เจาะลึก Cold-Gas Thruster เทคโนโลยีอวกาศในรถสปอร์ต Tesla Roadster

หลังจากบริษัทเทสลา (Tesla) เปิดตัวรถสปอร์ตไฟฟ้า เทสลา โรดสเตอร์ (Tesla Roadster) บินได้ หนึ่งในเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจมากที่สุดคือ Cold-Gas Thruster หรือระบบขับดันด้วยก๊าซเย็น ซึ่งสามารถสร้างแรงผลักได้โดยไม่ต้องเผาไหม้เชื้อเพลิงเหมือนเครื่องยนต์จรวดทั่วไป

แนวคิดนี้อีลอน มัสก์ (Elon Musk) ผู้บริหารบริษัทเปิดเผยแผนการพัฒนามาตั้งแต่ปี 2018 ซึ่งใช้เทคโนโลยีดังกล่าวของบริษัท สเปซเอ็กซ์ (SpaceX) มาช่วยเพิ่มสมรรถนะของ Roadster ทั้งการเร่งความเร็ว การเบรก และการควบคุมทิศทาง รวมถึงความเป็นไปได้ที่จะทำให้รถยกตัวจากพื้นได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ 

อย่างไรก็ตาม แม้ระบบขับดันด้วยก๊าซเย็นจะเป็นเทคโนโลยีที่ใช้งานจริงในอุตสาหกรรมอวกาศมานานแล้ว แต่การนำมาใช้กับรถยนต์ยังเป็นอีกความท้าทายหนึ่ง โดยเฉพาะเรื่องแรงขับ น้ำหนักของอุปกรณ์ และความปลอดภัยของผู้โดยสาร

Cold-Gas Thruster ทำงานอย่างไร?

หลักการทำงานของ Cold-Gas Thruster สามารถอธิบายได้ง่าย ๆ ด้วยการเปรียบเทียบกับลูกโป่งที่ถูกเป่าจนพอง เมื่อปล่อยปากลูกโป่ง อากาศจะพุ่งออกไปด้านหนึ่ง และทำให้ลูกโป่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม

ระบบขับดันด้วยก๊าซเย็นใช้หลักการเดียวกัน แต่เปลี่ยนจากลูกโป่งเป็นถังเก็บก๊าซแรงดันสูงที่มีความแข็งแรง พร้อมติดตั้งวาล์วและหัวฉีดสำหรับควบคุมการปล่อยก๊าซ เมื่อเปิดวาล์ว ก๊าซจะขยายตัวและพุ่งออกจากหัวฉีดด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดแรงขับในทิศทางตรงกันข้าม

ปรากฏการณ์นี้เป็นไปตามกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 3 ของไอแซก นิวตัน (Isaac Newton) ซึ่งอธิบายว่า เมื่อวัตถุหนึ่งออกแรงกระทำต่ออีกวัตถุหนึ่ง จะเกิดแรงปฏิกิริยาที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม

ข้อแตกต่างสำคัญจากเครื่องยนต์จรวดเคมี คือ Cold-Gas Thruster ไม่จำเป็นต้องจุดระเบิดหรือเผาไหม้เชื้อเพลิงเพื่อสร้างแรงขับ แต่ใช้พลังงานที่สะสมอยู่ในรูปของก๊าซอัดแรงดันสูง จึงมีระบบที่เรียบง่ายกว่าและสามารถควบคุมแรงขับด้วยการเปิดปิดวาล์วได้

Tesla Roadster จะใช้ก๊าซแรงดันสูงช่วยเพิ่มความเร็วได้อย่างไร?

