การศึกษาพบเฮลิคอปเตอร์บนดาวอังคารเผชิญกับความท้าทายในชั้นบรรยากาศสุดขั้ว

NASA วางแผนที่จะส่งเฮลิคอปเตอร์ลำแรกไปยังพื้นผิวดาวอังคารก่อนสิ้นปี 2571 แต่บรรยากาศที่บางเบาของดาวเคราะห์สีแดงดังกล่าวทำให้เครื่องบินมีข้อจำกัดทางกายภาพอย่างรุนแรง การศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature เผยให้เห็นถึงความท้าทายที่เฮลิคอปเตอร์จะต้องเผชิญในสภาพแวดล้อมที่มีความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศลดลงอย่างมาก

ภารกิจ Skyfall จะบรรทุกเฮลิคอปเตอร์ขนาดเล็ก 3 ลำบน Space Reactor-1 Freedom เพื่อสำรวจจุดลงจอดของมนุษย์ที่เป็นไปได้บนพื้นผิวดาวอังคาร โครงการนี้ถือเป็นก้าวสำคัญในการสำรวจดาวเคราะห์ แต่ความมีชีวิตของเครื่องจักรเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความเข้าใจว่าแรงขับทำงานอย่างไรในสภาพบรรยากาศที่แตกต่างจากโลกอย่างมาก

การขับเคลื่อนของเฮลิคอปเตอร์ทำงานอย่างไร

เฮลิคอปเตอร์โดยพื้นฐานแล้วขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมในการเคลื่อนย้าย ใบพัดที่หมุนได้จะดันอากาศรอบตัวไปในทิศทางตรงกันข้าม ทำให้เกิดแรงยกและการขับเคลื่อน ความเร็วโดยทั่วไปที่ได้รับจากอากาศรอบๆ ใบพัดจะสูงถึงหลายร้อยเมตรต่อวินาที

การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้นทำให้เกิดขีดจำกัดวิกฤต: เพื่อให้เฮลิคอปเตอร์เคลื่อนที่ไปข้างหน้าด้วยความเร็ว 100 เมตรต่อวินาที จะต้องดันมวลอากาศที่เทียบได้กับมวลของมันเอง เนื่องจากความหนาแน่นของอากาศที่ระดับน้ำทะเลต่ำกว่าความหนาแน่นเฉลี่ยของเฮลิคอปเตอร์หลายร้อยเท่า เครื่องบินจึงต้องประมวลผลปริมาตรอากาศมากกว่าปริมาตรลำตัวอย่างน้อยร้อยเท่า

หลักการนี้กำหนดว่าเครื่องบินสามารถบินได้หรือไม่ในบรรยากาศใดๆ บรรยากาศที่หนาแน่นขึ้นทำให้การขับเคลื่อนง่ายขึ้น เนื่องจากทำให้ใบพัดมีมวลมากขึ้นในการประมวลผลในแต่ละการหมุน บรรยากาศที่หายากนั้นจำเป็นต้องมีปริมาณก๊าซเพิ่มขึ้นเพื่อสร้างแรงผลักดันที่เท่ากัน

ความท้าทายเฉพาะของดาวอังคาร

บรรยากาศของดาวอังคารประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ 95% มีความหนาแน่นของมวลเท่ากับ 1.6% ของชั้นบรรยากาศโลกที่ระดับน้ำทะเล เฮลิคอปเตอร์บนดาวอังคารจำเป็นต้องประมวลผลปริมาตรของก๊าซโดยรอบมากกว่าบนโลกประมาณ 60 เท่าเพื่อให้ได้แรงผลักดันที่เทียบเคียงได้

หากนกวิวัฒนาการมาจากการหายใจเอาก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศดาวอังคาร พวกมันจะต้องมีปีกที่ใหญ่กว่านกบนโลกประมาณ 8 เท่าจึงจะบินด้วยความเร็วเท่ากันได้ แรงโน้มถ่วงมาร์ซินาที่ต่ำกว่า ซึ่งเท่ากับ 38% ของแรงโน้มถ่วงของโลก จะให้ข้อได้เปรียบด้านอากาศพลศาสตร์บางประการ ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการยก

แม้จะมีอุปสรรคเหล่านี้ NASA ก็ได้พัฒนาเทคโนโลยีเฉพาะสำหรับการปฏิบัติการบนดาวอังคาร เฮลิคอปเตอร์รุ่น Ingenuity ซึ่งทดสอบบนดาวอังคารระหว่างปี 2564 ถึง 2567 พิสูจน์ว่าการบินเป็นไปได้แม้ในสภาพบรรยากาศที่ไม่เอื้ออำนวยเช่นนี้ เฮลิคอปเตอร์ Skyfall ในอนาคตจะรวมการปรับปรุงตามการทดสอบเหล่านี้

