ย้อนกลับไปเมื่อ 40 กว่าปีก่อน ในปี 1976 NASA ได้ส่งยานอวกาศไวกิ้ง (Viking) 1 และ 2 ไปลงจอดบนพื้นผิวดาวอังคารเป็นครั้งแรก โดยที่ยานทั้งสองใช้เวลาเดินทางฝ่าห้วงอวกาศเป็นยาวนานถึง 11 เดือน ซึ่งแตกต่างจากจนถึงยานโรเวอร์ในปัจจุบัน อย่าง Perseverance ที่ได้ลดเวลาการเดินทางไปดาวอังคารจนเหลือ 7 เดือน เนื่องจากเราเครื่องยนต์จรวดที่สร้างแรงขับดันได้มากขึ้นและคำนวนวิถีโคจรได้อย่างแม่นยำกว่าเดิม แต่น่าเสียดายที่เราไม่สามารถทำให้การเดินทางในอวกาศเร็วไปได้มากกว่านี้อีกแล้ว เพราะข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเคมีที่เราใช้ตั้งแต่เริ่มยุคแห่งการสำรวจอวกาศจวบจนปัจจุบัน
เมื่อต้นเดือน กรกฎาคม 2021 ที่ผ่านมา NASA ก็ได้ตัดสินใจจับมือกับกับกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ทุ่มงบประมาณกว่า 15 ล้านดอลล่าห์สหรัฐ (ประมาณ 500 ล้านบาท) ในจัดประกวดแบบเครื่องยนต์ทางเลือกประเภท Nuclear Thermal Propulsion หรือ NTP กับองค์กรต่าง ๆ สักที หลังจากที่สภาคองเกรสสหรัฐฯ มีมติทุ่มเงินให้ NASA ศึกษาวิจัยเรื่องนี้ตั้งแต่ปี 2019 กว่า 125 ล้านดอลล่าห์สหรัฐ (ประมาณ 4,100 ล้านบาท) เพื่อที่จะลดเวลาการเดินทางในอวกาศลงครึ่งต่อครึ่ง ด้วยเครื่องยนต์ที่ทรงพลังของ NTP เที่ยวบินการเดินทางไปดาวอังคารอาจใช้เวลาเพียงแค่ 3 เดือนเท่านั้น ซึ่งหากสำเร็จมันจะปฏิวัติการเดินทางในอวกาศไปตลอดกาล
ปัญหาการเดินทางในอวกาศในปัจจุบัน
ในปัจจุบันจรวดหรือยานอวกาศที่เดินทางไปยังดาวเคราะห์ต่าง ๆ ในระบบสุริยะมักใช้เครื่องยนต์เคมีทั้งสิ้น ไม่ว่าจะเป็นเชื้อเพลิงเคมีเหลวหรือแข็ง ที่นำมาสันดาปกับออกซิเจนอีกทีหนึ่ง อย่างเช่น ยานอวกาศ Starship ของ SpaceX ก็ใช้เครื่องยนต์เคมีจากมีเทนเหลว (LCH4) กับออกซิเจนเหลว (LOX) ซึ่งเชื้อเพลิงเหล่านี้เป็นอุปสรรคต่อการเดินทางในอวกาศในระยะยาว เพราะตามปกติแล้วถ้าเรากำหนดมวลของจรวดให้อยู่ที่ 100% ปริมาณเชื้อเพลิงจะมีน้ำหนักประมาณ 90-95% ของมวลทั้งหมด ที่เหลือก็จำเป็นสัมภาระหรือยานอวกาศ เรียกได้ว่าพอยานอวกาศของเราออกไปสู่วงโคจรสำเร็จก็แทบจะไม่เหลือพื้นที่ให้ติดตั้งเครื่องยนต์อะไรแล้ว
ดังนั้นยานอวกาศที่ไปสำรวจดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ จึงต้องอาศัยอัตราเร่งจากตัวจรวดเป็นหลักเพื่อที่จะทำความเร็วโลกแล่นผ่านอวกาศ ไม่ก็ใช้หลักการ Gravitational Assist กับดาวเคราะห์อื่น ๆ ในการเร่งความเร็วของยานแทน ถ้าหากจะติดตั้งเครื่องยนต์เชื้อเพลิงเคมีบนยานอวกาศเพื่อเพิ่มอัตราเร็วในการเดินทาง มวลของตัวยานที่จะปล่อยออกจากพื้นโลกก็จะมีมากขึ้น ซึ่งหมายความว่าก็ต้องอาศัยจรวดที่ทรงพลังมากขึ้นเช่นกัน จึงเป็นสาเหตุที่ว่าทำไมการออกแบบยานอวกาศจึงต้องมีเรื่องของน้ำหนักเข้ามาเกี่ยวข้องตลอดเวลา และเพื่อที่จะแก้ปัญหาเรื่องประสิทธิภาพของเครื่องยนต์นี้เอง แนวคิดของเครื่องยนต์นิวเคลียร์แบบ Nuclear Thermal Propulsion ก็ได้ถือกำเนิดขึ้น
Nuclear Thermal Propulsion คืออะไร ?
