จากคำถามในห้องหว้ากอ มีอยู่ว่า เมื่อไรที่ประชาชนธรรมดาจะเดินทางออกอวกาศกับเขาได้บ้าง แน่นอนเรารู้ละว่า ปัจจุบันค่าเดินทางทัวร์อวกาศไป ISS มีราคาสูงถึง 175 ล้านเหรียญต่อที่นั่ง (ประมาณ 5,200 ล้านบาทแค่นั้นเอง) ค่าใช้จ่าย มันอาจลดลงได้ถ้ามีจำนวนผู้โดยสารมากขึ้น มันจะมีเทคโนโลยีการเดินทางราคาถูกที่จะใช้เชื้อเพลิงได้ประหยัดกว่า อวกาศยานที่จะสามารถนำมาใช้ได้เหมือนเครื่องบิน หรือรถเมล์ สังคมอวกาศที่ประชาชนจะเดินทางไปชมวิวสัมผัสโลกไร้แรงโน้มถ่วงที่สถานีอวกาศ ขึ้นอวกาศยานเดินทางไปต่อเครื่องที่โคโลนีดวงจันทร์ก่อนเดินทางไปสู่จุดหมาย ณ ดาวอังคาร ระบบ Infrastructure ทางอวกาศของมนุษย์จะหน้าตาเป็นอย่างไร เรามาจินตนาการด้วยความรู้ที่เรามีอยู่กัน
ข้อจำกัดของเชื้อเพลิง
ในการเดินทางออกอวกาศ เราจะต้องพูดถึงสิ่งที่เรียกว่า Payload หรือน้ำหนักที่เราจะส่งออกไปนอกแรงโน้มถ่วง สมมุติว่าตัวเราหนัก 70 กิโลกรัมบวกสัมภาระอีกคนละ 30 กิโล Payload ของเราก็คือ 100 กิโลกรัม ถ้าหากเราเฉลี่ยน้ำหนักอวกาศยานเข้าไปด้วย มันก็อาจลงที่น้ำหนักคน + น้ำหนักจรวดจะอยู่แถวๆ 200 kg ต่อคน และเชื้อเพลิงที่ต้องใช้คือเชื้อเพลิงในการส่งน้ำหนัก 200 kg ต่อคนออกอวกาศ
ปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องใช้ ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน เราใช้จรวดในการออกอวกาศ เราสามารถคำนวณได้ด้วยสมการของ ซีออลคอฟสกี้ ซึ่งเป็นการแก้สมการโมเมนตั้มและแรงดลดังต่อไปนี้
ในขณะที่จรวด ผลักไปข้างหน้า ด้วยสารขับดัน ปริมาณสารขับดัน (เชื้อเพลิง) ขั้นต่ำสุดจะคำนวณด้วยการดลโมเมนตั้ม สมมุติว่าเราต้องการเดินทาง ขึ้นวงโคจรชั้น Geostationary เราต้องการความเร็วต้นเพื่อส่งจรวดไปถึงชั้น Geostationary ที่ 10,700 km/s เชื้อเพลิงขับดันจรวดมีความเร็ว 4,400 m/s น้ำหนักจรวดรวมสารขับดัน จะเท่ากับ 10,700 = 4,400 ln(m/1) ; m = 12.5 kg ปริมาณเชื้อเพลิงคือ 12.5 - 1 = 11.5 kg ค่าพลังงานที่ใช้ในการสันดาปเชื้อเพลิงไฮโดรเจนรวมกับออกซิเจนคือ 35.5 kJ/kg เท่ากับเราใช้พลังงาน 372 MJ ในการส่งมวล 1 kg ออกอวกาศ
