จรวด มนุษย์ลงจอดบนดวงจันทร์หลายครั้งแล้ว และทุกวันนี้การบินเข้าสู่วงโคจรของโลกดูเหมือนเป็นเรื่องปกติ อวกาศยังเป็นข้อตกลงระยะยาวสำหรับนักบินอวกาศบางคนที่อยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติ อย่างไรก็ตาม เมื่อคุณคิดถึงขนาดของระบบสุริยะของเรา ไม่ต้องพูดถึงจักรวาล เราเพิ่งก้าวเข้าสู่อวกาศ เพื่อที่จะไปยังดาวอังคารและดาวเคราะห์อื่นๆที่อยู่ไกลเกินเอื้อมของเครื่องยนต์จรวด ทั่วไปนาซา กำลังพัฒนาระบบขับเคลื่อนขั้นสูงหลาย
ระบบรวมถึงระบบที่ควบคุมพลังของดวงอาทิตย์ โดยพื้นฐานแล้ว ยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยฟิวชั่นได้รับการออกแบบมาเพื่อสร้างปฏิกิริยาอุณหภูมิสูงแบบเดียวกับที่เกิดขึ้นในแกนกลางของดวงอาทิตย์ พลังงานมหาศาลที่สร้างขึ้นจากปฏิกิริยาเหล่านี้จะถูกขับออกจากเครื่องยนต์เพื่อสร้างแรงขับ การใช้ระบบขับเคลื่อนประเภทนี้ ยานอวกาศสามารถเร่งความเร็วไปยังดาวอังคารได้ในเวลาเพียง 3 เดือน จรวดธรรมดาจะใช้เวลาอย่างน้อยเจ็ดเดือนจึงจะไปถึงดาวอังคาร
เราและโลกของเราเป็นผู้ได้รับประโยชน์จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน หลายล้านครั้ง ที่เกิดขึ้นทุกๆวินาทีในตรงกลางของดวงอาทิตย์ หากปราศจากปฏิกิริยาเหล่านั้น เราคงไม่มีแสงสว่างหรือความอบอุ่น และอาจไม่มีชีวิต ปฏิกิริยาฟิวชันเกิดขึ้นเมื่ออะตอมของไฮโดรเจน 2 อะตอม ชนกันเพื่อสร้าง อะตอม ของฮีเลียม 4 ที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานออกมา นี่คือวิธีการทำงานของกระบวนการ
โปรตอน 2 ตัวรวมกันเป็นอะตอมดิวทีเรียมโพซิตรอนและนิวตริโน โปรตอนและอะตอมดิวทีเรียมรวมกันเป็นอะตอมของฮีเลียม 3 โปรตอนสองตัวกับหนึ่งนิวตรอน และรังสีแกมมา อะตอมของฮีเลียม 3 สองอะตอมรวมตัวกันเป็นฮีเลียม 4 โปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว และโปรตอน 2 ตัว ฟิวชันสามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะในสภาพแวดล้อมที่ร้อนจัดในระดับหลายล้านองศา เท่านั้น ดาวฤกษ์ซึ่งทำจากพลาสมาเป็นวัตถุธรรมชาติเพียงชนิดเดียว
โดยที่มีความร้อนเพียงพอที่จะสร้างปฏิกิริยาฟิวชันได้ พลาสมามักถูกเรียกว่าสถานะที่สี่ของสสาร เป็นก๊าซไอออไนซ์ที่ทำจากอะตอมที่ดึงอิเล็กตรอนบางส่วนออกมา ปฏิกิริยาฟิวชั่นมีหน้าที่สร้างพลังงานร้อยละ 85 ของดวงอาทิตย์ ความร้อนระดับสูงที่จำเป็นในการสร้างพลาสมาประเภทนี้ทำให้ไม่สามารถบรรจุส่วนประกอบในวัสดุที่รู้จักได้ อย่างไรก็ตาม พลาสมาเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี ซึ่งทำให้สามารถยึด นำทาง และเร่งความเร็วได้โดยใช้สนามแม่เหล็ก
