⭕️ ⭕️ ⭕️
ธรรมชาติของมนุษย์เป็นนักสำรวจ มนุษย์จึงชอบเดินทาง เพื่อได้เจอสิ่งแปลกใหม่ ทุกยุคทุกสมัยจึงมีผู้เดินทางทั้งบนบก บนน้ำ และบนฟ้า เลยไปถึงแม้ในอวกาศ
มนุษย์จึงคิดค้นเครื่องทุ่นแรงที่จะทำให้เดินทางได้ ซึ่งจำต้องอาศัยพลังงานมาช่วยขับเคลื่อน
การขับเคลื่อนโดยพลังงานเป็นที่รู้จักและใช้กันมายาวนานคือพลังงานเคมีจากการสันดาปเช่นเครื่องยนต์สันดาปภายใน
พลังงานที่เก่าแก่อีกอย่างเพื่อการขับเคลื่อน แต่เพิ่งมาบูมกันในระยะหลังคือ พลังงานไฟฟ้า
ไฟฟ้ากลายเป็นสื่อกลางของพลังงานไปโดยปริยาย เพราะแหล่งพลังงานอะไรก็สามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟัาได้ขณะเดียวกัน มีไฟฟ้าแล้วจะทำอะไรก็ได้
ถ้าต้องไปยังที่ที่ไม่มีพลังงาน การขนสิ่งที่ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ติดไปด้วย ย่อมเป็นทางเลือกที่ดี
ดาวเทียมทั้งหลายจึงต้องมีอุปกรณ์มาตรฐานคือแผงเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อผลิตพลังงานไฟฟ้า
ยานสำรวจอวกาศลึก ๆ ห่างไกลจากแหล่งพลังงานหลักคือดวงอาทิตย์ออกไปมาก ก็ต้องขนแหล่งพลังงานไปเองคือแบตนิวเคลียร์ โดยเปลี่ยนความร้อนจากสารกัมมันตรังสีที่ย่อยสลาย (decay) เป็นพลังงานไฟฟ้า
เรียกว่า จะต้องหาทางให้มีพลังงานไฟฟ้าให้ได้ แล้วค่อยต่อยอดจากพลังงานไฟฟ้าไปทำอะไรต่ออีกตามที่ต้องการ
บนผิวโลกเรา มีแหล่งไฟฟ้าอยู่ทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นตามบ้านหรือตามโรงงาน ซึ่งอยู่กับที่ เราสามารถเดินสายไฟเข้าไปได้เลย แต่ถ้าเป็นยานพาหนะเคลื่อนที่ไปมาอาจยุ่งนิดหน่อย ถ้าเป็นยานบนรางไม่ยาก เดินสายไฟเหนือยานขนานไปกับรางก็ได้ ยานเอาแท่งโลหะรูดไปกับรางก็ได้ไฟใช้แล้ว
ถ้าเป็นรถไฟฟ้า ที่วิ่งไปไหนมาไหนอย่างอิสระ ไม่มีสายไฟให้แตะเอาไฟมาใช้แล้ว ต้องพกแหล่งพลังงานไปเอง
จากอดีตจนถึงปัจจุบัน รถธรรมดาที่ไม่ใช่รถไฟฟ้าใช้วิธีขนน้ำมันเป็นแหล่งพลังงานคือเป็นเชื้อเพลิงเผาไหม้ในเครื่องยนต์ได้ความร้อน ไปขับเคลื่อนลูกสูบเพื่อหมุนล้อ แต่ปัญหาคือการเผาไหม้ เพราะน้ำมันเชื้อเพลิงเป็นสารไฮโดรคาร์บอน คือมีทั้งไฮโดรเจนและคาร์บอน ซึ่งไฮโดรเจนไม่มีปัญหา แต่คาร์บอนมีปัญหาเพราะเผาไหม้แล้วกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์อันเป็นก๊าซเรือนกระจกทำให้โลกร้อน เคยมีคนคิดจะใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนอย่างเดียวในเครื่องยนต์สันดาป จะได้ไม่ต้องเปลี่ยนเครื่องยนต์ เพราะเผาไฮโดรเจนรวมกับอากาศได้น้ำออกมา (แต่มันร้อนจึงเป็นไอน้ำ)