สำหรับจรวดที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว จะมีปริมาณพลังงาน 35.5 MJ/kg เชื้อเพลิง ที่มูลค่าพลังงาน 1.11 บาทต่อ MJ มันจะคำนวณได้ว่า การขนส่งมวล 200 kg ขึ้นวงโคจรค้างฟ้า จะมีค่าใช้จ่ายขั้นต่ำสุดที่ 83,000 บาทต่อที่นั่งเที่ยวเดียว เทียบกับปัจจุบันตัวเลขของ Falcon 9 มีค่าใช้จ่ายการส่งที่ 62 ล้านเหรียญ และแบกน้ำหนักได้ 22,800 กิโลกรัม ค่าใช้จ่ายตรงนี้ จะเทียบได้กับ 16 ล้านบาทต่อที่นั่ง (200 kg payload ต่อที่นั่ง) ราคาประเมินต้นทุนเชื้อเพลิง 83,000 บาท อาจบอกได้ว่า นี่เป็นค่าใช้จ่ายต่ำสุดที่เป็นไปได้ไม่ว่าเราจะพัฒนาเทคโนโลยีจรวดให้ดีสักเพียงใด การชนส่งคนไปที่วงโคจรสถานีอวกาศ ISS จะไม่มีวันถูกไปกว่า 83,000 บาทต่อที่นั่งนั่นเอง
แล้วถ้าหากว่าเราใช้ลิฟท์อวกาศล่ะ มันจะเป็นอย่างไร
ลิฟท์อวกาศ เป็นคอนเซปท์การเดินทางที่อาศัยการดุลแรงเหวี่ยงหนีศูนย์เข้ากับแรงดึงของลิฟท์ขึ้นไปบนอวกาศ ในเชิงฟิสิกส์แล้ว พลังงานที่ใช้ในการยกลิฟท์ ก็คือสูตรคำนวณ E = m.g.h แต่เพราะความสูงนั้นมาก เราก็ต้องมาคำนวณด้วยสูตรเต็มตามสมการของนิวตั้งที่ว่า E = GMm/R
ถ้าเราต้องการส่งมวล 1 kg ไปที่วงโคจร Geostationary ด้วยความเร็วช้าๆ พลังงานที่ต้องใช้คือเทียบระยะวงโคจร R1 = 42,164,000 m กับระดับภาคพื้นที่รัศมีโลก R0 = 6,378,000 m
dE = G.M.m(1/R
0 - 1/R
1)
dE = 6.67x10
-11 . 5.97x10
24 . 1 (1/6,378,000 - 1/42,164,000) = 53 MJ/kg
เมื่อเราคิด Payload ที่ 200 กิโลกรัมและมูลค่าพลังงาน 1.11 บาทต่อ MJ ค่าใช้จ่ายต่อเที่ยวการขนส่งจะอยู่เพียงแค่ 12,000 บาทต่อเที่ยว ค่าใช้จ่ายจะลดลงทันทีเหลือ 1/7 ของการขนส่งด้วยจรวด
นอกเหนือไปจากนี้ ในกรณีอุดมคติที่นักบินอวกาศขึ้นลิฟท์ไปขึ้นจรวดออกไปดวงจันทร์ มันใช้พลังงาน E ในการออกจากโลก แต่ตอนขากลับ ตอนมันลงจากโลกมันจะถ่ายพลังงาน E จำนวนเดียวกันกลับสู่ลิฟท์ ซึ่งลิฟท์จะสามารถ Recover พลังงานกลับได้ผ่านระบบไดนาโม และบางที ราคาขึ้นลิฟท์อาจทำได้ถูกเหลือแค่ 5000 บาทต่อผู้โดยสาร 1 ท่าน รวมกำไรไปแล้วด้วย
แล้วถ้าเราจะเดินทางต่อไปยังดวงจันทร์ล่ะ??