นี่เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยฟิวชั่น ซึ่งนาซา เชื่อว่าจะทำได้ภายใน 25 ปี ในหัวข้อถัดไป เราจะพิจารณาโครงการเครื่องยนต์ฟิวชันที่กำลังพัฒนา ปฏิกิริยาฟิวชั่นปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมนักวิจัยจึงคิดค้นวิธีที่จะควบคุมพลังงานดังกล่าวในระบบขับเคลื่อน ยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยฟิวชันสามารถเลื่อนกำหนดการของนาซา สำหรับภารกิจดาวอังคาร ที่มีมนุษย์ควบคุมได้
ยานอวกาศประเภทนี้สามารถลดเวลาการเดินทางไป ยังดาวอังคารได้มากกว่า 50 เปอร์เซ็นต์ จึงช่วยลดอันตรายจากรังสีและภาวะไร้น้ำหนัก การสร้างยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยฟิวชันจะเทียบเท่ากับการพัฒนารถยนต์บนโลกที่สามารถเดินทางได้เร็วกว่ารถยนต์ทั่วไปถึงสองเท่า โดยประหยัดเชื้อเพลิงได้ถึง 7,000 ไมล์ต่อแกลลอน ในวิทยาศาสตร์จรวด ประสิทธิภาพเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์จรวดวัดจากแรงกระตุ้นเฉพาะของมัน
แรงกระตุ้นเฉพาะหมายถึงหน่วยของแรงขับ ต่อหน่วยของเชื้อเพลิงขับเคลื่อนที่ใช้เมื่อเวลาผ่านไป ฟิวชันไดรฟ์สามารถมีแรง กระตุ้นที่เฉพาะเจาะจงมากกว่าเครื่องยนต์จรวด เคมีทั่วไปประมาณ 300 เท่า เครื่องยนต์จรวดเคมีทั่วไปมีแรงกระตุ้นเฉพาะประมาณ 450 วินาที ซึ่งหมายความว่าเครื่องยนต์สามารถผลิตแรงขับ 1 ปอนด์จากเชื้อเพลิง 1 ปอนด์เป็นเวลา 450 วินาที จรวดฟิวชันสามารถมีแรงกระตุ้นเฉพาะประมาณ 130,000 วินาที
นอกจากนี้ จรวดที่ขับเคลื่อนด้วยฟิวชันจะใช้ไฮโดรเจนเป็นตัวขับเคลื่อน ซึ่งหมายความว่าจะสามารถเติมตัวเองได้ในขณะที่เดินทางผ่านอวกาศ ไฮโดรเจนมีอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์หลายดวง ดังนั้นยานอวกาศทั้งหมดจึงต้องดำดิ่งลงสู่ชั้นบรรยากาศและดูดไฮโดรเจนบางส่วนเพื่อเติมเชื้อเพลิงให้ตัวเอง จรวดที่ขับเคลื่อนด้วยฟิวชั่นสามารถให้แรงขับได้นานกว่าจรวดเคมี ซึ่งเผาไหม้เชื้อเพลิงอย่างรวดเร็ว
เชื่อกันว่าแรงขับฟิวชันจะช่วยให้เดินทางได้อย่างรวดเร็วไปยังที่ใดก็ได้ในระบบสุริยะของเรา และอาจทำให้เดินทางไปกลับ จากโลกไปยังดาวพฤหัสบดีได้ภายในเวลาเพียง 2 ปี ลองมาดูสองโครงการขับเคลื่อนฟิวชันของนาซา เป็นจรวดพลาสมาซึ่งเป็นสารตั้งต้นของการขับเคลื่อนฟิวชัน แต่เนื่องจาก จรวด ฟิวชันจะใช้พลาสมา
นักวิจัยจะได้เรียนรู้อะไรมากมายจากจรวดประเภทนี้ เครื่องยนต์ ค่อนข้างน่าทึ่งในการสร้างพลาสมาภายใต้สภาวะที่ร้อนจัด จากนั้นจึงขับพลาสมานั้นออกเพื่อให้เกิดแรงขับ มีสามเซลล์พื้นฐานในเครื่องยนต์ เซลล์ข้างหน้า ก๊าซขับเคลื่อนโดยทั่วไปคือไฮโดรเจนถูกฉีดเข้าไปในเซลล์นี้และแตกตัวเป็นไอออนเพื่อสร้างพลาสมา
เซลล์กลาง เซลล์นี้ทำหน้าที่เป็นเครื่องขยายสัญญาณเพื่อให้ความร้อนแก่พลาสมาด้วยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นวิทยุใช้เพื่อเพิ่มพลังงานให้กับพลาสมา คล้ายกับการทำงานของเตาไมโครเวฟ เซลล์ท้ายรถ หัวฉีดแม่เหล็กจะแปลงพลังงานของพลาสมาเป็นความเร็วของไอพ่นไอเสีย สนามแม่เหล็กที่ใช้ในการขับไล่พลาสมายังช่วยปกป้องยานอวกาศด้วย เนื่องจากมันป้องกันไม่ให้พลาสมาสัมผัสกับเปลือกของยานอวกาศ
