ทะยานสู่ดวงดาว ด้วยระบบขับดันแห่งอนาคต ตอนที่ 2

ทะยานสู่ดวงดาว ด้วยระบบขับดันแห่งอนาคต ตอนที่ 2

โดย รวิศ ทัศคร


 

         ในบทความตอนที่แล้ว เราได้สำรวจชนิดของเครื่องยนต์ขับดันบางชนิดที่ออกแบบเอาไว้เพื่อใช้งานในระบบสุริยะ แต่ถ้าเรามองภาพอนาคตข้างหน้าในสักวันหนึ่ง… วันที่การเดินทางระหว่างดาวฤกษ์ไม่ใช่ความฝันอีกต่อไป มีเครื่องยนต์หรือระบบขับดันแบบไหนบ้างที่จะหยิบยกขึ้นมาพูดคุย เราลองมาดูกันครับ

เครื่องยนต์ขับดันระหว่างดาวฤกษ์ประเภทแรมเจ็ต (Interstellar Ramjet)

         เครื่องยนต์ชนิดนี้ได้ชื่อมาเพราะแนวคิดของหลักการบางส่วนมีความคล้ายคลึงกับเครื่องยนต์แรมเจ็ตที่ใช้ในชั้นบรรยากาศสำหรับอากาศยาน ซึ่งมีหลักการต่างจากเครื่องยนต์เจ็ตทั่วไปคือให้อากาศไหลเข้ามาในช่องลมเข้าด้วยความเร็วเหนือเสียง แล้วลดความเร็วอากาศลงโดยการบีบอัดให้มีความเร็วต่ำกว่าเสียง ด้วยอุปกรณ์ที่มีชื่อว่า diffuser จากนั้นจะฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปให้เผาไหม้กับอากาศในห้องเผาไหม้จนมีอุณหภูมิและความดันสูง ก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้จะวิ่งออกทางด้านหลังผ่านบริเวณของท่อไอพ่น ซึ่งจะเร่งให้เร็วขึ้นด้วยหัวฉีดแบบท่อถ่าง (divergent nozzle) เพื่อให้มีความเร็วตอนปล่อยออกจากท่อไอพ่นแบบความเร็วเหนือเสียงและให้แรงขับดันมาก มีความเรียบง่ายของการทำงานอย่างมากเมื่อเทียบกับเครื่องเทอร์โบเจ็ต (turbofan jet engine) ธรรมดาที่ใช้กันในเครื่องบินปกติ

แต่จุดอ่อนคือ หากจะให้ทำงานได้ จะต้องมีความเร็วที่สูงพอเสียก่อน หมายถึงก่อนจะติดเครื่องต้องใช้เครื่อง turbofan มาผลักดันเครื่องบินให้มีความเร็วถึงก่อนนั่นเอง โดยเครื่องแรมเจ็ตจะมีประสิทธิภาพที่สุดในช่วงสามเท่าของความเร็วเสียง และอาจทำงานได้จนถึงความเร็วห้าหรือหกเท่าของความเร็วเสียง มีเครื่องยนต์อีกแบบที่คล้ายกันคือ scramjet แต่มีความแตกต่างจาก ramjet คือแทนที่จะลดความเร็วอากาศที่เข้าในตัวเครื่องลง ก็จะใช้อากาศที่ไหลด้วยความเร็วเหนือเสียงเลย

ภาพเครื่องยนต์เจ็ตแบบต่าง ๆ
(ที่มาของภาพ
https://www.clearias.com/up/turbojet-ramjet-scramjet.png)

          หลักการของเครื่องยนต์แรมเจ็ตสำหรับขับดันยานอวกาศที่จะใช้เดินทางระหว่างดาวฤกษ์ ก็มีความเหมือนบางประการกับเครื่องยนต์แรมเจ็ตสำหรับใช้ในชั้นบรรยากาศของโลก แนวคิดนี้ได้รับการเสนอขึ้นโดยนักฟิสิกส์ชื่อ โรเบิร์ต ดับเบิลยู บัสซาร์ด (Robert W. Bussard) ในปี พ.ศ. 2503 ในงานตีพิมพ์ของเขา[1] Bussard เกิดเมื่อปี พ.ศ. 2471 และเสียชีวิตเมื่อปี พ.ศ. 2550 ตลอดทั้งชีวิตของเขา เขาได้ทำงานที่น่าสนใจมากมาย เช่น โครงการโรเวอร์ (Project Rover) ซึ่งเป็นโครงการจรวดขับดันด้วยพลังงานนิวเคลียร์ที่ห้องปฏิบัติการ Los Alamos Scientific Laboratory (LASL) ในช่วงปี พ.ศ. 2498-2516 และยังได้เขียนหนังสือตำราเฉพาะเรื่อง (monographs) ที่อธิบายหลักการเกี่ยวกับระบบขับเคลื่อนจรวดด้วยพลังงานนิวเคลียร์โดยละเอียดสองชิ้น ได้แก่ Nuclear Rocket Propulsion และ Fundamentals of Nuclear Flight จากงานวิจัยของเขา และยังเป็นผู้ประดิษฐ์ Polywell ซึ่งเป็นชื่อของอุปกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันประเภทที่ใช้สนามไฟฟ้าในการกักเก็บพลาสมาแทนที่จะใช้สนามแม่เหล็กแบบที่นิยมกันอีกด้วย

