NASA Green Propellant Infusion Mission อนาคตของเชื้อเพลิงสะอาดในจรวด
Green Propellant Infusion Mission อนาคตของเชื้อเพลิงสะอาดในจรวด

Chottiwatt Jittprasong

Green Propellant Infusion Mission อนาคตของเชื้อเพลิงสะอาดในจรวด

August 12, 2020

หากถามว่าเป็นไปได้ไหมที่เราจะมีเชื้อเพลิงสะอาดเพื่อใช้ในอวกาศในอนาคต การให้คำตอบตอนนี้อาจจะดูเหมือนการเพ้อฝัน แต่เมื่อย้อนไปในอดีตเมื่อหลายทศวรรษที่แล้วผู้คนต่างก็ไม่เชื่อว่าเราจะมีพลังงานทางเลือกนอกจาก ถ่านหิน น้ำมัน และแก๊สธรรมชาติ เหมือนกัน แต่ทุกวันนี้เรามีเชื้อเพลิงทางเลือกมากมายไม่ว่าจะเป็น พลังงานน้ำ พลังงานลม พลังงานแสง หรือแม้แต่ พลังงานความร้อนใต้พื้นพิภพต่างก็เป็นจริงแล้วในปัจจุบัน จึงปฏิเสธไม่ได้ว่าในอนาคตเราอาจมีเชื้อเพลิงทางเลือกใช้ในอวกาศเช่นกัน

เชื้อเพลิงจรวดมีอะไรบ้าง

เชื้อเพลิงจรวดแบ่งได้ 2 แบบ ใหญ่ ๆ คือ เชื้อเพลิงแบบแข็ง (Solid propellant) และเชื้อเพลิงแบบเหลว (Liquid propellant) โดยเชื้อเพลิงแบบแข็งจะใช้ Oxidizer จำพวก Ammonium nitrate (คุ้น ๆ // ฮา), Ammonium dinitramide, Potassium nitrate ใช้ร่วมกับผงเชื้อเพลิงอย่าง Aluminium Beryllium, RDX และ HMX เพื่อจุดระเบิด เชื้อเพลิงแบบแข็งเป็นเชื้อเพลิงที่จุดแล้วดับไม่ได้และก็จุดใหม่ไม่ได้ ใช้แล้วต้องใช้ให้หมด นิยมใช้ใน Booster เชื้อเพลิงอีกชนิดก็คือเชื้อเพลิงเหลวซึ่งเป็นที่นิยมในปัจจุบัน

ปัจจุบันเชื้อเพลิงที่เราใช้ในจรวดส่วนใหญ่เป็นเชื้อเพลิงแบบ Cryogenic เหลว ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้คู่กับ Oxidizer อย่าง Liquid Oxygen (LOX) เนื่องจากการเผาไหม้จำเป็นต้องมี Oxidizer ซึ่งทำหน้าที่ช่วยให้ไฟติด (Reactant) เชื้อเพลิง Cryogenic เหลวจึงต้องมี Oxidizer ไปด้วย คู่กับ Oxidizer ก็คือตัวเชื้อเพลิงที่ติดไฟได้ (Flammable) เชื้อเพลิงแบบ Cryogenic ปัจจุบันที่นิยมใช้กัน คือ

  • Kerosene (RP-1) ใช้คู่กับ LOX ปัจจุบันใช้ในจรวด Atlas V, Falcon 9, Falcon Heavy, Soyuz และอื่น ๆ
  • Liquid Hydrogen (LH-2) ใช้คู่กับ LOX ปัจจุบันใช้ใน Centaur Second Stage, Delta IV, H-IIA, Ariane 5 และกำลังจะถูกนำมาใช้ใน Space Launch System (SLS) ส่วน Core
  • Liquid Methane (CH4) ใช้คู่กับ LOX ปัจจุบันยังไม่มีจรวดลำไหนใช้ แต่มียานที่กำลังจะนำมาใช้อยู่อย่างเช่น New Glenn และ Starship ของ SpaceX
Liquid Oxygen (LOX) – ที่มา U.S. Air Force/Staff Sgt. Jim Araos

