รับความช่วยเหลือทางโทรศัพท์ อีเมล์ หรือ นัดหมายการบริการ โทร: 091 – 887 – 5136 (อบรม จป, คปอ) โทร: 083 – 939 – 9514 (อบรม อินเฮ้าส์) โทร: 065 – 441 – 9324 (วิศวกรรม) หากถามว่าเป็นไปได้ไหมที่เราจะมีเชื้อเพลิงสะอาดเพื่อใช้ในอวกาศในอนาคต การให้คำตอบตอนนี้อาจจะดูเหมือนการเพ้อฝัน แต่เมื่อย้อนไปในอดีตเมื่อหลายทศวรรษที่แล้วผู้คนต่างก็ไม่เชื่อว่าเราจะมีพลังงานทางเลือกนอกจาก ถ่านหิน น้ำมัน และแก๊สธรรมชาติ เหมือนกัน แต่ทุกวันนี้เรามีเชื้อเพลิงทางเลือกมากมายไม่ว่าจะเป็น พลังงานน้ำ พลังงานลม พลังงานแสง หรือแม้แต่ พลังงานความร้อนใต้พื้นพิภพต่างก็เป็นจริงแล้วในปัจจุบัน
จึงปฏิเสธไม่ได้ว่าในอนาคตเราอาจมีเชื้อเพลิงทางเลือกใช้ในอวกาศเช่นกัน เชื้อเพลิงจรวดแบ่งได้ 2 แบบ ใหญ่ ๆ คือ เชื้อเพลิงแบบแข็ง (Solid propellant) และเชื้อเพลิงแบบเหลว (Liquid propellant) โดยเชื้อเพลิงแบบแข็งจะใช้ Oxidizer จำพวก Ammonium nitrate (คุ้น ๆ // ฮา), Ammonium dinitramide, Potassium nitrate ใช้ร่วมกับผงเชื้อเพลิงอย่าง Aluminium Beryllium, RDX และ HMX เพื่อจุดระเบิด เชื้อเพลิงแบบแข็งเป็นเชื้อเพลิงที่จุดแล้วดับไม่ได้และก็จุดใหม่ไม่ได้
ใช้แล้วต้องใช้ให้หมด นิยมใช้ใน Booster เชื้อเพลิงอีกชนิดก็คือเชื้อเพลิงเหลวซึ่งเป็นที่นิยมในปัจจุบัน ปัจจุบันเชื้อเพลิงที่เราใช้ในจรวดส่วนใหญ่เป็นเชื้อเพลิงแบบ Cryogenic เหลว ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้คู่กับ Oxidizer อย่าง Liquid Oxygen (LOX) เนื่องจากการเผาไหม้จำเป็นต้องมี Oxidizer ซึ่งทำหน้าที่ช่วยให้ไฟติด (Reactant) เชื้อเพลิง Cryogenic เหลวจึงต้องมี Oxidizer ไปด้วย คู่กับ Oxidizer ก็คือตัวเชื้อเพลิงที่ติดไฟได้ (Flammable) เชื้อเพลิงแบบ Cryogenic ปัจจุบันที่นิยมใช้กัน คือ นอกจากเชื้อเพลิงแบบ Cryogenic แล้วยังมีเชื้อเพลิงจำพวก Hypergolic เช่น Hydrazine (N2H4) ใช้คู่กับ Dinitrogen tetroxide (N2O4) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้ในยานจำพวก Deep Space เพราะว่าเชื้อเพลิงชนิดนี้สามารถเก็บไว้ได้นานไม่เหมือนเชื้อเพลิงแบบ Cryogenic ที่ต้องมีการรักษาอุณหภูมิให้ต่ำอยู่ตลอดเวลาระหว่างการใช้งาน เชื้อเพลิงแบบ Cryogenic จึงนิยมใช้ในแค่ส่วนขับดันของจรวดที่ใช้แล้วทิ้งไม่ต้องแบกไปอวกาศด้วย เช่น First stage ของ Falcon 9 ที่พอใช้เสร็จก็แยกตัวกลับมาที่ฐาน
