลึกของจักรวาล น้ําอาจมีอยู่ในรูปแบบที่หลากหลายกว่ามาก โดยมีวิธีการจัดเก็บและพฤติกรรมที่แปลกประหลาดกว่า แม้จะมีสภาพแวดล้อมที่รุนแรงในอวกาศ แต่น้ําก็ยังคงเป็นจุดเชื่อมโยงที่ขาดไม่ได้ในห่วงโซ่ของชีวิตในจักรวาล
จากการทดลองการเปลี่ยนเฟสและการวิเคราะห์ทางทฤษฎีในอวกาศ เราพบว่าแม้จะอยู่ภายใต้สภาวะที่รุนแรงเช่นนี้ น้ําก็ยังสามารถแสดงความสามารถในการปรับตัวที่ไม่ธรรมดาผ่านกระบวนการเปลี่ยนเฟส เช่น การต้มและการแช่แข็ง การค้นพบเหล่านี้ไม่เพียงแต่ทําให้เราเข้าใจสารที่เป็นเอกลักษณ์นี้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น แต่ยังให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับการค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลกอีกด้วย
น้ําในอวกาศก็หายากเช่นกันเพราะเป็นสะพานสําคัญสําหรับเราในการสํารวจจักรวาลและทําความเข้าใจโลกให้ดียิ่งขึ้น การศึกษาพลวัตของน้ําในอวกาศเปิดขอบเขตใหม่สู่การก่อตัวของดาวเคราะห์ การหมุนเวียนของวัสดุระหว่างดวงดาว และต้นกําเนิดของสิ่งมีชีวิต ดังนั้นการทะนุถนอมและใช้ทรัพยากรน้ําของโลกอย่างมีเหตุผลและในขณะเดียวกันก็สํารวจแหล่งน้ําในจักรวาลที่กว้างขึ้นอย่างกล้าหาญจึงมีความสําคัญอย่างยิ่งต่อการสํารวจและพัฒนามนุษยชาติในอนาคต