ขนาดสูงสุดที่โลกจะใหญ่ขึ้นได้ก่อนที่จรวดจะไม่สามารถทำงานได้

• หากรัศมีของโลกเพิ่มขึ้นโดยที่ความหนาแน่นเฉลี่ยเท่าเดิม แรงโน้มถ่วงที่พื้นผิวและความเร็วในวงโคจรต่ำจะเพิ่มขึ้นพร้อมกัน ทำให้เงื่อนไขในการเข้าสู่วงโคจรของ จรวดเคมี แย่ลงอย่างรวดเร็ว
• เพราะสมการจรวดของ Tsiolkovsky แม้ Δv ที่ต้องใช้จะเพิ่มขึ้นแบบเชิงเส้น แต่มวลจรวดจะ เพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล และผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับสมมติฐานเรื่องสัดส่วนเชื้อเพลิง อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์ และมวลโครงสร้างอย่างมาก
• ในการคำนวณสำหรับการส่งสัมภาระ 1 ตันขึ้นสู่วงโคจรต่ำ ต้องใช้จรวด 6 ขั้น มวลราว 50,000 ตันบนดาวเคราะห์ 3g, 8 ขั้น ราว 2.83 ล้านตันที่ 4g และ 9 ขั้น ราว 391 ล้านตัน ที่ 5g
• ตั้งแต่บริเวณ 10g เป็นต้นไป มวลจรวดจะเข้าใกล้สัดส่วนที่มีนัยสำคัญของมวลดาวเคราะห์ และที่ 10.47g จะปรากฏขีดจำกัดเชิงทฤษฎีที่ มวลจรวดเท่ากับมวลดาวเคราะห์
• ในความเป็นจริง พื้นที่ติดตั้งเครื่องยนต์ ความแข็งแรงของโครงสร้าง รูปทรงถัง และมวลแห้งที่เพิ่มขึ้นจะกลายเป็นข้อจำกัดก่อน จึงใกล้เคียงกับว่า ขีดจำกัดเชิงปฏิบัติขึ้นอยู่กับสมมติฐาน มากกว่าจะมี “ขนาดสูงสุดที่แน่นอน”

---

เมื่อขยายโลกโดยคงความหนาแน่นเท่าเดิม อะไรจะเปลี่ยนไป

• คำถามนี้พิจารณาดาวเคราะห์สมมติที่เพิ่มรัศมีโลกเป็น f เท่า และคงความหนาแน่นเฉลี่ยไว้
  • รัศมี: r = f r_earth
  • มวล: m = f^3 m_earth
  • แรงโน้มถ่วงที่พื้นผิว: g = f g_earth
• หากความหนาแน่นเฉลี่ยเท่าเดิม เมื่อดาวเคราะห์ใหญ่ขึ้น ความเร็วในวงโคจรต่ำ ก็จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของรัศมีด้วย
• หากคงองค์ประกอบ อุณหภูมิ และความดันของบรรยากาศที่พื้นผิวไว้เท่าเดิม ความสูงสเกล H จะลดลงเป็น f^-1
• ขอบเขตจำกัดไว้ที่ จรวดขับเคลื่อนด้วยสารเคมี ไม่ใช่วิธีปล่อยทางเลือกอย่างบอลลูน เครื่องบิน เลเซอร์ หรือลิฟต์อวกาศ

คอขวดที่เกิดจากสมการจรวด

• สมการจรวดของ Tsiolkovsky เขียนได้เป็น Δv = ln(m0/mf) ve
• ในเครื่องยนต์เคมี การเพิ่มความเร็วไอเสีย ve ให้สูงมากมีข้อจำกัด โดยการคำนวณหนึ่งตั้งเพดานของเครื่องยนต์เคมีไว้ที่ประมาณ 5,000m/s
• หากต้องการเพิ่ม Δv ที่ต้องใช้ให้มากขึ้น ต้องเพิ่มอัตราส่วนมวล m0/mf
  • มวลของถังและเครื่องยนต์ไม่สามารถเป็นศูนย์ได้
  • การเพิ่มจำนวนขั้นสามารถเพิ่ม Δv ได้แบบเชิงเส้น แต่มวลรวมจะพองตัวแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล
• ดังนั้นความแตกต่างเล็กน้อยในสมมติฐานเกี่ยวกับมวลโครงสร้างถังเชื้อเพลิงและอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักของเครื่องยนต์ จึงเปลี่ยนขนาดจรวดสุดท้ายได้อย่างมาก

