โลกสามารถใหญ่ขึ้นได้มากแค่ไหนก่อนที่จรวดจะใช้งานไม่ได้

ขีดจำกัดของจรวดขับดันเคมี: ความเป็นไปได้ในการปล่อยจากดาวเคราะห์ที่ใหญ่กว่าโลก

• คำตอบสำหรับคำถามว่าจรวดขับดันเคมีจะยังสามารถปล่อยจากดาวเคราะห์ที่ใหญ่กว่าแต่มีความหนาแน่นเท่ากับโลกได้หรือไม่
• สำรวจความเป็นไปได้ในการปล่อยโดยเพิ่มรัศมีและมวลของโลก
• อภิปรายทั้งขีดจำกัดเชิงทฤษฎีของจรวดขับดันเคมีและปัญหาทางวิศวกรรมในโลกความเป็นจริง

สมการจรวดและขีดจำกัดของจรวดขับดันเคมี

• ตามสมการจรวด ดาวเคราะห์ที่ใหญ่กว่าจะต้องการความเร็วที่สูงกว่า ซึ่งหมายถึงการเพิ่มขึ้นของอัตราส่วนมวลของจรวด
• ความเร็วไอเสียของเครื่องยนต์เคมีมีขีดจำกัด และไม่สามารถเพิ่มอัตราส่วนมวลของจรวดได้อย่างไม่สิ้นสุด
• บนดาวเคราะห์ที่ใหญ่กว่าโลก จรวดต้องมีอัตราส่วนแรงขับต่อน้ำหนักที่สูงขึ้น ซึ่งทำให้มวลแห้งเพิ่มขึ้นและลดค่า Δv ที่ทำได้

ขีดจำกัดในทางปฏิบัติของจรวดขับดันเคมี

• เมื่อเพิ่มรัศมีและมวลของโลก มวลรวมของจรวดจะเพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล
• ที่ระดับแรงโน้มถ่วงหนึ่ง แม้แต่เครื่องยนต์ที่ทรงพลังที่สุดก็ไม่สามารถยกน้ำหนักของตัวเองได้
• แม้ความต้องการ Δv ของจรวดขับดันเคมีในทางทฤษฎีจะมุ่งสู่อนันต์ แต่ในทางปฏิบัติกลับเป็นไปไม่ได้เพราะข้อจำกัดด้านโครงสร้างและทรัพยากร

ขีดจำกัดเชิงทฤษฎีของจรวดขับดันเคมี

• ในทางทฤษฎี จรวดขับดันเคมีสามารถปล่อยจากดาวเคราะห์ขนาดใดก็ได้ แต่ในทางปฏิบัติอัตราส่วนมวลจะเพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล
• เมื่อขนาดของจรวดใหญ่เกินไป จะเกิดปัญหาด้านโครงสร้าง และเครื่องยนต์จะไม่สามารถยกน้ำหนักของตัวเองได้
• หากมวลของดาวเคราะห์มีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับมวลของจรวด ความเร็วไอเสียของจรวดจะลดลงจนไม่สามารถให้ Δv ที่จำเป็นต่อการออกสู่อวกาศได้

ความเห็นของ GN⁺

• บทความนี้สำรวจขีดจำกัดของจรวดขับดันเคมีอย่างลึกซึ้ง และเน้นว่าความยากของการปล่อยจรวดจะเพิ่มขึ้นแบบเอ็กซ์โปเนนเชียลเมื่อขนาดของดาวเคราะห์ใหญ่ขึ้น
• เมื่อพิจารณาอัตราส่วนมวลของจรวดและข้อจำกัดด้านโครงสร้าง ก็ชี้ให้เห็นว่าบนดาวเคราะห์ที่ใหญ่กว่าโลกมาก การปล่อยด้วยจรวดขับดันเคมีอาจเป็นไปไม่ได้
• บทความนี้นำเสนอประเด็นที่น่าสนใจสำหรับผู้ที่สนใจการสำรวจอวกาศและวิศวกรรมจรวด และอาจกระตุ้นการถกเถียงเกี่ยวกับอนาคตของระบบปล่อยสู่อวกาศ

[GN⁺]

