ภาพ: จรวด Falcon 9 ของ SpaceX ทะยานขึ้นจาก Kennedy Space Center ที่แหลมคานาเวอรัล รัฐฟลอริด้า ในวันที่ 15 พฤศจิกายน 2018. (ภาพโดย: SpaceX)
จะส่งจรวดออกไปนอกโลก ต้องใช้อะไรบ้าง?
จากตอนที่แล้ว เราได้เกริ่นกันไปแล้วว่า การทำงานของจรวดนั้นไม่ต่างอะไรกับยานพาหนะอื่น: นั่นก็คือจรวดเคลื่อนที่ไปด้านหน้า (ขึ้นข้างบน) โดยการผลักมวลบางส่วนไปด้านหลัง (ลงข้างล่าง) แต่สิ่งที่ทำให้จรวดแตกต่างกับเครื่องบินเป็นอย่างมาก ก็คือจรวดนั้นจะต้องแบกมวลที่จะผลักไปด้านหลังทิ้งไปด้วย ในขณะที่เครื่องบินนั้นต้องการแบกเชื้อเพลิงเพียงเพื่อให้มีพลังงานเพียงพอในการผลักอากาศไปตลอดการเดินทาง แต่จรวดจะต้องทิ้งมวลส่วนหนึ่งออกมาตลอดเวลาเพื่อเป็นส่วนหนึ่งของการเคลื่อนที่
สำหรับจรวดทั่วๆ ไปนั้น จะใช้ปฏิกิริยาทางเคมีในการขับดัน ปฎิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้น จะทำให้เกิดความร้อน และความดันสูง ขับดันให้แก๊สเป็นจำนวนมากพุ่งออกไปทางปลายท่อไอพ่นด้วยความเร็วสูง การปล่อยมวลไปด้านหลังด้วยความเร็วสูงนี้เอง เป็นตัวการหลักที่ขับดันจรวดให้พุ่งขึ้นไปด้านบน ด้วยความที่จรวดจะต้องแบกมวลที่จะขับดันจรวดไปด้วย ทำให้จรวดจำเป็นจะต้องมีมวลที่มากไปโดยปริยาย
ซ้ำร้าย สิ่งที่ทำให้จรวดยิ่งท้าทายขึ้นไปอีกก็คือ จรวดนั้นต้องเดินทางเป็นระยะทางที่สูงมาก สถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) นั้นโคจรอยู่ด้วยความสูงถึง 400 กม. ถึงแม้การเดินทางเป็นระยะทาง 400 กม. บนพื้นราบนั้นจะเป็นเรื่องที่ไม่ได้ลำบากมาก แต่การจะต้องเดินทาง 400 กม. ต้านแรงโน้มถ่วงตลอดเวลานั้นเป็นไปได้ยากกว่ามาก และอย่าลืมว่าตลอดระยะเวลานี้จรวดจะต้องส่งมวลลงมาด้วยแรงเพียงพอที่จะแบกน้ำหนักบรรทุก และน้ำหนักของเชื้อเพลิงที่จะผลักดันจรวดตลอดการเดินทางที่เหลือไปด้วย
นอกจากนี้ จรวดไม่เพียงแต่จะต้องแบกน้ำหนักอันมหาศาลขึ้นไป “สูง” เพียงเท่านั้น แต่สิ่งที่ท้าทายที่สุดก็คือจรวดจะต้องทำความเร็วเพิ่มขึ้น เพื่อให้มีความเร็วเพียงพอที่จะอยู่ในความเร็วโคจร ที่จะทำให้น้ำหนักบรรทุกไม่ตกกลับลงมายังพื้นโลกอีกเมื่อไปถึงความสูงที่ต้องการ สำหรับสถานีอวกาศนานาชาติที่ความสูง 400 กม. จากพื้นโลกนั้น ความเร็วโคจรอยู่ที่ความเร็ว 7.6 กม.ต่อวินาที หรือเทียบเท่า 27,600 กม. ต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นความเร็วที่เร็วเกินกว่าพาหนะใดๆ บนพื้นโลกจะสามารถทำได้
