วิทยาศาสตร์ของ The Expanse


ในโลก The Expanse เป็นอนาคตอีก 300 ปีข้างหน้าที่ยังไม่มีวาร์ป ไม่มีสนามกราวิต้อนสำหรับทำแรงโน้มถ่วงเทียม แต่มนุษย์ ก็ได้กระจายตัวข้ามดาวเคราะห์ไปยังดาวอังคาร เดินทางไปทำเหมืองที่ดาวพฤหัสและตั้งสถานีอวกาศกันในแถบอุกาบาต อารยธรรมมนุษย์ ณ ตอนนั้น  มีขนาดการใช้พลังงานที่สูงมาก และอาศัยการทำเหมืองฮีเลียมที่ดาวพฤหัสเพื่อนำมาค้ำจุนความมั่งคั่งของโลก รวมไปถึงอาณานิคมบนดาวอังคาร ความมั่งคั่งนี้เหยียบบนความแร้นแค้นของคนเหมืองบนแถบอุกาบาตที่เรียกว่า Belter ซึ่งมีชีวิตอยู่ในสภาพแรงโน้มถ่วงต่ำจนถึงปลอดแรงโน้มถ่วง ขาดสารอาหารจนร้ายที่สุดคือมีอาการขาดอากาศบ่อยครั้ง สภาพร่างการมีการพิการโดยเฉพาะสภาพกระดูกพรุน ทำให้ Belter มีความเกลียดชังสั่งสมต่อโลก และดาวอังคาร เกิดเป็นสภาพอึมครึม 3 ฝ่ายจนเกิดมีโปรโตโมเลกุล ที่เข้ามาจากนอกสุริยะจักรวาล เข้ามาทำลายสมดุลและทำให้เกิดการเคลื่อนไหวเพื่อแย่งชิงโปรโตโมเลกุลมาครอบครองเพื่อใช้งาน แม้การพยายามควบคุมจะล้มเหลวจนทำคนตายไปนับล้าน แต่เศรษฐศาสตร์ของสงครามได้เริ่มขึ้นและเหมือนจะเร่งรุดเข้าสู่การทำลายกันเอง ในที่นี้ เราจะมาเจาะลึกกันเรื่อง วิทยาศาสตร์ของ The Expanse ว่า มันสมจริงแค่ไหน และมีเหตุผลทางวิทยาศาสตร์อะไรที่ทำให้สภาพสังคมมันเป็นแบบนั้นได้

บทความนี้ลงครั้งแรกใน facebook และเอามาเก็บใน pantip เพื่อความสะดวกในการอ่าน


แรงโน้มถ่วง

รูปที่ 1: แรงโน้มถ่วงเทียม ทำให้เกิดแรงคอริออริส
 
 
สิ่งมีชีวิตอาศัยประโยชน์ของแรงโน้มถ่วงเสียจนเราละเลยความสำคัญของมันไป กระดูกของมนุษย์ มีการสะสมและละลายแคลเซียมออกตามความเครียดเค้นของการใช้งาน ในกรณีของมนุษย์อวกาศ เราจะพบการลดลงของมวลกระดูกราว 1% ต่อเดือน ที่เรียกว่า อาการกระดูกพรุนจากการออกอวกาศ (Spaceflight osteopenia) นั่นทำให้มนุษย์อวกาศต้องมีการออกกำลังกายในลักษณะ Resistance training ใช้สายสปริงยึดตัวเข้ากับลู่วิ่งเพื่อรักษามวลกระดูกให้ยังสะสมที่ตามจุดต่างๆของร่างกาย และมีการใช้ฮอร์โมนเพศชายในการช่วยเพิ่มมวลกระดูก ในกรณีของ Belter จะมีสภาพร่างกายที่ยืดยาวอย่างเห็นได้ชัด สำหรับอาการกระดูกพรุนนี้ ในกรณีของ Belter ที่อยู่ในอวกาศเกือบตลอดชีวิต กล้ามเนื้อและโครงกระดูกส่วนที่ใช้ในการคลอดลูกมีปัญหาเรื่องพัฒนาการอย่างรุนแรง เรียกได้ว่า เพื่อที่จะคลอดลูกออกมาได้ Belter จะมีการย้ายไปอยู่ที่ดาวเคราะห์แคระเซเรส (Ceres) หรือดวงจันทร์แกนีมีด (Ganymede) ของดาวพฤหัส เพื่อจะช่วยให้การคลอดทารกเป็นไปได้ ทำนายอาการได้ง่ายขึ้นจากแรงโน้มถ่วงน้อยๆที่ทั้งเซเรสและแกนีมีดมี แม้จะเป็นแค่ 2 – 10% ของแรงโน้มถ่วงของโลกก็ตาม