การคำนวณโดยใช้สัมภาระ 1 ตันเป็นเกณฑ์

• การคำนวณที่ได้คะแนนสูงประเมินขนาดจรวดที่ต้องใช้ตามแรงโน้มถ่วงที่พื้นผิว โดยตรึงตัวแปรหลายอย่างไว้
• สมมติฐานหลักมีดังนี้
  • ส่ง สัมภาระ 1 ตัน เข้าสู่วงโคจรต่ำ
  • Δv ที่ต้องใช้ในการเข้าสู่วงโคจร รวมการสูญเสียจากบรรยากาศและแรงโน้มถ่วง คือ 10,000m/s ต่อแรงโน้มถ่วงพื้นผิว 1g
  • อัตราส่วนมวลสารขับดันของแต่ละขั้นคือ 90%
  • ใช้เครื่องยนต์ยุค Apollo ได้แก่ RL-10, J-2, M-1, H-1, F-1
  • อัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก ณ จุดติดเครื่องขั้นแรกต้องไม่น้อยกว่า 1.2 ตามแรงโน้มถ่วงท้องถิ่น
  • ขั้นกลางไม่น้อยกว่า 0.8 และขั้นสุดท้ายไม่น้อยกว่า 0.5
• ภายใต้สมมติฐานนี้ ขนาดจรวดที่คำนวณได้จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อแรงโน้มถ่วงสูงขึ้น
  • 1g: 3 ขั้น, ขั้นแรกใช้ H-1 1 เครื่อง, มวลรวม 49.4 ตัน
  • 2g: 4 ขั้น, ขั้นแรกใช้ F-1 5 เครื่อง, มวลรวม 1,329 ตัน
  • 3g: 6 ขั้น, ขั้นแรกใช้ F-1 274 เครื่อง, มวลรวม 50,722.2 ตัน
  • 4g: 8 ขั้น, ขั้นแรกใช้ F-1 20,422 เครื่อง, มวลรวม 2,836,598.4 ตัน
  • 5g: 9 ขั้น, ขั้นแรกใช้ F-1 3.5 ล้านเครื่อง, มวลรวม 391 ล้านตัน
  • 6g: 11 ขั้น, ขั้นแรกใช้ F-1 400 ล้านเครื่อง, มวลรวม 38,000 ล้านตัน
  • 10g: 18 ขั้น, ขั้นแรกใช้ F-1 2.88e19 เครื่อง, มวลรวม 1.65e21 ตัน
• ที่ 10g ขึ้นไป มวลจรวดจะถึงสัดส่วนที่วัดได้ของมวลดาวเคราะห์
  • 10.3g: มวลจรวดเป็น 0.035 ของมวลดาวเคราะห์
  • 10.4g: มวลจรวดเป็น 1/5 ของมวลดาวเคราะห์
  • 10.47g: มวลจรวดเท่ากับมวลดาวเคราะห์

แม้เพิ่มจำนวนขั้นแล้วก็ยังมีข้อจำกัดเชิงปฏิบัติ

• ในทางทฤษฎีสามารถเพิ่มจำนวนขั้นต่อไปเพื่อให้ได้ Δv มากขึ้น แต่จรวดจริงจะเจอข้อจำกัดด้าน โครงสร้างและรูปทรง ก่อน
• เมื่อเพิ่มขนาดเชิงเส้นของขั้นจรวด มวลจะเพิ่มตามกำลังสาม แต่พื้นที่ฐานที่ติดตั้งเครื่องยนต์ได้จะเพิ่มเพียงตามกำลังสอง
• แม้แต่ Saturn V ก็ยังมีข้อจำกัดด้านพื้นที่ของหัวฉีดเครื่องยนต์และกิมบอล จนต้องวางเครื่องยนต์รอบนอกของขั้นแรกไว้ที่ขอบของขั้น
• จรวดขนาดใหญ่มากอาจต้องเปลี่ยนการออกแบบดังต่อไปนี้
  • รูปทรงที่สั้นลงและกว้างขึ้น
  • ลดช่วงการกิมบอลของเครื่องยนต์
  • ติดตั้งเครื่องยนต์บนพ็อดรอบถัง
• ในตัวอย่าง 3g หากต้องบรรทุกเครื่องยนต์ F-1 จำนวน 274 เครื่อง จะต้องใช้ขั้นที่มี เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 90m สูง 9m ซึ่งถึงระดับนี้ความไร้ประสิทธิภาพทางวิศวกรรมจากสัดส่วนถังจะรุนแรงมาก
• จรวดเชื้อเพลิงแข็งไม่ต้องรับข้อจำกัดการติดตั้งเครื่องยนต์ในมิติเดียวกัน และมีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักกับต้นทุนต่อแรงขับที่ดีกว่า จึงอาจเป็นตัวเลือกที่เป็นไปได้มากกว่าสำหรับส่วนล่างของจรวดขนาดใหญ่มาก