เนื่องจากพลังงานส่วนใหญ่ของการท่องอวกาศ จะเป็นการแบกน้ำหนักเชื้อเพลิงของจรวดเองขึ้นสู่อวกาศ จากวงโคจรค้างฟ้า ถึง ดวงจันทร์ ปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องใช้มันจะไม่มากเลย เราพอจะสรุปโหลงโจ้งได้ว่า การเดินทางจากโลกไปดวงจันทร์เที่ยวเดียว ค่าใช้จ่ายเชื้อเพลิงจะไม่เกิน 17,000 บาทต่อที่นั่นแน่นอน ถูกยังกะบินไปเที่ยวฮาวายเลย
เที่ยวพอละ แต่ขากลับจากดวงจันทร์ เราจะทำยังไงดี
ขากลับจากดวงจันทร์ เราก็อยากจะสร้างลิฟท์อวกาศที่ดวงจันทร์ด้วย แต่ มันไม่ง่ายอย่างที่คิด เพราะว่า ดวงจันทร์โคจรรอบตัวเองช้ามาก มันหมุนรอบตัวเอง 1 รอบใน 27 วัน ดังนั้น แรงเหวี่ยงหนีศูนย์มันจะน้อยมากๆ ด้วยความที่ความเร็วมันต่ำ แรงเหวี่ยงหนีศูนย์มันน้อย รัศมีของวงโคจรค้างฟ้า ณ ดวงจันทร์มันจะสู้งสูงมากๆ
การคำนวณวงโคจรค้างฟ้า เราใช้การดุล แรงเหวี่ยงหนีศูนย์เข้ากับแรงโน้มถ่วง สมการมันจะอยู่ในรูป
R = (GM/w2)1/3
เมื่อ M คือมวลของดาวเคราะห์
w คือความเร็วเชิงมุมการโคจรรอบตัวเอง และ
R คือระดับวงโคจรค้างฟ้าคิดจากศูนย์กลางของดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์
สำหรับโลก วงโคจรค้างฟ้าของเราคำนวณด้วยสูตรนี้จะได้ที่ระดับวงโคจร 42,000 กิโลเมตร แต่สำหรับดวงจันทร์ วงโคจรค้างฟ้าจะต้องอยู่สูงถึง 88,000 กิโลเมตร ถ้าหากเรานับระยะไปถึงตุ้มน้ำหนักสำหรับถ่วงลิฟท์อวกาศ เราจะต้องวางเคเบิ้ลยาวถึง 1/3 ของระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์ และมันคงไม่น่าสนุกสักเท่าไรถ้าหากน้ำหนักถ่วงนี้จะได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของโลกในช่วงที่มันเหวี่ยงมาใกล้ และเหวี่ยงออกไปไกล สำหรับการเดินทางออกจากดวงจันทร์แบบประหยัดไม่สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจรวด เราคงต้องใช้วิธีการอื่นที่ไม่ใช่ลิฟท์อวกาศ ซึ่งก็นับเป็นโชคดี เรามีโปรเจคการออกอวกาศที่เป็นไปแทบไม่ได้บนโลก แต่มันจะคุ้มมากบนดวงจันทร์ นั่นคือ Concept Mass driver การทำราง Rail gun อวกาศนั่นเอง
แนวคิดการส่งยานอวกาศด้วยแรงขับจากภายนอกตัวยานแบบการยิงกระสุนมีมาตั้งแต่ในงานเขียนของ จูลส์ เวิร์นในปี 1902 ในนิยาย From the Earth to The Moon โปรเจค HAAP ที่เป็นความร่วมมือระหว่างสหรัฐอเมริกา และ แคนาดา ก็มีการทดลองสร้างต้นแบบปืนใหญ่ส่งมวลออกนอกอวกาศ ทั้งนี้ ข้อจำกัดสำคัญของการขนส่งด้วยวิธีนี้คือ วัตถุที่เราจะส่งออกอวกาศจะต้องทนความเร่งของ Mass driver ได้
