จรวดพลาสมา การจรวดขึ้นสู่ท้องฟ้าเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วเกินชั้นบรรยากาศของเราและออกสู่อวกาศ ในช่วงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา ผู้คนได้เปลี่ยนจากการมองดูดวงดาวที่ส่องแสงระยิบระยับบนท้องฟ้ายามค่ำคืนด้วยความประหลาดใจ ไปสู่การมีชีวิตอยู่เป็นเวลาหลายเดือนบนสถานีอวกาศนานาชาติท่ามกลางดวงดาวบนท้องฟ้าและในขณะที่มนุษย์เหยียบดวงจันทร์
การลงจอดในที่ที่ไกลออกไปนั้นสงวนไว้สำหรับยานและหุ่นยนต์ไร้คนขับเท่านั้น สถานที่หนึ่งที่ผู้คนสนใจไปเยี่ยมชมมากคือดาวอังคาร นอกเหนือจากความท้าทายในการลงจอดและการใช้เวลาในสถานที่ที่ไม่น่าอยู่อย่างดาวเคราะห์แดงแล้ว ยังมีอุปสรรคใหญ่ในการไปถึงที่นั่น โดยเฉลี่ยแล้วดาวอังคารอยู่ห่างจากโลกประมาณ 140 ล้านไมล์
แม้จะอยู่ใกล้ที่สุดแต่ก็ยังอยู่ห่างจากโลกของเราประมาณ 56.3 ล้านกิโลเมตร การใช้จรวดเคมีแบบเดิมๆที่โดยทั่วไปจะนำเราไปสู่อวกาศจะใช้เวลาอย่างน้อยเจ็ดเดือนจึงจะไปถึงที่นั่น ซึ่งไม่ใช่ระยะเวลาสั้นๆอย่างแน่นอน มีวิธีใดบ้างที่เราจะสามารถทำได้เร็วขึ้น เข้าสู่จรวดพลาสมา แทนที่จะใช้เชื้อเพลิงจรวดแบบเดิม
จากนั้นสนามไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้เพื่อขับไอออนออกทางด้านหลังของเครื่องยนต์ ซึ่งให้แรงขับไปยังยานอวกาศในทิศทางตรงกันข้าม ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพเทคโนโลยีนี้ ยานอวกาศสามารถเข้าถึงความเร็วในทางทฤษฎีได้ 123,000 ไมล์ต่อชั่วโมง ด้วยความเร็วขนาดนั้น คุณสามารถเดินทางจากนิวยอร์คไปลอสแองเจลิสได้ในหนึ่งนาที
โลกมักจะแบ่งออกเป็นสามสถานะของสสาร ของแข็ง ของเหลวและก๊าซ เมื่อสสารเย็นจะเป็นของแข็ง เมื่อร้อนขึ้นจะเปลี่ยนเป็นของเหลว เมื่อใช้ความร้อนมากขึ้น คุณจะได้รับก๊าซ อย่างไรก็ตาม เรื่องราวไม่ได้จบลงเพียงแค่นั้น เมื่อคุณเพิ่มความร้อนมากขึ้น คุณจะได้รับพลังงานและความร้อนที่เพิ่มขึ้นจะแตกตัวอะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลางในก๊าซออกเป็นไอออนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ
อนุภาคที่มีประจุทำให้พลาสมามีคุณสมบัติเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่น่าสนใจ ดังนั้นเทคโนโลยีพลาสมาจึงถูกนำมาใช้เพื่อผลิตสิ่งของทุกประเภทที่เราใช้ทุกวัน ชิปคอมพิวเตอร์ ป้ายไฟนีออน แม้กระทั่งการเคลือบโลหะที่ด้านในถุงมันฝรั่งทอดถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีพลาสมา และแน่นอนว่ามีโทรทัศน์พลาสมาซึ่งใช้พลาสมาในการปล่อยโฟตอนแสง ทำให้คุณแสดงพิกเซลสีบนหน้าจอได้
ในความเป็นจริง 99 เปอร์เซ็นต์ของสสารธรรมดาในเอกภพอยู่ในสถานะพลาสมา ดาวส่วนใหญ่รวมถึงดวงอาทิตย์ของเราทำจากพลาสมา ถ้ามันแพร่หลายมากในจักรวาล ทำไมเราไม่เห็นมันมากนักบนโลก ที่จริงเราทำ แสงเหนือและแสงใต้เกิดจากลมสุริยะ และลมสุริยะคืออะไร ไม่ใช่ทุกคนที่โชคดีพอที่จะเห็นการแสดงแสงสีตระการตาเหล่านี้
แต่คุณสามารถเห็นพลาสม่าแสดงจริงในระหว่างการแสดงแสงสีอันน่าทึ่งอื่นๆที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ซึ่งก็คือพายุฝนฟ้าคะนอง เมื่อกระแสไฟฟ้าในสายฟ้าไหลผ่านอากาศ มันให้พลังงานแก่โมเลกุลในเส้นทางของมันมากจนทำให้ก๊าซในเส้นทางฟ้าผ่าเปลี่ยนไปเป็นพลาสมา เทคโนโลยีพลาสมายังถูกนำมาเดินทางรอบนอกโลกได้ และถือเป็นคำมั่นสัญญาที่ดีที่สุดในการพามนุษย์ไปยังสถานที่ที่เราเคยฝันถึงมาก่อน