 รูปที่ 2: gravity mechanic สังเกตว่าการเคลื่อนที่ของยานจะมีเส้นทางที่ถูกดึงดูดเข้าหามวลขนาดใหญ่ในวงโคจรต่างๆ
เรื่องแรงโน้มถ่วง The Expanse มีอยู่ 3 รูปแบบ คือแรงโน้มถ่วงจากมวล พวกดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์แคระ หรือดวงจันทร์ต่างๆจัดอยู่ในหมู่นี้ แบบที่สองคือแรงโน้มถ่วงจากแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ สถานีอวกาศ Tycho มีการหมุนรอบตัวเองเพื่อสร้างแรงโน้มถ่วงแบบนี้ อย่างไรก็ตาม แรงโน้มถ่วงเทียมจากการเหวี่ยงหนีศูนย์จะมีปัญหาจากแรง Coriolis เมื่อโมเมนตั้มเชิงมุมคงที่ การเทเหล้าลงแก้ว การเดินลงบันได การลุกขึ้นยืน จะมีการเปลี่ยนของความเร็วเชิงมุม ถ้าไม่ชิน ก็จะทำให้เกิดการเซล้ม หรือเทเหล้าไม่ลงแก้ว แรงโน้มถ่วงเทียมแบบที่ 3 คือแรงโน้มถ่วงจากความเร่ง ซึ่งแน่นอน ว่ามันแลกด้วยการใช้พลังงานมหาศาล

 รูปที่ 3 ด้านซ้ายคือมือของ Belter เป็นมนุษย์ที่เติบโตในสภาพแรงโน้มถ่วงต่ำ มวลกระดูกเบา ร่างกายยืดกว่ามนุษย์ที่เติบโตภายใต้แรงโน้มถ่วง
มนุษย์ที่อยู่นอกเขตดาวเคราะห์หิน มักจะมีสภาพที่เติบโตในขนาดของแรงโน้มถ่วงที่น้อยกว่าโลกมากจนพวก Duster (มนุษย์ดาวอังคาร) หรือ Belter ถ้าลงมาบนพื้นโลก ก็จะมีปัญหาแค่การพยายามทรงตัวยืน มันถึงกับมีการลงโทษด้วยแรงโน้มถ่วง ที่จะจับมนุษย์ที่โตมาในแรงโน้มถ่วงต่ำแขวนไว้กับผนังให้น้ำหนักของตัวเอง น้ำหนักของเครื่องในกดทับจนทรมานถึงตายได้ อาจกล่าวได้ว่า แรงโน้มถ่วงเป็นหัวใจหลักของเรื่องที่ทำให้มนุษย์ที่ตั้งรกรากในอวกาศ มีความผิดแผกทางกายภาพจนมองว่าพวกเขาเป็นซับสปีชี่ส์ใหม่ และมองว่า Inner เป็นมนุษย์คนละเผ่าพันธุ์ เช่นเดียวกับการที่เหล่า Inner ก็มองพวก Belter เป็นแค่กุลีทาสแรงงานไว้สำหรับใช้ประโยชน์หาทรัพยากรเข้ามาให้เผาผลาญ เป็นลิ่มความแตกแยกของเผ่าพันธุ์มนุษย์ทั้งสามกลุ่มในดาราจักรแห่งนี้
 
 