ยิ่งกว่าบรรยากาศสุดขั้วเหนือดาวอังคาร

แถบไคเปอร์เป็นที่ตั้งของวัตถุที่มีบรรยากาศบางกว่ามาก วัตถุ 2002 XV93 ซึ่งค้นพบด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 500 กิโลเมตร มีบรรยากาศหนาแน่นน้อยกว่าชั้นบรรยากาศของโลกถึง 10 ล้านเท่า บรรยากาศอันละเอียดอ่อนนี้น่าจะเกิดจากการปะทุของภูเขาไฟหรือการชนของดาวหาง

Leia Tambem

ลิโอเนล เมสซีกองหน้าต้องการการผ่านบอลเฉียบขาดสองครั้งเพื่อเท่ากับสถิติประวัติศาสตร์ฟุตบอลโลกของเปเล่

จอช จาคอบส์ รันนิ่งแบ็กของทีมกรีนเบย์ แพ็คเกอร์ส ถูกจับในรัฐวิสคอนซิน ฐานใช้ความรุนแรงในครอบครัว

กาเบรียล เฆซุส ปฏิเสธยักษ์ใหญ่ในยุโรป และตัดสินใจอยู่ที่อาร์เซนอลต่อไปเพื่อแสวงหาสถิติประวัติศาสตร์

ในบรรยากาศที่หายากเช่นนี้ เฮลิคอปเตอร์จะเผชิญกับความเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติในการประมวลผลมวลอากาศที่เพียงพอสำหรับการขับเคลื่อน ปริมาณก๊าซจะไม่เพียงพอ ทำให้ความพยายามในการบินไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีแบบเดิมๆ

เมื่อความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศลดลง ขนาดของใบพัดจะต้องเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน เมื่อถึงจุดวิกฤติ โครงสร้างจะไม่สามารถสร้างและบำรุงรักษาได้ทางกายภาพระหว่างการปฏิบัติงาน

ขอบเขตระหว่างดวงดาว

พื้นที่ระหว่างดวงดาวแสดงถึงสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตรสำหรับเฮลิคอปเตอร์ ความหนาแน่นเฉลี่ยของก๊าซระหว่างดวงดาวต่ำกว่าชั้นบรรยากาศของโลก 10^21 เท่า เฮลิคอปเตอร์จะต้องสำรวจดิสก์ทั้งหมดของทางช้างเผือกก่อนจะพบมวลก๊าซมากพอที่จะขับเคลื่อนตัวมันด้วยความเร็ว 100 เมตรต่อวินาที

การเดินทางดังกล่าวจะใช้เวลานานกว่าอายุปัจจุบันของจักรวาล เฮลิคอปเตอร์ระหว่างดาราจักรยิ่งใช้งานไม่ได้มากขึ้น เนื่องจากตัวกลางระหว่างดาราจักรมีความหนาแน่นต่ำกว่าตัวกลางระหว่างดวงดาวถึงล้านเท่า โดยเฉลี่ยแล้ว จักรวาลมีโปรตอน 1 ตัวต่อลูกบาศก์เมตร

จรวดเป็นทางเลือกที่มีศักยภาพ

แม้ว่าเฮลิคอปเตอร์จะพึ่งพาสภาพแวดล้อมในการขับเคลื่อน แต่จรวดก็ทำงานแตกต่างออกไป พวกมันจะปล่อยเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ออกทางท่อไอเสียและไม่ขึ้นอยู่กับบรรยากาศที่จะเคลื่อนที่ พื้นที่ระหว่างดวงดาวที่แยกส่วนน้อยดังกล่าวมีข้อได้เปรียบตรงที่ไม่มีจรวดใดถูกทำให้ช้าลงอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากการเสียดสีกับตัวกลาง

จรวดระหว่างดวงดาวสามารถไปถึงจุดหมายปลายทางใดๆ ในจักรวาลได้โดยไม่ต้องมีการต้านทานบรรยากาศ เยื่อหุ้มเซลล์ที่มีความหนาเป็นมิลลิเมตร เช่น ใบเรือสุริยะ สามารถเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งทางช้างเผือกได้โดยไม่ต้องเผชิญกับการต่อต้านอย่างมากในระหว่างการเดินทาง

เฮลิคอปเตอร์ดาวอังคารของ NASA จึงถือเป็นกรณีพิเศษ: เฮลิคอปเตอร์เหล่านี้ปฏิบัติการได้อย่างมีประสิทธิภาพบนดาวอังคารเพราะดาวเคราะห์ดวงนั้นยังคงมีชั้นบรรยากาศที่เพียงพอ นอกเหนือจากดาวอังคาร สภาพแวดล้อมในจักรวาลส่วนใหญ่ทำให้แรงขับหมุนของใบพัดเป็นไปไม่ได้ ตัวเลือกทางเทคโนโลยีสำหรับการสำรวจอวกาศห้วงอวกาศยังคงสอดคล้องกับจรวดและใบเรือ ไม่ใช่เฮลิคอปเตอร์