เครื่องยนต์ประเภท NTP คือการใช้ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิชชั่นจากธาตุกัมมันตรังสี เช่น ยูเรเนียม มาใส่ในแท่งกักเก็บแล้วติดตั้งไว้บนเครื่องยนต์ยานอวกาศ เพื่อที่จะนำมาใช้ในการให้ความร้อนเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลวก่อนที่เชื้อเพลิงจะพุ่งออกไปทางปากปล่องจรวด (Nozzle) สรุปก็คือเครื่องยนต์ประเภท NTP ออกธาตุกัมมันตรังสีมาแทนเชื้อเพลิงออกซิเจนในที่มีมวลและกินพื้นที่มาก อีกทั้งเปลี่ยนจากกระบวนการสันดาประหว่างเชื้อเพลิงกับออกซิเจนมาเป็นการพ่นไฮโดรเจนร้อน ๆ ออกไปเพียงอย่างเดียว
กระบวนการนี้ทำให้เครื่องยนต์ประเภท NTP มีประสิทธิภาพความเร่งสูงกว่าเครื่องยนต์เคมี (Chemical Propulsion) ถึง 2 เท่า หรือพูดง่าย ๆ ก็คือ ในปริมาณเชื้อเพลิงที่เท่ากันเครื่องยนต์ประเภท NTP สามารถทำให้ตัวยานเร่งไปข้างหน้ามากกว่า คล้ายรถยนต์ประหยัดน้ำมัน แต่ในด้านของแรงขับดันนั้นเชื้อเพลิงเคมียังคงทำได้ดีกว่า ทำให้เครื่องยนต์ประเภท NTP ต้องนำไปใช้ในอวกาศแทน ส่วนเครื่องยนต์เคมีก็ใช้สำหรับปล่อยจรวดออกจากโลกเหมือนเดิม
การพัฒนา NTP
ที่จริงแล้วแนวคิดเรื่องเครื่องยนต์ NTP ไม่ได้ใหม่อะไร ทาง NASA เคยมีโครงการที่ชื่อว่า NERVA ที่ได้ทำการทดลองการออกแบบ ผลิต และทดสอบจริงบนภาคพื้นมาเป็นระยะเวลาต่อเนื่องหลายปีในช่วงทศวรรษที่ 1960 นำโดย ดร. แวร์นเนอร์ ฟอน เบราน์ (Dr. Wernher von Braun) บิดาของวงการการบินอวกาศสหรัฐฯ และชายผู้ที่อยู่เบื้องหลังความสำเร็จของการส่งมนุษย์ไปดวงจันทร์ ได้วางแผนการออกแบบยานอวกาศที่จะส่งมนุษย์ไปดาวอังคารด้วยการใช้เวลาเพียงแค่ 3 เดือน ก่อนที่ในช่วงทศวรรษ 1970 สถาคองเกรสสหรัฐฯ ได้ตัดงบประมาณ NASA ชนิดที่เรียกได้ว่าดิ่งลงเหว NASA จึงมีความจำเป็นที่จะต้องพับโครงการเครื่องยนต์ประเภท NTP เก็บไป
จนกระทั่ง 40 กว่าปีให้หลังในทศวรรษที่ 2020 ช่วงเวลาที่การแข่งขันทางอวกาศกำลังคุหรุ่นขึ้นอีกครั้งหนึ่ง สภาคองเกรสสหรัฐฯ จึงได้เล็งเห็นความสำคัญของเครื่องยนต์ NTP ขึ้นมาอีกครั้งหนึ่ง สำหรับการส่งมนุษย์เดินทางไปยังอวกาศห้วงลึก (Deep Space) อย่างดาวอังคารและดาวเคราะห์ที่ไกลออกไป ดังนั้นจึงเป็นสาเหตุที่สภาคองเกรสสหรัฐฯ ทุ่มเงินให้ NASA กว่า 125 ล้านดอลล่าห์สหรัฐ และการจัดแข่งขันการออกแบบเครื่องยนต์ NTP บริษัทต่าง ๆ ของ NASA ตามที่ได้กล่าวไปข้างต้น โดยทีมที่ทำสัญญาการออกแบบเครื่องยนต์ NTP กับ NASA ในปัจจุบันได้แก่
- BWX Technologies, Inc. of Lynchburg, Virginia – ที่ร่วมจับมือกับบริษัทอาวุธและเทคโนโลยีการบินชื่อดังอย่าง Lockheed Martin อีกทีหนึ่ง
- General Atomics Electromagnetic Systems of San Diego – ร่วมจับมือกับ X-energy LLC และ Aerojet Rocketdyne.
- Ultra Safe Nuclear Technologies of Seattle – ที่มาพร้อมกับบริษัท Blue Origin, Ultra Safe Nuclear Corporation, General Electric, Hitachi Nuclear Energy, General Electric Research, Framatome, และ Materion.
โดยทั้งสามทีมนี้จะมีเวลา 12 เดือนเป็นต้นไปนับตั้งแต่เดือน กรกฎาคม 2021 จนกว่าจะมีการตัดสินและประกาศผลเพื่อที่จะนำไปพัฒนาและผลิตต่อไปในอนาคต เรียกได้ว่าการเคลื่อนไหวของรัฐบาลสหรัฐฯ และ NASA ในเรื่องเครื่องยนต์ NTP เป็นสัญญาณที่บ่งชี้ได้ดีถึงการแข่งขันการพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศในยุคปัจจุบัน ที่จะร่นระยะเวลาในการเดินทางในอวกาศลงอย่างมหาศาลในอนาคตอันใกล้นี้
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
อ้างอิง
NASA Announces Nuclear Thermal Propulsion Reactor Concept Awards
Nuclear Thermal Propulsion: Game Changing Technology for Deep Space Exploration
