การขับเคลื่อนที่สมบูรณ์แบบ: เราจะพามนุษย์ไปดาวอังคารได้อย่างไร

ด้วยภารกิจล่าสุดสู่ดาวอังคาร เช่น Perseverance ของ NASA, Hope ของสหรัฐอาหรับเอมิเรตส์ และ Tianwen-1 ของจีน ต่างก็ประสบความสำเร็จอย่างยอดเยี่ยม คุณอาจได้รับการให้อภัยเพราะคิดว่าการเดินทางไปดาวอังคารนั้นง่าย แต่มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างการส่งยานสำรวจหรือยานโคจรไปยังดาวเคราะห์สีแดงกับการส่งโครงสร้างพื้นฐานและเทคโนโลยีประเภทต่างๆ ที่เราจำเป็นต้องใช้เพื่อตั้งค่าสถานะของมนุษย์ที่นั่น

แรงขับทางเคมีอาจพาเราออกไปสู่ระบบสุริยะ แต่สำหรับมนุษย์ในระยะต่อไป การสำรวจอวกาศ เราจำเป็นต้องมีเทคโนโลยีขับเคลื่อนใหม่เพื่อเสริมเทคโนโลยีที่เราใช้อยู่ มีอายุ 50 ปี เพื่อให้ได้รายละเอียดว่าแรงขับของทีมสำรวจดาวอังคารอาจมีลักษณะอย่างไร เราได้พูดคุยกับ Kareem Ahmed รองศาสตราจารย์ที่ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศแห่งมหาวิทยาลัย Central Florida และเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการขับเคลื่อนจรวดล้ำสมัย ระบบ

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตบนดาวอังคารซีรีส์ 10 ตอนที่สำรวจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีล้ำสมัยที่จะช่วยให้มนุษย์สามารถยึดครองดาวอังคารได้

เก่าเชื่อถือได้: ระบบขับเคลื่อนเคมีที่เราใช้ตอนนี้

ในการส่งจรวดให้บินขึ้นผ่านชั้นบรรยากาศของโลกและออกไปสู่อวกาศที่ไกลออกไปนั้น คุณต้องมีแรงผลักดันอย่างมาก คุณต้องต่อต้านไม่เพียงแค่แรงเสียดทานจากชั้นบรรยากาศของโลกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแรงโน้มถ่วงที่มีนัยสำคัญซึ่งจะดึงวัตถุกลับลงมายังพื้นด้วย

ตั้งแต่ทศวรรษ 1950 เราใช้หลักการพื้นฐานเดียวกันนี้ในการขับเคลื่อนจรวด ซึ่งเรียกว่าการขับเคลื่อนด้วยสารเคมี โดยพื้นฐานแล้ว คุณจะจุดไฟขับเคลื่อน (ส่วนผสมของเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์) ซึ่งจะก่อให้เกิดความร้อน ความร้อนนี้ทำให้วัสดุภายในจรวดขยายตัวซึ่งจะถูกผลักออกจากด้านหลังของจรวด การขับไล่จรวดนี้สร้างแรงขับซึ่งดันจรวดขึ้นไปด้วยแรงมหาศาล และ แรงนี้ช่วยให้สามารถเอาชนะผลกระทบของแรงโน้มถ่วงและหนีออกไปในอวกาศนอกโลกของเราได้

“การขับเคลื่อนที่ใช้สารเคมีเป็นเพียงการเพิ่มความร้อนให้กับตัวขับเคลื่อนด้วยอัตราที่รวดเร็วมาก จรวดนั้นเมื่อคุณได้รับความร้อนสูงจริงๆ มันจะขยายตัวด้วยความเร็วที่สูงมาก” Ahmed อธิบาย “ความเร็วนั้นเป็นฟังก์ชันของปริมาณความร้อนที่คุณใส่เข้าไป ลองคิดดูว่าเมื่อคุณเกิดการระเบิด คุณมีก๊าซจำนวนมหาศาลซึ่งเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว และนั่นคือความเร็ว”

นี่คือข้อได้เปรียบใหญ่ของการขับเคลื่อนด้วยสารเคมีที่มีเหนือการขับเคลื่อนประเภทอื่นๆ ที่พิจารณา: ความเร็ว แรงขับทางเคมีช่วยให้จรวดเคลื่อนที่ได้เร็วจริงๆ แต่ก็ไม่ใช่ตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพที่สุดเสมอไป