นอกจากเชื้อเพลิงแบบ Cryogenic แล้วยังมีเชื้อเพลิงจำพวก Hypergolic เช่น Hydrazine (N2H4) ใช้คู่กับ Dinitrogen tetroxide (N2O4) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้ในยานจำพวก Deep Space เพราะว่าเชื้อเพลิงชนิดนี้สามารถเก็บไว้ได้นานไม่เหมือนเชื้อเพลิงแบบ Cryogenic ที่ต้องมีการรักษาอุณหภูมิให้ต่ำอยู่ตลอดเวลาระหว่างการใช้งาน เชื้อเพลิงแบบ Cryogenic จึงนิยมใช้ในแค่ส่วนขับดันของจรวดที่ใช้แล้วทิ้งไม่ต้องแบกไปอวกาศด้วย เช่น First stage ของ Falcon 9 ที่พอใช้เสร็จก็แยกตัวกลับมาที่ฐาน แต่เชื้อเพลิงจำพวก Hypergolic จะอยู่ใน Upper stage ของจรวดซะส่วนใหญ่ ซึ่งใช้ในการปรับวงโคจรของยาน และการที่มันเป็นยานที่ต้องปรับวงโคจรหมายความว่าเชื้อเพลิงจะต้องเก็บได้นานไม่พอ จะต้องสามารถจุดจรวดใหม่ได้ด้วย จึงเป็นที่มาของคำว่าเชื้อเพลิงแบบ Hypergolic

เชื้อเพลิง Hypergolic คือ เชื้อเพลิงที่มี Reactant สองตัว และเมื่อ Reactant สองตัวนี้มันเจอกันเมื่อไหร่คือมันจะติดไฟทันที เรียกว่าเชื้อเพลิง Hypergolic ทำให้มันง่ายต่อการออกแบบจรวด คิดง่าย ๆ ว่าไม่ต้องทำอะไรเลย แค่ฉีดเจ้าเชื้อเพลิง Hypergolic สองอันนี้ให้มันมาเจอกันก็จุดระเบิดเครื่องยนต์ติดละ แล้วทำไมเขาถึงไม่ใช้ Hypergolic กันในเมื่อมันเก็บง่าย จุดง่าย เป็นเพราะว่าเชื้อเพลิง Hypergolic เวลาจุดระเบิดมันให้แรงระเบิดน้อยกว่าเชื้อเพลิงแบบ Cryogenic ทำให้เชื้อเพลิงแบบ Cryogenic เป็นที่นิยมกว่าในการส่งจรวดขึ้นสู่วงโคจรเพราะเมื่อเปรียบเทียบระหว่างเชื้อเพลิงทั้งสองแบบแล้ว แบบ Cryogenic มีประสิทธิภาพโดยรวมมากกว่าและ Practical กว่า เมื่อใช้ตอนส่งขึ้นสู่วงโคจร ส่วนแบบ Hypergolic เหมาะแก่การใช้ระยะยาวในวงโคจรมากกว่า

เจ้าหน้าที่ขณะกำลังใส่ Hazmat suit ข้างถังเชื้อเพลิง Hydrazine – ที่มา NASA

มีข้อดีก็ต้องมีข้อเสีย ข้อเสียใหญ่ซะด้วย ข้อเสียของเชื้อเพลิงเหลวที่เราใช้กันทุกวันนี้ไม่ว่าจะเป็นทั้งแบบ Cryogenic หรือ Hydrazine คือ ความเป็นพิษและความไม่เสถียรของสาร ทั้งในตัวเชื้อเพลิงและตัว Oxidizer ที่ตอนนี้มีเพียง LOX ที่เสถียรที่สุด แต่ไม่สามารถเก็บไว้ใช้ได้ต้องใช้ให้หมดในคราวเดียว ส่วน Oxidizer ที่เก็บไว้ใช้ได้อย่างกรดไนตริก หรือ Nitrogen tetroxide ก็เป็นพิษแบบสุด ๆ ส่วนเชื้อเพลิง Hypergolic เองก็อันตราย เพราะถ้ามันเจอกันโดยไม่ได้นัดหมายเมื่อไหร่ก็ระเบิด

และเชื้อเพลิงชนิดสุดท้ายก็คือ Monopropellants อย่างเช่น Hydrogen peroxide, Hydrazine, และ Nitrous oxide ซึ่งเชื้อเพลิงพวกนี้ไม่ต้องมี Oxidizer เพราะมันไม่ต้องจุดระเบิดในการใช้งาน จุดประสงค์หลัก ๆ ของ Monopropellant คือไว้ใช้ควบคุมทิศทางและการปรับวงโคจร (Attitude control) และการรักษาวงโคจรจากปัจจัยภายนอกเรียกว่า Station-keeping ไม่ให้ดาวเทียมหรือยานตกกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกจากแรงเสียดสีของชั้นบรรยากาศ (Atmospheric drag) โดยส่วนใหญ่ Monopropellants ถูกใช้ในระบบ RCS (Reaction Control System) ด้วยการยิงแก๊สออกไปในทิศทางต่าง ๆ เพื่อสร้างแรงถีบกลับตามกฎข้อที่สามของนิวตันนั่นเอง