แต่เชื้อเพลิงจำพวก Hypergolic จะอยู่ใน Upper stage ของจรวดซะส่วนใหญ่ ซึ่งใช้ในการปรับวงโคจรของยาน และการที่มันเป็นยานที่ต้องปรับวงโคจรหมายความว่าเชื้อเพลิงจะต้องเก็บได้นานไม่พอ จะต้องสามารถจุดจรวดใหม่ได้ด้วย จึงเป็นที่มาของคำว่าเชื้อเพลิงแบบ Hypergolic เชื้อเพลิง Hypergolic คือ เชื้อเพลิงที่มี Reactant สองตัว และเมื่อ Reactant สองตัวนี้มันเจอกันเมื่อไหร่คือมันจะติดไฟทันที เรียกว่าเชื้อเพลิง Hypergolic ทำให้มันง่ายต่อการออกแบบจรวด คิดง่าย ๆ ว่าไม่ต้องทำอะไรเลย แค่ฉีดเจ้าเชื้อเพลิง
Hypergolic สองอันนี้ให้มันมาเจอกันก็จุดระเบิดเครื่องยนต์ติดละ แล้วทำไมเขาถึงไม่ใช้ Hypergolic กันในเมื่อมันเก็บง่าย จุดง่าย เป็นเพราะว่าเชื้อเพลิง Hypergolic เวลาจุดระเบิดมันให้แรงระเบิดน้อยกว่าเชื้อเพลิงแบบ Cryogenic ทำให้เชื้อเพลิงแบบ Cryogenic เป็นที่นิยมกว่าในการส่งจรวดขึ้นสู่วงโคจรเพราะเมื่อเปรียบเทียบระหว่างเชื้อเพลิงทั้งสองแบบแล้ว แบบ Cryogenic มีประสิทธิภาพโดยรวมมากกว่าและ Practical กว่า เมื่อใช้ตอนส่งขึ้นสู่วงโคจร ส่วนแบบ Hypergolic เหมาะแก่การใช้ระยะยาวในวงโคจรมากกว่า มีข้อดีก็ต้องมีข้อเสีย ข้อเสียใหญ่ซะด้วย ข้อเสียของเชื้อเพลิงเหลวที่เราใช้กันทุกวันนี้ไม่ว่าจะเป็นทั้งแบบ Cryogenic หรือ Hydrazine คือ ความเป็นพิษและความไม่เสถียรของสาร ทั้งในตัวเชื้อเพลิงและตัว Oxidizer ที่ตอนนี้มีเพียง LOX ที่เสถียรที่สุด แต่ไม่สามารถเก็บไว้ใช้ได้ต้องใช้ให้หมดในคราวเดียว ส่วน Oxidizer ที่เก็บไว้ใช้ได้อย่างกรดไนตริก หรือ Nitrogen tetroxide ก็เป็นพิษแบบสุด ๆ ส่วนเชื้อเพลิง Hypergolic เองก็อันตราย เพราะถ้ามันเจอกันโดยไม่ได้นัดหมายเมื่อไหร่ก็ระเบิด และเชื้อเพลิงชนิดสุดท้ายก็คือ Monopropellants อย่างเช่น Hydrogen peroxide, Hydrazine, และ Nitrous oxide ซึ่งเชื้อเพลิงพวกนี้ไม่ต้องมี Oxidizer เพราะมันไม่ต้องจุดระเบิดในการใช้งาน จุดประสงค์หลัก ๆ ของ Monopropellant คือไว้ใช้ควบคุมทิศทางและการปรับวงโคจร (Attitude control) และการรักษาวงโคจรจากปัจจัยภายนอกเรียกว่า Station-keeping ไม่ให้ดาวเทียมหรือยานตกกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกจากแรงเสียดสีของชั้นบรรยากาศ (Atmospheric drag) โดยส่วนใหญ่ Monopropellants ถูกใช้ในระบบ RCS (Reaction Control System) ด้วยการยิงแก๊สออกไปในทิศทางต่าง ๆ เพื่อสร้างแรงถีบกลับตามกฎข้อที่สามของนิวตันนั่นเอง GPIM คืออะไรGreen Propellant Infusion Mission หรือ GPIM เป็นภารกิจสำหรับการสาธิตเทคโนโลยีเชื้อเพลิงใหม่ที่หันไปใช้เชื้อเพลิงเคมีที่สะอาดและมีประสิทธิภาพในเวลาเดียวกันสำหรับจรวด