         แนวคิดนี้มีการนำมาใช้ในนวนิยายวิทยาศาสตร์ประเภท Hard Science Fiction ชื่อ Tau Zero ซึ่งประพันธ์โดย โพล แอนเดอร์สัน (Poul Anderson) ในปี พ.ศ. 2513 และรวมถึงในนวนิยายชุด Known Space ซึ่งประพันธ์โดย ลาร์รี นิเวน (Larry Niven) ซึ่งมีนวนิยายชุด พิภพวงแหวน (Ringworld) เป็นส่วนหนึ่งในนั้นอีกด้วย


ภาพหน้าปกดั้งเดิมของนวนิยาย Tau Zero ในปี พ.ศ. 2513 (ซ้าย)
และหน้าปกฉบับพิมพ์ใหม่ในปี พ.ศ. 2549 (ขวา)

        แนวคิดที่เป็นข้อดีมากของเครื่องยนต์ขับดันระหว่างดวงดาวแบบแรมเจ็ตคือ แทนที่ยานจะต้องบรรทุกเอาเชื้อเพลิงขับดันซึ่งเป็นมวลมหาศาลไปกับยานด้วย ก็ใช้ก๊าซที่มีในอวกาศระหว่างดาวฤกษ์เป็นแหล่งพลังงานเสียเลย เพื่อให้กำลังแก่เครื่องยนต์ที่อาศัยหลักการนิวเคลียร์ฟิวชันที่จะจ่ายไอพ่นออกมาที่ความเร็วสูง ก๊าซที่อยู่ในอวกาศระหว่างดวงดาวคือก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งจะถูกเก็บรวบรวมด้วยการใช้โครงสร้างรูปจานตอนหน้ายาน และโครงเสริมที่กำเนิดสนามแม่เหล็กที่มีพื้นที่คิดเป็นพื้นที่ของส่วนรวบรวมก๊าซไฮโดรเจนถึง 10,000 ตารางกิโลเมตร โดยโครงสร้างทั้งหมดของยานมีมวลรวมกัน 100 ตัน

          การที่จะรวบรวมไฮโดรเจนในอวกาศระหว่างดาวฤกษ์นั้นทำได้ไม่ง่าย เพราะแม้ปริมาณเพียง 1 กรัม ที่มีความหนาแน่นอนุภาค 10-21 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ยานก็จะต้องวิ่งกวาดในอวกาศคิดเป็นเนื้อที่เชิงปริมาตรถึง 9.5×1017 ลูกบาศก์เมตร เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการกวาดของยาน มีการเสนอแนวคิดให้ยิงลำแสงเลเซอร์ไปหน้ายาน เพื่อทำให้ก๊าซในอวกาศด้านหน้ายานแตกตัวเป็นโปรตอนที่มีประจุไฟฟ้าให้มากขึ้น แล้วรวบรวมด้วยสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ด้วยโครงตาข่ายไมลาร์เพื่อบังคับทิศทางของสนาม โดยการจะสร้างสนามแม่เหล็กใหญ่ขนาดนี้จะต้องใช้แหล่งพลังงานขนาดใหญ่ซึ่งจะทำให้มวลของยานเพิ่มขึ้น

         นอกจากนี้ยังมีปัญหาที่ต้องพิจารณาเกี่ยวกับชนิดของเชื้อเพลิง ซึ่งไฮโดรเจนในอวกาศระหว่างดาวฤกษ์จะมีค่าภาคตัดขวาง (cross section) ต่ำ ส่งผลให้มีโอกาสที่โปรตอนจะมาหลอมรวมกันเป็นฮีเลียมน้อย ทำให้มีอัตราการปลดปล่อยพลังงานช้าเมื่อเทียบกับไอโซโทปชนิดอื่นๆ เช่น ฮีเลียม-3 ดิวเทอเรียม หรือทริเทียม

         ปัญหาอีกประการเกี่ยวกับแรมเจ็ตคือ หากต้องการเก็บรวบรวมเชื้อเพลิงปริมาณที่เพียงพอต่อการทำงาน มันจะต้องเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงที่ความเร็วหลายเปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง การไปให้ถึงความเร็วนี้ยานจะต้องใช้เครื่องยนต์ขับดันแยกต่างหากอีกระบบ โดยอาจเป็นเครื่องยนต์ฟิวชันที่มีสารเชื้อเพลิงขับดันถังเดี่ยวที่เพียงพอที่จะทำให้ยานไปถึงความเร็วที่ต้องการก่อนจะใช้การกวาด ram scoop ได้ นอกจากนี้มันอาจจะเร่งความเร็วถึงความเร็วปานกลางด้วยใบเรืออวกาศ หรือโดยใช้ลำแสงเลเซอร์ขับดันก็สามารถทำได้