พลาสมาน่าจะทำลายวัสดุใดๆที่สัมผัสกับมัน อุณหภูมิของพลาสมาที่ออกจากหัวฉีดนั้นร้อนถึง 180 ล้านองศาฟาเรนไฮต์ ซึ่งร้อนกว่าก๊าซที่ขับออกจากกระสวยอวกาศ ถึง 25,000 เท่า ในภารกิจสู่ดาวอังคาร เครื่องยนต์ จะเร่งความเร็วอย่างต่อเนื่องในช่วงครึ่งแรกของการเดินทาง จากนั้นจะกลับทิศทางและช้าลงในช่วงครึ่งหลัง นอกจากนี้ยังสามารถใช้จรวดพลาสม่าไอเสียแบบแปรผันในการระบุตำแหน่งดาวเทียมในวงโคจรโลก
ระบบขับเคลื่อนฟิวชั่นกระจกไดนามิกแก๊ส ได้รับการพัฒนาพร้อมกันกับ คือระบบกระจกไดนามิกแก๊ส แรงขับฟิวชัน ในเครื่องยนต์นี้ ขดลวดยาวเรียวที่นำกระแสไฟฟ้าซึ่งทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กล้อมรอบห้องสุญญากาศที่มีพลาสมา พลาสมาถูกขังอยู่ภายในสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นในส่วนกลางของระบบ
โดยที่ปลายแต่ละด้านของเครื่องยนต์จะมีแม่เหล็กติดกระจกที่ช่วยป้องกัน ไม่ให้พลาสมาหลุดออกจากปลายเครื่องยนต์เร็วเกินไป แน่นอนว่าคุณต้องการให้พลาสมาบางส่วนรั่วไหลออกมาเพื่อให้เกิดแรงขับ โดยปกติแล้ว พลาสมาจะไม่เสถียรและไม่กักกันง่ายๆซึ่งทำให้การทดลองในช่วงแรกๆกับเครื่องฟิวชันกระจกทำได้ยาก กระจกไดนามิกของก๊าซสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาความไม่เสถียรได้เนื่องจากสร้างในลักษณะที่ยาวและบาง
ดังนั้นเส้นสนามแม่เหล็กจึงเป็นเส้นตรงทั่วทั้งระบบ ความไม่เสถียรยังถูกควบคุมโดยปล่อยให้พลาสมาจำนวนหนึ่งรั่วไหลผ่านส่วนที่แคบของกระจก ในปี 1998 การทดลองกระจกไดนามิกแก๊สแรงขับฟิวชันที่นาซา ได้ผลิตพลาสมาในระหว่างการทดสอบระบบหัวฉีดพลาสมา ซึ่งทำงานคล้ายกับเซลล์ส่วนหน้าของ โดยจะฉีดก๊าซเข้าไปในกระจกไดนามิกแก๊ส
และให้ความร้อนด้วยเครื่องทำความร้อนด้วยคลื่นเสียงไซโคลตรอนแบบอิเล็กทรอนิกส์ ที่เกิดจากเสาอากาศไมโครเวฟที่ทำงานที่ 2.45 กิกะเฮิรตซ์ ปัจจุบัน การทดลองนี้ออกแบบมาเพื่อยืนยันความเป็นไปได้ของแนวคิดกระจกไดนามิกแก๊ส นักวิจัยกำลังศึกษาลักษณะการทำงานหลายอย่างของเครื่องยนต์ขนาดเต็ม ในขณะที่แนวคิดการขับเคลื่อนขั้นสูงของนาซา นั้นใช้เวลาหลายทศวรรษกว่าจะสำเร็จ แต่รากฐานของการขับเคลื่อนแบบฟิวชันกำลังถูกสร้างขึ้นแล้ว
เมื่อมีเทคโนโลยีอื่นๆที่จะทำให้ภารกิจดาวอังคารเป็นไปได้ มันอาจเป็นยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยฟิวชันที่พาเราไปที่นั่น ในช่วงกลางศตวรรษที่ 21 การเดินทางไปยังดาวอังคารอาจกลายเป็นกิจวัตรเช่นเดียวกับการเดินทางไปยังสถานีอวกาศนานาชาติ
บทความที่น่าสนใจ : อวกาศ การทำความเข้าใจภารกิจทางยุทธวิธีในห้วงอวกาศเป็นเรือที่เร็วที่สุด
