จากครั้งแรกที่มนุษย์ไปเหยียบดวงจันทร์ในโครงการอพอลโล 50 ปีต่อมา มนุษย์จะไปเยือนดวงจันทร์อีกครั้งในโครงการ 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 ส่วนต่างที่สำคัญของการเดินทางครั้งนี้ ที่ต้องใช้การเตรียมการนานหนักหนา เพราะรอบนี้ เราจะตั้งฐานกันที่ดวงจันทร์กันจริงๆจังๆ และครั้งนี้ เราจะอยู่กันเป็นหลักเดือน จนถึงหลักปี ด้วยความมุ่งมั่นนี้ เชื้อเพลิงคือปัจจัยสำคัญ เราจะมาคุยกันถึงต้นทุนการขนส่ง และการรักษาเชื้อเพลิงในระยะเวลาอันยาวนาน ที่เชื้อเพลิง 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 และเชื้อเพลิงไฮดราซีน ที่เคยใช้ในยุคสมัยโครงการอพอลโล ไม่เพียงพอต่อความฝันใฝ่อันอลังการของมนุษยชาติ ทำไมเราจะต้องมีการเติมเชื้อเพลิงในอวกาศ และทำไมขนาดของฐานบนดวงจันทร์แบบ Lunar Module จะไม่มีทางเพียงพอ
𝐅𝐫𝐨𝐦 𝐀𝐩𝐨𝐥𝐥𝐨 𝐭𝐨 𝐀𝐫𝐭𝐞𝐦𝐢𝐬
รูปที่ 1: ซ้าย จรวด Saturn V ของโครงการอพอลโล่ ขวา จรวด SLS ของโครงการอาทีมีส
ในยุคสมัยโครงการอพอลโล อเมริกาส่งมนุษย์ไปดวงจันทร์ด้วยเป้าหมายแฝงคือการเอาชนะคะคานกับโซเวียต ในอวกาศเลยขอบเขตของ Van Allen Belt รังสีคอสมิกมีความเข้มข้นสูงยังไม่พอ ยังมีการแปรผันจากปรากฏการณ์ solar flare มนุษย์ที่ออกอวกาศเลยวงโคจร LEO ทุกคนต้องยอมเสี่ยงสุขภาพตัวเองในระยะยาวเพื่อชื่อเสียงของประเทศ เกราะกันรังสีของตัวยาน...และลูนาร์โมดูลนั้น ไม่เพียงพอต่อการป้องกันรังสีคอสมิก มันเพียงพอแค่เพราะ mission การเดินทางเป็น mission ระยะสั้น และมนุษย์จะไม่ตายด้วยรังสีสะสมตลอดระยะเวลา mission นี้
ตัวโครงการอพอลโล payload รวม Lunar Module นั้นจะอยู่ที่เพียง 40–45 ตัน แต่การเดินทางของ 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 นี้ เราตั้งใจจะอยู่ยาว เกราะกันรังสีต้องดี อาจถึงกับมีการใช้ดินของดวงจันทร์กลบฐานสำหรับกันรังสีคอสมิก ตัวฐานต้องใหญ่พอ มีห้องส้วม ไม่ใช่แค่ pamper อวกาศ
ในโครงการ 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 นี้ ตัวยานอวกาศ Orion เองรวมระบบ European Service Module (ESM) payload ก็ราว 20 ตัน ตัว lunar lander จะมีน้ำหนักราว 40–100 ตัน ตรงนี้เอง เชื้อเพลิงที่ใช้ในการเดินทางจะเป็นปัจจัยความคุ้มค่าที่ต้องเอาชนะ เพราะรอบนี้ เราไม่แค่จะเอาชนะคะคานเป็น cold war propaganda แต่เราจะเอาจริงกับการออกอวกาศ
Ad Astra ในราคาที่จับต้องได้คุ้มค่า
𝐓𝐲𝐫𝐚𝐧𝐧𝐲 𝐨𝐟 𝐫𝐨𝐜𝐤𝐞𝐭 𝐞𝐪𝐮𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧
ก่อนที่เราจะเข้าถึง thermodynamics ของเชื้อเพลิง เราต้องมาว่ากันก่อนถึงความเผด็จการของสมการจรวด การขนส่งวัตถุออกไปจากพื้นโลก เราต้องใช้เชื้อเพลิงในการสร้างความเร็วเพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วง และเพราะความเร็วของสารขับดันจรวดแบบการสันดาป มันมีความเร็วจำกัดแค่ประมาณ 3.5 กิโลเมตรต่อวินาที แต่ความเร็วที่ต้องใช้ในการเดินทางไปถึงดวงจันทร์ จะอยู่ที่ราว 14 กิโลเมตรต่อวินาที เราจะต้องใช้เชื้อเพลิง 54.6 ตัน ต่อน้ำหนักสิ่งของที่เราจะส่งไปถึงดวงจันทร์ 1 ตัน นั่นทำให้ ในโครงการอพอลโล ที่จะส่ง Crew Module กับ Lunar Lander น้ำหนักรวมราว 45 ตัน ต้องใช้เชื้อเพลิงถึง 2,457 ตัน เป็นต้น...