          เนื่องจากยานที่ใช้เครื่องยนต์ขับดันแรมเจ็ตเคลื่อนที่เร็วมาก มันจึงมีความเสียดทานมากจากตัวกลางที่เป็นก๊าซในอวกาศที่มันใช้เก็บไฮโดรเจนซึ่งเป็นสัดส่วนกับความเร็วยกกำลังสอง ทำให้หลายคนคิดว่าสิ่งที่เกิดขึ้นนี้จะทำให้เครื่องยนต์มีขีดจำกัดความเร็วที่ทำได้ เนื่องจากเมื่อไฮโดรเจนระหว่างดาวฤกษ์ถูกเก็บรวบรวมเข้าไปในกรวยและเกิดการถ่ายโอนโมเมนตัม มันจะเริ่มร้อนขึ้นจากการบีบอัด ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานความร้อน ซึ่งจะก่อให้เกิดการฉุดและลดประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่อง

         นอกจากนี้อาจจะจริงที่ในตอนต้นยานสามารถเร่งความเร็วได้อย่างต่อเนื่องโดยรวบรวมอะตอมไฮโดรเจนที่เคลื่อนที่ช้าในอวกาศ และพ่นมันออกไปที่ท่อไอพ่นด้านหลังด้วยความเร็วสูง แต่เมื่อยานเร่งความเร็วสูงขึ้น ความเร็วของอะตอมไฮโดรเจนที่รวบรวมเข้ามาก็จะเริ่มมีค่าเขยิบเข้าใกล้ความเร็วของไอพ่นที่พ่นออกไปด้านหลัง สิ่งนี้จึงเป็นอีกปัจจัยที่เป็นตัวจำกัดความเร็วของระบบขับดันของตัวมัน เราอาจเปรียบเทียบให้เห็นภาพในชีวิตประจำวันได้กับกรณีเรือสะเทินน้ำสะเทินบกที่ใช้ใบพัดในการเป่าลมไปด้านหลังเพื่อให้เรือแล่นไปข้างหน้า เนื่องจากตัวใบพัดจะก่อให้เกิดแรงฉุดหากมันไม่สามารถทำความเร็วได้ทันกับความเร็วของอากาศที่เข้ามายังใบพัด ซึ่งจะทำให้เกิดการจำกัดความเร็วสูงสุดในทางทฤษฎีของเรือให้เท่ากับความเร็วของอากาศที่ออกมาจากใบพัดนั่นเอง (แม้จะคิดโดยยังไม่นำเอาความต้านทานอากาศมานับรวมด้วยก็ตาม) แต่ปัญหานี้อาจพอมีทางแก้ให้ดีขึ้นได้ด้วยการใช้แถวอาร์เรย์ของอุปกรณ์กำเนิดคลื่นไมโครเวฟหรือแสงเลเซอร์แรงสูง เพื่อเพิ่มพลังงานให้กระแสของไฮโดรเจนที่ไหลเข้ามาให้ไหลออกไปได้เร็วขึ้น ซึ่งแม้ความเร็วของยานจะถูกจำกัดด้วยความเร็วไอพ่นขาออกเช่นเดิม แต่ขีดจำกัดความเร็วจะเพิ่มขึ้นได้จากเดิมมาก

         อีกประการหนึ่งน่าเสียดาย ขณะนี้ดวงอาทิตย์ของเรากำลังโคจรอยู่ในส่วนของดาราจักรทางช้างเผือกที่มีก๊าซไฮโดรเจนระหว่างดาวฤกษ์อยู่หนาแน่นน้อยกว่าที่อื่นในทางช้างเผือกถึง 10 เท่า การที่ก๊าซมีความเบาบางจนเรียกได้ว่าเป็นโพรงก๊าซ (local bubble) นั้นอาจเกิดจากการระเบิดของดาวฤกษ์ในอดีตเมื่อหลายพันปีมาแล้ว ดังนั้นในอนาคตหากมีการสร้างยานแบบนี้ขึ้นมาจริงๆ แหล่งพลังงานที่ใช้ก็จะต้องการพลังงานมากกว่าที่บริเวณอื่นของกาแล็กซีอย่างน้อยสิบเท่า อย่างไรก็ตามข้อได้เปรียบที่ยานไม่ต้องบรรทุกเชื้อเพลิงติดไปด้วยมากเท่าวิธีอื่นก็ยังคงเป็นสิ่งที่ทำให้วิธีนี้ยังคงเป็นวิธีที่มีโอกาสเป็นไปได้มากที่สุดวิธีหนึ่ง ที่เราจะไปให้ถึงดวงดาว