เลยคิดกันต่อว่า ถ้าขนถังไฮโดรเจนได้ ก็ไม่ต้องเผาจุดไฟไฮโดรเจนในเครื่องยนต์สันดาปก็ได้ เอาเครื่องยนต์สันดาปภายในออกไปเลย ใส่เซลล์เชื้อเพลิง (hydrogen fuel cell) เข้าไปแทน คราวนี้ไฮโดรเจนไม่ได้เป็นเชื้อของเพลิงที่ไหน เพราะไม่มีการเผาไหม้
ด้วยสารเสริมปฏิกิริยา (catalyst) ไฮโดรเจนก็จะแตกตัวเป็น H+ กับ e- ที่ขั้วลบของเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งมีแผ่น membrane ชนิดพิเศษคั่นระหว่างขั้วบวกกับขั้วลบ ความพิเศษของแผ่นนี้คือมันกั้นเฉพาะอิเล็กตรอน (e-) แต่ H+ ผ่านได้ มันจึงผ่านเข้าไปรวมกับออกซิเจนในอากาศ และรอรวมกับอิเล็กตรอนที่วิ่งออกไปหมุนมอเตอร์ข้างนอก กลับเข้ามาที่ขั้วบวก และกลายเป็นน้ำ
เชลล์เชื้อเพลิงจึงเป็นการทำไฟฟ้าขึ้นมาสด ๆ ร้อน ๆ จากไฮโดรเจนที่ขนไปในถัง แล้วเอาไฟฟ้าไปขับมอเตอร์
เกิดไอเดียต่อว่า แทนที่จะขนเครื่องปรุงพร้อมเตาคือถังไฮโดรเจนกับ fuel cell ไปปรุงสดคือทำไฟฟ้าแล้วใช้ทันที เราก็เอาไฟฟ้าที่ไหนก็ได้ชาร์จใส่แบตเก็บไว้ เอามาหมุนมอเตอร์ทีหลังก็ได้
นั่นเป็นไอเดียของพัฒนาการของรถไฟฟ้าที่พุ่งกระฉูดอยู่ในตอนนี้
แต่นี่คือยานที่อยู่บนโลก
ส่วนยานอวกาศ ถึงจะมีไฟฟ้าแล้วจะเอามอเตอร์มาแปลงไฟฟ้าเป็นพลังงานกลเพื่อขับเคลื่อนนั้นหรือ … ก็ไม่ใช่
จะขับเคลื่อนยานอวกาศได้อย่างไร ให้ยานไปเร็วมาก ๆ แต่ใช้พลังงานน้อย ๆ … เป็นสิ่งที่ทำได้ เพราะในอวกาศไม่มีอากาศ ไม่มีอะไรเลยที่จะเป็นตัวต้าน ด้วยแรงดันนิดเดียวก็ไปได้โลด
เขาใช้พลังดันทางไฟฟ้าที่ผู้คนไม่ค่อยรู้จักคือ … พลังดันไอออน (Ion thruster)
พลังดันไอออน เป็นการขับเคลื่อนยานอวกาศด้วยไฟฟ้า โดยสร้างกลุ่มก้อนเมฆของประจุบวกจากก๊าซที่เป็นกลางด้วยการดึงอิเล็กตรอนบางส่วนออกมาจากอะตอม ไอออนจะถูกเร่งความเร็วด้วยไฟฟ้าจนเกิดแรงดัน ซึ่งพลังดันไอออนนี้มีสองอย่างคือ แบบไฟฟ้าสถิตย์ (electrostatic) และแบบแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic)
สำหรับการดันแบบไฟฟ้าสถิตย์ ไอออนจะถูกเร่งความเร็วด้วยแรงทางไฟฟ้า (Coulomb force) ตามทิศทางของสนามพลังทางไฟฟ้า (electric field) เมื่อกลุ่มก้อนไอออนนี้ไหลผ่านแผงพลังงานศักดิ์ (electrostatic grid) ไปแล้ว ก๊าซก็จะเป็นกลางอีกครั้งหนึ่งโดยการใช้อิเล็กตรอนที่เก็บไว้มายิงผสมเข้าไป
