ฟิสิกส์ของ Thruster

ในฐานะผู้เสพไซไฟ สิ่งที่ผมเคยสงสัยมาตลอดก็คือ เมื่อไร เราจะมี ion thruster ที่แรงพอจะขับดันให้หุ่นยนต์หรืออากาศยานบินออกจากพื้นไปได้เสียที เพราะ การที่เรายังใช้จรวดเคมีนั้น เราต้องให้จรวดแบกน้ำหนักของเชื้อเพลิงจำนวนมหาศาลที่ใช้ขับดันพาตัวเชื้อเพลิงขึ้นไปสู่อวกาศ ตัว Ion thruster ที่ใช้มวลสารจำนวนน้อย แต่ขับออกไปด้วยความเร็วสูง น่าจะแบกน้ำหนักตัวเองน้อยกว่า และมีประสิทธิภาพการขับดันที่สูงกว่า  วันนี้ เรามาดูกันว่า ทำไม เราถึงไม่มีใช้ Ion thruster บนพื้นโลก และ เครื่องบินใบพัด ทำไมถึงมีประสิทธิภาพเชิงพลังงานดีกว่าเครื่องบินไอพ่น

ในทางฟิสิกส์
การที่วัตถุจะลอยขึ้นจากพื้นได้ ต้องมีแรงกระทำต่อวัตถุเทียบเท่ากับแรงโน้มถ่วง ซึ่ง แรงดังกล่าว เราเรียกว่าแรงขับ แรงขับ มีหน่วยเดียวกับแรง คือ นิวตั้น การทำงานของเครื่องยนต์จรวด หรือแม้แต่ระบบใบพัดของเฮลิคอปเตอร์ อาศัยกฎข้อ 3 ของนิวตั้นที่ว่า

แรงกิริยา = แรงปฏิกิริยา

สำหรับเครื่องยนต์เจต การผลักมวลของก๊าซไปด้านหลัง เมื่อก๊าซที่มีมวล m₁ ถูกผลักไปด้วยความเร็ว v₁ ตัวเครื่องบิน ที่มีมวล m₂ ก็จะถูกผลักไปด้านหน้าด้วยความเร็ว v₂ หรือ ตามสมการ

m₁v₁ = m₂v₂

ตามนิยามของแรง แรงหมายถึงการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตั้มต่อช่วงเวลา และ โมเมนตั้ม ก็คือ มวล คูณด้วยความเร็ว ซึ่งอัตราการเผาไหม้ หรือการขับอากาศร้อนจากการสันดาปออกไปทางด้านหลัง มีหน่วยเป็น มวลต่อเวลา เมื่อคูณด้วยกับความเร็วของอากาศร้อน หรือสารขับดัน มันก็จะเป็นหน่วยของแรงขับ คือ นิวตั้น นั่นเอง

ดังนั้นสมการที่เราต้องใช้ก็คือ

แรงขับ Thrust = m’v

และ การจะทำให้มวลเชื้อเพลิง m มีความเร็ว v เราต้องใช้กำลัง คือ

กำลัง Power = 0.5m’v²

m’ คืออัตราการขับของมวลก๊าซ ในหน่วย กิโลกรัมต่อวินาที

ทีนี้ จากที่เราพูดถึงตอนแรก เราต้องการ เราต้องการยกมวลขนาด 1 กิโลกรัมให้ลอยขึ้นจากพื้น แรงขั้นต่ำที่ต้องใช้ ก็ต้องเท่ากับแรงโน้มถ่วงของโลก ซึ่งคือ 9.8 นิวตั้น สำหรับมวลขนาด 1 กิโลกรัม

* เชื้อเพลิงจรวด มี Nozzle velocity ที่ 2500 m/s การจะสร้างแรงขับขนาด 9.81 นิวตั้น เราต้องมีอัตราการขับเชื้อเพลิงที่ 0.0039 กิโลกรัมต่อวินาที และมีอัตราการใช้พลังงานที่ 12.3 kW

* Ion Thruster มี Nozzle velocity ที่ 29000 m/s การจะสร้างแรงขับขนาด 9.81 นิวตั้น เราต้องมีอัตราการขับสารขับดันที่ 0.00034 กิโลกรัมต่อวินาที โอเค น้ำหนักสารขับดันที่ต้องใช้น้อยกว่าเป็น 10 เท่า แต่ในแง่พลังงาน มันมีอัตราการใช้พลังงานที่ 142 kW???

เหตุผลที่เครื่องยนต์ Ion Thruster ต้องใช้พลังงานมหาศาลเพื่อจะสร้างแรงยกที่เท่ากันนี้ จุดสำคัญคือ ในขณะที่แรง มีพจน์ความเร็วแค่ยกกำลัง 1 แต่ เวลาพูดถึงพลังงาน มันมีพจน์ความเร็วยกกำลังสอง การใช้สารขับดันที่มีความเร็วสูง แม้จะแบกน้ำหนักสารขับดันน้อย แต่ปริมาณพลังงานที่ใช้กลับมหาศาล ตรงนี้ เป็นเหตุผลหลักที่ทำไมเครื่องบินไอพ่นถึงออกแบบให้ขับอากาศปริมาณมากที่ความเร็วต่ำแทนที่จะออกแบบเครื่องให้ขับอากาศที่ความเร็วสูง และเพราะเครื่องบินไอพ่น ไม่ต้องแบกสารขับดัน แค่ดูดอากาศเข้าไปเผาไหม้ให้ขยายตัวก็เกิดแรงขับแล้ว แต่จรวด ต้องแบกทั้งสารขับดันและเชื้อเพลิงขึ้นไปกับตัวทั้งหมด ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของ เครื่องบินใบพัด ก็ย่อมมากกว่าเครื่องบินไอพ่น ย่อมมากกว่าจรวด ย่อมมากกว่าเครื่องยนต์ Ion Thruster

กรณีหุ่นกันดั้มน้ำหนัก 40 ตันฝ่าๆ ขนาด Generator ที่จะยกหุ่นให้ลอยได้มันต้องล่อไปถึง 6,000,000 kW เลยละนั่น

แต่ทั้งนี้ พวกเครื่องยนต์แบบ Ion Thruster หรือเร็วๆนี้ที่มีพูดถึงคือ EMdrive แม้ประสิทธิภาพเชิงพลังงานจะต่ำ แต่ในอวกาศ ที่มีแหล่งพลังงานคือดวงอาทิตย์แต่ไม่มีสารขับดันจากภายนอกให้เอามาใช้ต้องแบกไปเองทั้งหมด มันก็มีข้อได้เปรียบที่แม้แรงขับจะต่ำ แต่มันสามารถให้แรงขับได้เรื่อยๆ ไม่มีข้อจำกัด หรือมีข้อจำกัดสารขับดันน้อยกว่าเครื่องยนต์จรวดมากนักนี่ละ

และตามความเข้าใจตรงนี้ บางที การออกอวกาศ แทนที่จะใช้เครื่องยนต์จรวดเพียงอย่างเดียว เราอาจควรคิดที่จะใช้เครื่องไอพ่นเป็นสเตจแรก พาจรวดขึ้นไปจนถึงช่วงอากาศเบาบางแล้วค่อยใช้เครื่องยนต์จรวด แล้วพอออกนนอกวงโคจรได้ค่อยมาใช้