ภาพวาดยานจากแนวคิด interstellar ramjet
(ที่มา https://www.daviddarling.info/encyclopedia/I/interstellar_ramjet.html )

 

แนวคิดใหม่ : Black Hole Evaporator Engine

          หลังจากแนวคิดของเครื่องยนต์ขับดันแบบแรมเจ็ต ก็มีวิศวกรการบินและอวกาศ และนักฟิสิกส์ ชื่อ เคลวิน เอฟ ลอง (Kelvin F. Long) ซึ่งทำงานเกี่ยวกับโจทย์ปัญหาด้านการเดินทางในอวกาศระหว่างดวงดาวมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2550 เขาคนนี้เป็นผู้ริเริ่มและร่วมก่อตั้งโครงการ Project Icarus ซึ่งเป็นโครงการออกแบบยานอวกาศที่ใช้พลังงานนิวเคลียร์ฟิวชัน และเป็นผู้ร่วมก่อตั้งโครงการศึกษายานเรือใบอวกาศชนิดใช้แสงเลเซอร์เป็นตัวขับดัน (laser sail) ในโครงการ Project Dragonfly ซึ่งเคยทำงานสอนด้านการออกแบบเชิงวิศวกรรมเป็นเวลาสองปี ก่อนจะทำงานเป็นอาจารย์ด้านวิทยาการอวกาศที่มหาวิทยาลัย Reading ประเทศอังกฤษ รวมถึงเป็นนักฟิสิกส์ที่ทำงานให้กระทรวงกลาโหมของอังกฤษ ก่อนมาเป็นศาสตราจารย์รับเชิญที่มหาวิทยาลัย International Space University (ISU)

         ที่นี่เองเขาได้เกิดแนวคิดหนึ่งเกี่ยวกับเทคโนโลยีในการเดินทางในอวกาศ และได้เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาร่วมในวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาโทให้นักศึกษาชื่อ แอนดรูว์ อเล็กซานเดอร์ (Andrew Alexander) ซึ่งใช้ชื่อวิทยานิพันธ์ว่า Project BAIR: The Black Hole Augmented Interstellar Rocket ซึ่งได้ไอเดียมาจากข่าวคราวในช่วงปี พ.ศ. 2553 ที่จะมีการเดินเครื่องเร่งอนุภาค LHC ที่หน่วยงาน CERN และก่อให้เกิดความกังวลว่ามันอาจก่อให้เกิดหลุมดำจิ๋วขึ้นบนโลก จากการที่อนุภาคพลังงานสูงสองอนุภาคที่ถูกเร่งมาชนกันและอาจเกิดการยุบตัวลงภายในรัศมีชวาร์ซชายด์ (Schwarzschild radius) ของมันและก่อให้เกิดเป็นหลุมดำได้ ซึ่งในขณะนั้นความกังวลเกี่ยวกับการสร้างหลุมดำบนโลก ก็ทำให้เกิดการอภิปรายอย่างเผ็ดร้อน ซึ่งคนบางส่วนก็กลัวว่าหลุมดำจะกลืนโลก บางส่วนก็เห็นว่าหลุมดำจิ๋วอาจจะวิ่งทะลุโลกไปโดยเกิดผลเสียอะไร จนทำให้มีกระแสดำเนินการทางกฎหมายเพื่อพยายามไม่ให้เครื่องเร่งอนุภาคของ CERN เดินเครื่องได้

          แต่ท้ายที่สุด เครื่องเร่งอนุภาค LHC ก็เดินเครื่องทดลองจนได้ และปิดปรับปรุงไปในปี พ.ศ. 2561 ซึ่งแม้ว่าจะก่อให้เกิดความห่วงใยในความเป็นไปได้ที่จะเกิดหลุมดำบนโลก แต่ทีมของศาสตราจารย์เคลวินและอเล็กซานเดอร์ก็เห็นถึงศักยภาพในการนำหลักการทางฟิสิกส์มาประยุกต์ใช้เสริมกับหลักการเดิมของเครื่องยนต์ขับดันแรมเจ็ต แนวคิดของพวกเขาเกี่ยวกับประเด็นที่ตัวไฮโดรเจนนั้นมีค่าภาคตัดขวาง (cross section) ต่ำ ทำให้ยากต่อการเกิดปฏิกิริยาฟิวชันขณะที่ยังมีพลังงานสูง แนวคิดของพวกเขาจึงยังเป็นการรวบรวมโปรตอนพลังงานสูง ด้วยการกวาดด้วยสนามแม่เหล็กตามที่ออกแบบไว้โดยแนวคิดเครื่องยนต์ขับดันแบบ interstellar ramjet เพียงแต่แทนที่จะลดพลังงานลงอยู่ในระดับที่เหมาะสม หรือจับมันเอาไว้ ก็จะปล่อยให้มันชนกันเองตามธรรมชาติ ซึ่งหากมีจำนวนที่หนาแน่นมากพอ และการทำนายทางฟิสิกส์ถูกต้อง การชนกันเหล่านี้ก็จะก่อให้เกิดการยุบตัวลงเป็นหลุมดำจิ๋ว และเกิดการระเหยทันทีของอนุภาคต่างๆ ด้วยการแผ่รังสีของฮอว์คิง  บางอนุภาคจะไม่มีประจุ แต่บางอนุภาคจะมีประจุ ทำให้ควบคุมทิศทางด้วยสนามแม่เหล็กได้ ซึ่งหากบังคับไปตามช่องทางให้พุ่งไปด้านหลังของยานได้ มันก็จะทำหน้าที่เป็นไอพ่นไปโดยปริยาย กลไกนี้เรียกว่าเครื่องยนต์ขับดันที่อาศัยการระเหยของหลุมดำนั่นเอง