|
Vf = Ve ln(m₀/mf)
|
ลองแทนค่าดู 14=3.5ln(mo/45) mo=2,457 Ton
แต่ยังก่อน น้ำหนักที่ต้องแบกเรายังต้องรวมน้ำหนักของตัวจรวด Saturn V เองด้วยราว 13% ซึ่งพอรวมสะระตะ น้ำหนักเชื้อเพลิงรวมตัวจรวด รวมค่าเผื่อนิดๆหน่อยๆ สะระตะมันเลยมีน้ำหนักรวมราว 3,000 ตัน อย่างที่เห็น
รูปที่ 2: ขนาดจรวด Stage ต่างๆของ Saturn V สังเกตว่าแต่ละ Stage จะมีขนาดมวลเป็นราว 5 เท่าของ Stage ถัดไป
ถ้าหากเราจะส่งยาน Orion พร้อม lander น้ำหนักราวๆ 100 ตัน ไปดวงจันทร์ เราจะต้องใช้เชื้อเพลิงรวมจรวดกว่า 6,000–7,000 ตัน ต้องดีไซน์จรวดใหญ่กว่าเดิมสมัยอพอลโลไปกว่า 2 เท่า
แต่จรวดที่ใหญ่ขนาดนั้นมันก็จะเหมือนการตัดสูทพอดี mission มันจะเป็นจรวดที่ใช้ได้แค่การเดินทางไปดวงจันทร์ มันจะใหญ่เทอะทะเกินกว่าจะเอามาใช้ในกิจการขนส่งดาวเทียมเข้าวงโคจรหรือเดินทางไป ISS น้ำหนักจรวดที่ใหญ่เกินไปจะทำให้ต้องแบกเชื้อเพลิงไปแบกน้ำหนักจรวด มันจะเหมือนกรณีสมัยโครงการ Space Shuttle ที่ต้นทุนต่อเที่ยวแพงกว่าจรวดใช้แล้วทิ้งของรัสเซียและจีนไปหลายเท่า
และด้วยพัฒนาการของจรวดยุคปัจจุบันที่จะพยายามใช้แล้วนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ดังนั้น การเดินทางไปดวงจันทร์รอบนี้ จรวดสำหรับส่งนักบินอวกาศจะออกแบบให้ส่ง payload แค่ราว 20 ตัน ส่วนจรวดที่จะส่ง moon lander จะใช้การส่ง lander ไปรอที่วงโคจร LEO ก่อน แล้วทยอยส่งเชื้อเพลิงขึ้นไปเติมจนเต็มก่อนเดินทางไปดวงจันทร์
𝐑𝐨𝐜𝐤𝐞𝐭 𝐟𝐮𝐞𝐥 𝐓𝐡𝐞𝐫𝐦𝐨𝐝𝐲𝐧𝐚𝐦𝐢𝐜𝐬
แล้วทีนี้ เราก็จะมาถึง thermodynamics ของเชื้อเพลิงกันละ
ถ้าเราไปดู
phase diagram ของเชื้อเพลิงต่างๆ เราจะพบว่าเส้นแบ่งเขตแดนของของเหลวกับก๊าซของออกซิเจนจะไปสิ้นสุดที่ราว −118°C ไฮโดรเจนจะอยู่ที่ −240°C ที่อุณหภูมิสูงกว่านี้ มันจะกลายเป็น
supercritical fluid เป็นสถานะของไหลที่ไม่มีเส้นแบ่ง phase ระหว่างของเหลวและก๊าซ
รูปที่ 3: Phase diagram ของไฮโดรเจน และ ออกซิเจน
ปกติจรวดที่เราใช้กันอยู่นี้ บนพื้นโลกจะใช้การทำความเย็นรักษาอุณหภูมิไว้ให้ออกซิเจนและไฮโดรเจนเป็นของเหลว เวลาเติมใส่จรวดแล้ว มันจะรักษาอุณหภูมิไว้ด้วยฉนวน และจะมีการยอมปล่อยให้เชื้อเพลิงระเหยออกเพื่อระบายความร้อน โดยอาศัย