หลักการทำงาน คือ หากติดตั้งหัวฉีดก๊าซไว้บริเวณท้ายรถ และปล่อยก๊าซพุ่งออกไปด้านหลัง แรงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจะช่วยผลักรถไปข้างหน้า ทำงานเสริมกับแรงขับจากมอเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งอาจช่วยให้รถมีอัตราเร่งสูงขึ้นในช่วงเวลาสั้น ๆ

ในทางกลับกัน หากติดตั้งหัวฉีดให้พ่นก๊าซไปด้านหน้า แรงปฏิกิริยาจะช่วยชะลอความเร็วของรถ ส่วนหัวฉีดที่ติดตั้งในตำแหน่งอื่น เช่น ด้านข้างหรือบริเวณใต้ท้องรถ ก็อาจใช้สร้างแรงเพื่อช่วยควบคุมการเคลื่อนที่หรือการหมุนของตัวรถได้

อีลอน มัสก์ เคยเสนอแนวคิดติดตั้งหัวฉีดขนาดเล็กประมาณ 10 ตัวรอบตัวรถ เพื่อเพิ่มความสามารถในการควบคุมแรงขับหลายทิศทาง แต่ประสิทธิภาพที่เกิดขึ้นจริงจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งหัวฉีด แรงดันก๊าซ ปริมาณก๊าซที่ปล่อยออกมา และน้ำหนักของรถ

สิ่งสำคัญ คือ ระบบนี้ไม่ได้สร้างพลังงานขึ้นมาโดยไม่มีต้นทุน เพราะต้องใช้พลังงานในการอัดก๊าซเข้าสู่ถังเก็บ และเมื่อปล่อยก๊าซออกไปแล้ว ปริมาณก๊าซที่เหลือสำหรับสร้างแรงขับก็จะลดลงตามไปด้วย

Cold-Gas Thruster ทำให้รถยนต์บินได้จริงหรือไม่?

ในทางฟิสิกส์ ระบบขับดันด้วยก๊าซเย็นสามารถสร้างแรงยกให้วัตถุได้ หากติดตั้งหัวฉีดในตำแหน่งที่เหมาะสมและสร้างแรงขับมากพอที่จะเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลก

ตัวอย่างเช่น หากรถยนต์มีน้ำหนัก 1,500 กิโลกรัม ระบบจะต้องสร้างแรงขับในแนวดิ่งมากกว่า 14,700 นิวตัน จึงจะสามารถยกตัวรถขึ้นจากพื้นได้ โดยยังไม่รวมแรงขับเพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับการเร่งตัวขึ้นและควบคุมสมดุล

แต่การทำให้รถยกตัวจากพื้นชั่วคราวแตกต่างจากการบินเดินทางบนท้องฟ้าที่ระบบต้องสร้างแรงขับตลอดเวลาที่ต้องการลอยตัว ขณะที่ก๊าซแรงดันสูงในถังมีปริมาณจำกัด และถังเก็บก๊าซเองก็เพิ่มน้ำหนักให้กับรถยนต์

ดังนั้น แม้เทคโนโลยีนี้จะมีความเป็นไปได้ในการช่วยให้รถกระโดดหรือยกตัวในระยะสั้น แต่ยังไม่สามารถสรุปได้ว่าจะทำให้ Tesla Roadster บินเดินทางได้เหมือนเครื่องบินหรือเฮลิคอปเตอร์

เทคโนโลยีนี้ใช้งานจริงในอวกาศอย่างไร?

Cold-Gas Thruster ไม่ใช่เทคโนโลยีที่เพิ่งถูกคิดค้นขึ้นสำหรับรถยนต์ แต่เป็นระบบขับดันประเภทหนึ่งที่ใช้กับดาวเทียมและยานอวกาศ โดยเฉพาะภารกิจที่ต้องการแรงขับขนาดเล็กและการควบคุมทิศทางอย่างแม่นยำ

ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่ การปรับทิศทางของดาวเทียม การหมุนยานอวกาศให้หันไปยังตำแหน่งที่ต้องการ และการปรับการเคลื่อนที่ในระยะสั้น โดยระบบสามารถใช้ก๊าซหลายประเภท เช่น ไนโตรเจน ซึ่งถูกเก็บไว้ภายใต้แรงดันสูงก่อนปล่อยออกทางหัวฉีด

ข้อได้เปรียบของระบบนี้คือโครงสร้างไม่ซับซ้อนเมื่อเทียบกับระบบขับดันที่ต้องใช้การเผาไหม้ สามารถเปิดปิดแรงขับได้รวดเร็ว และเหมาะกับภารกิจที่ต้องการควบคุมการเคลื่อนที่อย่างละเอียด
อย่างไรก็ตาม ระบบขับดันด้วยก๊าซเย็นมีประสิทธิภาพในการใช้มวลสารขับดันต่ำกว่าระบบจรวดเคมีหลายประเภท จึงไม่เหมาะกับภารกิจที่ต้องสร้างแรงขับสูงเป็นเวลานาน