“คิดว่ามันเหมือน Prius กับ Corvette” Ahmed กล่าว “ถ้าคุณต้องการเดินทางจากจุด A ไปยังจุด B อย่างรวดเร็ว ก็คงยากที่จะเอาชนะแรงขับที่ใช้สารเคมีได้” อย่างไรก็ตาม เมื่อคุณต้องการให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ระบบขับเคลื่อนอื่นๆ สามารถเข้ามาในระบบของมันเอง “หากคุณพยายามเดินทางจากจุด A ไปยังจุด B ด้วยความเร็วที่เหมาะสมแต่มีประสิทธิภาพสูง การขับเคลื่อนที่ใช้สารเคมีอาจไม่ใช่เครื่องมือที่เหมาะสม”

การปรับปรุงระบบขับเคลื่อนเคมี

หลักการของการขับเคลื่อนทางเคมีอาจยังคงเหมือนเดิมในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา แต่ก็เป็นเช่นนั้น ไม่ได้หมายความว่าไม่มีการปรับปรุงเทคโนโลยี เช่น การวิจัยในประเภทต่างๆ ของเชื้อเพลิง

ประสิทธิภาพของประเภทเชื้อเพลิงเป็นเรื่องของความหนาแน่นของพลังงาน พลังงานที่เชื้อเพลิงจำนวนหนึ่งสามารถกักเก็บไว้ได้ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงจึงเป็นเรื่องยาก แม้ว่ามันจะปล่อยความร้อนออกมามากในปฏิกิริยาเคมีก็ตาม เพราะมันเบามากและมีความหนาแน่นต่ำ การเก็บไฮโดรเจนจำนวนมากไว้ในพื้นที่เล็กๆ นั้นทำได้ยาก ดังนั้นจึงไม่ถือเป็นเชื้อเพลิงที่มีประสิทธิภาพมากนัก

จรวดในปัจจุบันส่วนใหญ่มักจะใช้เชื้อเพลิงจากน้ำมันก๊าด — โดยพื้นฐานแล้วเป็นสิ่งเดียวกับเชื้อเพลิงเครื่องบิน — แต่ประเด็นใหญ่ที่น่าสนใจในตอนนี้คือการมองหาเชื้อเพลิงที่มีเทนหรือก๊าซธรรมชาติ เชื้อเพลิงนี้ไม่จำเป็นต้องมีประสิทธิภาพมากขึ้นในฐานะเชื้อเพลิงขับเคลื่อน แต่จะมีราคาถูกลงมาก เนื่องจากก๊าซธรรมชาติมีมากมาย และเรามีเทคโนโลยีสำหรับการรวบรวมเชื้อเพลิงอยู่แล้ว

“หาก SpaceX สามารถใช้ก๊าซธรรมชาติในการบิน Falcon 9 ได้ พวกเขาก็จะประหยัดเงินได้มาก และด้วยเหตุนี้จึงเร่งการสำรวจอวกาศให้เร็วขึ้น” Ahmed กล่าวเป็นตัวอย่าง “ถ้าเราสามารถลดต้นทุนในการออกไปสู่วงโคจรรอบนอกได้ นั่นจะทำให้เราเข้าถึงอวกาศได้มากขึ้น”

การวิจัยอีกด้านคือการปรับปรุงเครื่องยนต์เอง ทีมของ Ahmed เป็นหนึ่งในหลายกลุ่มที่ทำงานเกี่ยวกับระบบที่เรียกว่าเครื่องยนต์จรวดแบบหมุนจุดระเบิด ซึ่งสามารถสร้างพลังงานได้มากขึ้นโดยใช้เชื้อเพลิงน้อยลงเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบดั้งเดิม

ด้วยการควบคุมปริมาณไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ป้อนเข้าสู่เครื่องยนต์อย่างระมัดระวัง สามารถสร้างแรงดันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น สิ่งนี้สามารถลดขนาดของเครื่องยนต์จรวดโดยขจัดความจำเป็นในการใช้คอมเพรสเซอร์ที่ทรงพลังมาก และใช้เชื้อเพลิงอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วย เทคโนโลยีนี้กำลังจะใช้งานได้เร็วๆ นี้ Ahmed กล่าวว่ากองทัพอากาศสหรัฐกำลังวางแผนที่จะทดสอบเครื่องยนต์ดังกล่าวภายในปี 2568

เหตุใดการขับเคลื่อนด้วยสารเคมีจึงไม่ไปไหน

สำหรับการบินขึ้นจากพื้นโลก แรงขับที่ใช้สารเคมีเป็นสิ่งสำคัญ “จากระดับพื้นดิน การขับเคลื่อนที่ใช้สารเคมีมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะคุณต้องการพลังงานจำนวนมากเพื่อขับเคลื่อนน้ำหนักดังกล่าวออกจากพื้นดินขึ้นไปจนถึงระดับความสูงที่สูงขึ้น เพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วง” Ahmed อธิบาย