ข้อมูลเสริมเกี่ยวกับซูเปอร์เอิร์ธและดาวเคราะห์แรงโน้มถ่วงสูง

• Spaceflight from Super-Earths is difficult ของ Michael Hippke กล่าวถึงปัญหาที่การบินอวกาศยากขึ้นบนซูเปอร์เอิร์ธ
• งานวิจัยนี้คำนวณโดยใช้ ความเร็วหลุดพ้น แทนวงโคจรต่ำ แต่ลักษณะที่ยากขึ้นแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลนั้นคล้ายกัน
• Kepler-20b ถูกพิจารณาเป็นดาวเคราะห์ที่มีรัศมีประมาณ 1.9 เท่าของโลก และมวลเกือบ 10 เท่า
  • จรวดขั้นต่ำที่ส่งมวล 1 ตันไปถึงความเร็วหลุดพ้นบน Kepler-20b ต้องใช้ เชื้อเพลิง 9,000 ตัน
  • สำหรับสัมภาระ 6.2 ตันระดับ James Webb Space Telescope ต้องใช้ เชื้อเพลิง 55,000 ตัน
  • สำหรับภารกิจดวงจันทร์ระดับ Apollo ที่ 45 ตัน ต้องใช้จรวดประมาณ 400,000 ตัน
• อีกคำตอบเสริมว่า ในงานวิจัยดาวเคราะห์นอกระบบ มีการกล่าวถึงขอบเขตบนของดาวเคราะห์หินที่ รัศมี 1.6 เท่าของโลก และมวล 5 เท่า
  • หากเกินกว่านี้ คุณลักษณะที่ใกล้เคียงกับ Mini-Neptune อาจเพิ่มขึ้น
  • หากสมมติฐานนี้ถูกต้อง แรงโน้มถ่วงสูงสุดของโลกที่อาจอยู่อาศัยได้จะไม่เกินประมาณ 2.5g
• การคำนวณอีกแบบระบุว่า ในโลกแรงโน้มถ่วงสูง สัดส่วนมวลแห้งของจรวดอาจแย่ลง และหากในโลก 5g อัตราส่วนมวลเปียก/แห้งลดลงเหลือระดับ 5:1 มวลปล่อยอาจอยู่ในระดับ 10^20 ตัน
• ในกรณีสุดขั้ว หากจรวดมีมวลมากกว่าดวงจันทร์ แรงโน้มถ่วงของตัวจรวดเองก็จะกลายเป็นปัญหา และเมื่อเปรียบเทียบความเร็วไอเสียของ LOX/H2 ประมาณ 4,400m/s กับความเร็วหลุดพ้นของดวงจันทร์ประมาณ 2,380m/s จะเกิดสถานการณ์ที่ความเร็วไอเสียเชิงผลลดลงอย่างมาก

[GN⁺]

ความคิดเห็นจาก Hacker News

• ในยุคแรก ๆ ของจรวด คำถามในทางกลับกันแทบจะเป็น ปัญหาที่ยังไม่มีคำตอบ: ถึงแม้ในทางทฤษฎีจะมีแนวคิดเรื่องจรวดอยู่แล้ว แต่มีชุดสารขับดันที่ให้ความเร็วไอเสียได้มากพอจนทำให้จรวดขึ้นสู่วงโคจรใช้งานได้จริงหรือไม่
  คำตอบไม่ได้ชัดเจนตั้งแต่แรก และในบทความของ Goddard ก็อธิบายไว้ว่า ยิ่งลดความเร็วของสารขับดันลง จรวดต้องใหญ่ขึ้นแค่ไหนจึงจะได้สมรรถนะเท่าเดิม สุดท้ายแม้จะเผาดินปืนทั้งภูเขา ก็ขึ้นไปได้แค่ไม่กี่สิบไมล์เท่านั้น
  สำหรับผู้บุกเบิกจรวดยุคแรก ๆ การที่เราอาศัยอยู่บน ดาวเคราะห์ที่จรวดขึ้นสู่วงโคจรเป็นไปได้ ด้วยส่วนผสมระหว่างแรงโน้มถ่วงกับเคมีนั้น เป็นทั้งเรื่องน่าประหลาดใจที่น่ายินดีและความโล่งอก ส่วนที่เหลือก็เป็นปัญหาทางวิศวกรรม

  • ถ้าสนใจประวัติศาสตร์สารขับดันจรวด ขอแนะนำ Ignition! ของ John D. Clark อย่างยิ่ง แม้จะมีเนื้อหาเคมีเยอะ แต่ถึงจะไม่ได้สนใจเคมีมากนักก็อ่านได้สนุก
    https://library.sciencemadness.org/library/books/ignition.pd...
  • ถ้าอารยธรรมขั้นสูงบนดาวเคราะห์ที่มีแรงโน้มถ่วงมากกว่าโลกมาก ไม่สามารถสร้าง จรวดเคมี ได้ และจำเป็นต้องสร้างจรวดนิวเคลียร์แทน ก็น่าจะน่าสนใจมาก
    กลับกัน เมื่อหลุดพ้นจากหลุมแรงโน้มถ่วงของดาวตัวเองได้แล้ว การสำรวจระบบดาวของตนอาจกลายเป็นเรื่องค่อนข้างง่ายขึ้นเพราะจรวดนิวเคลียร์ก็ได้
  • การที่เราอาศัยอยู่บนดาวเคราะห์ซึ่ง แรงโน้มถ่วงและเคมี เอื้อให้การบินสู่วงโคจรเป็นไปได้นั้น แทบจะเป็นโชคระดับบ้าบอ
    ถ้าดาวเคราะห์หนักกว่านี้เพียงเล็กน้อย เราอาจยังส่งดาวเทียมสักดวงไม่ได้เลยจนกว่าจะสร้างเครื่องยนต์นิวเคลียร์ได้