เครื่องยนต์ขับดันระหว่างดาวฤกษ์ที่อาศัยปฏิสสาร

         ปฏิสสารเป็นวัตถุที่มีภาวะตรงข้ามกับสสาร นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ทำนายเกี่ยวกับการมีอยู่ของปฏิสสารในปี พ.ศ. 2471 คือ พอล เอเดรียน มอริซ ดิแรก หรือ พอล ดิแรก (Paul Dirac) นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอังกฤษ ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งฟิสิกส์สาขากลศาสตร์ควอนตัม และเขาได้สร้างสมการดิแรก ซึ่งเป็นสมการที่รวมทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเข้ากับสมการกลศาสตร์ควอนตัมได้สำเร็จ ซึ่งจากการแก้สมการพบว่า อิเล็กตรอนมีสองชนิด คือ อิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าลบ ที่เรารู้จักกัน และอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าบวก ซึ่งค้นพบในปี พ.ศ. 2475 และได้ชื่อเรียกว่า โพสิตรอน นั่นเอง ส่วนแอนติโปรตอนค้นพบในปี พ.ศ. 2498 ตามมาด้วยแอนตินิวตรอนในปี พ.ศ. 2499

          ในโลกเราไม่มีปฏิสสารมากนักเพราะหากจะมีก็มีแต่ในห้องทดลอง เนื่องจากปฏิสสารได้หายไปเกือบหมดในการทำปฏิกิริยาหักล้างกับสสารปกติไปแล้วในช่วงต้นของการก่อกำเนิดเอกภพ อย่างไรก็ตามปฏิสสารอาจเกิดได้ในเหตุการณ์ที่มีพวยสุริยะ (solar flare) ซึ่งการระเบิดบนชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ทำหน้าที่เหมือนเครื่องเร่งอนุภาคทำให้เกิดการค้นพบปรากฏการณ์นี้ในการระเบิดของพวยสุริยะในเดือนกรกฎาคม ปี พ.ศ. 2545 ซึ่งก่อให้เกิดปฏิสสารราวครึ่งกิโลกรัม และทำให้เกิดการระเบิดใหญ่จากการทำลายล้างซึ่งกันและกันกับสสารปกติ จนหายไปกลายเป็นพลังงานและการแผ่รังสี จนยาน Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) ของนาซาสังเกตรังสีเอกซ์ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาการทำลายล้างนั้นได้

         การชนกันของคู่อนุภาคสสาร-ปฏิสสารจะส่งผลให้ทำลายล้างกันจนเกิดเป็นรังสีแกมมา 1/3 ส่วน และอนุภาคไพออนที่มีประจุอีก 2/3 ส่วน ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณร้อยละ 94 ของความเร็วแสง แต่มีอายุสั้น ในอนาคตหากมียานที่ใช้การทำงานด้วยปฏิสสาร ไพออนอาจมีอายุยืนยาวพอที่จะวิ่งไปได้ระยะทางราว 20 เมตร และถูกเบี่ยงทิศทางได้ด้วยพวยไอพ่นที่อาศัยสนามแม่เหล็กควบคุมทิศทาง ปฏิกิริยาระหว่างโปรตอนกับแอนติโปรตอนจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนและโพสิตรอน (แอนติอิเล็กตรอน) รวมถึงนิวตรอนพลังงานสูง และรังสีแกมมา ซึ่งรังสีแกมมานั้นยากที่จะนำให้เกิดไอพ่นได้ การขับดันด้วยปฏิสสารจึงยากที่จะทำในทางปฏิบัติ

ปฏิสสารมีพลังงานมากน้อยเท่าใด
          พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิสสารนั้นมีค่าประมาณหนึ่งพันเท่าของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน และมากกว่าปฏิกิริยาฟิวชันหนึ่งร้อยเท่า ปฏิสสารเพียงหนึ่งกรัมจะมีพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาได้เท่ากับเชื้อเพลิงเคมีถึงสองหมื่นตัน

