ครั้งหนึ่ง “เครื่องจักรไอน้ำ” ได้ชื่อว่าเป็นเครื่องจักรกลที่เปลี่ยนแปลงโลกเราไปตลอดกาล ต่อมาการเกิดขึ้นของ “เครื่องยนต์ลูกสูบ หรือ เครื่องยนต์สันดาปภายใน” ได้เกิดขึ้นมาเป็นคลื่นระลอกใหม่ของวงการวิศวกรรมอีกครั้ง แต่การพัฒนาของเครื่องยนต์ก็ไม่เคยหยุดนิ่งเฉกเช่นเดียวกับหน้าที่ในการขับเคลื่อนพาหนะต่าง ๆ ไปข้างหน้าของเครื่องยนต์ เครื่องยนต์ไอพ่นจึงได้ถือกำเนิดเป็นลำดับถัดมา แต่แล้วเมื่อเทคโนโลยีต่าง ๆ พัฒนาไปมากขึ้น ความต้องการเรียนรู้ของมนุษย์มีมากขึ้น ความต้องการทำลายขีดจำกัดเดิม ๆ ยังคงอยู่ การเดินทางข้ามอวกาศจึงเป็นเป้าหมายที่สำคัญ เป็นวาระหนึ่งของมนุษยชาติในขณะนี้ แต่ด้วยเครื่องยนต์ที่เราใช้กันอยู่ในตอนนี้แม้จะเป็นเครื่องยนต์ไอพ่นจรวดที่ใหญ่ที่สุดก็ยังไม่สามารถพาเราข้ามอวกาศที่มีระยะทางแสนไกลหลายล้านปีแสงได้ภายในอายุขัยของมนุษย์ ดังนั้นแนวคิดใหม่ ๆ ของการพัฒนาเครื่องยนต์จึงเกิดขึ้นอย่างเช่น "Helical Engine"

ภาพการเดินทางของยานอวกาศขึ้นสู่อวกาศ

ที่มา https://unsplash.com/collections/1297037/growth ,SpaceX

          แต่ก่อนที่เราจะเล่าถึงแนวคิดของ “Helical Engine” จำเป็นอย่างยิ่งที่เราจะต้องรู้คร่าว ๆ ก่อนว่ายานอวกาศในปัจจุบันใช้เครื่องยนต์อะไรในการเดินทางและใช้หลักการอะไร?

          ในปัจจุบันนี้เครื่องยนต์ของเครื่องบินและยานอวกาศเป็นเครื่องยนต์ไอพ่น (Jet Engine) ที่ใช้หลักการของกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 3 ของนิวตันในการขับเคลื่อน  “แรงที่วัตถุที่หนึ่งกระทำต่อวัตถุที่สอง ย่อมเท่ากับ แรงที่วัตถุที่สองกระทำต่อวัตถุที่หนึ่ง แต่ทิศทางตรงข้ามกัน” กล่าวคือ เครื่องยนต์ไอพ่นจะออกแรงกระทำไปในทิศทางด้านหลังแล้วจึงเกิดเป็นแรงปฏิกิริยาในทิศสวนกันผลักให้เครื่องบินหรือยานอวกาศเคลื่อนที่ไปข้างหน้าหรือขึ้นสู่ท้องฟ้าได้

          ด้วยหลักการนี้สามารถทำให้มนุษย์สามารถเดินทางข้ามประเทศ ข้ามทวีป หรือออกนอกโลกไปดวงจันทร์ได้ แต่ไม่เพียงพอที่จะใช้เครื่องยนต์นี้ในการสำรวจอวกาศในที่ระยะทางในหน่วยปีแสงได้

          ปี 2016 Roger Shawyer ได้เสนอแนวคิดเครื่องยนต์ EM Drive (Electromagnetic Drive) และตีพิมพ์งานวิจัยที่เกี่ยวกับ EM Drive ลงในวารสาร American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) โดยเขาได้อ้างว่าด้วยระบบขับเคลื่อนนี้ที่ใช้กระแสไฟฟ้าในการสร้างคลื่นไมโครเวฟ ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบหนึ่ง ให้กระเด้งไปมาภายในโพรงรูปกรวยเพื่อให้เกิดแรงขับจะสามารถลดระยะเวลาในการเดินทางในอวกาศไปได้เป็นอย่างมาก โดยเราจะใช้เวลาเดินทางไปยังดาวอังคารด้วยเวลาเพียง 70 วัน และไปถึงดาวพลูโตได้ใน 18 เดือน แต่เครื่องยนต์นี้ก็ตกเป็นประเด็นทางวิทยาศาสตร์ที่เกิดการถกเถียงไปทั่วโลกเพราะหลักการขับเคลื่อนด้วยวิธีของ EM Drive นั้นค่อนข้างจะขัดกับหลักการของกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน คือ แรงกิริยาเท่ากับแรงปฏิกิริยา (Action = Reaction) และกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมค่อนข้างมาก