• ถ้ามี จรวดขั้นแรก ที่สูงพอ และใช้ hot staging ก็อาจทำให้เป็นไปได้แม้บนโลกที่ใหญ่สุดขั้ว
  แต่ขั้นแรกอาจต้องยื่นสูงขึ้นไปไกลเหนือชั้นบรรยากาศมาก ๆ แน่นอนว่าไม่ใช่กรณีที่ถือหนังสือ Randall Munroe อยู่ในมืออย่างแน่นอน

  • เหมือนวิธีสร้างรถไฟที่ไปจากลอสแอนเจลิสถึงนิวยอร์กได้ใน 1 วินาที แค่ต้องมีรถไฟที่ยาวพอ
  • เริ่มสงสัยว่านี่พูดถึงจรวดหรือ ลิฟต์อวกาศ กันแน่
    ถ้าสร้างหอคอยให้สูงไปใกล้วงโคจรค้างฟ้าได้ ก็ปฏิบัติต่อมันเหมือนจรวดขั้นหนึ่งที่มี delta-v เป็น 0 แล้ว “hot staging” ขั้นเล็ก ๆ จากยอดหอคอย ก็จะเข้าสู่วงโคจรได้ทันที แน่นอนว่าถ้าสร้างสิ่งนั้นได้ จรวดก็แทบกลายเป็นของเลือกใช้ได้
  • การสร้างโครงสร้างสูงขนาดนั้นบนดาวเคราะห์แรงโน้มถ่วงสูงน่าจะยากมหาศาล
    มีความเป็นไปได้สูงว่า อัตราเรียว ระหว่างฐานกับยอดต้องใหญ่โตถึงขั้นเป็นสัดส่วนสำคัญของรัศมีดาวเคราะห์ แต่ในเมื่อยังต้องมีพื้นที่ติดตั้งเครื่องยนต์ขั้นแรกจำนวนมากขนาดนั้น บางทีสุดท้ายก็อาจต้องเป็นแบบนั้นอยู่ดี
  • ก็ปล่อยจากจุดที่สูงที่สุดบนดาวเคราะห์สิ Kerbal Space Program อนุมัติแล้ว
    เรื่องโลจิสติกส์ภาคพื้นดินขอไม่พูดถึงก็แล้วกัน
  • และยังต้องสมมติด้วยว่าบนดาวเคราะห์มี สารขับดัน เพียงพอ

• น่าสนใจ เรื่องนี้อาจทำให้ สมการ Drake หนักขึ้นได้ โดยเฉพาะอารยธรรมบนดาวเคราะห์แรงโน้มถ่วงสูงจะมีความสามารถจำกัดในการกลายเป็นสปีชีส์หลายดาวเคราะห์และผ่านตัวกรองใหญ่ จึงอาจทำให้อายุรอดเฉลี่ยลดลง