ในการจะเร่งวัตถุให้มีความเร็วถึงความเร็วหลุดพ้น หรือความเร็วออกอวกาศ คุณต้องไม่ใช้เวลาน้อยเกินไป สำหรับการเดินทางด้วยเครื่องบิน ความเร่งที่เราจะสัมผัสคือ 1 g กว่าๆ (g ในที่นี้คือความเร่งเทียบเท่าแรงโน้มถ่วง หรือ 9.81 m/s^2) การเดินทางด้วยกระสวยอวกาศ ปรกตินักบินจะต้องเผชิญความเร่งที่ 3 g ในเชิงเปรียบเทียบ ความเร่งของรถ Super Car อย่างบูกัตติ จะอยู่ที่ 1.55 g เราพอจะประเมินได้ว่า ในยุคอวกาศ ที่คนทั่วไปจะเดินทางไปมาได้เราก็คงต้องจำกัดความเร่งไว้แถวๆ 2 g ไม่งั้นคนทั่วไปที่ไม่ใช่นักกีฬาฝึกฝนมาอย่างดีจาก NASA ก็คงไม่สามารถเดินทางได้ ซึ่งจะนำมาที่ปัญหาอันยิ่งใหญ่ของระบบ Mass driver นั่นคือ ความยาวของราง
ถ้าหาเราต้องการจะส่งมนุษย์ออกอวกาศด้วย Mass driver สมมุติไปแค่ที่วงโคจร Low Earth Orbit เราต้องการความเร็วต้นขั้นต่ำที่ 8.1 กิโลเมตรต่อวินาที เราใช้สูตรทางฟิสิกส์ว่า
S = 0.5v2/a
S คือความยาวราง Mass driver เป็นเมตร
v เป็นความเร็วที่ต้องการหน่วย m/s และ
a คือความเร่ง ในที่นี้คือ 2g หรือ 2x9.81 m/s2
เราจะพบว่า ความยาวรางของเราบนโลกจะต้องยาวถึง 1,688 กิโลเมตร ประมาณระยะทางจากเหนือสุดสู่ใต้สุดของประเทศไทยเลยทีเดียว แต่ถ้าหากว่าเราเอาเทคโนโลยีนี้ไปใช้บนดวงจันทร์ ดวงจันทร์มีแรงโน้มถ่วงน้อยกว่าโลกมาก ความเร็วหลุดพ้นของดวงจันทร์นั้นแค่ 2.4 กิโลเมตรต่วินาที ก็เกินพอ คุณต้องการราง Mass driver ความยาวเพียง 140 กิโลเมตรก็ส่งยานออกอวกาศได้สบายๆ ความยาวรางนี้ ก็แค่ ระยองถึงแปดริ้ว แถมด้วยการที่ดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศ อวกาศยานจากดวงจันทร์จะสามารถนำมาใช้ใหม่ได้หลายรอบเพราะไม่มีการสึกหรอ โดยอัตราการใช้พลังงานเพียง 11% เทียบกับการใช้เชื้อเพลิงจรวดเดินทางออกจากดวงจันทร์
โดยสรุป
ถ้าเราจะเดินทางออกอวกาศในราคาที่ประชาชนจ่ายได้ ประมาณคงต้องรวยหน่อยแต่ไม่ถึงขนาดเป็นอภิมหาเศรษฐี ระบบ Infrastructure ทางอวกาศ อย่างน้อยจะต้องมิลิฟท์อวกาศ มี Mass driver เพื่อที่เราจะส่งคนขึ้นลิฟท์ไปต่อยานอวกาศเพื่อลงที่ดวงจันทร์หรือดาวอังคาร