latent heat of vaporization
Fun fact จรวด 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 ถ้าเติมเชื้อเพลิงแล้วจอดทิ้งไว้เฉยๆ มัน “จะระเบิด”
เวลาที่เห็น ถ้าจรวดเติมเชื้อเพลิงแล้วมันต้องพร้อมออกเดินทางทันที ถ้า abort mission มันต้องระบายเชื้อเพลิงออก ไม่งั้นมันจะ
บรู้มมม์ เป็นโกโก้ครั้นช์
𝐄𝐚𝐫𝐥𝐲 𝐬𝐨𝐥𝐮𝐭𝐢𝐨𝐧 = 𝐞𝐯𝐚𝐩𝐨𝐫𝐚𝐭𝐢𝐯𝐞 𝐜𝐨𝐨𝐥𝐢𝐧𝐠 + 𝐟𝐮𝐞𝐥 𝐜𝐡𝐨𝐢𝐜𝐞
𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 ต้องมีการทำความเย็น ต้องปล่อยให้มีเชื้อเพลิงระเหยออกสูญเสียตลอดเวลา เพราะการระเหยมีการดูดความร้อน ทำให้เป็นการทำความเย็นไปในตัว โดยประเมินใน mission ที่ยานจอดหรือรอในวงโคจร มันจะต้องมีการ vent เชื้อเพลิง 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 เพื่อรักษาอุณหภูมิราว ~1–3% ต่อวัน ในกรณีของอพอลโล่ Service Module มีการเอาไฮโดรเจนไปเดิน Fuel Cell ผลิตไฟฟ้า อัตราการระเหยตรงนี้คือส่วนจำเป็นในการรักษาอุณหภูมิของถังเชื้อเพลิง
รูปที่ 4: ตัว Hydrogen Fuel Cell ของยานอพอลโล่ ตัวนี้แหละที่ใช้สร้างไฟและกินไฮโดรเจนเพื่อรักษาอุณหภูมิให้ถังไฮโดรเจนบนยาน
ส่วนใน Lunar Module ที่แบกเชื้อเพลิงลงไปจำกัด มันเลือกใช้เชื้อเพลิงผสมไฮดราซีน (Aerozine-50) สันดาปกับ N₂O₄ เพราะสารสองตัวนี้มีอุณหภูมิวิกฤติสูงมาก (เช่น N₂O₄ ≈ 158°C) มันไม่ต้องมีการทำความเย็น ไม่ต้องมีการ vent off
มันเสียนิดเดียว แค่แพงกว่า 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 นิดโหน่ยยยยยยย แค่ 700 เท่า เอ๊งงงงงงง
และแน่นอน ด้วยความเผด็จการของสมการจรวด เชื้อเพลิง Aerozine-50 ที่ต้องใช้ แม้เพื่อออกจากดวงจันทร์ที่แรงโน้มถ่วงเพียง 1/6 ของโลก มันก็ต้องใช้เป็นปริมาณเกือบเท่ามวลของตัวมันเองที่ต้องส่งออกอยู่ดี
𝐌𝐨𝐝𝐞𝐫𝐧 𝐬𝐨𝐥𝐮𝐭𝐢𝐨𝐧 𝐟𝐫𝐨𝐦 𝐬𝐩𝐚𝐜𝐞 𝐫𝐞𝐟𝐮𝐞𝐥𝐢𝐧𝐠
ในยุคโครงการ 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 เพราะเราจะใช้จรวดเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ในการขนส่งทั้งคน และ lunar lander มันจึงต้องมีการเติมเชื้อเพลิงในอวกาศ
ในอวกาศ ไม่มีแรงโน้มถ่วง แล้วเราจะถ่ายเชื้อเพลิงได้อย่างไร?