  • หนึ่งในตัวกรองใหญ่เชิงสมมติที่สำคัญที่สุดคือสงครามขนาดใหญ่ ไม่ใช่แค่จรวดเท่านั้น แต่ถ้าความต้องการทางวิศวกรรมของโพรเจกไทล์ง่าย ๆ อย่างปืนใหญ่หรือลูกธนูสูงขึ้น ก็จะจำกัดความเร็วในการพัฒนา เทคโนโลยีสงคราม
    วิธีอื่นอย่างการทูตอาจพัฒนาได้เร็วพอจนป้องกันการสูญพันธุ์ของประชากรจากสงครามโลกได้ด้วย ผมยังสงสัยด้วยว่าแรงโน้มถ่วงที่สูงขึ้นจะส่งผลต่อเรือแบบอาศัยการแทนที่น้ำอย่างเรือแคนูหรือเรือสมัยใหม่อย่างไรบ้าง ความหนาแน่นต่างหากที่เป็นประเด็นหลัก ไม่ใช่น้ำหนัก ดังนั้นน่าจะมีผลน้อยมาก แต่ความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นของวัสดุก่อสร้างยุคแรกและสินค้าอาจเป็นตัวแปรได้ ผมมองว่าความหนาแน่นของบรรยากาศขึ้นกับสนามแม่เหล็กมากกว่าแรงโน้มถ่วง
  • ถ้าดูแนวคิดเรื่อง ดาวเคราะห์อยู่อาศัยได้ยิ่งยวด ก็น่าสนใจ
    สมมติฐานนี้มองว่าดาวเคราะห์ที่มีมวลและแรงโน้มถ่วงมากกว่าโลกอาจเอื้อต่อชีวิตมากกว่า เป็นไปได้ว่าดาวเคราะห์ซึ่งแทบเป็นไปไม่ได้ที่จะออกสู่อวกาศด้วยจรวดเคมีแบบเดิม อาจมีสิ่งมีชีวิตมากกว่ามาก เราเหมือนอาศัยอยู่บนหินที่ค่อนข้างแห้งแล้ง แต่แลกมาด้วยความสามารถในการไปถึงวงโคจร
    https://en.wikipedia.org/wiki/Superhabitable_planet
  • สงสัยว่านี่เป็นปัจจัยใหญ่จริงหรือไม่
    การยังไม่เป็นสปีชีส์หลายดาวเคราะห์ดูเหมือนจะเป็นปัญหาเชิงอัตถิภาวะที่อยู่แกนเล็กที่สุดสำหรับเราบนโลกตอนนี้ และน่าจะเป็นเช่นนั้นไปอีกพักหนึ่ง ขณะเดียวกัน สำหรับอารยธรรมที่ก้าวหน้ากว่าเราเพียงเล็กน้อย ประสิทธิภาพของจรวดเคมี ก็จะกลายเป็นเรื่องไร้ความหมายโดยสิ้นเชิง
  • สิ่งมีชีวิตที่วิวัฒนาการบนดาวเคราะห์แรงโน้มถ่วงสูงจะฉลาดกว่า และอาจแข็งแรงกว่าด้วย พวกเขาต้องคำนวณวิถีของวัตถุที่ขว้างเหมือนกัน แต่ต้องทำให้เร็วกว่า
    สมองของเราใช้พลังงานเท่าที่จำเป็นต่อการอยู่รอดเท่านั้น และมากกว่านั้นคือความสิ้นเปลือง แต่ถ้าจำเป็นต้องคิดให้เร็วขึ้น พวกเขาอาจวิวัฒนาการให้สอดคล้องกันก็ได้ ดังนั้นท้ายที่สุดพวกเขาอาจหาวิธีได้อยู่ดี
  • บทความจำกัดขอบเขตไว้ที่ จรวดเคมี บนโลกมันทำงานได้ดีพอ เราจึงใช้มัน แต่ก็มีวิธีที่ดีกว่าได้
    ใช้นิวเคลียร์แทนเคมี และใช้อากาศในบรรยากาศเป็นมวลปฏิกิริยา บนโลก วิธีนี้สร้างปัญหามากกว่าปัญหาที่มันแก้ แม้จะมีเทคโนโลยีก็เลยไม่ทำ แต่บนดาวเคราะห์ที่มีแรงโน้มถ่วงสูงกว่า มันอาจเป็นทางเลือกได้ ยากกว่า แต่ไม่ใช่เป็นไปไม่ได้
    น่าสนใจที่ช่วงเวลาที่เทคโนโลยีนิวเคลียร์ไปถึงระดับที่ทำให้จรวดทรงพลังกว่ามากเป็นไปได้ แทบจะทับซ้อนกับช่วงที่เราพัฒนาจรวดเคมีจนสมบูรณ์พอจะขึ้นสู่วงโคจร ดังนั้นราว ๆ หลังจากหนีออกจากโลกได้ไม่นาน เราอาจหนีออกจากดาวเคราะห์ 10g ได้แล้วก็เป็นได้

• สงสัยว่าจะมีรูปแบบดัดแปลงของ สมการ Drake ที่รวมพจน์ว่า “ดาวเคราะห์ต้องเล็กพอให้หลบหนีออกไปได้” ไหม
  ถ้าคิดว่าชีวิตที่ฉลาดและออกสู่อวกาศได้นั้นอาจหายากถึงขั้นแทบไม่มีเลย ก็ชวนหดหู่ไม่น้อย ในทางกลับกัน ในมุมเล็ก ๆ ของจักรวาลก็อาจมีอารยธรรมที่ออกสู่อวกาศหลายแห่งอาศัยอยู่พร้อมกันภายในระยะไม่กี่ปีแสงก็ได้ จากมุมมองแบบอวกาศโอเปราก็ดูเท่ดี แต่สุดท้ายก็เหมือนจะจบลงด้วยฟาสซิสต์อวกาศจับทุกคนเป็นทาสอยู่ดี

