ในงานแลถงข่าว NASA ปรับแผนดวงจันทร์ครั้งใหญ่ เลิกแผน Lunar Gateway เน้นสร้างฐานบนดวงจันทร์ ทาง NASA ได้ประกาศอีกหนึ่งภารกิจสำคัญที่จะช่วยวางรากสู่การสำรวจดาวอังคารในอนาคต นั่นก็คือ SR-1 Freedom หรือภารกิจส่งยานอวกาศไปดาวอังคารในปี 2028 แต่ในรอบนี้ไม่ใช่การส่งธรรมดาเพราะแทนที่จะเป็นการใช้แรงส่งจากตัวจรวดในขณะที่ปล่อยออกจากโลกตามแบบปกติ ในรอบนี้ จะเป็นครั้งแรกที่เราจะเอาเตาปฏิกรนิวเคลียร์หรือ Reactor ติดขึ้นไปกับตัวยานเพื่อให้ตัวยานเร่งความเร็วตัวเองด้วยเทคนิค Nuclear Electrict Propulsion ทั้งทำให้การเดินทางไปยังดาวอังคารรวดเร็วขึ้น เพิ่มน้ำหนักบรรทุกของ Payload ได้มากขึ้น และที่สำคัญ มันจะเป็นบทเรียนสำคัญให้กับการวางรากสู่การพัฒนายานอวกาศสำหรับสำรวจดาวเคราะห์ดวงอื่นในอนาคต
แนวคิดเรื่องของการใช้งานนิวเคลียร์ในการสำรวจอวกาศนั้นไม่ใช่เรื่องใหม่ ก่อนหน้านี้เราเคยพูดถึงการใช้ Nuclear Thermal Propulsion ที่จะปฏิวัติวงการสำรวจอวกาศในอนาคต เล่าไปว่า NASA ตัดสินใจจับมือกับกับกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ซึ่งเราก็จะต้องเข้าใจกันก่อนว่า Nuclear Thermal Propulsion กับ Nuclear Electrict Propulsion นั้นต่างกันอย่างไร เพื่อไม่ให้สับสนในบทความนี้
Nuclear Thermal Propulsion กับ Electric propulsion
สองคำนี้อาจจะดูเหมือนกัน เพราะมีคำว่านิวเคลียร์ แต่จริง ๆ แล้วสถาปัตยกรรมของเครื่องยนต์ทั้งสองแบบแตกต่างกันในระดับ “ปรัชญาการออกแบบ” มากกว่าที่หลายคนคิด ถ้าจะให้เห็นภาพง่าย ๆ ทั้งสองระบบกำลังตอบคำถามคนละข้อ Nuclear Thermal Propulsion หรือ NTP พยายามแก้ปัญหา “จะเร่งให้เร็วที่สุดตอนออกตัวได้ยังไง” ขณะที่ Nuclear Electric Propulsion หรือ NEP สนใจว่า “จะเดินทางให้คุ้มพลังงานที่สุดในระยะยาวได้ยังไง”
เริ่มจาก Nuclear Thermal Propulsion ก่อน อันนี้ตรงไปตรงมาแบบวิศวกรรมยุค Apollo คือเอาเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์มาใช้เป็นแหล่งความร้อนโดยตรง ตัว Reactor จะให้ความร้อนกับ Propellant อย่างไฮโดรเจนเหลว จนมันร้อนจัดแล้วพ่นออกทาง Nozzle กลายเป็นแรงขับ หลักการมันแทบไม่ต่างจากเครื่องยนต์จรวดเคมี เพียงแค่เปลี่ยน “แหล่งพลังงาน” จากการเผาไหม้ มาเป็นความร้อนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ผลลัพธ์คือได้ Thrust สูงมาก และมี Specific Impulse ดีกว่าจรวดเคมีประมาณ 2 เท่า แต่ข้อแลกเปลี่ยนก็คือ มันยังคงเป็นระบบที่มีการ Burn เป็นช่วง ๆ เหมือนจรวดปกติ คือจุดเครื่อง เร่งความเร็ว แล้วก็หยุด ไม่ได้เปิดทิ้งยาว ๆ เพราะการควบคุม Reactor และ Thermal เป็นสิ่งที่สำคัญมาก และที่สำคัญคือ Efficiency ในระยะยาวยังไม่ได้ดีที่สุด
