เครดิตรูปภาพ: NASA
อย่างที่ทุกคนรู้กันจรวดเคมีนั้นช้าเกินไปสำหรับการสำรวจอวกาศ บางทีระบบที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดอาจเป็นระบบไฮบริดด้วยการขับเคลื่อนชนิดต่าง ๆ ที่ใช้ในจุดต่าง ๆ ของการเดินทาง บทความนี้จะให้รายละเอียดของเทคโนโลยีที่ NASA กำลังทำงานอยู่
“ แม่เราอยู่ที่นั่นเหรอ?”
ผู้ปกครองทุกคนได้ยินเสียงร้องไห้จากที่นั่งด้านหลังของรถ โดยปกติจะเริ่มประมาณ 15 นาทีหลังจากเริ่มทริปครอบครัว สิ่งที่ดีที่เราไม่ค่อยเดินทางมากกว่าสองสามร้อยหรือสองสามพันไมล์จากบ้าน
แต่ถ้าคุณจะเดินทางไปพูดอังคาร แม้จะอยู่ใกล้โลกมากที่สุดในทุก ๆ สองสามปีดาวเคราะห์สีแดงก็อยู่ห่างออกไปอย่างน้อย 35 ล้านไมล์ หกเดือนที่นั่นและอีกหกเดือนย้อนกลับ
“ ฮุสตันเราอยู่ที่นั่นเหรอ?”
“ จรวดเคมีช้าเกินไป” Les Johnson วายวัฒนะผู้จัดการฝ่ายเทคโนโลยีการขนส่งในอวกาศที่ศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลของนาซ่า “ พวกมันเผาไหม้เชื้อเพลิงขับเคลื่อนทั้งหมดของพวกเขาในช่วงเริ่มต้นของการบินจากนั้นยานอวกาศก็แค่ชายฝั่งที่เหลือ แม้ว่ายานอวกาศสามารถเร่งความเร็วได้ด้วยแรงดึงดูดของโลกแรงโน้มถ่วงซึ่งก็คือรอยแตกบนท้องฟ้ารอบ ๆ ดาวเคราะห์เช่นหนึ่งรอบดาวเสาร์ที่เหวี่ยงรอบโลกรอบที่ 1 ถึงขอบของระบบสุริยะ - เวลาเดินทางรอบ ๆ ระหว่างดาวเคราะห์ยังคงถูกตรวจวัดเป็นปี ถึงทศวรรษ และการเดินทางไปยังดาวที่ใกล้ที่สุดจะใช้เวลาหลายศตวรรษถ้าไม่ใช่พันปี
ยิ่งไปกว่านั้นจรวดเคมียังไร้ประสิทธิภาพเช่นกัน นึกถึงการขับรถด้วยเครื่องดื่มที่มีก๊าซทั่วประเทศโดยไม่มีสถานีบริการน้ำมัน คุณต้องแบกเรือบรรทุกน้ำมันและไม่มาก ในภารกิจอวกาศสิ่งที่คุณสามารถนำติดตัวไปในการเดินทางที่ไม่ใช่เชื้อเพลิง (หรือถังน้ำมันเชื้อเพลิง) เรียกว่ามวลบรรทุกน้ำหนักบรรทุก - เช่นคนเซ็นเซอร์เซ็นเซอร์อุปกรณ์เก็บตัวอย่างอุปกรณ์สื่อสารและอาหาร เช่นเดียวกับการสะสมไมล์ของแก๊สเป็นตัวเลขที่มีประโยชน์สำหรับความประหยัดเชื้อเพลิงของรถยนต์ "สัดส่วนมวลบรรทุกน้ำหนักบรรทุก" - อัตราส่วนของมวลบรรทุกน้ำหนักของภารกิจต่อมวลรวมของมัน - เป็นตัวเลขที่มีประโยชน์สำหรับประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อน
ด้วยจรวดเคมีในปัจจุบันเศษส่วนมวลของน้ำหนักบรรทุกต่ำ “ แม้แต่การใช้วิถีพลังงานขั้นต่ำในการส่งลูกเรือหกคนจากโลกสู่ดาวอังคารด้วยจรวดเคมีเพียงอย่างเดียวมวลการยิงรวมจะอยู่ที่ 1,000 ตันต่อตันซึ่ง 90 เปอร์เซ็นต์จะเป็นเชื้อเพลิง” เบรทกรัมเดรคกล่าว ผู้จัดการสำหรับการวิเคราะห์การเปิดตัวอวกาศและการรวมที่ Johnson Space Center เชื้อเพลิงเพียงอย่างเดียวจะมีน้ำหนักสองเท่าของสถานีอวกาศนานาชาติที่เสร็จสมบูรณ์