  • จรวดไม่ใช่วิธีเดียวในการออกจากดาวเคราะห์ หากมนุษยชาติทุ่มทรัพยากรระดับโครงการอวกาศไปกับ railgun หรือวิธีขับดันแบบอื่น ก็มีโอกาสสูงพอสมควรที่จะสำเร็จ
    เพียงแต่ด้วยตัวแปรของโลก จรวดสะดวกที่สุด วิศวกรจึงปรับทุกอย่างให้เหมาะกับมัน
  • ฟาสซิสต์แม้แต่บนโลกก็อยู่ในระดับที่แทบจะใช้งานได้อย่างฝืน ๆ และแพ้ในการแข่งขัน ดู https://tvtropes.org/pmwiki/pmwiki.php/Main/FascistButIneffi... ระบบทาสก็คล้ายกัน ถ้าขอออกนอกเรื่องเล็กน้อยก็มี https://www.econlib.org/library/Columns/LevyPeartdismal.html ด้วย
    ในอวกาศ ระบบทาส ยิ่งไม่มีประโยชน์กว่าเดิม เหตุผลหลักคือมนุษย์เองจะยิ่งไร้ประโยชน์ลงอยู่แล้ว การสำรวจอวกาศที่มีประโยชน์แทบทั้งหมดตอนนี้ทำด้วยหุ่นยนต์ และการส่งมนุษย์ไปก็มีลักษณะเป็นเรื่องให้ภาคภูมิใจเสียมากกว่า ต้นทุนในการรักษาชีวิตทาสอวกาศให้รอดสูงกว่างานใด ๆ ที่พวกเขาจะทำให้ได้ แน่นอนว่าเอเลียนอาจมีชีววิทยาที่เหมาะกับการอยู่รอดในอวกาศมากกว่ามากก็ได้
  • สมการ Drake แสดงให้เห็นอย่างมากถึง การขาดจินตนาการ ว่าชีวิตอาจมีรูปแบบใดได้บ้าง
    ทุกครั้งที่เพิ่มพจน์หนึ่งเข้าไป ก็เท่ากับยิ่งตอกย้ำสมมติฐานใหม่ลงไปอีกชั้น
  • ระยะไม่กี่ปีแสงก็มีดาวฤกษ์ราว ๆ หนึ่งร้อยดวง ความน่าจะเป็นที่ชีวิตซึ่งมีโอกาสเกิดต่ำจะเติบโตขึ้นมากกว่าหนึ่งแห่งในขอบเขตแบบนั้นน่าจะใกล้ศูนย์
  • คำว่า “ฟาสซิสต์” ถูกใช้ค่อนข้างประหลาด แทบจะกลายเป็นความหมายว่า “คนเลวชั่วร้าย” ไปแล้ว

• สงสัยว่าในที่อย่างดาวแก๊สที่มีบรรยากาศไฮโดรเจนล้อมรอบแกนหิน ยานอวกาศจะบินแบบ ดูดไฮโดรเจนเข้าไปใช้ จนถึงขอบอวกาศ แล้วค่อยจุดขั้นต่อไปเพื่อหนีออกจากบ่อแรงโน้มถ่วงได้ไหม
  หรือถ้าบรรยากาศไนโตรเจนหรือ CO2 หนาพอ จะบินหรือสร้างแรงลอยตัวตามอากาศพลศาสตร์ขึ้นไปถึงจุดที่แรงโน้มถ่วงต่ำกว่าที่พื้นผิวอย่างเห็นได้ชัดได้ไหม?

  • บนดาวเคราะห์หิน แรงโน้มถ่วงไม่ได้ลดลงมากนักที่ระดับความสูงวงโคจรที่เราสนใจ ตัวอย่างเช่น ISS ก็ยังเจอแรงโน้มถ่วงประมาณ 90% ของพื้นผิวโลก
    การเข้าสู่วงโคจรหลัก ๆ คือการเร่งให้เร็วพอจนวิถีการตกไม่ตัดกับพื้นผิว
    แต่การใช้เครื่องบินเก็บระดับความสูงและความเร็วแล้วปล่อยจรวดที่เล็กลงมากนั้นเป็นไปได้แน่นอน ประโยชน์หลักในกรณีนี้คือความเร็ว และสาเหตุที่จรวดใช้เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ก็เพราะต้องทำความเร็ว SpaceShipTwo ของ Virgin Galactic ใช้โครงแบบนี้ และ LauncherOne ของ Virgin Orbit ก็เป็นจรวดขนาดเล็กที่ปล่อยจาก Boeing 747 ที่ดัดแปลงมา บนโลกแทบไม่ได้ประโยชน์เมื่อเทียบกับความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้น แต่บนดาวเคราะห์ที่มีแรงโน้มถ่วงสูงกว่าและการเข้าถึงการบินด้วยพลังขับเคลื่อนใกล้เคียงกัน วิธีนี้อาจเป็นทางเลือกที่นิยม
    ปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งอาจเป็น ความเร็วเสียง สำหรับเครื่องบิน การบินต่ำกว่าความเร็วเสียงง่ายกว่าการบินเหนือเสียงมาก หากเป็นบรรยากาศที่มีความเร็วเสียงสูงกว่ามากอย่างไฮโดรเจน เครื่องบินก็จะทำความเร็วได้สูงกว่ามาก จึงได้เปรียบกว่ามากในฐานะแพลตฟอร์มปล่อยจรวด แน่นอนว่าต้องอยู่บนสมมติฐานว่าแก้ปัญหาการจ่ายพลังงานให้เครื่องบินแบบนั้นได้แล้ว
  • ฟิสิกส์พื้นฐานของ SABRE ซึ่งเป็นเครื่องยนต์จรวดแบบดูดอากาศ ได้รับการพิสูจน์แล้ว
    แต่ไม่รู้ว่าการทำให้ H2 เป็นของเหลวต่างจากการทำให้ O2 เป็นของเหลวมากแค่ไหน
    https://en.wikipedia.org/wiki/SABRE_(rocket_engine)
  • บนดาวแก๊สที่เล็กกว่า สามารถสร้าง แพลตฟอร์มลอยตัว ขนาดยักษ์คล้ายเรือเหาะ แล้วปล่อยจรวดจากตรงนั้นได้
    ดาวแก๊สมีขนาดใหญ่มากจนแรงโน้มถ่วง “พื้นผิว” ที่ระดับความสูงที่แพลตฟอร์มแบบนั้นลอยอยู่ไม่ได้สูงอย่างที่คิด ที่ Uranus และ Neptune จริง ๆ แล้วต่ำกว่า 1G ด้วยซ้ำ แต่ถ้าใหญ่กว่าขนาด Jupiter แล้ว รัศมีจะไม่เพิ่มมากนักในขณะที่มวลยังเพิ่มต่อไป ดังนั้นแม้บนแพลตฟอร์มลอยตัวก็ต้องรับมือกับแรงหลาย G
  • ต้องใช้ก๊าซที่เบากว่าไฮโดรเจน ดังนั้นการลอยตัวจึงใช้ไม่ได้ ก๊าซแบบนั้นไม่มีอยู่ การบินด้วยพลังขับเคลื่อนโดยไม่มีออกซิเจนก็ยุ่งยาก จึงต้องใช้อะไรที่ใกล้เคียงกับ มอเตอร์จรวด มากกว่าเครื่องยนต์เครื่องบิน
    อาจใช้บอลลูนสุญญากาศได้ แต่ถ้าจะทำให้วัตถุขนาดจรวดขึ้นสู่วงโคจรลอยในบรรยากาศไฮโดรเจน คงต้องใช้ห้องสุญญากาศขนาดเท่าเมืองหรือเท่ารัฐเล็ก ๆ เลยทีเดียว เป็นไปได้ว่าการสร้างหอคอยเสียยังง่ายกว่า