          ปฏิสสารมีดีขนาดนี้ แต่การสร้างเครื่องยนต์ขับดันพลังปฏิสสารขึ้นมาใช้งานในทางปฏิบัติยังมีอุปสรรคใหญ่หลายประการ เป็นต้นว่าค่าใช้จ่ายในการผลิต

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์อวกาศมาร์แชลของนาซาได้พัฒนาเครื่องกักเก็บแอนติโปรตอน ที่ชื่อ High Performance Antiproton Trap (HiPART) โดยใช้สนิมไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในการกักอนุภาคมีประจุเอาไว้ ส่วนเครื่องของมหาวิทยาลัย Penn State University ที่ชื่อ Mark I สามารถกักเก็บแอนติโปรตอนเอาไว้ได้หมื่นล้านอนุภาคเป็นเวลาประมาณหนึ่งสัปดาห์ โดยต้นทุนค่าใช้จ่ายในการผลิตปฏิสสารจะมีค่าราวแสนล้านดอลลาร์สหรัฐต่อมิลลิกรัม แต่กำลังการผลิตแอนติโปรตอนทั่วโลกอยู่ที่ปริมาณเพียง 1–10 นาโนกรัมต่อปี เพราะวิธีทำแอนติโปรตอนต้องใช้เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่เพื่อทำให้ลำโปรตอนชนกันที่อัตราฟลักซ์โปรตอนประมาณ 1015 อนุภาคต่อวินาที ไปที่เป้าหมาย ซึ่งจะทำให้เกิดแอนติโปรตอนที่อีกด้านของเป้า

          มีการเสนอเทคนิคต่างๆ ที่จะทำให้จรวดพลังปฏิสสารเป็นไปได้หลายวิธี วิธีแรกได้แก่ การใช้แอนติโปรตอนเข้าทำลายโปรตอนในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ทำจากทังสเตนหรือกราไฟต์ ซึ่งจะดูดซับเอาไพออนหรือรังสีแกมมาที่เกิดขึ้น เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่สูบผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนนี้จะอุ่นให้ร้อนโดยพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาทำลายล้างระหว่างสสาร-ปฏิสสาร แล้วจึงใช้ก๊าซเหล่านี้ในการกำเนิดไอพ่นขับเคลื่อน ซึ่งการใช้หลักการออกแบบเครื่องยนต์ขับดันในแบบ solid core engine เหมือนเครื่องยนต์จรวดที่ทำงานด้วยพลังงานความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์จะให้ค่า specific impulse ประมาณ 1000 วินาที

ภาพ solid core nuclear thermal rocket (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA)) ซึ่งเคยมีการทดลองขึ้นในช่วงปี พ.ศ. 2511-2512 สารที่ใช้ขับดันจะผ่านเข้าไปในส่วนปฏิกรณ์ในฐานะสารหล่อเย็น และดูดซับความร้อนมาจนร้อนขึ้นและขับดันออกทางด้านหลัง

          แต่แทนที่จะให้อนุภาคทำลายล้างกัน แยกต่างหากจากเชื้อเพลิง อาจฉีดแอนติโปรตอนเข้าไปในกระแสของเชื้อเพลิงไฮโดรเจนโดยตรง การใช้สนามแม่เหล็กควบคุมอนุภาคมีประจุจะทำให้ประสิทธิภาพของค่า specific impulse สูงถึง 3,000 วินาที นอกจากนี้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ขับดันแบบนี้ยังทำให้ดีขึ้นได้อีกโดยการใช้สนามแม่เหล็กแบบ diverging magnetic field เพื่อโฟกัสอนุภาคมีประจุที่วิ่งด้วยความเร็วสัมพัทธภาพไปยังท่อทางออก เชื้อเพลิงไฮโดรเจนยังสามารถทำให้แตกตัวเป็นประจุอยู่ในรูปพลาสมาก่อนจะฉีดแอนติโปรตอนเข้าไปได้อีกด้วย ซึ่งการออกแบบด้วยหลักการดังกล่าวเรียกว่า beam core และ plasma core reactor design

          ทางเลือกอีกแบบในการรวมอนุภาคปฏิสสารกับปฏิกิริยาฟิวชันคือแนวทางที่เรียกว่า Magnetically Insulated Inertial Confinement Fusion (MICF) ซึ่งหลักการคือการให้ลำของแอนติโปรตอนทำปฏิกิริยากับเม็ดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ฟิวชันที่มีดิวเทอเรียมและทริเทียมบรรจุอยู่ภายใน (DT fusion pellet) วัสดุภายนอกอาจเป็นยูเรเนียม เมื่อลำแอนติโปรตอนสัมผัสถูกนิวเคลียสของยูเรเนียม มันจะเกิดปฏิกิริยาทำลายล้างก่อให้เกิดผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาฟิชชันทั้งนิวตรอนและความร้อน ซึ่งไปจุดปฏิกิริยาฟิวชันในเชื้อเพลิงอีกต่อหนึ่ง