เขายกตัวอย่าง SpaceX เมื่อบริษัทปล่อยจรวด ทำไมไม่ใช้ระบบไฟฟ้าเหมือนที่เทสลาใช้? ทั้งสองบริษัทเป็นเจ้าของโดยคนคนเดียวกัน Elon Musk ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถแบ่งปันเทคโนโลยีได้อย่างแน่นอน แต่ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าไม่สามารถสร้างแรงขับได้มากเท่าที่จำเป็นในการทำให้จรวดลอยขึ้นจากพื้น — มันผลิตพลังงานได้ไม่เพียงพอ

ดังนั้น เราจะต้องใช้แรงขับเคลื่อนทางเคมีต่อไปในการปล่อยจรวดในอนาคตอันใกล้ แต่สิ่งนี้จะเปลี่ยนไปเมื่อจรวดเข้าสู่วงโคจร เมื่อมันเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกและอยู่ในอวกาศได้ มันก็เหมือนกับการใช้ครูสคอนโทรล การควบคุมยานอวกาศในอวกาศต้องใช้แรงขับค่อนข้างน้อย เนื่องจากไม่มีแรงเสียดทานของอากาศหรือแรงดึงดูดโน้มถ่วงลงมาให้จัดการ คุณสามารถใช้แรงโน้มถ่วงจากดาวเคราะห์และดวงจันทร์ใกล้เคียงได้

ดังนั้นระบบขับเคลื่อนที่แตกต่างกันสามารถเข้ามาแทนที่เพื่อการทำงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น: การขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

เมื่อจรวดเข้าสู่วงโคจร ก็มักจะต้องทำการเปลี่ยนแปลงวิถีโคจร การปรับเล็กน้อยเพื่อปรับความเร็วและให้แน่ใจว่ามันมุ่งไปในทิศทางที่ถูกต้อง นี้ต้องใช้ระบบกระตุก “คุณต้องการนิวตันหลายพันนิวตันเพื่อที่จะบินยานพาหนะ เพื่อออกจากสถานะความเร็วศูนย์ และยกมันขึ้นและเอาชนะแรงโน้มถ่วงของน้ำหนักที่คุณแบกอยู่ นั่นเป็นเหตุผลที่คุณต้องการระบบจรวดที่ใหญ่และใหญ่ แต่ในวงโคจรรอบนอก คุณไม่มีแรงโน้มถ่วงที่มีอิทธิพลต่อคุณอีกต่อไป คุณแค่มีความเร็วปลายทางที่คุณพยายามจะเอาชนะ” Ahmed อธิบาย

และมีหลายวิธีในการสร้างแรงที่จำเป็นในการปรับเส้นทางของยานอวกาศ “แรงผลักคือแรงผลัก” เขากล่าว “คุณกำลังฉีดมวล คุณกำลังทิ้งมวล ดังนั้นมันจึงเคลื่อนคุณไปในทิศทางตรงกันข้าม มันคือปริมาณของมวล และความเร็วที่คุณใช้มวลนั้นจนหมด”

เทคโนโลยีที่มักใช้ในดาวเทียมขนาดเล็กหรือ Smallsat คือระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า พวกเขาใช้พลังงานไฟฟ้า (มักจะรวบรวมโดยใช้แผงโซลาร์เซลล์) เพื่อทำให้ไอออไนซ์ของก๊าซขับเคลื่อน จากนั้นก๊าซไอออไนซ์นี้จะถูกผลักออกจากด้านหลังของดาวเทียมโดยใช้สนามอิเล็กทรอนิกส์หรือสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดแรงขับที่ทำให้ยานอวกาศเคลื่อนที่

นี่เป็นระบบที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งสามารถใช้งานได้ถึง เชื้อเพลิงน้อยลง 90% มากกว่าการขับเคลื่อนด้วยสารเคมี

Ahmed กล่าวว่า "สำหรับการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า มวลของคุณมีขนาดเล็กมากและคุณไม่จำเป็นต้องใช้ความเร็วมากนักเพื่อให้มีแรงขับ และระบบขับเคลื่อนอิเล็กทรอนิกส์สามารถทำให้วัสดุแทบทุกชนิดแตกตัวเป็นไอออน ดังนั้นจึงสามารถทำงานร่วมกับสิ่งที่มีอยู่ได้