Epstein drive

รูปที่ 4: Epstein drive เป็นจรวดไอออนนิวเคลียร์ตามเนื้อเรื่อง ใช้การสันดาป Helium 3 สร้างแรงขับ 
เครื่องยนต์จรวด นับเป็นเครื่องยนต์ที่ด้อยประสิทธิภาพในทางพลังงานอย่างถึงที่สุด การเคลื่อนที่บนพื้นโลก รถยนต์ ออกแรงกระทำกับพื้น เรือ ออกแรงกระทำกับน้ำ เครื่องบินใบพัดหรือไอพ่น ออกแรงกระทำกับอากาศ ยิ่งวัตถุที่ออกแรงกระทำด้วยมีมวลมาก สัดส่วนพลังงานที่ใส่ลงไปจะแปลงเป็นความเร็วของพาหนะได้มากเท่านั้น ส่วนเครื่องยนต์จรวด ต้องออกแรงกระทำกับสารขับดัน ซึ่งพอปล่อยออกมาในอวกาศมันก็ไม่มีอากาศหรืออะไรมาต้านเพื่อส่งต่อแรงให้จรวด ประสิทธิภาพเชิงพลังงานของเครื่องยนต์จรวดนั้นทำได้เพียง 0.5% ของรถยนต์ และราว 10% ของเครื่องยนต์ไอพ่น อย่างไรก็ตาม เพราะในอวกาศ มวลสาร เป็นสิ่งที่หาได้ยาก ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จรวดจึงนับที่ความเร็วที่ได้ต่อปริมาณสารขับดันที่ใช้ ไม่ได้นับเป็นปริมาณพลังงาน
 
สำหรับเครื่องยนต์จรวดนี้ ความเร็วของสารขับดันเป็นข้อจำกัดของเครื่องยนต์จรวดในปัจจุบัน เครื่องยนต์ Raptor ของ Space-X สามารถพ่นสารขับดันออกมาได้ที่ความเร็วเพียง 3 กิโลเมตรต่อวินาที การที่จรวดจะเดินทางไปถึงความเร็วเกิน 3 กิโลเมตรต่อวินาที มันจะต้องใช้ปริมาณสารขับดันมากกว่าน้ำหนักจรวดเอง และนี่คือสาเหตุว่าทำไมจรวดในปัจจุบันจะไม่มีทางใช้ไอพ่นชะลอความเร็วลงจอดจากวงโคจรโลกต่ำได้ เพราะความเร็วโคจรนั้นสูงกว่าความเร็วของสารขับดัน จรวดไอออน สามารถทำความเร็วสารขับดันได้ถึง 20 กิโลเมตรต่อวินาที มันเป็นเครื่องยนต์ที่น่าจะสามารถใช้ออกอวกาศและชะลอเข้าจากวงโคจรโลกได้ ทว่า ขนาดของพลังงานที่สามารถจ่ายให้เครื่องยนต์ไอออนนั้นเป็นไปไม่ได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน แต่ในเรื่อง The Expanse มันมีเครื่องยนต์จรวดไอออนที่ทรงพลัง ที่เรียกกันว่า Epstein drive
 
Epstein drive เป็นเครื่องยนต์ไอออนที่ใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในการขับดัน เชื้อเพลิงที่ใช้ใน Epstein drive คือ ฮีเลียม 3 ซึ่งในอนาคตอีก 300 ปีข้างหน้า มนุษย์ที่ไปตั้งรกรากที่แถบอุกกาบาตจะเดินทางไปทำเหมืองฮีเลียมที่ดาวพฤหัส และนำเชื้อเพลิงล้ำค่าปริมาณมหาศาลนี้เข้ามาสู่มือของมนุษยชาติ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ของฮีเลียม 3 มีได้หลายวิธีแต่ ในฐานะนักวิดมือสมัครเล่นผมจะชินกับปฏิกิริยาของไมนอฟสกี้ เอ๊ย ปฏิกิริยาของดิวทีเรียมและฮีเลียม 3 มากที่สุด ซึ่งนั่นก็คือ
 