                ปี 2019 วิศวกรคนหนึ่งของ NASA ได้เสนอแนวคิดหนึ่งของเครื่องยนต์เพื่อใช้ในการเดินทางสำรวจและข้ามอวกาศซึ่งอาจทำลายกฎทางฟิสิกส์อีกครั้ง โดยแนวคิดในครั้งนี้ถูกเสนอโดย David Burns ซึ่งเป็นวิศวกรประจำอยู่ที่ NASA’s Marshall Space Flight Center in Alabama เขาได้ตั้งชื่อแนวคิดเครื่องยนต์นี้ว่า “helical engine” หรือ เครื่องยนต์รูปเกลียว และได้ทำนายความสามารถของเครื่องยนต์นี้ว่าจะสามารถขับเคลื่อนยานอวกาศใด ๆ ได้โดยที่ปราศจากการขับดันของเครื่องยนต์ไอพ่นและจะสามารถทำความเร็วได้ถึง 99% ของความเร็วของแสงซึ่งเป็นความเร็วสูงที่สุดที่มนุษย์นั้นเคยรู้จัก (ความเร็วแสงประมาณ 3*10⁸ m/s)

          หลักการเบื้องต้นของเครื่องยนต์นี้เปรียบเสมือนหลักการของเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ที่เราใช้ในการทดลองเร่งความเร็วของอนุภาคไอออนในปัจจุบันแต่แตกต่างที่จะบรรจุอนุภาคมีประจุไฟฟ้าหรือไอออนไว้ในท่อรูปเกลียวที่เป็นสุญญากาศเพื่อไม่ให้มีแรงเสียดทานเกิดขึ้นทั้งยังกักเก็บรวมถึงควบคุมการเคลื่อนที่เป็นวงกลมของอนุภาคไอออนด้วยสนามแม่เหล็กพลังงานสูง  ซึ่งการเร่งความเร็วนี้จะทำให้ไอออนที่ด้านปลายท่อมีความเร็วแตกต่างกับไอออนที่ด้านต้นของท่อเป็นอย่างมากซึ่งความต่างอย่างมหาศาลของความเร็วไอออนทั้งสองฝั่งจะทำให้เกิดแรงขับเคลื่อนไปข้างหน้าได้ทั้งที่ไม่มีการขับดันของไอพ่น รวมถึงการขับเคลื่อนด้วยวิธีนี้จะไม่ได้รับผลกระทบจากกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมอีกด้วย

          ก็คงต้องติดตามกันต่อไปว่าความฝันอันยิ่งใหญ่อย่างการเดินทางเพื่อสำรวจอวกาศของมนุษย์จะเป็นจริงได้หรือไม่ แต่อย่างน้อยก็มีสัญญาณที่ดีว่าทั่วทุกมุมของโลกก็ได้ให้ความสำคัญกับเรื่องนี้แล้ว  

แหล่งที่มา

ฟิสิกส์ราชมงคล 7. (2559, 2 พฤศจิกายน).  งานวิจัยจาก NASA เกี่ยวกับ EM Drive ได้ตีพิมพ์แล้ว ขั้นต่อไปคือการทดลองในอวกาศ โดย สหรัฐ.  สืบค้นเมื่อ 2 พฤศจิกายน 2562, จาก http://nuclear.rmutphysics.com/blog-sci7/?p=11268

BBC NEWS. (2562, 16 ตุลาคม).  วิศวกรนาซาเผยแนวคิด "เครื่องยนต์รูปเกลียว" คาดขับเคลื่อนได้เกือบเท่าความเร็วแสง.  สืบค้นเมื่อ 2 พฤศจิกายน 2562, จาก https://www.bbc.com/thai/features-50061297

Jon Cartwright. (Oct 11 2019).  NASA engineer's 'helical engine' may violate the laws of physics.  Retrieved Nov 2, 2019, from https://www.newscientist.com/article/2218685-nasa-engineers-helical-engine-may-violate-the-laws-of-physics/