ปฏิวัติการเดินทางสู่ดาวอังคาร เครื่องทำความเย็น Cryocooler เก็บเชื้อเพลิงจรวดนานนับปี

ภารกิจการส่งมนุษย์ไปยังดาวอังคารที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นเพียงความฝันในนิยายวิทยาศาสตร์ อาจจะเข้าใกล้ความจริงมากขึ้นเรื่อย ๆ ด้วยนวัตกรรมล่าสุดจากองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA) ที่ได้ทดสอบ "เครื่องทำความเย็นไครโอเจนิก" (Cryocooler) ชนิดใหม่ ซึ่งเปรียบเสมือนตู้เย็นขนาดยักษ์อันล้ำสมัย ที่จะเข้ามาแก้ไขปัญหาสำคัญในการเดินทางสู่ดาวเคราะห์แดง

ที่มาของภาพ
NASA

เครื่อง Cryocooler จะช่วยแก้ปัญหาอะไร ?

หนึ่งในปัญหาหลักสำหรับภารกิจระยะยาวสู่ดาวอังคาร คือ การจัดเก็บเชื้อเพลิงเหลว ที่จำเป็นต้องอยู่ในอุณหภูมิที่เย็นจัด เชื้อเพลิงจรวดอย่างไฮโดรเจนเหลว ออกซิเจนเหลว หรือมีเทน จะเดือดและระเหยไปอย่างต่อเนื่อง แม้ในอวกาศที่หนาวเหน็บ ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียเชื้อเพลิงจำนวนมาก หากไม่ได้รับการแก้ไข ยานอวกาศที่ใช้เวลาเดินทางนานกว่าสองปีไปยังดาวอังคาร อาจไปถึงที่นั่นโดยไม่มีเชื้อเพลิงเหลือพอสำหรับเดินทางกลับบ้าน สร้างสถานการณ์ที่ไม่มีใครอยากให้เกิดขึ้น

ที่มาของภาพ
NASA

ซึ่งหากยานอวกาศดาวอังคารมีถังขนาดใหญ่ ที่บรรจุไฮโดรเจนเหลว 38 ตัน แต่หุ้มฉนวนบาง ๆ คาดการณ์ว่าการระเหยทิ้งแบบเรื่อย ๆ (Passive Boil-off) จะทำให้สูญเสียประมาณ 16 ตันต่อปี

อย่างไรก็ตามโครงการ Cryogenic Fluid Management Portfolio Project ของ NASA ได้มุ่งมั่นพัฒนาวิธีแก้ปัญหานี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบฉนวนขั้นสูงและการทำความเย็นแบบแอคทีฟที่ตั้งเป้าให้เกิด การระเหยเป็นศูนย์ (Zero Boil-Off) ตลอดหลายปี รวมถึงมีการพัฒนาระบบที่ดีขึ้นสำหรับการจัดการเชื้อเพลิงเยือกแข็งโดยไม่เกิดการสูญเสียเช่นกัน

ระบบทำความเย็นของเครื่อง Cryocooler

ณ ศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลของ NASA วิศวกรได้ติดตั้งและทดสอบระบบทำความเย็นที่เรียกว่า ระบบทำความเย็นสองขั้นตอน (Two-stage cooling system) ซึ่งมีลักษณะเป็น ท่อบนถัง (Tube on Tank) ประกอบด้วยวงจรทำความเย็นสองวงที่ฝังอยู่ในฉนวนโลหะหนาและแผ่นป้องกันความร้อนที่มาของภาพ
NASA

• วงจรทำความเย็นหลัก: ท่อที่บรรจุฮีเลียมเหลวซึ่งถูกทำให้เย็นลงถึง -253 องศาเซลเซียส โดยจะถูกพันรอบถังเชื้อเพลิงไครโอเจนิกโดยตรง เพื่อทำความเย็นให้กับเชื้อเพลิงภายใน

• วงจรที่สอง: เหนือวงจรหลักเป็นชั้นของฉนวน และมีวงจรที่สองที่บรรจุฮีเลียมที่อุ่นขึ้นเล็กน้อยที่ -183 องศาเซลเซียส ซึ่งตั้งอยู่ด้านหลังแผ่นป้องกันความร้อน โดยวงจรนี้ทำหน้าที่ดักจับและขจัดความร้อนที่เข้ามาทั้งหมดก่อนที่มันจะทะลุไปถึงเชื้อเพลิง

ผลลัพธ์ที่ได้คือระบบที่สามารถรักษาเชื้อเพลิงให้เย็นจัดเป็นพิเศษได้ไม่จำกัด ตราบใดที่มีพลังงานสำหรับเดินเครื่องจักรทำความเย็นไครโอเจนิก

พลิกโฉมภารกิจสำรวจอวกาศห้วงลึก

แคธี เฮนเคล (Kathy Henkel) ผู้จัดการรักษาการของโครงการ Cryogenic Fluid Management Portfolio Project ของ NASA กล่าวเน้นย้ำถึงความสำคัญของเทคโนโลยีนี้ว่า 

"เทคโนโลยีสำหรับการลดการสูญเสียเชื้อเพลิงจะต้องถูกนำมาใช้สำหรับภารกิจระยะยาวที่ประสบความสำเร็จในอวกาศห้วงลึก เช่น ดวงจันทร์และดาวอังคาร และการทำความเย็นสองขั้นตอนช่วยป้องกันการสูญเสียเชื้อเพลิงและช่วยให้สามารถจัดเก็บเชื้อเพลิงได้เป็นระยะเวลานาน ไม่ว่าจะอยู่ในระหว่างการเดินทางหรือบนพื้นผิวของวัตถุบนดาวเคราะห์"

"Technologies for reducing propellant loss must be implemented for successful long-duration missions to deep space like the Moon and Mars, and Two-stage cooling prevents propellant loss and successfully allows for long-term storage of propellants whether in transit or on the surface of a planetary body."

โดยสรุปคือความสำเร็จในการทดสอบนี้ ไม่เพียงแต่จะช่วยให้แน่ใจว่านักบินอวกาศจะมีเชื้อเพลิงเพียงพอสำหรับการเดินทางกลับโลก แต่ยังเปิดโอกาสให้ NASA สามารถลดปริมาณเชื้อเพลิงสำรองที่ไม่จำเป็นลงได้ และวางแผนภารกิจที่มีระยะเวลาการเดินทางที่ยาวนานขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น ซึ่งอาจเป็นปัจจัยทำให้การเดินทางของมนุษย์สู่ดาวอังคารเข้าใกล้ความจริงขึ้นไปอีกขั้น