โดยเนั้นที่การลดต้นทุนในการดูแลและความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมและบุคคล โดย GPIM ไม่ใช่ภารกิจที่แค่พัฒนาเชื้อเพลิงให้มันเสร็จ ๆ แล้วก็จบ ๆ ไป แต่เป็นการเอาเชื้อเพลิงที่พัฒนาขึ้นมาจริง ๆ เอาไปใช้จริงด้วย โดยเชื้อเพลิงที่ว่านี้ถูกพัฒนาโดย U.S Air Force Research Laboratory (AFRL) หรือแล็บของกองทัพอากาศสหรัฐอเมริกา เชื้อเพลิงนี่มีชื่อทางการทดลองว่า AF-M315E มีชื่อทางเคมีว่า Hydroxylammonium nitrate (NH3OHNO3) หรือ HAN ซึ่งจริง ๆ แล้ว Hydroxylammonium nitrate ที่ว่านี่มันก็คือค็อกเทลของเชื้อเพลิงกับ Oxidizer นั่นเอง คือการเอาทั้งเชื้อเพลิงและ Oxidizer มาผสมเป็นอันเดียวกันเลย ไม่เหมือนเชื้อเพลิงเมื่อก่อนที่ต้องแยก Oxidizer กับเชื้อเพลิงออกจากกันแล้วค่อยเอามารวมกันตอนจุดระเบิดอย่าง LOX กับ RP-1 โดน Hydroxylammonium nitrate มีสถานีไม่เสถียรเพราะว่าในตัวมันเองมีทั้ง Reducing agent และ Oxidizer ในตัวเดียวกันโดย Reducing agent คือ ส่วนของ Hydroxylammonium และมี Oxidizer เป็น Nitrate มีสถานะเป็น Analogous ต่อ Ammonium nitrate (โครงสร้างคล้ายกัน) โครงสร้างของ Hydroxylammonium nitrate (NH3OHNO3) – ที่มา Ben Millsโดยข้อมูลจากแล็บ AFRL ระบุว่าเชื้อเพลิง AF-M315E ซึ่งตอนนี้ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง Monopropellant มีประสิทธิภาพในการเผาไหม้มากกว่าเชื้อเพลิง Monopropellant แบบ Hydrazine ถึง 50% และยิ่งไปกว่านั้นเชื้อเพลิง AF-M315E หนาแน่นมากกว่า Hydrazine ประมาณ 45% หมายความว่าถังเชื้อเพลิงสามารถเก็บเชื้อเพลิง AF-M315E ได้มากกว่า Hydrazine ที่ปริมาตรเท่ากัน ซึ่ง AF-M315E จะเป็นต้นแบบของเชื้อเพลิงในภารกิจ GPIM โดยตัวเชื้อเพลิง AF-M315E มีความเป็นพิษต่ำมากเมื่อเทียบกับ Hydrazine ถึงขั้นที่ไม่ต้องใส่อุปกรณ์ป้องกันอะไรเลยในขณะที่ทำงานกับตัวเชื้อเพลิงแค่ถุงมือเสื้อแว่นก็พอ ไม่เหมือน Hydrazine ที่มาทั้ง Hazmat Suit นอกจากนี้เชื้อเพลิง AF-M315E ยังทนอุณหภูมิได้ดีมาก ๆ อีกด้วย โดยสามารถทนอุณหภูมิที่เย็นถึง -140 องศาเซลเซียส ได้โดยที่เชื้อเพลิงไม่แข็งซะก่อนแต่เปลี่ยนสถานะเพียงเล็กน้อยกึ่งของแข็งของเหลวและเมื่อต้องการใช้เชื้อเพลิงก็ใช้ความร้อนเพียงเล็กน้อยเพื่อละลายโครงสร้างกึ่งของแข็งของเหลวให้เป็นของเหลวเหมือนเดิมเพื่อใช้งานต่อ นอกจากนี้การที่ AF-M315E เป็นเชื้อเพลิงแบบผสมระหว่าง Oxidizer