• ในคำตอบแทบไม่ได้พูดถึง และนี่ก็เป็นสิ่งแรกที่นึกถึงด้วย อย่างน้อยในทางทฤษฎี จรวดความร้อนนิวเคลียร์ ก็น่าพิจารณา
  https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_thermal_rocket

  • มันไม่ค่อยเหมาะสำหรับการบินขึ้น จรวดดีไซน์ส่วนใหญ่ที่ดีกว่าจรวดเคมีจะยอมสละ แรงขับ เพื่อแลกกับค่าแรงดลจำเพาะ
    ในวงโคจร เดลตา-v ก็คือเดลตา-v จึงถือว่าเป็นการปรับปรุง แต่จรวด 10kg จะถูกแรงโน้มถ่วงดึงด้วยแรงประมาณ 100N ถ้าแรงขับของเครื่องยนต์ไม่เกิน 100N มันก็จะอยู่บนฐานปล่อยเหมือนเดิม พอเริ่มมีความเร็ว ปัญหานั้นจะลดลง แต่เวลาปล่อยจากวัตถุที่ไม่ใช่มวลจุด คุณต้องใช้แรงขับบางส่วนเพื่อไม่ให้ชนดาวเคราะห์ ไม่อย่างนั้นวันนี้ก็ยังไปอวกาศไม่ได้
    ดีไซน์ NTR ที่เป็นจริงได้คือแบบแกนแข็ง และหลังจากพยายามกันอยู่นานก็ไปถึงอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 7:1 นั่นหมายความว่าโดยหลักการแล้วมันสามารถบรรทุกได้ถึง 6 เท่าของน้ำหนักตัวเองและเร่งขึ้นด้านบนในแรงโน้มถ่วงโลกได้ จรวดเคมีทำได้ถึง 70:1 ด้วยซ้ำ ไม่มีใครเคยวางแผนใช้ NTR เป็นแพลตฟอร์มปล่อย แต่สามารถใช้เป็นเครื่องยนต์ท่อนบนที่มีประสิทธิภาพกว่า หรือใช้ในการจุดเครื่องเพื่อถ่ายโอนระหว่างวงโคจรได้ ในทางทฤษฎียังมีเครื่องยนต์ตระกูล NTR ที่สมรรถนะดีกว่านี้มาก แต่ยังไม่มีต้นแบบที่ทำงานได้จริง คุณก็คงไม่อยากปล่อยด้วยจรวดแบบวงจรเปิดด้วย เพราะ “เปิด” หมายถึงเชื้อเพลิงกัมมันตรังสีถูกพ่นออกไปด้านหลัง ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบันจำเป็นต้องประนีประนอมระหว่างประสิทธิภาพกับแรงขับ และสำหรับขั้นปล่อย จรวดเคมียังคงไร้คู่แข่งไปอีกสักพัก
    แน่นอน ถ้าเป็นระบบขับเคลื่อนนิวเคลียร์ชนิดที่ “สนุก” กว่านี้ก็อีกเรื่องหนึ่ง ยังมีผู้สนับสนุน Project Orion อยู่ด้วย
  • NTR เป็นวิธีใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ไม่มีประสิทธิภาพมาก สิ่งที่ต้องการคือ NSWR
    https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_salt-water_rocket
    นี่แหละจรวดนิวเคลียร์ของจริง ถ้าจรวดเคมีคือการระเบิดที่ควบคุมได้ NSWR ก็คือการระเบิดนิวเคลียร์ที่ควบคุมได้ หรือพูดให้เห็นภาพคือแบบที่ทำให้ไอออกมา
  • NTR มีแรงดลจำเพาะสูง แต่ น้ำหนักต่อกำลังส่งออก ค่อนข้างต่ำ จึงไม่ดีสำหรับการหนีบ่อศักย์โน้มถ่วงที่คุยกันอยู่นี้ แต่ดีในอวกาศ
    มันใช้มวลปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ไม่ได้มีประสิทธิภาพด้านน้ำหนักต่อกำลังส่งออก
    ตามบทความ ในปี 1947 มองว่าเครื่องปฏิกรณ์เต็มรูปแบบหนักเกินไป ทำให้เครื่องยนต์นิวเคลียร์ความร้อนแกนแข็งไม่สามารถบรรลุอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนัก 1:1 ที่จำเป็นต่อการเอาชนะแรงโน้มถ่วงในการปล่อยจากโลกได้ ตลอด 25 ปีถัดมา ดีไซน์จรวดความร้อนนิวเคลียร์ของสหรัฐฯ ไปถึงอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักราว 7:1 แต่ก็ยังต่ำกว่าจรวดเคมีระดับ 70:1 อยู่มาก

