นักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์ความเป็นไปได้ของเฮลิคอปเตอร์ในชั้นบรรยากาศที่หายากของอวกาศ

การขับเคลื่อนของเฮลิคอปเตอร์โดยพื้นฐานแล้วขึ้นอยู่กับตัวกลางที่มีความหนาแน่นในการทำงาน ใบพัดที่หมุนได้จะดันอากาศโดยรอบและด้วยการรักษาโมเมนตัมเชิงเส้น จึงสามารถขับเคลื่อนเครื่องบินไปข้างหน้าได้ กลไกนี้ทำงานบนโลกเพราะชั้นบรรยากาศมีความหนาแน่นเพียงพอ ในสภาพแวดล้อมที่มีอากาศเบาบาง ความท้าทายจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เฮลิคอปเตอร์จะต้องประมวลผลปริมาตรอากาศที่มากกว่าหลายร้อยเท่าเพื่อสร้างแรงผลักดันแบบเดียวกับที่สามารถทำได้ง่ายที่ระดับน้ำทะเลบนบก

ความเร็วโดยทั่วไปที่อากาศรอบๆ ใบพัดได้รับนั้นอยู่ที่หลายร้อยเมตรต่อวินาที เพื่อให้เครื่องบินเคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็วร้อยเมตรต่อวินาที จะต้องดันมวลอากาศให้เทียบได้กับมวลลำตัว เนื่องจากความหนาแน่นของอากาศเปลี่ยนแปลงอย่างมากขึ้นอยู่กับระดับความสูงหรือดาวเคราะห์ ปริมาตรอากาศที่ต้องการจึงเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย

ดาวอังคารถือเป็นความท้าทายที่สำคัญในการบิน

NASA วางแผนที่จะส่งเฮลิคอปเตอร์ขนาดเล็ก 3 ลำไปสำรวจดาวอังคารในปี 2571 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของภารกิจ Skyfall เฮลิคอปเตอร์เหล่านี้จะเผชิญกับชั้นบรรยากาศที่บางกว่าบนโลกมาก บรรยากาศของดาวอังคารประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ 95% มีความหนาแน่นเท่ากับเพียง 1.6% ของชั้นบรรยากาศโลกที่ระดับน้ำทะเล เฮลิคอปเตอร์บนดาวอังคารจะต้องประมวลผลปริมาตรของก๊าซโดยรอบมากกว่าบนโลกประมาณ 60 เท่าเพื่อให้ได้แรงผลักดันที่เทียบเคียงได้

แรงโน้มถ่วงที่ต่ำกว่าของดาวอังคารซึ่งสอดคล้องกับแรงโน้มถ่วงของโลก 38% ให้ข้อได้เปรียบเพียงบางส่วน หากนกสมมุติวิวัฒนาการบนดาวอังคารที่หายใจเอาก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ พวกมันจะต้องมีปีกที่ใหญ่กว่านกบนโลกประมาณแปดเท่าเพื่อที่จะบินด้วยความเร็วเท่ากัน แม้จะมีประโยชน์จากแรงโน้มถ่วง แต่ความหายากของอากาศบนดาวอังคารยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการปฏิบัติการบินที่ยืดเยื้อ

การค้นพบล่าสุดเผยให้เห็นบรรยากาศที่บางเบายิ่งขึ้น

บทความที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร Nature ได้ประกาศการค้นพบบรรยากาศที่หายากอย่างยิ่งรอบๆ วัตถุในแถบไคเปอร์ 2002 XV93 เทห์ฟากฟ้านี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 500 กิโลเมตร มีชั้นบรรยากาศที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าชั้นบรรยากาศของโลกที่ระดับน้ำทะเลถึงสิบล้านเท่า การค้นพบนี้ได้รับการยืนยันจากการสังเกตการณ์การบดบังดาวฤกษ์ในปี พ.ศ. 2567 บรรยากาศอันละเอียดอ่อนนี้อาจเกิดจากการปะทุของภูเขาไฟหรือการชนของดาวหาง ในสภาพแวดล้อมที่หายากเช่นนี้ เฮลิคอปเตอร์จะเผชิญกับความยากลำบากอย่างมากในการระดมเชื้อเพลิงที่เพียงพอและสร้างแรงยกที่เพียงพอ

อวกาศระหว่างดวงดาวทำให้เฮลิคอปเตอร์ใช้งานไม่ได้

ความหนาแน่นเฉลี่ยของก๊าซในอวกาศระหว่างดวงดาวต่ำกว่าชั้นบรรยากาศของโลกถึงสิบล้านล้าน (10^{21}) เท่า เฮลิคอปเตอร์จะต้องสำรวจดิสก์ทั้งหมดของทางช้างเผือกก่อนที่จะพบมวลก๊าซเพียงพอที่จะขับเคลื่อนร่างกายด้วยความเร็ว 100 เมตรต่อวินาที การเดินทางขนาดนี้จะใช้เวลานานกว่าอายุของจักรวาล

• ความหนาแน่นของอวกาศระหว่างดวงดาว: เล็กกว่าโลกถึงหกล้านเท่า
• ระยะทางที่ต้องการ: ข้ามดิสก์ทั้งหมดของทางช้างเผือก
• เวลาโดยประมาณ: มากกว่าอายุของจักรวาล
• ความเป็นไปได้ในทางปฏิบัติ: เป็นไปไม่ได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน

อวกาศระหว่างกาแล็กซีนำเสนอความท้าทายที่เลวร้ายยิ่งกว่านั้น มีความหนาแน่นเฉลี่ยต่ำกว่าสื่อระหว่างดาวถึงหนึ่งล้านเท่า โดยเฉลี่ยแล้ว จักรวาลมีโปรตอนเพียง 1 ตัวต่อลูกบาศก์เมตร สภาวะสุดขั้วเหล่านี้ทำให้การบินด้วยเฮลิคอปเตอร์ทุกรูปแบบไม่สามารถทำได้อย่างสมบูรณ์ในระดับจักรวาล

จรวดรักษาความได้เปรียบในสภาพแวดล้อมที่ว่างเปล่า

แม้ว่าเฮลิคอปเตอร์จะอาศัยตัวกลางในการสร้างแรงผลักดัน แต่จรวดกลับทำงานแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง พวกมันจะปล่อยเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ออกทางไอเสีย และไม่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมในการขับเคลื่อน ในอวกาศระหว่างดวงดาว ความเป็นอิสระนี้ให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญ จรวดจะไม่ถูกทำให้ช้าลงเนื่องจากการเสียดสีกับตัวกลางที่อยู่รอบๆ เนื่องจากแทบไม่มีตัวกลางที่จะต้านทานได้

แม้แต่โครงสร้างที่เรียบง่ายกว่า เช่น ใบเรือสุริยะหรือเศษทรงกลม Dyson ที่แตกหัก ก็สามารถเดินทางข้ามทางช้างเผือกได้โดยไม่ต้องเผชิญกับการต่อต้านที่สำคัญ เมมเบรนที่มีความหนาเป็นมิลลิเมตรเหล่านี้ได้รับผลกระทบจากแรงเสียดทานในสุญญากาศคอสมิกเล็กน้อย สำหรับนักเดินทางในอวกาศที่สนใจการเดินทางในอวกาศ จรวดและระบบขับเคลื่อนด้วยแสงเป็นเพียงทางเลือกเดียวเท่านั้น เฮลิคอปเตอร์ระหว่างดวงดาวจึงยังคงอยู่ในขอบเขตของทฤษฎีกายภาพที่ใช้งานไม่ได้เท่านั้น