และตัวเชื้อเพลิงเองรวมถึงมีประสิทธิภาพมากกว่า Hydrazine หมายความว่าในอนาคต ยานอาจจะไม่ต้องมีถังเชื้อเพลิงแยกระหว่าง Oxidizer และ เชื้อเพลิงอีกต่อไปซึ่งประหยัดพื้นที่มากกว่าเดิมและยังมีประสิทธิภาพมากกว่าเดิมด้วย นักวิจัยเชื้อเพลิงขณะกำลังทำการทดสอบเชื้อเพลิง AF-M315Eหลังจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการเสร็จสิ้นแล้วต่อไปก็เป็นการใช้จริง เชื้อเพลิง AF-M315E ถูกนำไปใช้ในภารกิจ Space Test Program 2 หรือ STP-2 ซึ่งเป็นภารกิจที่กระทรวงกลาโหมของสหรัฐอเมริกาจ้างให้ SpaceX ส่งยานอวกาศและดาวเทียมต่างกว่า 25 ดวงขึ้นสู่วงโคจร หนึ่งในนั้นเป็นดาวเทียมของภารกิจ GPIM ระบบการทดลอง GPIM อยู่บน Platform BCP 100 (Ball Configurable Platform 100) ซึ่งเป็นของบริษัท Aerojet Rocketdyne ซึ่งผลิตและพัฒนาระบบขับเคลื่อนของจรวดต่าง ๆ โดยภารกิจ STP-2 ถูกส่งขึ้นสู่วงโคจรเมื่อวันที่ 24 มิถุนายน 2019 เวลา 11:30 PM EDT ด้วยจรวด Falcon Heavy ของ SpaceX Animation การปล่อยภารกิจ STP-2 – ที่มา SpaceX โดยบนยาน GPIM จะมีอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมด 3 ตัว คือ อุปกรณ์จำแนกชั้น Ionosphere และ Thermosphere อุปกรณ์วัดความหนาแน่นของพลาสมาและอุณหภูมิ และสุดท้ายคืออุปกรณ์หลีกเลี่ยงการชนในอวกาศ โดยระหว่างที่ GPIM อยู่ในวงโคจร มันจะใช้อุปกรณ์ทั้ง 3 นี้ติดตามตำแหน่งของมันเองเพื่อใช้ Thruster พร้อมเชื้อเพลิงรุ่นใหม่ของมันในการปรับวงโคจรและทำ Station-keeping GPIM Final Integration – ที่มา NASA ภาพจำลองยาน GPIM ในวงโคจรโลก – ที่มา NASAโดยภายในระยะเวลาภารกิจของ GPIM มันจะทดลองใช้เชื้อเพลิง AF-M315E ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงสะอาดอันใหม่ที่อยู่ในระหว่างการทดสอบเพื่อใช้ในการทำ Attitude control และ station-keeping และการปรับวงโคจรต่าง ๆ เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของเชื้อเพลิง AF-M315E เทียบกับเชื้อเพลิงแบบ Hydrazine หลังการทดสอบ ผลการทดสอบทั้งหมดจะถูกส่งให้ NASA รวมถึงต้นแบบของถังเชื้อเพลิงสำหรับเชื้อเพลิง AF-M315E ให้กับ NASA เพื่อทดสอบเชื้อเพลิงอีกรอบสำหรับเป็นทางเลือกของเชื้อเพลิง Monopropellant ของยานอวกาศในอนาคตให้แล็บอย่าง JPL นั่นเอง เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO อ้างอิง Green Propellant Infusion Mission (GPIM) Overview Green Propellant Infusion Mission Future Green propellant Rocket Science Rocket Sciences |