รูปที่ 5: Ullage Maneuver ใช้ความเร่งทำให้ของเหลวกองลงข้างหลัง เท่านี้ก็ใช้ปั๊มขนส่งได้แล้ว
วิธีการของทั้ง 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 และ 𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 จะใช้ “ความเร่ง” จุดจรวดเบาๆ ผลักให้ตัวยานอวกาศและถังเชื้อเพลิงเร่งไปข้างหน้า เพื่อให้ทั้งของเหลว เช่น ไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว ไหลเข้าสู่ตัวยานอวกาศ วิธีการนี้เรียกว่า
Ullage Maneuver
เนี๊ยบไปเลยใช่ไหม
นั่นคือ เรามีวิธีการถ่ายเชื้อเพลิงในอวกาศแล้ว ที่เหลือคือการจัดการกับการทำความเย็นตลอดช่วงเวลาที่เติมเชื้อเพลิง ระหว่างรอในวงโคจรดันต้องปล่อยเชื้อเพลิงรั่วออกเรื่อยๆก็คงไม่ไหว ซึ่งตรงนี้ มันจะมีข้อแตกต่างระหว่าง 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 (Starship HLS) และ 𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 (Blue Moon) ที่จะเห็นได้ชัด
𝐁𝐥𝐮𝐞 𝐎𝐫𝐢𝐠𝐢𝐧 𝐰𝐚𝐲
𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 ใช้เชื้อเพลิง 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 แต่เขาใช้ระบบ
Zero Boil-Off (ZBO) เป็นการทำความเย็นหลายขั้นตอน ตั้งแต่ vapor-compression cycle ลงมาถึง helium cryogenic cycle เพื่อคุมอุณหภูมิของ hydrogen ไม่ให้อุณหภูมิสูงเกินช่วงที่ควบคุมสถานะของเหลวได้ วิธีนี้ เราสามารถแก้ปัญหาการสูญเสียไฮโดรเจนได้ทั้งระหว่างการรอเติมเชื้อเพลิงในอวกาศ และเพราะเราสามารถแก้ปัญหาการรักษาอุณหภูมิได้ระหว่างการเติมเชื้อเพลิงแล้ว เชื้อเพลิงสำหรับขึ้นและลงดวงจันทร์ แทนที่จะต้องใช้ Aerozine-50 / N₂O₄ ก็สามารถใช้ระบบ ZBO ในการเก็บเชื้อเพลิง 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 ไปกับยาน Blue Moon ได้เลย ต้นทุนเชื้อเพลิงก็จะถูกลงในหลัก 700 เท่า แค่จะต้องมีการติดตั้งแผง solar cell จำนวนมากขึ้น และแบกระบบ ZBO ที่มีขนาดและความซับซ้อนเพิ่มขึ้น
รูปที่ 6: แผนการเดินทางไปดวงจันทร์ฉบับ Blue Origin ขนส่งเชื้อเพลิงด้วยจรวด New Glenn ไปเติมใส่ Blue Moon แล้วเดินทางไปเจอกับนักบินอวกาศที่ Lunar Gateway
𝐒𝐩𝐚𝐜𝐞𝐗 𝐰𝐚𝐲
𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 กับยาน Starship HLS เขาแก้ปัญหาอีกวิธีหนึ่ง เพราะ 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 พัฒนาจรวดที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิง 𝘔𝘦𝘵𝘩𝘢𝘭𝘰𝘹 (methane กับออกซิเจน) ถ้าเราไปดู critical temperature มีเทนมีอุณหภูมิวิกฤติสูงถึงประมาณ −83°C ด้วยอุณหภูมิที่สูงกว่า อัตราการสูญเสียความเย็นก็จะน้อยกว่า 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 มาก ประเมินว่า ถ้า 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 ต้อง bleed off เชื้อเพลิงระดับประมาณ 1–3% ต่อวัน เพื่อรักษาอุณหภูมิ 𝘔𝘦𝘵𝘩𝘢𝘭𝘰𝘹 อาจต้อง bleed off เพียงระดับ 0.1–0.3% ต่อวัน อย่าว่าแต่ระบบทำความเย็นสำหรับรักษาอุณหภูมิทั้งออกซิเจนและมีเทน ไม่ต้องการอุณหภูมิที่ต่ำขนาดนั้น ระบบรักษาความเย็นของ 𝘔𝘦𝘵𝘩𝘢𝘭𝘰𝘹 จะเล็กกว่าและใช้พลังงานน้อยกว่าระบบที่ Blue Moon ใช้อย่างมีนัยสำคัญ