ทีนี้พอขยับมาที่ Nuclear Electric Propulsion ภาพจะเปลี่ยนไปเลย ในระบบนี้ Reactor ไม่ได้ใช้ความร้อนมาผลัก Propellant โดยตรง แต่เอาพลังงานจาก Reactor ไปผลิตไฟฟ้าก่อน แล้วเอาไฟฟ้านั้นไปขับเครื่องยนต์ไฟฟ้า เช่น Ion Thruster หรือ Hall-effect thruster ซึ่งจะค่อย ๆ เร่งอนุภาคออกไปด้วยความเร็วสูงมาก ผลคือ Thrust ที่ได้จะ “ต่ำมาก” เมื่อเทียบกับ NTP หรือจรวดเคมี ระดับที่ว่าเอามือผลักยังแรงกว่า แต่สิ่งที่ได้กลับมาคือ Specific Impulse ที่สูงมาก หมายความว่ายานสามารถเร่งตัวเองได้ต่อเนื่องเป็นสัปดาห์หรือเป็นเดือน ๆ โดยใช้ Propellant น้อยมาก
การใช้ NEP ไม่ใช่แค่ทำให้ไปดาวอังคารเร็วขึ้น แต่มันทำให้การเดินทางในอวกาศระยะไกลนั้นเป็นไปได้จริง โดยเฉพาะเมื่อเราเริ่มออกไปไกลกว่าวงโคจรของดาวอังคาร ที่แสงอาทิตย์ลดลงตามกฎ Inverse-Square Law จนพลังงานจาก Solar Arrays หายไปอย่างมีนัยสำคัญ กรณีนี้เหมือนกับที่ยานอย่าง DART หรือ Psyche จำเป็นต้องมีแผง Solar Arrays ขนาดใหญ่ผิดปกติ แค่เพื่อให้ได้พลังงาน “พอใช้” สำหรับ Ion Thruster ซึ่งสะท้อนข้อจำกัดชัดเจนว่า ถ้าเรายังพึ่งแสงอาทิตย์อย่างเดียว สเกลของภารกิจมันจะเริ่มชนเพดานเร็วมาก
SR-1 Freedom ยานลำแรกที่จะมีเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ไปดาวอังคาร
NASA นั้นมีแนวคิดเรื่องการใช้งาน NEP และ NTP มาพอสมควร โดยยานลำแรกที่เป็นการทดสอบต้องย้อนกลับไปในปี 1965 ในโครงการ SNAP-10A ซึ่งทดลองใช้ NTP เป็นครั้งแรก อย่างไรก็ตามการทดลองนั้นตัวยานยังคงอยู่บนวงโคจรโลก ส่วนการนำเอา NEP มาใช้ในการเดินทางจริง ๆ เรื่องนี้ต้องย้อนกลับไปตั้งแต่ปี 2021 ที่ตอนนั้น NASA ได้ทำการศึกษาแนวคิดของการใช้ NEP ในการเดินทางไปยังดาวอังคาร Nuclear Propulsion Could Help Get Humans to Mars Faster ซึ่ง NASA ได้ศึกษาร่วมกับกระทรวงพลังงานของสหรัฐฯ และนักวิจัยจาก Los Alamos National Laboratory และ Oak Ridge National Laboratory แนวคิดของ NEP นั้นในเชิงปฏิบัติมีความพร้อมสูงกว่า NTP เนื่องจาก เรามีความรู้ด้านการทำเครื่องยนต์ Ion Thruster ในอวกาศอยู่แล้ว ทำให้เรามีมรดกทางวิศวกรรมหรือ Hertitage ที่สามารถหยิบมาใช้ได้เลย สิ่งเดียวที่ยากคือความรู้ในการจัดการกับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในอวกาศต่างหาก ซึ่งนี่คือสาเหตุว่าทำไมกระทรวงพลังงานของสหรัฐฯ ถึงต้องเข้ามามีบทบาทสำคัญ
ซึ่งจังหวะนี้ ก็เรียกได้ว่าตรงกับแผนใหม่ของ NASA พอดี เมื่อ NASA ตัดสินใจยกเลิกโครงการ Lunar Gateway สถานีอวกาศโคจรรอบดวงจันทร์ ทำให้เรามี Hardware ที่ไม่ต้องการแล้วอย่าง PPE หรือ Power and Propulsion Element ที่เป็น Bus ของยานอวกาศพร้อมเครื่องยนต์ Ion Thruster ที่พร้อมใช้งาน NASA จึงได้ตัดสินใจเอา PPE มาเตรียมตัดแปะเข้ากับระบบเตาปฏิกรณ์ตัวแรกในอวกาศ และเกิดเป็นโครงการ Space Reactor-1 Freedom ขึ้นมา
