ยูทูบเบอร์ใช้ 3D Print สร้าง “เครื่องยนต์จรวด” ในบ้าน ทำระบบหล่อเย็นขึ้นมาเอง

มอร์ กูดเดอร์ (Mr. More Gooder) ยูทูบเบอร์สายวิศวกรรมและงาน DIY เผยแพร่คลิปการทดลองสุดแปลก ด้วยการสร้าง “เครื่องยนต์จรวดพิมพ์ 3 มิติ” จากเครื่องพิมพ์ระดับทั่วไป โดยพยายามแก้ปัญหาสำคัญของเครื่องยนต์จรวดพลาสติก นั่นคือความร้อนมหาศาลจากการเผาไหม้ ด้วยการออกแบบระบบหล่อเย็นแบบซ่อนอยู่ภายในผนังเครื่องยนต์ คล้ายเทคโนโลยีที่ใช้ในอุตสาหกรรมอวกาศจริง เพื่อทดสอบว่าพลาสติกราคาประหยัดจะสามารถทนต่อการทำงานของเครื่องยนต์จรวดได้หรือไม่

ปัญหาใหญ่คือ “ความร้อน”

โดยปกติแล้ว เครื่องยนต์จรวดที่สร้างจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM มักมีอายุการทำงานสั้นมาก เพราะห้องเผาไหม้และหัวฉีดจะได้รับอุณหภูมิสูงอย่างรวดเร็วหลังจุดระเบิด จนวัสดุพลาสติกเริ่มอ่อนตัว บิดเบี้ยว หรือหลอมละลายภายในเวลาไม่กี่วินาที

แทนที่จะเลือกใช้วัสดุราคาแพงหรือโลหะที่ทนความร้อนสูง มอร์ กูดเดอร์ ได้ใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติระดับทั่วไป และใช้วัสดุพลาสติก แทนการผลิตด้วยโลหะเกรดอุตสาหกรรมเหมือนในอุตสาหกรรมอวกาศ เขาพยายามลดอุณหภูมิของโครงสร้างด้วยการส่งน้ำไปไหลเวียนผ่านช่องระบายความร้อนที่ถูกออกแบบเอาไว้ภายในผนังเครื่องยนต์โดยตรง  โดยตัวเครื่องยนต์ต้นแบบ ถูกออกแบบให้มีโครงสร้างผนังสองชั้น ภายในมีช่องว่างสำหรับให้น้ำไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง ขณะที่เชื้อเพลิงโพรเพนและอากาศจะถูกผสมก่อนเข้าสู่กระบวนการเผาไหม้

ไอเดียนี้มีลักษณะใกล้เคียงกับระบบ Regenerative Cooling หรือ ระบบหล่อเย็นแบบหมุนเวียน ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ในเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลว ซึ่งโดยปกติระบบดังกล่าวจะใช้เชื้อเพลิงหรือสารหล่อเย็นไหลผ่านช่องทางภายในผนังโลหะ เพื่อดึงความร้อนออกจากห้องเผาไหม้ก่อนที่โครงสร้างจะเสียหาย

การทดลอง

การทดลองในช่วงแรกแสดงให้เห็นข้อจำกัดของพลาสติกอย่างชัดเจน เครื่องยนต์ที่ไม่มีระบบระบายความร้อนเกิดการเสียรูปแทบจะทันทีหลังจุดระเบิด ห้องเผาไหม้เริ่มอ่อนตัวอย่างรวดเร็ว และโครงสร้างบางส่วนหลอมละลายภายในเวลาอันสั้น

หลังจากนั้น มอร์ กูดเดอร์ ออกแบบเครื่องยนต์ใหม่ให้มีช่องทางน้ำหล่อเย็นอยู่ระหว่างผนังด้านในและด้านนอก โดยใช้ปั๊มน้ำขนาดเล็กช่วยหมุนเวียนน้ำผ่านระบบท่อที่พิมพ์ขึ้นมาเฉพาะ

ผลลัพธ์ถือที่ได้ คือห้องเผาไหม้ที่ได้รับการระบายความร้อนสามารถคงรูปได้ยาวนานกว่าเดิม อย่างไรก็ตาม ปัญหาใหม่ก็เกิดขึ้นเมื่อบริเวณหัวฉีดส่วนล่างที่ไม่ได้รับการระบายความร้อนเริ่มยุบตัวจากอุณหภูมิที่สูง ขณะที่พลาสติกหลอมละลายไหลออกมาจากปลายเครื่องยนต์

เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว มอร์ กูดเดอร์ จึงพัฒนาเวอร์ชันใหม่ที่มีระบบหล่อเย็นครอบคลุมทุกส่วนของเครื่องยนต์ โดยพิมพ์ชิ้นส่วนทั้งหมดเป็นชิ้นเดียวพร้อมช่องทางน้ำหล่อเย็นภายใน

แม้เวอร์ชันล่าสุดจะสามารถทำงานได้นานขึ้นและรักษาโครงสร้างได้ดีขึ้น แต่สุดท้ายการทดลองก็ต้องหยุดลงเมื่อเกิดรอยรั่วในผนังด้านใน ทำให้น้ำหล่อเย็นไหลเข้าไปในห้องเผาไหม้และดับเปลวไฟลงแทน

ความผิดพลาดในขั้นตอนนี้ มอร์ กูดเดอร์ มองว่าปัญหาหลักอาจมาจากคุณสมบัติของพลาสติก FDM ที่นำความร้อนได้ต่ำ ทำให้ความร้อนสะสมอยู่บริเวณผนังด้านในเป็นเวลานาน ก่อนจะถ่ายเทออกไปยังน้ำหล่อเย็นได้ แม้การลดความหนาของผนังอาจช่วยให้ระบายความร้อนได้เร็วขึ้น แต่ก็จะทำให้ความแข็งแรงของโครงสร้างและความสามารถในการทนแรงดันลดลงตามไปด้วย

นอกจากนี้ ระบบหล่อเย็นยังเพิ่มน้ำหนักจำนวนมากให้กับเครื่องยนต์ ทั้งจากถังน้ำ ปั๊มน้ำ และระบบท่อ ซึ่งอาจกลายเป็นอุปสรรคสำคัญหากต้องการพัฒนาไปสู่จรวดที่สามารถบินได้จริง

การทดลองครั้งนี้จะไม่ได้อยู่ภายใต้สถาบันวิจัยหรือมีเป้าหมายเพื่อใช้งานในอุตสาหกรรมผลแต่ผลงานของมอร์ กูดเดอร์ (Mr. More Gooder) จัดว่าเป็นงานทดลองเชิงวิศวกรรมแบบ DIY ที่มีประโญชน์เน้นการเรียนรู้ ทดลอง และพิสูจน์ข้อจำกัดของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ผ่านแนวคิดเดียวกับที่ใช้ในเครื่องยนต์จรวดจริงระดับอุตสาหกรรมอวกาศ ยังไม่ใช่การพัฒนาจรวดเพื่อใช้งานจริง