การสำรวจดาวอังคารเพียงครั้งเดียวด้วยเทคโนโลยีการขับเคลื่อนด้วยสารเคมีในปัจจุบันจะต้องมีการเปิดตัวหลายครั้งซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นการปล่อยเชื้อเพลิงเคมี เหมือนกับว่ารถคอมแพคขนาด 1 ตันของคุณต้องการน้ำมันเบนซิน 9 ตันเพื่อขับจากนิวยอร์กไปซานฟรานซิสโกเพราะมันเฉลี่ยแค่หนึ่งไมล์ต่อแกลลอน
กล่าวอีกนัยหนึ่งระบบขับเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพต่ำเป็นหนึ่งในเหตุผลสำคัญที่ว่าทำไมมนุษย์ยังไม่เริ่มเดินบนดาวอังคาร
ระบบขับเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นจะช่วยเพิ่มส่วนมวลของน้ำหนักบรรทุกโดยให้ "ระยะก๊าซ" ที่ดีขึ้นในอวกาศ เนื่องจากคุณไม่ต้องการแรงขับมากคุณสามารถพกพาสิ่งต่าง ๆ ได้มากขึ้นใช้ยานพาหนะขนาดเล็กลงและ / หรือไปที่นั่นเร็วขึ้นและถูกลง “ ข้อความสำคัญคือเราต้องการเทคโนโลยีการขับเคลื่อนขั้นสูงเพื่อให้ภารกิจสู่ต้นทุนต่ำสู่ดาวอังคาร” Drake กล่าว
ดังนั้นตอนนี้องค์การนาซ่ากำลังพัฒนาไดรฟ์ไอออนใบเรือสุริยะและเทคโนโลยีการขับเคลื่อนที่แปลกใหม่อื่น ๆ ซึ่งเป็นเวลาหลายทศวรรษที่มนุษย์ได้ส่งเสียงไปยังดาวเคราะห์และดาวฤกษ์อื่น ๆ แต่ในหน้านิยายวิทยาศาสตร์เท่านั้น
จากเต่าสู่กระต่าย
ตัวเลือกความจริงทางวิทยาศาสตร์คืออะไร?
นาซ่าทำงานหนักในสองแนวทางพื้นฐาน อย่างแรกคือการพัฒนาจรวดใหม่ที่มีความประหยัดเชื้อเพลิงสูงกว่าเครื่องยนต์เคมี ประการที่สองคือการพัฒนาระบบที่ปลอดจากจรวดที่ขับเคลื่อนโดยทรัพยากรมากมายในสุญญากาศของห้วงอวกาศ
เทคโนโลยีทั้งหมดเหล่านี้แบ่งปันคุณลักษณะที่สำคัญอย่างหนึ่ง: เริ่มช้าเช่นเต่าสุภาษิต แต่เมื่อเวลาผ่านไปกลายเป็นกระต่ายที่ชนะการแข่งขันสู่ดาวอังคารหรือที่ใดก็ตาม พวกเขาพึ่งพาความจริงที่ว่าการเร่งความเร็วอย่างต่อเนื่องในระยะเวลาหลายเดือนในที่สุดสามารถขับเคลื่อนยานอวกาศได้เร็วกว่าการเตะเริ่มต้นครั้งใหญ่หนึ่งครั้งตามด้วยการชายฝั่งเป็นเวลานาน
ด้านบน: ยานอวกาศทรงพลังต่ำ (แนวคิดของศิลปิน) ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ไอออนและขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ในที่สุดยานจะรับความเร็วซึ่งเป็นผลมาจากการเร่งความเร็วอย่างไม่หยุดยั้งและแข่งตามหลายไมล์ต่อวินาที เครดิตภาพ: John Frassanito & Associates, Inc.