ต้องแอบบอกเล็กน้อยว่าจริง ๆ แล้ว PPE นั้นเดิมทีก็ไม่ได้จะถูกใช้สำหรับโครงการ Gateway แต่ออกแบบมาเพื่อโครงการ Asteroid Redirect Mission หนึ่งในแผนสำรวจดาวเคราะห์น้อยร่วมกับสถาปัตยกรรมยานในยุค โครงการ Constellation ซึ่งถูกยกเลิกไปในปี 2017 เพราะ NASA หันมาดันโครงการ Artemis แทน เส้นทางการเดินทางของ PPE จึงเรียกได้ว่าถูกออกแบบมานานเกือบ 20 ปี แต่ก็ถือว่าเป็นเรื่องปกติในวงการอวกาศอยู่แล้ว
การที่ NASA ตั้งเป้าว่าจะส่งยาน SR-1 Freedom ไปดาวอังคารในปี 2028 จึงไม่ใช่เรื่องที่เกินจริงมากนัก เพราะสิ่งเดียวที่ขาดตอนนี้ก็คือระบบ Reactor ที่ต้องรอดูว่าในระยะเวลา 2 ปี เราจะเห็น NASA เร่งนำเอาเทคโนโลยีที่เรายังไม่เคยเห็นมาก่อนขึ้นบินได้ทันกำหนดหรือไม่ และพูดได้เต็มปากว่ายานลำนี้จะเป็นยานอวกาศลำแรกที่บรรทุกเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขึ้นสู่อวกาศเดินทางไปดาวอังคาร และจะวางรากการเดินทางสู่อนาคตของนิวเคลียร์ในอวกาศ ไม่ว่าจะเป็นบนดวงจันทร์ หรือการใช้เพื่อขับดันยานอวกาศทั้งในแบบ NEP หรือ NTP ก็ตาม
เป้าหมายส่งเฮลิคอปเตอร์สำรวจดาวอังคาร
และสำหรับ Payload ในภารกิจนี้เอง NASA ก็ไม่ต้องคิดอะไรใหม่ เพราะมี Concept ของภารกิจนึงที่ชื่อว่า Skyfall ที่พัฒนาโดยบริษัทเอกชน AeroVironment ร่วมกับ NASA Jet Propulsion Laboratory เป็นการส่งยานสำรวจลักษณะเฮลิคอปเตอร์แบบ Ingenuity ลงไปสำรวจบนพื้นผิวดาวอังคาร โดยใช้การลงจอดที่เรียบง่ายกว่าระบบ Entry Descent and Landing ที่ NASA ใช้ลงจอดโรเวอร์มาก เนื่องจากตัวเฮลิคอปเตอร์จะแยกตัวออกจากตัว Descent กลางอากาศและลงจอดด้วยใบพัด ทำให้ไม่ต้องมีการใช้ระบบที่ซับซ้อนอย่าง Sky Crain ที่ NASA ใช้ในการลงจอด Curiosity และ Perseverance
เอาจริง ๆ เราอาจพูดได้ว่าแนวคิดแบบนี้มันดูเหมือนหาเอา Payload อะไรยัด ๆ ลงมาใน SR-1 Freedom แต่ถ้าพูดถึงในเชิงการออกแบบภารกิจ SR-1 Freedom ควรจะเป็นภารกิจแนว Technology Demonstration ไม่ควรมีอะไรซับซ้อนหรือมีต้นทุนทางการเงิน หรือทางวิทยาศาสตร์ที่สูงเดินทางไปด้วยอยู่แล้ว การทำ Ingenuity ขึ้นมาใหม่อีก 6 ตัว และยัดลงไปใน Backshell ของยานสำรวจดาวอังคารที่ JPL เชี่ยวชาญอยู่แล้วก็เลยดูเหมาะสมสำหรับเป็น Payload แรกที่จะถูกขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์
SR-1 Freedom นั้นจึงน่าจับตามองอย่างมากในมิติใหม่ของวงการการสำรวจอวกาศที่ยังไม่เคยเห็นมาก่อน และก็เป็นที่น่าตื่นเต้นว่าหลังจากที่เป็นฝันเปียกของ NASA มานานกว่า 60 ปี เราก็จะได้เห็นเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์สำหรับการเดินทางในอวกาศซักที
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