ช้างในห้อง: การขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์

ผู้คนมักไม่สบายใจกับแนวคิดเรื่องพลังงานนิวเคลียร์ในอวกาศ และแน่นอนว่ามีข้อกังวลด้านความปลอดภัยที่ต้องพิจารณาเมื่อใช้พลังงานนิวเคลียร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับภารกิจที่มีลูกเรือ แต่แรงขับนิวเคลียร์อาจเป็นเพียงเอซที่ช่วยให้เราไปเยี่ยมชมดาวเคราะห์ที่ห่างไกล

“นิวเคลียร์มีประสิทธิภาพสูงจริงๆ” Ahmed อธิบาย ระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์ทำงานผ่านเครื่องปฏิกรณ์ซึ่งสร้างความร้อน ซึ่งจากนั้นจะใช้เพื่อให้ความร้อนแก่จรวดซึ่งถูกขับออกมาเพื่อสร้างแรงขับ มันใช้จรวดนี้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าการขับเคลื่อนที่ใช้สารเคมี

และยั่งยืนซึ่งเป็นประโยชน์ใหญ่ “ระบบที่ใช้สารเคมี คุณกำลังเผาไหม้เชื้อเพลิงขับเคลื่อนและทำให้หมดพลังงาน และคุณจะไม่ใช้มันอีกต่อไป” อาเหม็ดกล่าว “คุณปล่อยพลังงานนั้นและสูญเสียมันไป เมื่อเทียบกับระบบนิวเคลียร์ ยูเรเนียมหรือพลูโทเนียมที่คุณจะใช้จะอยู่ที่นั่นและจะไม่หายไป มันยั่งยืนเมื่อคุณดูแลรักษาเครื่องปฏิกรณ์หลักของคุณ”

แม้ว่าปฏิกิริยานี้จะยั่งยืน แต่ความร้อนที่เกิดขึ้นยังคงต้องถูกส่งผ่านไปยังมวล คุณคงไม่ต้องการใช้ยูเรเนียมหรือพลูโตเนียมที่ใช้ในปฏิกิริยานี้จนหมด สิ่งที่เป็นประโยชน์คือวัสดุที่ได้รับความร้อนสามารถเป็นก๊าซหรือของแข็งได้เกือบทุกชนิด แม้ว่าก๊าซจะดีกว่าเนื่องจากตอบสนองต่อความร้อนได้ดีกว่า

ในอวกาศไม่มีก๊าซให้ใช้ ดังนั้นคุณยังคงต้องพกติดตัวไปด้วย แต่บนดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศ เช่น ดาวอังคาร ในทางทฤษฎี คุณสามารถใช้ก๊าซที่หาได้ง่าย เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นเชื้อเพลิงขับเคลื่อน

ขณะนี้ NASA กำลังมองหาระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์สำหรับภารกิจไปยังดาวอังคารโดยเฉพาะ “เป้าหมายของ NASA คือลดระยะเวลาที่ลูกเรือเดินทางระหว่างโลกและดาวอังคารให้เหลือน้อยที่สุดให้เหลือ 2 ปีเท่าที่จะเป็นไปได้ ระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์ในอวกาศสามารถช่วยให้เวลาปฏิบัติภารกิจโดยรวมสั้นลง และเพิ่มความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพให้กับผู้ออกแบบภารกิจ” หน่วยงาน เขียนเกี่ยวกับระบบนิวเคลียร์. แต่ยังไม่มีการตัดสินใจที่แน่นอน “ยังเร็วเกินไปที่จะบอกว่าระบบขับเคลื่อนแบบใดจะนำนักบินอวกาศชุดแรกไปดาวอังคาร เนื่องจากยังคงมีการพัฒนาที่สำคัญสำหรับแต่ละแนวทาง”

ไม่ใช่อย่างใดอย่างหนึ่ง ทั้งหมดที่กล่าวมา

เรายังคงอยู่ในขั้นตอนการวางแผนขั้นต้นของภารกิจลูกเรือไปยังดาวอังคาร เราจำเป็นต้องพิจารณาข้อกำหนดที่ใช้งานได้จริงรวมถึงปัจจัยต่างๆ เช่น ต้นทุน เมื่อต้องวางแผนขั้นตอนต่อไปของเรา

Ahmed ไม่คิดว่าระบบขับเคลื่อนระบบหนึ่งจะพิสูจน์ตัวเองว่าเหนือกว่าระบบอื่นอย่างมาก เขามองเห็นการผสมผสานระหว่างระบบต่างๆ ที่ใช้ตามความต้องการเฉพาะของภารกิจ

“ผมจะบอกว่าจำเป็นต้องใช้ทั้งสามระบบ” เขาอธิบาย “คุณไม่มีระบบขับเคลื่อนที่สมบูรณ์แบบซึ่งเหมาะกับทุกภารกิจของคุณ” แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะใช้การขับเคลื่อนด้วยสารเคมีสำหรับทุกภารกิจ แต่ก็เป็นไปได้ ไม่เหมาะสมเสมอไป — เขาเปรียบเทียบสิ่งนี้กับการไปตึกข้างๆ โดยใช้เฟอร์รารี่และสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจำนวนมากเมื่อทำได้ เดิน.