2H + 3He → 4He + 1p + 18.3 MeV
 
ปริมาณพลังงาน 18.3 MeV อาจไม่คุ้นตาสำหรับคนทั่วไปนอกวงฟิสิกส์ เมื่อเราแปลงหน่วยออกมา เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ฮีเลียม 3 และดิวทีเรียม นี้ ให้พลังงานความร้อนจากปฏิกิริยาถึง 90,000 เทร่าจูลต่อกิโลกรัม หรือเชื้อเพลิง 1 กิโลกรัมนี้ เทียบเท่าได้กับน้ำมันดิบถึง 2 ล้านตัน ในปี 2021 ประเทศไทยใช้พลังงานเทียบเท่า 129 ล้านตันน้ำมันดิบ นั่นคือ เชื้อเพลิง ฮีเลียม 3 – ดิวทีเรียม เพียง 60 กิโลกรัมก็เพียงพอต่อการใช้พลังงานของประเทศไทยทั้งหมด
 
ด้วยปริมาณพลังงานที่มหาศาลในมวลเชื้อเพลิง เครื่องยนต์ Epstein สร้างความเร็วสารขับดันได้ถึง 11,000 กิโลเมตรต่อวินาที ที่ 3.6% ของความเร็วแสง จรวดที่ใช้เครื่องยนต์ Epstein สามารถเดินทางจากโลกไปถึงดาวอังคาร ด้วยความเร่ง 1 G พอไปถึงครึ่งทาง ก็กลับลำแล้วชะลอด้วยความเร่ง 1 G มันจะใช้เชื้อเพลิงเพียง 3% ของน้ำหนักจรวดถ้าเดินทางด้วยระยะทางสั้นที่สุด 80 ล้านกิโลเมตร และถึงจังหวะที่โลกและดาวอังคารอยู่ห่างกันที่สุด 530 ล้านกิโลเมตร มันก็จะใช้มวลเชื้อเพลิงเพียง 8% ของมวลจรวด สำหรับเครื่องยนต์ Epstein ของยาน Rocinante มีกำลังถึง 97 เทร่าวัตต์ กำลังไฟฟ้าตรงนี้มากกว่าอัตราการใช้พลังงานของมนุษย์ยุคปัจจุบัน (ปี 2021) ไปถึง 5 เท่า และนี่เรากำลังพูดถึงยานรบเพียงลำเดียว ขนาดการใช้พลังงานของอารยธรรมมนุษย์ในระบบสุริยะ ณ ตอนนั้น มั่นใจได้ว่า มากเกินกว่าพลังงานของดวงอาทิตย์ที่ตกลงสู่ผิวดาวโลกไปแล้ว
 
ทั้งนี้ การเดินทางด้วยความเร่ง 1 G ไม่ใช่ความเร่งที่เหมาะสำหรับการขนส่งเชื้อเพลิงสักเท่าไร  ถ้าจะเดินทางด้วยความเร่งคงที่ 1 G เพื่อส่งเชื้อเพลิงฮีเลียม 3 จากดาวพฤหัสมาถึงโลก มันจะต้องใช้สารขับดันระหว่าง  9-13% ของน้ำหนักบรรทุก ถ้าหากลดความเร่งลงมาที่ 0.1 G ปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องใช้จะลดลงมาที่เพียง 3-4% ของน้ำหนักบรรทุก แม้จะต้องใช้เวลาเพิ่มขึ้นจาก 6-8 วันต่อเที่ยว มาที่ 19-27 วันต่อเที่ยว แต่พลังงานที่ประหยัดลงได้ แม้จะต้องแลกด้วยสุขภาพของคนงาน Belter แต่มันก็จะได้เงินตราที่มีค่าเหนือกว่าชีวิตของพวก Belter ในสายตาของเหล่านายทุน Inner มากมายนัก

สำหรับรายละเอียดทางเทคนิคของเครื่องยนต์ Epstein เวบ projectrho มีการรวบรวมรายละเอียดการถกเถียงทางวิชาการเกี่ยวกับเครื่องยนต์ Epstein ที่นี่
http://projectrho.com/public_html/rocket/enginelist3.php#epstein

เครื่องยนต์นิวเคลียร์ฟิวชั่นด้วยระบบดิวทีเรียมและฮีเลียม3 มีงานวิจัยที่นี่
https://www.researchgate.net/figure/PFRC-2-and-DFD-Schematics-The-PFRC-2-configuration-is-shown-on-the-left-and-DFD-on-the_fig3_319858407
แสดงความคิดเห็น
โปรดศึกษาและยอมรับนโยบายข้อมูลส่วนบุคคลก่อนเริ่มใช้งาน อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่