และเมื่อเราไม่ต้องสู้กับแรงโน้มถ่วงและแรงต้านมากมาย ขนาดแรงขับ Thruster ก็ไม่ต้องสูงมาก และไม่ต้องกังวลเรื่องกัมมันตรังสีขนาดนั้น เราสามารถใช้หม้อต้มน้ำด้วยเชื้อเพลิงยูเรเนียมสร้างไอน้ำขับยานอวกาศของเราให้เดินทางไปมาได้ระหว่างดาวเคราะห์ ส่วนการเดินทางกลับจากดวงจันทร์ เพราะดวงจันทร์มีแรงโน้มถ่วงเพียง 1/6 ของโลก ความเร็วหลุดพ้นมันไม่มากขนาดนั้น Space rail ที่ความยาวสัก 140 กิโลเมตรก็น่าจะเพียงพอที่ส่งอวกาศยานกลับโลกด้วยความเร่งเพียง 2 g ที่คนส่วนใหญ่เดินทางได้สบายๆ ด้วยต้นทุนพลังงานเพียง 18,000 บาทต่อเที่ยวเท่านั้นเอง
ในเวลานั้น เราอาจมีโคโลนีอวกาศกระจายอยู่ทั่ววงโคจรรอบโลกเสียก็ได้ เนาะ
Space Tourist: ฟิสิกส์ของโครงสร้างพื้นฐานของยุคนักท่องเที่ยวอวกาศ
จากคำถามในห้องหว้ากอ มีอยู่ว่า เมื่อไรที่ประชาชนธรรมดาจะเดินทางออกอวกาศกับเขาได้บ้าง แน่นอนเรารู้ละว่า ปัจจุบันค่าเดินทางทัวร์อวกาศไป ISS มีราคาสูงถึง 175 ล้านเหรียญต่อที่นั่ง (ประมาณ 5,200 ล้านบาทแค่นั้นเอง) ค่าใช้จ่าย มันอาจลดลงได้ถ้ามีจำนวนผู้โดยสารมากขึ้น มันจะมีเทคโนโลยีการเดินทางราคาถูกที่จะใช้เชื้อเพลิงได้ประหยัดกว่า อวกาศยานที่จะสามารถนำมาใช้ได้เหมือนเครื่องบิน หรือรถเมล์ สังคมอวกาศที่ประชาชนจะเดินทางไปชมวิวสัมผัสโลกไร้แรงโน้มถ่วงที่สถานีอวกาศ ขึ้นอวกาศยานเดินทางไปต่อเครื่องที่โคโลนีดวงจันทร์ก่อนเดินทางไปสู่จุดหมาย ณ ดาวอังคาร ระบบ Infrastructure ทางอวกาศของมนุษย์จะหน้าตาเป็นอย่างไร เรามาจินตนาการด้วยความรู้ที่เรามีอยู่กัน
ข้อจำกัดของเชื้อเพลิง
ในการเดินทางออกอวกาศ เราจะต้องพูดถึงสิ่งที่เรียกว่า Payload หรือน้ำหนักที่เราจะส่งออกไปนอกแรงโน้มถ่วง สมมุติว่าตัวเราหนัก 70 กิโลกรัมบวกสัมภาระอีกคนละ 30 กิโล Payload ของเราก็คือ 100 กิโลกรัม ถ้าหากเราเฉลี่ยน้ำหนักอวกาศยานเข้าไปด้วย มันก็อาจลงที่น้ำหนักคน + น้ำหนักจรวดจะอยู่แถวๆ 200 kg ต่อคน และเชื้อเพลิงที่ต้องใช้คือเชื้อเพลิงในการส่งน้ำหนัก 200 kg ต่อคนออกอวกาศ
ปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องใช้ ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน เราใช้จรวดในการออกอวกาศ เราสามารถคำนวณได้ด้วยสมการของ ซีออลคอฟสกี้ ซึ่งเป็นการแก้สมการโมเมนตั้มและแรงดลดังต่อไปนี้
ในขณะที่จรวด ผลักไปข้างหน้า ด้วยสารขับดัน ปริมาณสารขับดัน (เชื้อเพลิง) ขั้นต่ำสุดจะคำนวณด้วยการดลโมเมนตั้ม สมมุติว่าเราต้องการเดินทาง ขึ้นวงโคจรชั้น Geostationary เราต้องการความเร็วต้นเพื่อส่งจรวดไปถึงชั้น Geostationary ที่ 10,700 km/s เชื้อเพลิงขับดันจรวดมีความเร็ว 4,400 m/s น้ำหนักจรวดรวมสารขับดัน จะเท่ากับ 10,700 = 4,400 ln(m/1) ; m = 12.5 kg ปริมาณเชื้อเพลิงคือ 12.5 - 1 = 11.5 kg ค่าพลังงานที่ใช้ในการสันดาปเชื้อเพลิงไฮโดรเจนรวมกับออกซิเจนคือ 35.5 kJ/kg เท่ากับเราใช้พลังงาน 372 MJ ในการส่งมวล 1 kg ออกอวกาศ