GPIM คืออะไร

Green Propellant Infusion Mission หรือ GPIM เป็นภารกิจสำหรับการสาธิตเทคโนโลยีเชื้อเพลิงใหม่ที่หันไปใช้เชื้อเพลิงเคมีที่สะอาดและมีประสิทธิภาพในเวลาเดียวกันสำหรับจรวด โดยเนั้นที่การลดต้นทุนในการดูแลและความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมและบุคคล โดย GPIM ไม่ใช่ภารกิจที่แค่พัฒนาเชื้อเพลิงให้มันเสร็จ ๆ แล้วก็จบ ๆ ไป แต่เป็นการเอาเชื้อเพลิงที่พัฒนาขึ้นมาจริง ๆ เอาไปใช้จริงด้วย โดยเชื้อเพลิงที่ว่านี้ถูกพัฒนาโดย U.S Air Force Research Laboratory (AFRL) หรือแล็บของกองทัพอากาศสหรัฐอเมริกา เชื้อเพลิงนี่มีชื่อทางการทดลองว่า AF-M315E มีชื่อทางเคมีว่า Hydroxylammonium nitrate (NH3OHNO3) หรือ HAN ซึ่งจริง ๆ แล้ว Hydroxylammonium nitrate ที่ว่านี่มันก็คือค็อกเทลของเชื้อเพลิงกับ Oxidizer นั่นเอง คือการเอาทั้งเชื้อเพลิงและ Oxidizer มาผสมเป็นอันเดียวกันเลย ไม่เหมือนเชื้อเพลิงเมื่อก่อนที่ต้องแยก Oxidizer กับเชื้อเพลิงออกจากกันแล้วค่อยเอามารวมกันตอนจุดระเบิดอย่าง LOX กับ RP-1

โดน Hydroxylammonium nitrate มีสถานีไม่เสถียรเพราะว่าในตัวมันเองมีทั้ง Reducing agent และ Oxidizer ในตัวเดียวกันโดย Reducing agent คือ ส่วนของ Hydroxylammonium และมี Oxidizer เป็น Nitrate มีสถานะเป็น Analogous ต่อ Ammonium nitrate (โครงสร้างคล้ายกัน)

โครงสร้างของ Hydroxylammonium nitrate (NH3OHNO3) – ที่มา Ben Mills

โดยข้อมูลจากแล็บ AFRL ระบุว่าเชื้อเพลิง AF-M315E ซึ่งตอนนี้ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง Monopropellant มีประสิทธิภาพในการเผาไหม้มากกว่าเชื้อเพลิง Monopropellant แบบ Hydrazine ถึง 50% และยิ่งไปกว่านั้นเชื้อเพลิง AF-M315E หนาแน่นมากกว่า Hydrazine ประมาณ 45% หมายความว่าถังเชื้อเพลิงสามารถเก็บเชื้อเพลิง AF-M315E ได้มากกว่า Hydrazine ที่ปริมาตรเท่ากัน ซึ่ง AF-M315E จะเป็นต้นแบบของเชื้อเพลิงในภารกิจ GPIM โดยตัวเชื้อเพลิง AF-M315E มีความเป็นพิษต่ำมากเมื่อเทียบกับ Hydrazine ถึงขั้นที่ไม่ต้องใส่อุปกรณ์ป้องกันอะไรเลยในขณะที่ทำงานกับตัวเชื้อเพลิงแค่ถุงมือเสื้อแว่นก็พอ ไม่เหมือน Hydrazine ที่มาทั้ง Hazmat Suit