ในทางเทคนิคแล้วพวกมันคือระบบทั้งหมดที่มีแรงขับต่ำ (หมายความว่าคุณแทบจะไม่รู้สึกถึงความเร่งที่นุ่มนวลเทียบเท่ากับน้ำหนักกระดาษที่วางอยู่บนฝ่ามือของคุณ) แต่ใช้งานได้นาน หลังจากหลายเดือนของการเร่งความเร็วต่อเนื่องคุณจะถูกตัดไปหลายไมล์ต่อวินาที! ในทางตรงกันข้ามระบบขับเคลื่อนของสารเคมีเป็นแรงขับสูงและใช้เวลาในการทำงานสั้น คุณถูกบดขยี้กลับเข้าไปในเบาะที่นั่งขณะเครื่องยนต์ดับ แต่สั้น ๆ เท่านั้น หลังจากนั้นถังจะว่างเปล่า
จรวดที่ประหยัดน้ำมัน
“ จรวดเป็นสิ่งที่ขว้างอะไรบางอย่างลงทะเลเพื่อขับเคลื่อนตัวเองไปข้างหน้า” จอห์นสันกล่าว (ไม่เชื่อคำจำกัดความนั้นหรือไม่นั่งบนสเก็ตบอร์ดที่มีท่อแรงดันสูงชี้ทางเดียวและคุณจะถูกผลักไปในทางตรงกันข้าม)
ผู้สมัครชั้นนำสำหรับจรวดขั้นสูงคือสายพันธุ์ของเครื่องยนต์ไอออน ในเครื่องยนต์ไอออนในปัจจุบันตัวขับเคลื่อนเป็นก๊าซเฉื่อยที่ไม่มีสีไม่มีรสจืดไม่มีกลิ่นเช่นซีนอน แก๊สจะเต็มห้องที่มีวงแหวนแม่เหล็กซึ่งผ่านลำแสงอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนโจมตีอะตอมของก๊าซทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปและเปลี่ยนอะตอมเป็นกลางให้กลายเป็นไอออนที่ประจุบวก กริดไฟฟ้าที่มีหลายหลุม (15,000 รุ่นในวันนี้) มุ่งเน้นไอออนไปสู่ไอเสียของยานอวกาศ ไอออนยิงทะลุตะแกรงด้วยความเร็วสูงกว่า 100,000 ไมล์ต่อชั่วโมง (เปรียบเทียบกับรถแข่งอินเดียแนโพลิส 500 ที่ความเร็ว 225 ไมล์ต่อชั่วโมง) เร่งเครื่องยนต์ออกสู่อวกาศ
ไฟฟ้ามาจากที่ใดที่จะทำให้เป็นไอออนแก๊สและชาร์จเครื่องยนต์? ไม่ว่าจะมาจากแผงโซลาร์เซลล์หรือที่เรียกว่าการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์หรือจากฟิชชันหรือฟิวชั่น (หรือที่เรียกว่าการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์) เครื่องยนต์ขับเคลื่อนไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์จะมีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับภารกิจหุ่นยนต์ระหว่างดวงอาทิตย์และดาวอังคารและเครื่องยนต์ขับเคลื่อนไฟฟ้านิวเคลียร์สำหรับภารกิจหุ่นยนต์ที่อยู่เหนือดาวอังคารที่ดวงอาทิตย์อ่อนแอหรือภารกิจมนุษย์ที่มีความเร็วเป็นสาระสำคัญ
ไอออนขับเคลื่อนทำงานได้ พวกเขาได้พิสูจน์ความกล้าหาญของพวกเขาไม่เพียง แต่ในการทดสอบบนโลก แต่ในการทำงานยานอวกาศ - เป็นที่รู้จักกันดีที่สุดว่าเป็นห้วงอวกาศ 1 ภารกิจทดสอบเทคโนโลยีขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่บินผ่านและถ่ายภาพ Comet Borrelly ในเดือนกันยายน 2001. ไอออนไดรฟ์เช่นเดียวกับที่ขับเคลื่อนห้วงอวกาศ 1 นั้นมีประสิทธิภาพราว ๆ 10 เท่าของจรวดเคมี
ระบบที่ปราศจากการขับเคลื่อน
อย่างไรก็ตามระบบขับเคลื่อนที่มีมวลน้อยที่สุดอาจเป็นระบบที่ไม่มีแรงขับเคลื่อนบนเรือเลย ในความเป็นจริงพวกเขาไม่ได้แม้แต่จรวด แต่ในสไตล์ผู้บุกเบิกที่แท้จริงพวกเขา "อยู่นอกแผ่นดินโลก" - ใช้พลังงานจากทรัพยากรธรรมชาติมากมายในอวกาศให้มากที่สุดเท่าที่ผู้บุกเบิกในสมัยก่อนอาศัยอาหารในการดักสัตว์และค้นหารากและผลเบอร์รี่ที่ชายแดน
ผู้สมัครชั้นนำทั้งสอง ได้แก่ ใบเรือสุริยะและใบเรือพลาสม่า แม้ว่าผลกระทบจะคล้ายกัน แต่กลไกการดำเนินงานแตกต่างกันมาก
