ระบบขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ความร้อน (Nuclear Thermal Propulsion: NTP): กุญแจสำคัญสู่การพามนุษย์ไปดาวอังคารในโครงการ DRACO

การส่งมนุษย์เดินทางไปดาวอังคารด้วยจรวดเคมีทั่วไปต้องใช้เวลาเดินทางนานถึง 7 ถึง 9 เดือนต่อเที่ยว ซึ่งทำให้นักบินอวกาศต้องเผชิญกับรังสีคอสมิกที่เป็นอันตรายและสภาวะไร้น้ำหนักเป็นเวลานานเกินไป ทางออกสำคัญที่ NASA และ DARPA กำลังร่วมกันฟื้นฟูขึ้นมาคือ Nuclear Thermal Propulsion (NTP) หรือระบบขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ความร้อน ภายใต้โครงการทดสอบ DRACO ซึ่งมีศักยภาพในการร่นระยะเวลาเดินทางสู่ดาวอังคารลงได้เกือบครึ่งหนึ่ง

หลักการทำงานของเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์ความร้อน

หัวใจของเครื่องยนต์ NTP ไม่ใช่การระเบิดของระเบิดนิวเคลียร์ แต่คือการควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (Nuclear Fission) ในเตาปฏิกรณ์ขนาดกะทัดรัด

• การถ่ายเทความร้อนยิ่งยวด
  แกนเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะสร้างความร้อนสูงจัดมากกว่า 2,400 องศาเซลเซียส
• สารทำงานโมเลกุลเบาพิเศษ
  ไฮโดรเจนเหลว (Liquid Hydrogen: LH2) ถูกสูบผ่านแกนเตาปฏิกรณ์ ความร้อนมหาศาลจะทำให้ไฮโดรเจนขยายตัวอย่างรุนแรงกลายเป็นก๊าซความดันสูง
• การพ่นออกทางท่อขับดัน
  ก๊าซไฮโดรเจนร้อนจัดจะพุ่งผ่านท่อไอพ่นเดอลวาล (de Laval Nozzle) ด้วยความเร็วสูงมาก ก่อให้เกิดแรงขับดันมหาศาลผลักตัวยานไปข้างหน้า

https://www.youtube.com/watch?v=F_fW7B3Xf3g

ทำไม NTP จึงเหนือกว่าจรวดเคมีอย่างสิ้นเชิง?

จรวดเคมีเผาไหม้ไฮโดรเจนกับออกซิเจน ไอพ่นที่พ่นออกมาคือน้ำ (H2O) ซึ่งมีน้ำหนักโมเลกุลค่อนข้างสูง (18 กรัม/โมล) ทำให้ความเร็วไอพ่นถูกจำกัด แต่เครื่องยนต์ NTP พ่นก๊าซไฮโดรเจนบริสุทธิ์ (H2) ซึ่งมีมวลโมเลกุลเพียง 2 กรัม/โมล ออกมาโดยตรง

กฎฟิสิกส์เทอร์โมไดนามิกส์
ความเร็วของก๊าซที่พ่นออกจากท่อไอพ่นจะแปรผันตรงกับรากที่สองของอุณหภูมิ และแปรผกผันกับมวลโมเลกุล ยิ่งก๊าซเบาและร้อนเท่าไร ความเร็วไอพ่นก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

โครงการ DRACO: ก้าวสู่การทดสอบจริงบนวงโคจร

ในอดีตยุคสงครามเย็น สหรัฐฯ เคยทดสอบเครื่องยนต์จรวดนิวเคลียร์บนพื้นดินในโครงการ NERVA สำเร็จ แต่ต้องยุติลงเนื่องจากสนธิสัญญาด้านสิ่งแวดล้อมและงบประมาณ วันนี้ DARPA และ NASA ได้จับมือกับ Lockheed Martin และ BWX Technologies พัฒนาโครงการ DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations)

• การใช้เชื้อเพลิง HALEU ที่ปลอดภัย
  เปลี่ยนมาใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำชนิดพิเศษ (High-Assay Low-Enriched Uranium: HALEU) ซึ่งปลอดภัยกว่ายูเรเนียมเกรดอาวุธอย่างมาก และเตาปฏิกรณ์จะไม่ถูกเริ่มเดินเครื่องจนกว่ายานจะขึ้นสู่วงโคจรที่ปลอดภัยอย่างสมบูรณ์
• ความคล่องตัวในอวกาศแถบซิสลูนาร์
  แรงขับที่สูงร่วมกับประสิทธิภาพ I_sp ที่ยอดเยี่ยม ช่วยให้ยานสามารถเปลี่ยนระนาบวงโคจรได้อย่างรวดเร็ว รองรับทั้งภารกิจความมั่นคงและการเดินทางระยะไกล

เทคโนโลยีขับเคลื่อนด้วยนิวเคลียร์ความร้อนจึงไม่ใช่เรื่องของนิยายวิทยาศาสตร์อีกต่อไป แต่เป็นเสาหลักทางวิศวกรรมที่จะช่วยปกป้องชีวิตนักบินอวกาศจากรังสี และเปิดประตูสู่การสร้างอาณานิคมบนดาวอังคารอย่างยั่งยืนในศตวรรษนี้