รูปที่ 7: แผนเดินทางฉบับ SpaceX มันจะส่งยาน Starship HLS ขึ้นไปรอในวงโคจร ส่งจรวดขึ้นไปเติมเชื้อเพลิง แล้วไปรอเจอกับ Orion ที่วงโคจร NRHO (Near-Rectilinear Halo Orbit) ก่อนลงจอดบนดวงจันทร์
ในปัจจุบัน NASA ใช้วิธีปล่อยให้ทั้ง 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 และ 𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 พัฒนาแข่งกัน และจะใช้ Starship HLS ใน 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 IV ส่วน 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 V จะใช้ Blue Moon MK2 เพื่อสร้างผู้เล่นเอกชนในอวกาศลึก แต่ในมุมมองผมเอง 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 มีความได้เปรียบเหนือ 𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 ไปกว่าช่วงตัว ด้วยเหตุผลเรื่องความยากง่ายในการบริหาร thermodynamics ของเชื้อเพลิง และราคาต้นทุนของเชื้อเพลิงจรวด
THERMODYNAMICS OF MOONLANDING
𝐅𝐫𝐨𝐦 𝐀𝐩𝐨𝐥𝐥𝐨 𝐭𝐨 𝐀𝐫𝐭𝐞𝐦𝐢𝐬
รูปที่ 1: ซ้าย จรวด Saturn V ของโครงการอพอลโล่ ขวา จรวด SLS ของโครงการอาทีมีส
ในยุคสมัยโครงการอพอลโล อเมริกาส่งมนุษย์ไปดวงจันทร์ด้วยเป้าหมายแฝงคือการเอาชนะคะคานกับโซเวียต ในอวกาศเลยขอบเขตของ Van Allen Belt รังสีคอสมิกมีความเข้มข้นสูงยังไม่พอ ยังมีการแปรผันจากปรากฏการณ์ solar flare มนุษย์ที่ออกอวกาศเลยวงโคจร LEO ทุกคนต้องยอมเสี่ยงสุขภาพตัวเองในระยะยาวเพื่อชื่อเสียงของประเทศ เกราะกันรังสีของตัวยาน...และลูนาร์โมดูลนั้น ไม่เพียงพอต่อการป้องกันรังสีคอสมิก มันเพียงพอแค่เพราะ mission การเดินทางเป็น mission ระยะสั้น และมนุษย์จะไม่ตายด้วยรังสีสะสมตลอดระยะเวลา mission นี้
ตัวโครงการอพอลโล payload รวม Lunar Module นั้นจะอยู่ที่เพียง 40–45 ตัน แต่การเดินทางของ 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 นี้ เราตั้งใจจะอยู่ยาว เกราะกันรังสีต้องดี อาจถึงกับมีการใช้ดินของดวงจันทร์กลบฐานสำหรับกันรังสีคอสมิก ตัวฐานต้องใหญ่พอ มีห้องส้วม ไม่ใช่แค่ pamper อวกาศ
ในโครงการ 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 นี้ ตัวยานอวกาศ Orion เองรวมระบบ European Service Module (ESM) payload ก็ราว 20 ตัน ตัว lunar lander จะมีน้ำหนักราว 40–100 ตัน ตรงนี้เอง เชื้อเพลิงที่ใช้ในการเดินทางจะเป็นปัจจัยความคุ้มค่าที่ต้องเอาชนะ เพราะรอบนี้ เราไม่แค่จะเอาชนะคะคานเป็น cold war propaganda แต่เราจะเอาจริงกับการออกอวกาศ Ad Astra ในราคาที่จับต้องได้คุ้มค่า
𝐓𝐲𝐫𝐚𝐧𝐧𝐲 𝐨𝐟 𝐫𝐨𝐜𝐤𝐞𝐭 𝐞𝐪𝐮𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧
ก่อนที่เราจะเข้าถึง thermodynamics ของเชื้อเพลิง เราต้องมาว่ากันก่อนถึงความเผด็จการของสมการจรวด การขนส่งวัตถุออกไปจากพื้นโลก เราต้องใช้เชื้อเพลิงในการสร้างความเร็วเพื่อเอาชนะแรงโน้มถ่วง และเพราะความเร็วของสารขับดันจรวดแบบการสันดาป มันมีความเร็วจำกัดแค่ประมาณ 3.5 กิโลเมตรต่อวินาที แต่ความเร็วที่ต้องใช้ในการเดินทางไปถึงดวงจันทร์ จะอยู่ที่ราว 14 กิโลเมตรต่อวินาที เราจะต้องใช้เชื้อเพลิง 54.6 ตัน ต่อน้ำหนักสิ่งของที่เราจะส่งไปถึงดวงจันทร์ 1 ตัน นั่นทำให้ ในโครงการอพอลโล ที่จะส่ง Crew Module กับ Lunar Lander น้ำหนักรวมราว 45 ตัน ต้องใช้เชื้อเพลิงถึง 2,457 ตัน เป็นต้น...