สำหรับจรวดที่ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลว จะมีปริมาณพลังงาน 35.5 MJ/kg เชื้อเพลิง ที่มูลค่าพลังงาน 1.11 บาทต่อ MJ มันจะคำนวณได้ว่า การขนส่งมวล 200 kg ขึ้นวงโคจรค้างฟ้า จะมีค่าใช้จ่ายขั้นต่ำสุดที่ 83,000 บาทต่อที่นั่งเที่ยวเดียว เทียบกับปัจจุบันตัวเลขของ Falcon 9 มีค่าใช้จ่ายการส่งที่ 62 ล้านเหรียญ และแบกน้ำหนักได้ 22,800 กิโลกรัม ค่าใช้จ่ายตรงนี้ จะเทียบได้กับ 16 ล้านบาทต่อที่นั่ง (200 kg payload ต่อที่นั่ง) ราคาประเมินต้นทุนเชื้อเพลิง 83,000 บาท อาจบอกได้ว่า นี่เป็นค่าใช้จ่ายต่ำสุดที่เป็นไปได้ไม่ว่าเราจะพัฒนาเทคโนโลยีจรวดให้ดีสักเพียงใด การชนส่งคนไปที่วงโคจรสถานีอวกาศ ISS จะไม่มีวันถูกไปกว่า 83,000 บาทต่อที่นั่งนั่นเอง
แล้วถ้าหากว่าเราใช้ลิฟท์อวกาศล่ะ มันจะเป็นอย่างไร
ลิฟท์อวกาศ เป็นคอนเซปท์การเดินทางที่อาศัยการดุลแรงเหวี่ยงหนีศูนย์เข้ากับแรงดึงของลิฟท์ขึ้นไปบนอวกาศ ในเชิงฟิสิกส์แล้ว พลังงานที่ใช้ในการยกลิฟท์ ก็คือสูตรคำนวณ E = m.g.h แต่เพราะความสูงนั้นมาก เราก็ต้องมาคำนวณด้วยสูตรเต็มตามสมการของนิวตั้งที่ว่า E = GMm/R
ถ้าเราต้องการส่งมวล 1 kg ไปที่วงโคจร Geostationary ด้วยความเร็วช้าๆ พลังงานที่ต้องใช้คือเทียบระยะวงโคจร R1 = 42,164,000 m กับระดับภาคพื้นที่รัศมีโลก R0 = 6,378,000 m
dE = G.M.m(1/R0 - 1/R1)
dE = 6.67x10-11 . 5.97x1024 . 1 (1/6,378,000 - 1/42,164,000) = 53 MJ/kg
เมื่อเราคิด Payload ที่ 200 กิโลกรัมและมูลค่าพลังงาน 1.11 บาทต่อ MJ ค่าใช้จ่ายต่อเที่ยวการขนส่งจะอยู่เพียงแค่ 12,000 บาทต่อเที่ยว ค่าใช้จ่ายจะลดลงทันทีเหลือ 1/7 ของการขนส่งด้วยจรวด
นอกเหนือไปจากนี้ ในกรณีอุดมคติที่นักบินอวกาศขึ้นลิฟท์ไปขึ้นจรวดออกไปดวงจันทร์ มันใช้พลังงาน E ในการออกจากโลก แต่ตอนขากลับ ตอนมันลงจากโลกมันจะถ่ายพลังงาน E จำนวนเดียวกันกลับสู่ลิฟท์ ซึ่งลิฟท์จะสามารถ Recover พลังงานกลับได้ผ่านระบบไดนาโม และบางที ราคาขึ้นลิฟท์อาจทำได้ถูกเหลือแค่ 5000 บาทต่อผู้โดยสาร 1 ท่าน รวมกำไรไปแล้วด้วย
แล้วถ้าเราจะเดินทางต่อไปยังดวงจันทร์ล่ะ??