นักวิจัย AFRL กับเชื้อเพลิง AF-M315E – ที่มา AFRL

นอกจากนี้เชื้อเพลิง AF-M315E ยังทนอุณหภูมิได้ดีมาก ๆ อีกด้วย โดยสามารถทนอุณหภูมิที่เย็นถึง -140 องศาเซลเซียส ได้โดยที่เชื้อเพลิงไม่แข็งซะก่อนแต่เปลี่ยนสถานะเพียงเล็กน้อยกึ่งของแข็งของเหลวและเมื่อต้องการใช้เชื้อเพลิงก็ใช้ความร้อนเพียงเล็กน้อยเพื่อละลายโครงสร้างกึ่งของแข็งของเหลวให้เป็นของเหลวเหมือนเดิมเพื่อใช้งานต่อ นอกจากนี้การที่ AF-M315E เป็นเชื้อเพลิงแบบผสมระหว่าง Oxidizer และตัวเชื้อเพลิงเองรวมถึงมีประสิทธิภาพมากกว่า Hydrazine หมายความว่าในอนาคต ยานอาจจะไม่ต้องมีถังเชื้อเพลิงแยกระหว่าง Oxidizer และ เชื้อเพลิงอีกต่อไปซึ่งประหยัดพื้นที่มากกว่าเดิมและยังมีประสิทธิภาพมากกว่าเดิมด้วย

นักวิจัยเชื้อเพลิงขณะกำลังทำการทดสอบเชื้อเพลิง AF-M315E

หลังจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการเสร็จสิ้นแล้วต่อไปก็เป็นการใช้จริง เชื้อเพลิง AF-M315E ถูกนำไปใช้ในภารกิจ Space Test Program 2 หรือ STP-2 ซึ่งเป็นภารกิจที่กระทรวงกลาโหมของสหรัฐอเมริกาจ้างให้ SpaceX ส่งยานอวกาศและดาวเทียมต่างกว่า 25 ดวงขึ้นสู่วงโคจร หนึ่งในนั้นเป็นดาวเทียมของภารกิจ GPIM ระบบการทดลอง GPIM อยู่บน Platform BCP 100 (Ball Configurable Platform 100) ซึ่งเป็นของบริษัท Aerojet Rocketdyne ซึ่งผลิตและพัฒนาระบบขับเคลื่อนของจรวดต่าง ๆ โดยภารกิจ STP-2 ถูกส่งขึ้นสู่วงโคจรเมื่อวันที่ 24 มิถุนายน 2019 เวลา 11:30 PM EDT ด้วยจรวด Falcon Heavy ของ SpaceX

Animation การปล่อยภารกิจ STP-2 – ที่มา SpaceX

โดยบนยาน GPIM จะมีอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมด 3 ตัว คือ อุปกรณ์จำแนกชั้น Ionosphere และ Thermosphere อุปกรณ์วัดความหนาแน่นของพลาสมาและอุณหภูมิ และสุดท้ายคืออุปกรณ์หลีกเลี่ยงการชนในอวกาศ โดยระหว่างที่ GPIM อยู่ในวงโคจร มันจะใช้อุปกรณ์ทั้ง 3 นี้ติดตามตำแหน่งของมันเองเพื่อใช้ Thruster พร้อมเชื้อเพลิงรุ่นใหม่ของมันในการปรับวงโคจรและทำ Station-keeping

GPIM Final Integration – ที่มา NASA
ภาพจำลองยาน GPIM ในวงโคจรโลก – ที่มา NASA

โดยภายในระยะเวลาภารกิจของ GPIM มันจะทดลองใช้เชื้อเพลิง AF-M315E ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงสะอาดอันใหม่ที่อยู่ในระหว่างการทดสอบเพื่อใช้ในการทำ Attitude control และ station-keeping และการปรับวงโคจรต่าง ๆ เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของเชื้อเพลิง AF-M315E เทียบกับเชื้อเพลิงแบบ Hydrazine

https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/gpimthruster2.gif
Animation ของ GPIM – ที่มา NASA

หลังการทดสอบ ผลการทดสอบทั้งหมดจะถูกส่งให้ NASA รวมถึงต้นแบบของถังเชื้อเพลิงสำหรับเชื้อเพลิง AF-M315E ให้กับ NASA เพื่อทดสอบเชื้อเพลิงอีกรอบสำหรับเป็นทางเลือกของเชื้อเพลิง Monopropellant ของยานอวกาศในอนาคตให้แล็บอย่าง JPL นั่นเอง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Green Propellant Infusion Mission (GPIM) Overview

Green Propellant Infusion Mission





Read More

บทความอื่น ๆ ที่ควรอ่านต่อ



เรื่องราวน่าสนใจ

อัพเดทเรื่องราว ข่าว และบทวิเคราะห์เจาะลึก