เรือสุริยะประกอบไปด้วยพื้นที่ของใยบัวขนาดใหญ่ซึ่งเป็นวัสดุสะท้อนแสงสูงที่ลอยอยู่ในห้วงอวกาศเพื่อจับแสงจากดวงอาทิตย์ (หรือจากไมโครเวฟหรือลำแสงเลเซอร์จากโลก) สำหรับภารกิจที่ทะเยอทะยานมากใบเรืออาจมีระยะทางถึงหลายตารางกิโลเมตรในพื้นที่
เรือใบพลังงานแสงอาทิตย์ใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าโฟตอนแสงอาทิตย์แม้ว่าจะไม่มีมวล แต่ก็มีโมเมนตัมหลาย micronewtons (ประมาณน้ำหนักเหรียญ) ต่อตารางเมตรที่ระยะทางของโลก ความดันรังสีที่อ่อนโยนนี้จะช้าลง แต่แน่นอนเร่งความเร็วของเรือและน้ำหนักบรรทุกของมันออกไปจากดวงอาทิตย์ถึงความเร็วสูงถึง 150,000 ไมล์ต่อชั่วโมงหรือมากกว่า 40 ไมล์ต่อวินาที
ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยคือการแล่นเรือพลังงานแสงอาทิตย์จับลมสุริยะกระแสอิเล็กตรอนและโปรตอนที่มีพลังที่ต้มออกไปจากบรรยากาศชั้นนอกของดวงอาทิตย์ ไม่เช่นนั้น เรือใบพลังงานแสงอาทิตย์ได้รับแรงกระตุ้นจากแสงแดด อย่างไรก็ตามเป็นไปได้ที่จะแตะโมเมนตัมของลมสุริยะโดยใช้สิ่งที่เรียกว่า "ใบเรือพลาสม่า"
พลาสม่าแล่นเรือจำลองในสนามแม่เหล็กของโลก แม่เหล็กไฟฟ้าออนบอร์ดที่ทรงพลังจะล้อมรอบยานอวกาศด้วยฟองแม่เหล็ก 15 หรือ 20 กิโลเมตรข้าม อนุภาคที่มีความเร็วสูงในลมสุริยะจะผลักฟองแม่เหล็กเช่นเดียวกับที่พวกเขาทำสนามแม่เหล็กของโลก โลกไม่เคลื่อนไหวเมื่อมันถูกผลักด้วยวิธีนี้ - ดาวเคราะห์ของเราใหญ่เกินไป แต่ยานอวกาศจะถูกผลักออกไปจากดวงอาทิตย์ (โบนัสเพิ่มเช่นเดียวกับที่สนามแม่เหล็กของโลกป้องกันดาวเคราะห์ของเราจากการระเบิดจากแสงอาทิตย์และพายุรังสีดังนั้นพลาสมาพลาสมาแม่เหล็กจะปกป้องผู้อยู่อาศัยของยานอวกาศ)
ด้านบน: แนวคิดของศิลปินเกี่ยวกับยานสำรวจอวกาศภายในฟองแม่เหล็ก (หรือ“ พลาสมาเซล”) อนุภาคที่มีประจุในลมสุริยะกระทบฟองใช้แรงดันและขับเคลื่อนยานอวกาศ [มากกว่า]
แน่นอนว่าเทคโนโลยีดั้งเดิมที่ปราศจากการขับเคลื่อนและขับเคลื่อนด้วยจรวดนั้นเป็นระบบช่วยแรงโน้มถ่วง เมื่อยานอวกาศหมุนรอบดาวเคราะห์มันสามารถขโมยโมเมนตัมการโคจรของดาวเคราะห์ได้ สิ่งนี้สร้างความแตกต่างให้กับดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ไม่มากนัก แต่มันสามารถเพิ่มความเร็วของยานอวกาศได้อย่างน่าประทับใจ ตัวอย่างเช่นเมื่อกาลิเลโอเหวี่ยงโดยโลกในปี 1990 ความเร็วของยานอวกาศเพิ่มขึ้น 11,620 ไมล์ต่อชั่วโมง ขณะที่โลกชะลอตัวในวงโคจรของมันด้วยจำนวนน้อยกว่า 5 พันล้านส่วนของนิ้วต่อปี แรงโน้มถ่วงดังกล่าวมีประโยชน์ในการเสริมรูปแบบของระบบขับเคลื่อน
ตกลงตอนนี้คุณได้ซิปผ่านอวกาศระหว่างดาวเคราะห์คุณจะทำให้ช้าลงที่ปลายทางพอที่จะเข้าสู่วงโคจรที่จอดรถและเตรียมพร้อมสำหรับการลงจอดได้อย่างไร ด้วยการขับเคลื่อนทางเคมีเทคนิคปกติคือทำการยิง retrorockets - อีกครั้งซึ่งต้องใช้เชื้อเพลิงออนบอร์ดจำนวนมาก
ทางเลือกที่ประหยัดกว่านี้คือสัญญาโดย aerocapture - การเบรกยานอวกาศโดยการเสียดสีกับชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ปลายทาง แน่นอนว่าเคล็ดลับคือไม่ปล่อยให้ยานอวกาศอวกาศความเร็วสูงเผาผลาญ แต่นักวิทยาศาสตร์ของนาซ่ารู้สึกว่าด้วยการป้องกันความร้อนที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมมันจะเป็นไปได้สำหรับภารกิจหลายอย่างที่จะถูกจับขึ้นสู่วงโคจรรอบดาวเคราะห์ปลายทางด้วยการผ่านเพียงหนึ่งครั้งผ่านชั้นบรรยากาศของมัน
ต่อไปข้างหน้า!