จรวดเหล่านี้ต้องอยู่ในสุญญากาศของอวกาศจึงจะทำงานได้ เนื่องจากความหนาแน่นของอากาศใกล้พื้นผิวโลกจะชะลอการเร่งความเร็วของไอออนในพลาสมาซึ่งจำเป็นต่อการสร้างแรงขับ เราจึงไม่สามารถใช้มันเพื่อยกออกจากโลก อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์พลาสมาเหล่านี้บางตัวทำงานในอวกาศมาตั้งแต่ปี 1971 โดยทั่วไปแล้วนาซาจะใช้พวกมันในการบำรุงรักษาสถานีอวกาศนานาชาติและดาวเทียม
มีหลายวิธีที่สามารถใช้สูตรนี้เพื่อสร้างจรวดพลาสม่าที่ใช้งานได้ แต่มีสามประเภทที่โดดเด่นและมีแนวโน้มดีที่สุด ทรัสเตอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เป็นหนึ่งในสองประเภทของเครื่องยนต์พลาสมาที่ใช้งานอยู่เป็นประจำในอวกาศ ในอุปกรณ์นี้ สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กถูกตั้งค่าในแนวตั้งฉากในห้อง เมื่อกระแสไฟฟ้าถูกส่งผ่านสนามดวลเหล่านี้ อิเล็กตรอนจะเริ่มเคลื่อนที่เป็นวงกลมอย่างรวดเร็ว
เมื่อก๊าซขับเคลื่อนพุ่งเข้าไปในอุปกรณ์ อิเล็กตรอนความเร็วสูงจะกระแทกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมในก๊าซ สร้างพลาสมาซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งมีประจุลบ และอะตอมที่มีประจุบวกในขณะนี้ ของจรวด ไอออนเหล่านี้ถูกยิงออกจากด้านหลังของเครื่องยนต์และสร้างแรงขับที่จำเป็นต่อการขับเคลื่อนจรวดไปข้างหน้า ในขณะที่กระบวนการไอออไนเซชัน 2 กระบวนการ
การเร่งความเร็วของไอออนเกิดขึ้นเป็นขั้นตอน กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นภายในพื้นที่เดียวกันในกลไกนี้ทรัสเตอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ สามารถสร้างแรงขับได้มากสำหรับกำลังไฟฟ้าเข้าที่ใช้ ดังนั้นจึงไปได้เร็วอย่างไม่น่าเชื่อ แต่ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงก็มีขีดจำกัด เมื่อนาซามองหาเครื่องยนต์ที่ประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้น ก็จะเปลี่ยนเป็นเครื่องยนต์ไอออนแบบกริดแทนในอุปกรณ์ที่ใช้กันทั่วไปนี้
สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะอยู่ตามผนังห้องเครื่องยนต์ เมื่อใช้พลังงานไฟฟ้า อิเล็กตรอนพลังงานสูงจะแกว่งไปมาในสนามแม่เหล็กใกล้กับผนัง ในลักษณะที่คล้ายกับทรัสเตอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ อิเล็กตรอนสามารถแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซขับเคลื่อนให้เป็นพลาสมา เพื่อที่จะทำขั้นตอนต่อไปของการสร้างแรงขับ ตะแกรงไฟฟ้าจะถูกวางไว้ที่ส่วนท้ายของห้องเพื่อเร่งไอออนให้ออกมา
ในกลไกนี้ไอออนไนซ์และความเร่งเกิดขึ้นในสองช่องว่าง แม้ว่าเครื่องยนต์ไอออนแบบกริดจะประหยัดเชื้อเพลิงมากกว่าฮอลล์ทรัสเตอร์ แต่ข้อเสียก็คือไม่สามารถสร้างแรงขับได้มากนักต่อหน่วยพื้นที่ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรการบินและอวกาศเลือกเครื่องยนต์ที่เหมาะกับภารกิจมากกว่า ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของงานที่พวกเขากำลังมองหา