เนื่องจากพลังงานส่วนใหญ่ของการท่องอวกาศ จะเป็นการแบกน้ำหนักเชื้อเพลิงของจรวดเองขึ้นสู่อวกาศ จากวงโคจรค้างฟ้า ถึง ดวงจันทร์ ปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องใช้มันจะไม่มากเลย เราพอจะสรุปโหลงโจ้งได้ว่า การเดินทางจากโลกไปดวงจันทร์เที่ยวเดียว ค่าใช้จ่ายเชื้อเพลิงจะไม่เกิน 17,000 บาทต่อที่นั่นแน่นอน ถูกยังกะบินไปเที่ยวฮาวายเลย
เที่ยวพอละ แต่ขากลับจากดวงจันทร์ เราจะทำยังไงดี
ขากลับจากดวงจันทร์ เราก็อยากจะสร้างลิฟท์อวกาศที่ดวงจันทร์ด้วย แต่ มันไม่ง่ายอย่างที่คิด เพราะว่า ดวงจันทร์โคจรรอบตัวเองช้ามาก มันหมุนรอบตัวเอง 1 รอบใน 27 วัน ดังนั้น แรงเหวี่ยงหนีศูนย์มันจะน้อยมากๆ ด้วยความที่ความเร็วมันต่ำ แรงเหวี่ยงหนีศูนย์มันน้อย รัศมีของวงโคจรค้างฟ้า ณ ดวงจันทร์มันจะสู้งสูงมากๆ
การคำนวณวงโคจรค้างฟ้า เราใช้การดุล แรงเหวี่ยงหนีศูนย์เข้ากับแรงโน้มถ่วง สมการมันจะอยู่ในรูป
R = (GM/w2)1/3
เมื่อ M คือมวลของดาวเคราะห์
w คือความเร็วเชิงมุมการโคจรรอบตัวเอง และ
R คือระดับวงโคจรค้างฟ้าคิดจากศูนย์กลางของดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์
สำหรับโลก วงโคจรค้างฟ้าของเราคำนวณด้วยสูตรนี้จะได้ที่ระดับวงโคจร 42,000 กิโลเมตร แต่สำหรับดวงจันทร์ วงโคจรค้างฟ้าจะต้องอยู่สูงถึง 88,000 กิโลเมตร ถ้าหากเรานับระยะไปถึงตุ้มน้ำหนักสำหรับถ่วงลิฟท์อวกาศ เราจะต้องวางเคเบิ้ลยาวถึง 1/3 ของระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์ และมันคงไม่น่าสนุกสักเท่าไรถ้าหากน้ำหนักถ่วงนี้จะได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของโลกในช่วงที่มันเหวี่ยงมาใกล้ และเหวี่ยงออกไปไกล สำหรับการเดินทางออกจากดวงจันทร์แบบประหยัดไม่สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงจรวด เราคงต้องใช้วิธีการอื่นที่ไม่ใช่ลิฟท์อวกาศ ซึ่งก็นับเป็นโชคดี เรามีโปรเจคการออกอวกาศที่เป็นไปแทบไม่ได้บนโลก แต่มันจะคุ้มมากบนดวงจันทร์ นั่นคือ Concept Mass driver การทำราง Rail gun อวกาศนั่นเอง
แนวคิดการส่งยานอวกาศด้วยแรงขับจากภายนอกตัวยานแบบการยิงกระสุนมีมาตั้งแต่ในงานเขียนของ จูลส์ เวิร์นในปี 1902 ในนิยาย From the Earth to The Moon โปรเจค HAAP ที่เป็นความร่วมมือระหว่างสหรัฐอเมริกา และ แคนาดา ก็มีการทดลองสร้างต้นแบบปืนใหญ่ส่งมวลออกนอกอวกาศ ทั้งนี้ ข้อจำกัดสำคัญของการขนส่งด้วยวิธีนี้คือ วัตถุที่เราจะส่งออกอวกาศจะต้องทนความเร่งของ Mass driver ได้