| Vf = Ve ln(m₀/mf)
| ลองแทนค่าดู 14=3.5ln(mo/45) mo=2,457 Ton
แต่ยังก่อน น้ำหนักที่ต้องแบกเรายังต้องรวมน้ำหนักของตัวจรวด Saturn V เองด้วยราว 13% ซึ่งพอรวมสะระตะ น้ำหนักเชื้อเพลิงรวมตัวจรวด รวมค่าเผื่อนิดๆหน่อยๆ สะระตะมันเลยมีน้ำหนักรวมราว 3,000 ตัน อย่างที่เห็น
รูปที่ 2: ขนาดจรวด Stage ต่างๆของ Saturn V สังเกตว่าแต่ละ Stage จะมีขนาดมวลเป็นราว 5 เท่าของ Stage ถัดไป
ถ้าหากเราจะส่งยาน Orion พร้อม lander น้ำหนักราวๆ 100 ตัน ไปดวงจันทร์ เราจะต้องใช้เชื้อเพลิงรวมจรวดกว่า 6,000–7,000 ตัน ต้องดีไซน์จรวดใหญ่กว่าเดิมสมัยอพอลโลไปกว่า 2 เท่า
แต่จรวดที่ใหญ่ขนาดนั้นมันก็จะเหมือนการตัดสูทพอดี mission มันจะเป็นจรวดที่ใช้ได้แค่การเดินทางไปดวงจันทร์ มันจะใหญ่เทอะทะเกินกว่าจะเอามาใช้ในกิจการขนส่งดาวเทียมเข้าวงโคจรหรือเดินทางไป ISS น้ำหนักจรวดที่ใหญ่เกินไปจะทำให้ต้องแบกเชื้อเพลิงไปแบกน้ำหนักจรวด มันจะเหมือนกรณีสมัยโครงการ Space Shuttle ที่ต้นทุนต่อเที่ยวแพงกว่าจรวดใช้แล้วทิ้งของรัสเซียและจีนไปหลายเท่า
และด้วยพัฒนาการของจรวดยุคปัจจุบันที่จะพยายามใช้แล้วนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ดังนั้น การเดินทางไปดวงจันทร์รอบนี้ จรวดสำหรับส่งนักบินอวกาศจะออกแบบให้ส่ง payload แค่ราว 20 ตัน ส่วนจรวดที่จะส่ง moon lander จะใช้การส่ง lander ไปรอที่วงโคจร LEO ก่อน แล้วทยอยส่งเชื้อเพลิงขึ้นไปเติมจนเต็มก่อนเดินทางไปดวงจันทร์
𝐑𝐨𝐜𝐤𝐞𝐭 𝐟𝐮𝐞𝐥 𝐓𝐡𝐞𝐫𝐦𝐨𝐝𝐲𝐧𝐚𝐦𝐢𝐜𝐬
แล้วทีนี้ เราก็จะมาถึง thermodynamics ของเชื้อเพลิงกันละ
ถ้าเราไปดู phase diagram ของเชื้อเพลิงต่างๆ เราจะพบว่าเส้นแบ่งเขตแดนของของเหลวกับก๊าซของออกซิเจนจะไปสิ้นสุดที่ราว −118°C ไฮโดรเจนจะอยู่ที่ −240°C ที่อุณหภูมิสูงกว่านี้ มันจะกลายเป็น supercritical fluid เป็นสถานะของไหลที่ไม่มีเส้นแบ่ง phase ระหว่างของเหลวและก๊าซ
รูปที่ 3: Phase diagram ของไฮโดรเจน และ ออกซิเจน
ปกติจรวดที่เราใช้กันอยู่นี้ บนพื้นโลกจะใช้การทำความเย็นรักษาอุณหภูมิไว้ให้ออกซิเจนและไฮโดรเจนเป็นของเหลว เวลาเติมใส่จรวดแล้ว มันจะรักษาอุณหภูมิไว้ด้วยฉนวน และจะมีการยอมปล่อยให้เชื้อเพลิงระเหยออกเพื่อระบายความร้อน โดยอาศัย latent heat of vaporization
Fun fact จรวด 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 ถ้าเติมเชื้อเพลิงแล้วจอดทิ้งไว้เฉยๆ มัน “จะระเบิด”
เวลาที่เห็น ถ้าจรวดเติมเชื้อเพลิงแล้วมันต้องพร้อมออกเดินทางทันที ถ้า abort mission มันต้องระบายเชื้อเพลิงออก ไม่งั้นมันจะบรู้มมม์ เป็นโกโก้ครั้นช์
𝐄𝐚𝐫𝐥𝐲 𝐬𝐨𝐥𝐮𝐭𝐢𝐨𝐧 = 𝐞𝐯𝐚𝐩𝐨𝐫𝐚𝐭𝐢𝐯𝐞 𝐜𝐨𝐨𝐥𝐢𝐧𝐠 + 𝐟𝐮𝐞𝐥 𝐜𝐡𝐨𝐢𝐜𝐞
𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 ต้องมีการทำความเย็น ต้องปล่อยให้มีเชื้อเพลิงระเหยออกสูญเสียตลอดเวลา เพราะการระเหยมีการดูดความร้อน ทำให้เป็นการทำความเย็นไปในตัว โดยประเมินใน mission ที่ยานจอดหรือรอในวงโคจร มันจะต้องมีการ vent เชื้อเพลิง 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 เพื่อรักษาอุณหภูมิราว ~1–3% ต่อวัน ในกรณีของอพอลโล่ Service Module มีการเอาไฮโดรเจนไปเดิน Fuel Cell ผลิตไฟฟ้า อัตราการระเหยตรงนี้คือส่วนจำเป็นในการรักษาอุณหภูมิของถังเชื้อเพลิง
รูปที่ 4: ตัว Hydrogen Fuel Cell ของยานอพอลโล่ ตัวนี้แหละที่ใช้สร้างไฟและกินไฮโดรเจนเพื่อรักษาอุณหภูมิให้ถังไฮโดรเจนบนยาน
ส่วนใน Lunar Module ที่แบกเชื้อเพลิงลงไปจำกัด มันเลือกใช้เชื้อเพลิงผสมไฮดราซีน (Aerozine-50) สันดาปกับ N₂O₄ เพราะสารสองตัวนี้มีอุณหภูมิวิกฤติสูงมาก (เช่น N₂O₄ ≈ 158°C) มันไม่ต้องมีการทำความเย็น ไม่ต้องมีการ vent off
มันเสียนิดเดียว แค่แพงกว่า 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 นิดโหน่ยยยยยยย แค่ 700 เท่า เอ๊งงงงงงง
และแน่นอน ด้วยความเผด็จการของสมการจรวด เชื้อเพลิง Aerozine-50 ที่ต้องใช้ แม้เพื่อออกจากดวงจันทร์ที่แรงโน้มถ่วงเพียง 1/6 ของโลก มันก็ต้องใช้เป็นปริมาณเกือบเท่ามวลของตัวมันเองที่ต้องส่งออกอยู่ดี
𝐌𝐨𝐝𝐞𝐫𝐧 𝐬𝐨𝐥𝐮𝐭𝐢𝐨𝐧 𝐟𝐫𝐨𝐦 𝐬𝐩𝐚𝐜𝐞 𝐫𝐞𝐟𝐮𝐞𝐥𝐢𝐧𝐠
ในยุคโครงการ 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 เพราะเราจะใช้จรวดเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ในการขนส่งทั้งคน และ lunar lander มันจึงต้องมีการเติมเชื้อเพลิงในอวกาศ
ในอวกาศ ไม่มีแรงโน้มถ่วง แล้วเราจะถ่ายเชื้อเพลิงได้อย่างไร?
รูปที่ 5: Ullage Maneuver ใช้ความเร่งทำให้ของเหลวกองลงข้างหลัง เท่านี้ก็ใช้ปั๊มขนส่งได้แล้ว
วิธีการของทั้ง 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 และ 𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 จะใช้ “ความเร่ง” จุดจรวดเบาๆ ผลักให้ตัวยานอวกาศและถังเชื้อเพลิงเร่งไปข้างหน้า เพื่อให้ทั้งของเหลว เช่น ไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว ไหลเข้าสู่ตัวยานอวกาศ วิธีการนี้เรียกว่า Ullage Maneuver
เนี๊ยบไปเลยใช่ไหม
นั่นคือ เรามีวิธีการถ่ายเชื้อเพลิงในอวกาศแล้ว ที่เหลือคือการจัดการกับการทำความเย็นตลอดช่วงเวลาที่เติมเชื้อเพลิง ระหว่างรอในวงโคจรดันต้องปล่อยเชื้อเพลิงรั่วออกเรื่อยๆก็คงไม่ไหว ซึ่งตรงนี้ มันจะมีข้อแตกต่างระหว่าง 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 (Starship HLS) และ 𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 (Blue Moon) ที่จะเห็นได้ชัด
𝐁𝐥𝐮𝐞 𝐎𝐫𝐢𝐠𝐢𝐧 𝐰𝐚𝐲
𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 ใช้เชื้อเพลิง 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 แต่เขาใช้ระบบ Zero Boil-Off (ZBO) เป็นการทำความเย็นหลายขั้นตอน ตั้งแต่ vapor-compression cycle ลงมาถึง helium cryogenic cycle เพื่อคุมอุณหภูมิของ hydrogen ไม่ให้อุณหภูมิสูงเกินช่วงที่ควบคุมสถานะของเหลวได้ วิธีนี้ เราสามารถแก้ปัญหาการสูญเสียไฮโดรเจนได้ทั้งระหว่างการรอเติมเชื้อเพลิงในอวกาศ และเพราะเราสามารถแก้ปัญหาการรักษาอุณหภูมิได้ระหว่างการเติมเชื้อเพลิงแล้ว เชื้อเพลิงสำหรับขึ้นและลงดวงจันทร์ แทนที่จะต้องใช้ Aerozine-50 / N₂O₄ ก็สามารถใช้ระบบ ZBO ในการเก็บเชื้อเพลิง 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 ไปกับยาน Blue Moon ได้เลย ต้นทุนเชื้อเพลิงก็จะถูกลงในหลัก 700 เท่า แค่จะต้องมีการติดตั้งแผง solar cell จำนวนมากขึ้น และแบกระบบ ZBO ที่มีขนาดและความซับซ้อนเพิ่มขึ้น
รูปที่ 6: แผนการเดินทางไปดวงจันทร์ฉบับ Blue Origin ขนส่งเชื้อเพลิงด้วยจรวด New Glenn ไปเติมใส่ Blue Moon แล้วเดินทางไปเจอกับนักบินอวกาศที่ Lunar Gateway
𝐒𝐩𝐚𝐜𝐞𝐗 𝐰𝐚𝐲
𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 กับยาน Starship HLS เขาแก้ปัญหาอีกวิธีหนึ่ง เพราะ 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 พัฒนาจรวดที่ขับเคลื่อนด้วยเชื้อเพลิง 𝘔𝘦𝘵𝘩𝘢𝘭𝘰𝘹 (methane กับออกซิเจน) ถ้าเราไปดู critical temperature มีเทนมีอุณหภูมิวิกฤติสูงถึงประมาณ −83°C ด้วยอุณหภูมิที่สูงกว่า อัตราการสูญเสียความเย็นก็จะน้อยกว่า 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 มาก ประเมินว่า ถ้า 𝘏𝘺𝘥𝘳𝘰𝘭𝘰𝘹 ต้อง bleed off เชื้อเพลิงระดับประมาณ 1–3% ต่อวัน เพื่อรักษาอุณหภูมิ 𝘔𝘦𝘵𝘩𝘢𝘭𝘰𝘹 อาจต้อง bleed off เพียงระดับ 0.1–0.3% ต่อวัน อย่าว่าแต่ระบบทำความเย็นสำหรับรักษาอุณหภูมิทั้งออกซิเจนและมีเทน ไม่ต้องการอุณหภูมิที่ต่ำขนาดนั้น ระบบรักษาความเย็นของ 𝘔𝘦𝘵𝘩𝘢𝘭𝘰𝘹 จะเล็กกว่าและใช้พลังงานน้อยกว่าระบบที่ Blue Moon ใช้อย่างมีนัยสำคัญ
รูปที่ 7: แผนเดินทางฉบับ SpaceX มันจะส่งยาน Starship HLS ขึ้นไปรอในวงโคจร ส่งจรวดขึ้นไปเติมเชื้อเพลิง แล้วไปรอเจอกับ Orion ที่วงโคจร NRHO (Near-Rectilinear Halo Orbit) ก่อนลงจอดบนดวงจันทร์
ในปัจจุบัน NASA ใช้วิธีปล่อยให้ทั้ง 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 และ 𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 พัฒนาแข่งกัน และจะใช้ Starship HLS ใน 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 IV ส่วน 𝘈𝘳𝘵𝘦𝘮𝘪𝘴 V จะใช้ Blue Moon MK2 เพื่อสร้างผู้เล่นเอกชนในอวกาศลึก แต่ในมุมมองผมเอง 𝘚𝘱𝘢𝘤𝘦𝘟 มีความได้เปรียบเหนือ 𝘉𝘭𝘶𝘦 𝘖𝘳𝘪𝘨𝘪𝘯 ไปกว่าช่วงตัว ด้วยเหตุผลเรื่องความยากง่ายในการบริหาร thermodynamics ของเชื้อเพลิง และราคาต้นทุนของเชื้อเพลิงจรวด