เทคโนโลยีอวกาศสู่อนาคตรถยนต์ไฟฟ้า

ความน่าสนใจของแนวคิด Tesla Roadster ไม่ได้อยู่เพียงการพัฒนารถยนต์ให้เร่งความเร็วได้มากขึ้น แต่เป็นความพยายามนำเทคโนโลยีจากอุตสาหกรรมอวกาศมาประยุกต์ใช้กับระบบขับเคลื่อนบนพื้นโลก

อย่างไรก็ตาม การติดตั้ง Cold-Gas Thruster บนรถยนต์ยังมีความท้าทายหลายด้าน ทั้งความปลอดภัยของถังแรงดันสูง แรงที่กระทำต่อผู้โดยสาร การควบคุมรถขณะยกตัว และความเสี่ยงจากการพ่นก๊าซแรงดันสูงใกล้บุคคลหรือยานพาหนะอื่น

แม้แนวคิดดังกล่าวจะมีพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์รองรับ แต่การนำไปใช้งานจริงยังต้องอาศัยการทดสอบทางวิศวกรรมและการรับรองด้านความปลอดภัย โดยต้องแยกความสามารถของเทคโนโลยีที่พิสูจน์แล้วในอุตสาหกรรมอวกาศ ออกจากสมรรถนะของ Tesla Roadster ที่ยังต้องได้รับการยืนยันจากผลการทดสอบรถยนต์จริง

Tesla Roadster รุ่นใหม่สาธิตระบบขับดันด้วยก๊าซเย็น

ย้อนไปเมื่อวันที่ 15 ตุลาคมที่ผ่านมา เทสลาเปิดตัว Tesla Roadster รุ่นใหม่ที่สถานที่ทดสอบของสเปซเอ็กซ์ในรัฐเท็กซัส สหรัฐอเมริกา โดยสาธิตการใช้เครื่องพ่นก๊าซแรงดันสูงช่วยให้รถยกตัว พลิกกลางอากาศ และกระโดดข้ามรถยนต์หลายคัน ก่อนลงจอดบนพื้นได้สำเร็จ นับเป็นการนำแนวคิดที่มัสก์เคยกล่าวถึงเมื่อปี 2018 มาทดสอบกับรถต้นแบบจริง

ข้อมูลจากทีมวิศวกรรมเทสลาเปิดเผยว่า รถสาธิตติดตั้งหัวฉีดจำนวน 10 ตัว ใช้ก๊าซอัดประมาณ 250 กิโลกรัม ซึ่งเก็บไว้ในถังแรงดันสูงที่มีความจุรวมประมาณ 600 ลิตร โดยถังเหล่านี้ใช้โครงสร้างเสริมความแข็งแรงด้วยเส้นใยคาร์บอน เพื่อรองรับแรงดันสูงและลดน้ำหนักของระบบ

สำหรับการสาธิตขับกลับหัว เทสลาใช้ระบบพัดลมสร้างแรงดูดใต้ท้องรถช่วยยึดรถเข้ากับพื้นผิว ซึ่งเป็นเทคโนโลยีคนละระบบกับ Cold-Gas Thruster ส่วนการยกตัวและพลิกกลางอากาศอาศัยแรงขับจากหัวฉีดก๊าซที่ติดตั้งในตำแหน่งต่าง ๆ รอบตัวรถ โดยการทดสอบดังกล่าวไม่มีผู้ขับขี่อยู่ภายในรถจริง

แม้การสาธิตจะประสบความสำเร็จ แต่ Roadster ยังอยู่ในขั้นรถต้นแบบ ไม่ใช่รถยนต์บินได้ที่พร้อมจำหน่ายและใช้งานทั่วไป เทสลาตั้งเป้าเริ่มผลิตในปี 2028 ขณะที่ประสิทธิภาพระยะยาว ความปลอดภัย และการอนุญาตให้ใช้งานบนถนนสาธารณะยังเป็นประเด็นที่ต้องพิสูจน์เพิ่มเติม