ความต้องการทั้งหมดนี้ บ่งบอกว่าจรวดจะต้องอาศัยเชื้อเพลิงเป็นอย่างมาก เพื่อจะไปถึงความสูงและความเร็วที่ต้องการ
นำไปสู่อีกความท้าทายหนึ่งของการนำจรวดไปนอกโลก นั่นก็คือ ทุกๆ น้ำหนักบรรทุกที่เราต้องการบรรทุกขึ้นไปนั้น จะต้องมีน้ำหนักของเชื้อเพลิงที่เอาไว้เพื่อขับดัน แต่เราก็ต้องการเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นมาอีก เพื่อขับดันเชื้อเพลิงที่แบกขึ้นไป
สมมติว่าเราจะสร้างจรวดที่จะบรรทุกมนุษย์หนึ่งคน น้ำหนัก 65 กก. ออกจากแรงโน้มถ่วงของโลกไปในอวกาศ พลังงานที่ต้องใช้นั้นเทียบเท่าประมาณ 4 พันล้านจูล ซึ่งโดยลำพังไม่ใช่พลังงานที่เยอะมาก เทียบเท่าประมาณ 1 MWh หรือพลังงานไฟฟ้าที่บ้านเรือนหนึ่งหลังใช้ในหนึ่งเดือน หากเราต้องการใช้พลังงานนี้โดยการเผาน้ำมันเชื้อเพลิงธรรมดา พลังงาน 4 พันล้านจูลนี้จะเทียบเท่ากับน้ำมันเบนซินเพียงประมาณ 90 กก. เท่านั้นเอง นั่นหมายความว่า หากเรามีน้ำมัน 90 กก. เราก็มีพลังงานเพียงพอที่จะแบกน้ำหนักบรรทุก 65 กก. ออกจากชั้นบรรยากาศของโลก
แต่เดี๋ยวก่อน หากเราต้องใช้เชื้อเพลิง 90 กก. เพื่อจะขับดันน้ำหนักบรรทุกออกจากโลก เราก็จำเป็นที่จะต้องขับดันเชื้อเพลิงนี้ขึ้นไปด้วยพร้อมๆ กัน นั่นหมายความว่าเราจะต้องมีน้ำหนักบรรทุกเพิ่มขึ้นไปอีก 90 กก. ซึ่งมากกว่าน้ำหนักบรรทุกดั้งเดิมของเราที่ 65 กก.
เราสามารถคำนวณพลังงานที่ต้องใช้ในการแบกน้ำหนักบรรทุก 90 กก. ขึ้นไปได้โดยสมการเดียวกัน ซึ่งเทียบเท่าประมาณ 6 พันล้านจูล เท่ากับเราจะต้องแบกเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นไปอีกประมาณ 135 กก. ซึ่งน้ำหนักอีก 135 กก. นี้ก็แน่นอนว่าจะต้องการพลังงานในการแบกขึ้นไปอีก ซึ่งเชื้อเพลิงที่เพิ่มขึ้นมานี้ก็ยังจะต้องใช้เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น ที่จะแบกขึ้นไปอีกต่อไปเรื่อยๆ แต่เชื้อเพลิงที่เราแบกขึ้นไปนั้นใช้หมดไประหว่างทาง ทำให้น้ำหนักที่จะต้องแบกบรรทุกขึ้นไปนั้นไม่ได้โตขึ้นไปจนไม่มีที่สิ้นสุด
สำหรับกรณีทั่วๆ ไปที่ใช้เชื้อเพลิงจรวด สำหรับยานอวกาศน้ำหนักบรรทุก 1 ตัน เราจะต้องแบกเชื้อเพลิงจรวดขึ้นไปด้วยถึง 20-50 ตัน นั่นหมายความว่าน้ำหนักมากกว่า 95% ของจรวดหนึ่งๆ นั้นจะประกอบไปด้วยเชื้อเพลิงจรวดที่พร้อมจะเผาไหม้ด้วยพลังงานขนาดมหาศาล
เรียบเรียง : ดร. มติพล. ตั้งมติธรรม - ผู้เชี่ยวชาญดาราศาสตร์ สดร.