สำหรับภารกิจที่มีลูกเรือไปยังดาวอังคาร "คุณจะต้องใช้นิวเคลียร์ คุณจะต้องใช้ไฟฟ้า และสารเคมีที่ใช้โดยที่คุณขาดไม่ได้" เขากล่าว ตัวอย่างเช่น คุณอาจใช้ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าเพื่อขนส่งสินค้า เช่น แหล่งที่อยู่อาศัย ใช้ระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์ เพื่อตั้งค่าระบบการถ่ายทอดที่เชื่อถือได้ระหว่างโลกและดาวอังคาร จากนั้นส่งนักบินอวกาศของคุณโดยใช้แรงขับทางเคมี ระบบ. นั่นเป็นเพราะโดยพื้นฐานแล้วมนุษย์เป็นฮาร์ดแวร์ที่แข็งแรง “มวลของเราไม่เบา!” เขาพูดว่า. “เราเป็นมวลชนจำนวนมาก แม้สำหรับบุคลากรเพียงไม่กี่คน ดังนั้นคุณจึงต้องการแรงขับที่ใช้สารเคมี”

เราพร้อมสำหรับดาวอังคารหรือยัง?

มีความซับซ้อนมากมายเกี่ยวกับการจัดทีมในภารกิจไปยังดาวอังคาร แต่เมื่อพูดถึงระบบขับเคลื่อน เรามีเทคโนโลยีที่จะส่งภารกิจไปที่นั่นในวันพรุ่งนี้

Ahmed กล่าวว่า "มอเตอร์จรวดแบบดั้งเดิมในยุค 50 จะนำคุณไปสู่จุดนั้น" ปัจจัยจำกัดกลายเป็นสิ่งที่น่าเบื่อมากขึ้น “คำถามคือคุณจะต้องเสียค่าใช้จ่ายเท่าไร”

การส่งจรวดไปยังดาวอังคารโดยใช้ระบบขับเคลื่อนที่ใช้สารเคมีนั้นมีค่าใช้จ่ายสูงมาก และในขณะที่มีทั้งสาธารณชนและนักวิชาการที่ต้องการสำรวจดาวอังคารมากขึ้น จำนวนเงินที่มีสำหรับภารกิจดังกล่าวก็ไม่สิ้นสุด ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องพัฒนาและใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยี เช่น ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าหรือนิวเคลียร์เพื่อให้การสำรวจมีราคาถูกลง

แม้ในขอบเขตของการขับเคลื่อนที่ใช้สารเคมี การพัฒนาเทคโนโลยี เช่น เครื่องยนต์ระเบิดแบบหมุนหรือเชื้อเพลิงใหม่ สามารถช่วยลดค่าใช้จ่าย ซึ่งจะส่งเสริมการสำรวจมากขึ้น “ความท้าทายคือการพัฒนาระบบวิศวกรรมที่ประหยัดกว่าระบบจรวดในปัจจุบัน” เขากล่าว “เทคโนโลยียุค 50 จะนำคุณไปสู่ดาวอังคารโดยไม่มีปัญหา มันแพงมาก และไม่มีใครอยากจะจ่ายสำหรับมัน แต่มีเทคโนโลยีอยู่ที่นั่น”

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• การเดินทางของจักรวาลวิทยา: การขนส่งที่ยุ่งยากในการส่งผู้คนไปยังดาวอังคาร
• โหราศาสตร์: วิธีมีสติบนดาวอังคาร
• โรงไฟฟ้าบนดาวเคราะห์ดวงอื่น: เราจะผลิตกระแสไฟฟ้าบนดาวอังคารได้อย่างไร
• การเก็บเกี่ยวความชุ่มชื้น: ผู้ตั้งถิ่นฐานในอนาคตจะสร้างและเก็บน้ำบนดาวอังคารได้อย่างไร
• Astroagriculture: เราจะปลูกพืชบนดาวอังคารได้อย่างไร