ตรงข้ามกับการดันแบบแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เร่งความเร็วด้วยแรงทางแม่เหล็ก (Lorentz force) และไม่เพียงแต่ไอออนจะถูกเร่งความเร็วแต่รวมอิเล็กตรอนอิสระด้วย (free electron) บางทีจึงเรียกว่า plasma propulsion engine (พลาสมา เป็นสถานะที่สี่ เพิ่มจาก ของแข็ง-ของเหลว-และก๊าซ เมื่อประจุแยกออกเป็นบวก-ลบ)
การดันด้วยไอออนนี้โดยทั่วไปใช้พลังงาน 1-7 kW ปล่อยสารออกไป (exhaust) ด้วยความเร็ว 20-50 กิโลเมตรต่อวินาที เกิดแรงดัน (thrust) 25-250 มิลลินิวตัน (mN) ประสิทธิภาพ 65-80% เคยมีการทดลองใช้พลังงานรวม 100 kW (130 แรงม้า) ได้แรงขับ 5 นิวตัน
หนึ่งในยานอวกาศที่ใช้พลังดันไอออนในการขับเคลื่อนยาน เพิ่มความเร็วขึ้น 4.3 กิโลเมตรต่อวินาที ใช้พลังงาน xenon ไม่ถึง 74 กิโลกรัม และที่ทำลายสถิติ คือ ยานอวกาศ Dawn ที่เปลี่ยนความเร็ว 11.5 กิโลเมตรต่อวินาที ใช้ xenon 425 กิโลกรัม
การใช้งานนั้น มีการควบคุมตำแหน่งและทิศทางของวงโคจรดาวเทียม บางดวงใช้เครื่องดันไอออนนี้เป็นโหล แต่ละตัวมีกำลังไม่ต้องมากนักเพื่อใช้ขับเคลื่อนยานไร้คนมวลต่ำ เช่น Deep Space 1 และ Dawn ที่ใช้ขับเคลื่อนยานที่มีนักบินอวกาศและสถานีอวกาศก็มี เช่น Tiangong (ของจีน)
เครื่องพลังดันไอออนนี้ จะใช้งานได้ดีในอวกาศเท่านั้น
กล่าวโดยสรุปก็คือ พลังดันไอออน เป็นผลของหลักความคงตัวของโมเมนตัม (conservation of momentum) อย่างหนึ่งโดยใช้พลังงานไฟฟ้าให้กลายเป็นพลังงานกล ด้วยการแยกก๊าซ (เช่น xenon) ออกเป็นอิเล็กตรอนประจุลบ (มวลน้อย) และไอออนประจุบวก (มวลมาก) แล้วใช้พลังงานไฟฟ้าเพื่อเร่งความเร็วของไอออนประจุบวกออกไปทำให้เกิดแรงดัน (thrust) ในทิศทางตรงกันข้าม และเพื่อสลายประจุบวกให้กลายเป็นกลาง (neutral) ป้องกันการลบล้างแรงดันที่เกิดขึ้นแล้ว จึงมีการยิงอิเล็กตรอนประจุลบที่แยกออกมาในตอนแรกกลับเข้าไปผสมกับไอออนประจุบวกที่ปลายทางแล้วปล่อยทิ้งไป
ไฟฟ้าใช้ขับเคลื่อนยานได้หลายวิธี ทุกวันนี้เราคุ้นชินแต่เพียงมอเตอร์ที่หมุนไปได้โดยการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ซึ่งเหมาะสมกับการขับเคลื่อนบนพื้นผิวโลกอย่างในปัจจุบัน ความเร็ว 60 กิโลเมตรต่อวินาที คงเกินฝันสำหรับผู้คนในเมือง (แค่ 60 กิโลเมตรต่อชั่วโมงก็หรูแล้ว) เพราะในความเป็นจริงนั้น สภาพจราจรในเมืองที่ติดขัด จะได้เพียง 20 กิโลเมตรต่อชั่วโมงโดยเฉลี่ย
เราไม่ได้อยู่ในอวกาศนี่ครับ
วัชระ นูมหันต์
2024-05-19