สุดท้ายมีเครื่องยนต์ประเภทที่สาม VASIMR ย่อมาจากจรวดจรวดแมกนีโตพลาสมาแรงกระตุ้น จรวดนี้พัฒนาโดยอดีตนักบินอวกาศแฟรงกลิน ชาง ดิแอซ ปัจจุบันอยู่ในขั้นตอนการทดสอบเท่านั้น ในอุปกรณ์นี้ ไอออนจะถูกสร้างขึ้นผ่านคลื่นวิทยุที่สร้างโดยเสาอากาศ เพื่อสร้างพลาสมา เสาอากาศอีกอันที่อยู่ท้ายน้ำจะเพิ่มพลังงาน อาจจะมีไอออนหมุนเป็นวงกลมอย่างรวดเร็ว
สนามแม่เหล็กกำหนดทิศทางเพื่อให้ไอออนถูกปล่อยออกมาจากเครื่องยนต์ในแนวเส้นตรง จึงทำให้เกิดแรงขับ ถ้ามันได้ผล จรวดลำนี้จะมีช่วงของคันเร่งที่มหาศาล ซึ่งเป็นสิ่งที่ทรัสเตอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ และตัวขับดันไอออนแบบกริด ไม่สามารถทำได้โดยง่าย จรวดธรรมดานั้นยอดเยี่ยมและพาเราไปได้ไกล แต่ก็มีข้อจำกัดจรวดเหล่านี้ยังทำงานบนพื้นฐานของแรงขับ
ในทางกลับกัน จรวดพลาสม่าใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่าเครื่องยนต์ทั่วไปเหล่านี้มาก อันที่จริงใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่า 100 ล้านเท่า มันประหยัดเชื้อเพลิงมากจนคุณสามารถเดินทางจากวงโคจรของโลกไปยังวงโคจรของดวงจันทร์ได้ด้วยก๊าซเพียง 30 แกลลอน จรวดพลาสมา เร่งความเร็วทีละน้อยและสามารถบรรลุความเร็วสูงสุด 34 ไมล์ต่อวินาทีใน 23 วัน ซึ่งเร็วกว่าจรวดเคมีใดๆถึง 4 เท่า
การใช้เวลาเดินทางน้อยลงหมายถึงความเสี่ยงน้อยลงที่ยานจะประสบกับความล้มเหลวทางกลไก และนักบินอวกาศต้องสัมผัสกับรังสีดวงอาทิตย์ การสูญเสียมวลกระดูกและกล้ามเนื้อลีบ ด้วยจรวดแมกนีโตพลาสมาแรงกระตุ้นแรงขับจะสามารถใช้ได้ในทางทฤษฎีตลอดการเดินทางทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าอาจเปลี่ยนทิศทางได้ตลอดเวลา
ถ้าพูดกันตามจริง การเดินทางไปยังดาวอังคารในเวลาอันสั้นนั้นยังอีกยาวไกล การเข้าถึงระยะทางไกลประเภทนี้จะต้องใช้พลังงานจำนวนมาก เครื่องยนต์ขับดันทรัสเตอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์และเครื่องยนต์ไอออนแบบกริดส่วนใหญ่ทำงานด้วยกำลังไฟประมาณ 5 กิโลวัตต์ ในการไปถึงระดับพลังงานที่คุณต้องการไปถึงดาวอังคารในเวลาประมาณ 40 วัน คุณต้องมีอย่างน้อย 200 เท่าของจำนวนนั้น
แหล่งพลังงานที่เป็นไปได้มากที่สุดในการสร้างพลังงานจำนวนนี้ในขณะที่อยู่ในอวกาศคือแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ที่สร้างขึ้นในเครื่องยนต์ อย่างไรก็ตาม ในเวลานี้ การวางแหล่งพลังงานนิวเคลียร์บนยานจรวดที่เราระเบิดจากโลกสู่อวกาศนั้น ก่อให้เกิดภัยคุกคามมากเกินไปต่อการได้รับรังสีในกรณีที่เกิดการตก ดังนั้นแหล่งพลังงานที่จะไปถึงระยะทางเหล่านั้นยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญ
ไม่ต้องพูดถึงความไม่แน่นอนของการตอบสนองของร่างกายมนุษย์ต่อการเดินทาง 34 ไมล์ต่อวินาที ซึ่งตรงข้ามกับ 4.7 ไมล์ต่อวินาที ที่นักบินอวกาศเดินทางเพื่อไปยังวงโคจรระดับล่างของโลกด้วยจรวดทั่วไป แต่ในทางทฤษฎีแล้ว เมื่อมีกำลังเพียงพอ เครื่องยนต์เหล่านี้มีความสามารถในการไปถึงดาวอังคารภายในเวลาประมาณ 40 วัน ซึ่งเป็นความสำเร็จที่เราไม่กล้าฝันเมื่อ 50 ปีที่แล้ว
บทความที่น่าสนใจ : อะตอม ให้ความรู้เกี่ยวกับอะตอมและแนวทางการคิดของอะตอมในปัจจุบัน