         จากการประมาณการพบว่า ยานที่ใช้วิธีนี้ในการขับเคลื่อนอาจต้องการเชื้อเพลิงแอนติโปรตอนเพียง 1.15 กรัม ในการเดินทางไปถึงดาวพฤหัสบดี ส่วนอีกเคสพบว่า ยานอวกาศที่มีมวล 220 ตัน อาจเดินทางไปถึงระยะ 10,000 AU ในระยะเวลาเดินทาง 47 ปี โดยใช้แอนติโปรตอนปริมาณ 166 กรัม เพื่อบรรลุภารกิจ แต่เนื่องจากขีดความสามารถในการผลิตของโลกในปัจจุบันยังต่ำอยู่ เทคโนโลยีนี้จึงยังไม่เกิด จนกว่าจะถึงปีที่คาดประมาณกันคือราวปี พ.ศ. 2603 จึงอาจจะมีความคืบหน้าในระบบขับเคลื่อนชนิดนี้

แนวคิดเรือใบอวกาศที่อาศัยปฏิสสารในการขับเคลื่อน (Antimatter Sail)

         ในตอนที่แล้วเราได้เห็นแนวคิดเกี่ยวกับเรือใบอวกาศที่ทำงานด้วยลมสุริยะ (solar sail) หรือแสงเลเซอร์ (laser sail) ในการให้แรงขับดันปริมาณเล็กน้อยแก่ใบเรือ เพื่อขับดันยานอวกาศขนาดเบาไปในทิศทางที่ต้องการ

         แต่จะเกิดอะไรขึ้น ถ้าเรานำเอาแนวคิดของปฏิสสารมารวมกับแนวคิดเรือใบอวกาศ

         ผู้ให้กำเนิดแนวคิดนี้คือ เจรัลด์ พี แจ็กสัน (Gerald P. Jackson) นักฟิสิกส์ที่เคยทำงานที่ Fermilab ซึ่งเขาได้ออกไปตั้งบริษัทชื่อ Hbar Technologies ที่ชิคาโก และทำงานร่วมทีมกับนักฟิสิกส์อีกคนที่ชื่อ สตีเวน ดี ฮาว (Steven D. Howe) ในการออกแบบระบบขับเคลื่อนชนิดนี้ขึ้น ด้วยแนวคิดจากผลงานตีพิมพ์ของพวกเขาในปี พ.ศ. 2546 ที่งานประชุม Particle Accelerator Conference ในพอร์ตแลนด์ ซึ่งพวกเขาได้รับทุนจากองค์การนาซาเมื่อปี พ.ศ. 2545 เพื่อใช้ในงานขั้นต้นในการออกแบบยานสำรวจระหว่างดาวฤกษ์ หรือรอบนอกของระบบสุริยะที่ใช้ปฏิสสาร ซึ่งในตอนแรกเริ่มเขาออกแบบยานสำหรับสำรวจในระยะ 250 AU ภายในระยะเวลาเดินทาง 10 ปี ด้วยเชื้อเพลิงแอนติไฮโดรเจน 30 มิลลิกรัม ซึ่งเป็นระยะเลยจากแถบไคเปอร์ (Kuiper belt) ออกไปโดยวางไว้สำหรับระวางขนาด 10 กิโลกรัม จากการคำนวณต่อจากนั้นพบว่ายานอาจจะใช้แอนติไฮโดรเจนจำนวน 17 กรัม เพื่อที่จะให้ยานแบบเดียวกันเดินทางไปยังดาวฤกษ์อัลฟาเซนทอรีด้วยความเร็วเกือบร้อยละสิบของความเร็วแสง โดยใช้เวลาเพียง 40 ปี ในการเดินทาง

ภาพยานที่ขับเคลื่อนด้วยระบบเรือใบที่อาศัยปฏิสสารในจินตนาการของศิลปิน (เครดิตภาพ Adrian Mann ที่มาของภาพ https://www.spaceanswers.com/futuretech/antimatter-sailing-ships/)