ในการจะเร่งวัตถุให้มีความเร็วถึงความเร็วหลุดพ้น หรือความเร็วออกอวกาศ คุณต้องไม่ใช้เวลาน้อยเกินไป สำหรับการเดินทางด้วยเครื่องบิน ความเร่งที่เราจะสัมผัสคือ 1 g กว่าๆ (g ในที่นี้คือความเร่งเทียบเท่าแรงโน้มถ่วง หรือ 9.81 m/s^2) การเดินทางด้วยกระสวยอวกาศ ปรกตินักบินจะต้องเผชิญความเร่งที่ 3 g ในเชิงเปรียบเทียบ ความเร่งของรถ Super Car อย่างบูกัตติ จะอยู่ที่ 1.55 g เราพอจะประเมินได้ว่า ในยุคอวกาศ ที่คนทั่วไปจะเดินทางไปมาได้เราก็คงต้องจำกัดความเร่งไว้แถวๆ 2 g ไม่งั้นคนทั่วไปที่ไม่ใช่นักกีฬาฝึกฝนมาอย่างดีจาก NASA ก็คงไม่สามารถเดินทางได้ ซึ่งจะนำมาที่ปัญหาอันยิ่งใหญ่ของระบบ Mass driver นั่นคือ ความยาวของราง
ถ้าหาเราต้องการจะส่งมนุษย์ออกอวกาศด้วย Mass driver สมมุติไปแค่ที่วงโคจร Low Earth Orbit เราต้องการความเร็วต้นขั้นต่ำที่ 8.1 กิโลเมตรต่อวินาที เราใช้สูตรทางฟิสิกส์ว่า
S = 0.5v2/a
S คือความยาวราง Mass driver เป็นเมตร
v เป็นความเร็วที่ต้องการหน่วย m/s และ
a คือความเร่ง ในที่นี้คือ 2g หรือ 2x9.81 m/s2
เราจะพบว่า ความยาวรางของเราบนโลกจะต้องยาวถึง 1,688 กิโลเมตร ประมาณระยะทางจากเหนือสุดสู่ใต้สุดของประเทศไทยเลยทีเดียว แต่ถ้าหากว่าเราเอาเทคโนโลยีนี้ไปใช้บนดวงจันทร์ ดวงจันทร์มีแรงโน้มถ่วงน้อยกว่าโลกมาก ความเร็วหลุดพ้นของดวงจันทร์นั้นแค่ 2.4 กิโลเมตรต่วินาที ก็เกินพอ คุณต้องการราง Mass driver ความยาวเพียง 140 กิโลเมตรก็ส่งยานออกอวกาศได้สบายๆ ความยาวรางนี้ ก็แค่ ระยองถึงแปดริ้ว แถมด้วยการที่ดวงจันทร์ไม่มีชั้นบรรยากาศ อวกาศยานจากดวงจันทร์จะสามารถนำมาใช้ใหม่ได้หลายรอบเพราะไม่มีการสึกหรอ โดยอัตราการใช้พลังงานเพียง 11% เทียบกับการใช้เชื้อเพลิงจรวดเดินทางออกจากดวงจันทร์
โดยสรุป
ถ้าเราจะเดินทางออกอวกาศในราคาที่ประชาชนจ่ายได้ ประมาณคงต้องรวยหน่อยแต่ไม่ถึงขนาดเป็นอภิมหาเศรษฐี ระบบ Infrastructure ทางอวกาศ อย่างน้อยจะต้องมิลิฟท์อวกาศ มี Mass driver เพื่อที่เราจะส่งคนขึ้นลิฟท์ไปต่อยานอวกาศเพื่อลงที่ดวงจันทร์หรือดาวอังคาร
และเมื่อเราไม่ต้องสู้กับแรงโน้มถ่วงและแรงต้านมากมาย ขนาดแรงขับ Thruster ก็ไม่ต้องสูงมาก และไม่ต้องกังวลเรื่องกัมมันตรังสีขนาดนั้น เราสามารถใช้หม้อต้มน้ำด้วยเชื้อเพลิงยูเรเนียมสร้างไอน้ำขับยานอวกาศของเราให้เดินทางไปมาได้ระหว่างดาวเคราะห์ ส่วนการเดินทางกลับจากดวงจันทร์ เพราะดวงจันทร์มีแรงโน้มถ่วงเพียง 1/6 ของโลก ความเร็วหลุดพ้นมันไม่มากขนาดนั้น Space rail ที่ความยาวสัก 140 กิโลเมตรก็น่าจะเพียงพอที่ส่งอวกาศยานกลับโลกด้วยความเร่งเพียง 2 g ที่คนส่วนใหญ่เดินทางได้สบายๆ ด้วยต้นทุนพลังงานเพียง 18,000 บาทต่อเที่ยวเท่านั้นเอง
ในเวลานั้น เราอาจมีโคโลนีอวกาศกระจายอยู่ทั่ววงโคจรรอบโลกเสียก็ได้ เนาะ