• ใน Project Hail Mary มีดาวเคราะห์ต่างดาวที่มีมวล 8.45 เท่าของโลก และผู้อยู่อาศัยที่นั่นก็ไปถึงขั้น การบินอวกาศ
  https://www.reddit.com/r/ProjectHailMary/comments/s5n7j4/eri...

  • เป็นหนังสือที่ยอดเยี่ยมจริง ๆ และโดยส่วนตัวเป็นหนึ่งในเล่มโปรดตลอดกาล แต่การที่ในหนังสือบอกว่าเป็นไปได้ ไม่ได้แปลว่าวิทยาศาสตร์นั้นได้รับการพิสูจน์แล้ว

• ผม/ฉันสงสัยขึ้นมาเพราะบทความเกี่ยวกับดาวเคราะห์ 1.55R⊕ และการสนทนานี้ก็น่าสนใจดี

• ตอนที่จรวดโคจรรุ่นแรก ๆ ออกมา เราก็ค้นพบ พลังงานนิวเคลียร์ แล้ว
  ถ้าจรวดเคมีไปถึงวงโคจรไม่ได้ จรวดนิวเคลียร์ก็คงตามมาในไม่ช้า ถ้าจรวดเคมียิง ICBM ไม่ได้ เทคโนโลยีจรวดนิวเคลียร์ก็คงไม่ถูกทิ้งและพัฒนาต่อไป บางทีมนุษย์อาจไปถึงดาวเคราะห์ดวงอื่นแล้วก็ได้

• เป็นแนวคิดที่น่าสนใจ แต่พลาดปัจจัยเชิงปฏิบัติอย่างหนึ่งที่คำนวณได้ไม่ง่าย นั่นคือ คลื่นกระแทก
  นี่เป็นปัญหาที่รู้กันในงานภาคปฏิบัติบนโลก และขีดจำกัดมวลปล่อยของจรวดโลกที่ระดับน้ำทะเลอยู่ที่ราว 10,000 ตัน
  คลื่นกระแทกที่เกิดจากไอเสียเครื่องยนต์ความเร็วเหนือเสียงสร้างแรงกดมหาศาลต่อโครงสร้างอย่างแท้จริง ในสเกลที่กล่าวถึง คงไม่มีโครงสร้างใดทนได้นานพอ จะสร้างวัสดุที่แข็งแรงกว่านี้มากได้หรือไม่ ตอนนี้ยังไม่รู้และคาดเดาได้ยาก
  เหตุผลที่ระดับน้ำทะเลสำคัญคือ ในบรรดาจรวดอวกาศที่นึกออกตอนนี้ มีเพียงสองกรณีที่เริ่มจากตำแหน่งที่ต่างออกไปมาก การปล่อยจากอากาศที่ระดับสูงอาจเป็นทางแก้ปัญหาคลื่นกระแทกได้ เพราะคุณสมบัติของบรรยากาศต่างกันมาก แต่ก็มีข้อจำกัดอื่นด้วย
  https://en.wikipedia.org/wiki/Northrop_Grumman_Pegasus
  https://en.wikipedia.org/wiki/LauncherOne

  • วัวทรงกลมที่อยู่ในสุญญากาศนั้นมีภูมิคุ้มกันต่อ คลื่นกระแทก