“ ไม่มีเทคโนโลยีการขับเคลื่อนเดียวที่จะทำทุกอย่างเพื่อทุกคน” จอห์นสันเตือน ที่จริงแล้วใบเรือสุริยะและใบเรือพลาสม่าน่าจะมีประโยชน์เป็นหลักในการขับเคลื่อนการขนส่งสินค้ามากกว่ามนุษย์จากโลกสู่ดาวอังคารเพราะ“ มันใช้เวลานานเกินไปสำหรับเทคโนโลยีเหล่านั้นที่จะลุกขึ้นหนีเร็ว” เดรกกล่าว
อย่างไรก็ตามไฮบริดของเทคโนโลยีหลายอย่างสามารถพิสูจน์ได้ว่าประหยัดมากในการรับภารกิจประจำไปดาวอังคาร ในความเป็นจริงการรวมกันของการขับเคลื่อนทางเคมี, การขับเคลื่อนด้วยไอออนและ aerocapture สามารถลดมวลการเริ่มต้นของภารกิจดาวอังคาร 6 คนลงไปต่ำกว่า 450 เมตริกตัน (ต้องมีการเปิดตัวเพียงหกครั้ง) - น้อยกว่าครึ่งหนึ่ง
ภารกิจลูกผสมเช่นนี้อาจเป็นเช่นนี้: จรวดเคมีตามปกติจะทำให้ยานอวกาศหลุดจากพื้นดิน เมื่ออยู่ในวงโคจรของโลกต่ำโมดูลไดรฟ์ไอออนจะจุดไฟหรือตัวควบคุมภาคพื้นดินอาจปรับใช้ใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลาสมา เป็นเวลา 6 ถึง 12 เดือนยานอวกาศ - หมดกำลังใจชั่วคราวเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ลูกเรือได้รับรังสีปริมาณมากในแถบรังสีของแวนอัลเลนของโลก - จะหมุนวนไปเรื่อย ๆ และค่อยๆเร่งขึ้นสู่วงโคจรรอบโลกที่สูงที่สุด จากนั้นลูกเรือจะถูกพาไปยังยานพาหนะ Mars ด้วยรถแท็กซี่ความเร็วสูง เคมีขั้นเล็ก ๆ จะเตะยานขึ้นเพื่อหลบหนีความเร็วและมันจะมุ่งหน้าไปยังดาวอังคาร
เมื่อโลกและดาวอังคารโคจรรอบวงโคจรของมันเรขาคณิตเชิงสัมพัทธ์ระหว่างดาวเคราะห์ทั้งสองก็เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา แม้ว่าโอกาสในการเปิดตัวสู่ดาวอังคารจะเกิดขึ้นทุก ๆ 26 เดือน แต่การจัดตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเดินทางที่ถูกที่สุดและเร็วที่สุดเกิดขึ้นได้ทุก ๆ 15 ปีซึ่งเป็นการเดินทางครั้งต่อไปที่จะเกิดขึ้นในปี 2561
บางทีเราอาจมีคำตอบที่แตกต่างออกไปสำหรับคำถาม“ ฮุสตันเราอยู่ที่นั่นหรือยัง”
แหล่งที่มาดั้งเดิม: เรื่องราววิทยาศาสตร์ของนาซา