         ซึ่งในเวลาต่อมาเมื่อปี พ.ศ. 2559 บริษัทของเขาได้ประกาศโครงการระดมทุนในงบประมาณสองแสนดอลลาร์สหรัฐเพื่อพัฒนาแนวคิดนี้ต่อ ในการออกแบบยานสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะพร็อกซิมา เซนทอรี บี (Proxima Centauri b) ที่โคจรรอบดาวฤกษ์พร็อกซิมา เซนทอรี ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ของเรามากที่สุดด้วยระยะเวลาเดินทางราว 84 ปี (ผู้สนใจอ่านรายละเอียดของดาวเคราะห์ดวงนี้ได้ในลิงก์ https://th.wikipedia.org/wiki/พร็อกซิมาคนครึ่งม้า_บี ) โดยแบบยานของบริษัท Hbar Technologies ประกอบขึ้นจากสี่ส่วน ส่วนแรกเป็นใบเรือทำจากคาร์บอนไฟเบอร์เส้นผ่านศูนย์กลาง 5 เมตร หนา 15 ไมครอน บุด้านในด้วยแผ่นยูเรเนียมด้อยสมรรถนะ (depleted uranium) หนา 293 ไมครอน ซึ่งเป็นวัสดุที่ทำจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว มีธาตุยูเรเนียม-238 น้อยกว่าร้อยละ 0.7 ส่วนที่สองคือหน่วยเก็บแอนติไฮโดรเจน ต่อมาเป็นหน่วยจ่ายไฟที่อาศัยแอนติโปรตอน และสัมภาระบรรทุกที่เป็นอุปกรณ์เครื่องมือวิทยาศาสตร์บริเวณท้ายยาน
          หลักการทำงานของยานคือ เมื่อฉีดพ่นใบเรือด้วยแอนติไฮโดรเจน ส่วนหนึ่งของยูเรเนียมด้อยสมรรถนะจะเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ทำให้เกิดนิวไคลด์ลูกหรือธาตุลูกจากปฏิกิริยาฟิชชัน (fission daughter) สองตัว ซึ่งปกติจะปลดปล่อยออกมาในทิศตรงข้ามกันโดยมีโมเมนตัมเท่ากัน ตัวหนึ่งจะวิ่งเข้าสู่ใบเรือ โดยลดความเร็วลง แล้วถูกดูดซับเอาไว้ และถ่ายโมเมนตัมให้แก่ใบเรือ ส่วนอีกตัวหนึ่งจะวิ่งไปในทิศตรงกันข้ามออกสู่อวกาศในรูปของสารที่ให้แรงขับเคลื่อน (propellant) ตามปกติออกจากใบเรือด้วยความเร็วสูงถึง 13,800 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือร้อยละ 4.6 ของความเร็วแสง ซึ่งถ้าเราพิจารณาจรวดพลังงานนิวเคลียร์ตามปกติ จะใช้ก๊าซไฮโดรเจนเพื่อเป็นไอพ่นแรงดันขับเคลื่อน แต่การแทนไฮโดรเจนด้วยเชื้อเพลิงยูเรเนียมจะช่วยลดปริมาณปฏิสสารที่ต้องการ ทำให้แนวคิดนี้ถือเป็นระบบขับเคลื่อนด้วยปฏิสสารระบบแรกที่อยู่ไม่ไกลเกินเอื้อมของมนุษย์เราในการผลิตออกมาใช้งานจริง

         อย่างไรก็ตาม สุดท้ายนี้โครงการระดมทุนสองแสนดอลลาร์ฯ ของเขายังห่างจากฝัน เพราะจนถึงปัจจุบันยังมีคนลงเงินสนับสนุนเพียง 8,522 ดอลลาร์ฯ เท่านั้น !!

         แต่ไม่ว่าปัจจุบันจะเป็นเช่นไร หรือแนวคิดต่างๆ ที่สั่งสมกันมาจะยังไกลความจริงเพียงใด แต่จงเชื่อมั่นว่ามนุษยชาติจะต้องเดินทางสู่ดวงดาวได้สำเร็จในสักวัน ในอนาคตข้างหน้า ถ้าพวกเราพยายาม


แหล่งข้อมูลสำหรับอ่านเพิ่มเติม

Bussard, R. W. (1960). Galactic Matter and Interstellar Spaceflight. Astronautica Acta, 6, 170-194.
A.Alexander, “Project BAIR: The Black Hole Augmented Interstellar Rocket”, ISU MSc Thesis project 2014/2015.
Kammash, T. and Galbraith, D.L. (1992). Antimatter-driven fusion propulsion scheme for solar system exploration. J. of Propulsion and Power, 8, 644 – 649.
https://www.researchgate.net/publication/242222398_NIAC_Phase_I_Progress_Report_Antimatter_Driven_Sail_for_Deep_Space_Missions

Future Tech: Antimatter sailing ships


https://www.forbes.com/sites/brucedorminey/2016/02/24/antimatter-space-propulsion-possible-within-a-decade-say-physicists/?sh=472fd4f55849
https://www.space.com/17537-antimatter-fusion-engines-future-spaceships.html
https://www.scientificamerican.com/article/solar-flare-serves-up-ant/
https://www.nasa.gov/vision/universe/solarsystem/rhessi_antimatter.html
https://www.interstellarresearchcentre.com/blog/the-black-hole-evaporator-engine
https://www.daviddarling.info/encyclopedia/I/interstellar_ramjet.html

Interstellar Ramjets


https://medium.com/our-space/the-interstellar-ramjet-conundrum-7f56042d4194
https://www.popularmechanics.com/space/a19728/kickstarter-interstellar-antimatter-engine/