ความคิดเห็นจาก Hacker News

• หนึ่งในคำถามเปิดของวิทยาศาสตร์จรวดยุคแรกคือ มีชุดเชื้อเพลิงขับดันที่ให้ความเร็วไอพ่นเพียงพอสำหรับแนวคิดจรวดตามทฤษฎีหรือไม่ ในบทความของ Goddard มีการพูดถึงว่าจรวดจะต้องใหญ่ขึ้นแค่ไหนเพื่อให้ได้สมรรถนะเท่าเดิมเมื่อความเร็วของสารขับดันลดลง สุดท้ายก็ไปถึงสถานการณ์ที่ต้องเผาดินปืนทั้งภูเขาเพื่อขึ้นไปได้เพียงหลายสิบไมล์เหนือพื้นโลก สำหรับผู้บุกเบิกจรวดยุคแรก การตระหนักว่าเราอาศัยอยู่บนดาวเคราะห์ที่แรงโน้มถ่วงและเคมีเอื้อให้จรวดขึ้นสู่วงโคจรได้ เป็นทั้งความประหลาดใจที่น่ายินดีและความโล่งใจ ส่วนที่เหลือก็เป็นเพียงปัญหาทางวิศวกรรม
• มีประเด็นน่าสนใจที่อาจส่งผลต่อสมการ Drake คือมันชี้ว่าอายุเฉลี่ยที่อารยธรรมอยู่รอดได้บนดาวเคราะห์ที่มีแรงโน้มถ่วงสูงอาจสั้นลง เพราะความสามารถในการย้ายไปอยู่หลายดาวเคราะห์และรับมือกับมหันตภัยขนาดใหญ่อาจถูกจำกัด
• มีการตั้งคำถามว่า หากบนดาวเคราะห์คล้ายก๊าซยักษ์มีชั้นบรรยากาศไฮโดรเจนห่อหุ้มแกนหินไว้ จะเป็นไปได้หรือไม่ที่จะมียานอวกาศที่หายใจไฮโดรเจนไปได้เรื่อย ๆ จนถึงขอบอวกาศ หรือถ้าชั้นบรรยากาศไนโตรเจนหรือคาร์บอนไดออกไซด์หนาพอ จะสามารถบินเชิงอากาศพลศาสตร์หรือแม้แต่ลอยตัวอยู่ได้ จนกว่าจะไปถึงระดับที่แรงโน้มถ่วงต่ำกว่าบริเวณพื้นผิวอย่างชัดเจน
• มีความเห็นให้ลองจินตนาการว่าการไปให้ถึงความเร็วหลุดพ้นบนดาวเคราะห์น้ำจะเป็นความท้าทายแบบไหน
• หากใช้ขั้นแรกที่สูงมากพอและใช้ hot staging ก็อาจทำงานได้แม้บนโลกที่ใหญ่กว่ามาก โดยขั้นแรกอาจต้องยื่นสูงเลยชั้นบรรยากาศไปมาก
• มีคำถามว่ามีสมการแบบเดียวกับสมการ Drake ที่รวมปัจจัยว่าดาวเคราะห์ต้องเล็กพอให้หลุดพ้นจากมันได้หรือไม่ การคิดว่าชีวิตทรงปัญญาที่เดินทางในอวกาศได้อาจหายากเพียงใดนั้นชวนหดหู่มาก แต่ในอีกด้าน การจินตนาการว่าในมุมเล็ก ๆ ของเอกภพอาจมีผู้เดินทางอวกาศหลายกลุ่มอาศัยอยู่ร่วมยุคกันภายในระยะไม่กี่ปีแสงก็ชวนสนใจ
• แทบไม่มีการพูดถึงจรวดความร้อนนิวเคลียร์เลย แต่ในทางทฤษฎีก็เป็นเทคโนโลยีที่ควรนำมาพิจารณา
• มีคำถามว่า สำหรับอารยธรรมที่ไปอวกาศไม่ได้ จะมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีแบบใดบ้างที่เป็นไปไม่ได้
• คิดว่าบทความเกี่ยวกับดาวเคราะห์ขนาด 1.55R⊕ ชวนสงสัยและเป็นประเด็นถกเถียงที่น่าสนใจ
• แม้จะลืมการคำนวณเชิงปฏิบัติเกี่ยวกับคลื่นกระแทกไป แต่ปัญหานี้ก็ไม่ใช่สิ่งที่คำนวณได้ง่าย จากประสบการณ์บนโลก คลื่นกระแทกที่เกิดจากไอเสียเครื่องยนต์ความเร็วเหนือเสียงจะกดดันโครงสร้างอย่างรุนแรง และในระดับขนาดที่กล่าวถึงนั้น ไม่มีสิ่งใดทนอยู่ได้นานพอ ตอนนี้เรายังไม่รู้และคาดเดาไม่ได้ว่าจะสร้างวัสดุที่แข็งแรงกว่านี้ได้หรือไม่ การปล่อยจากระดับน้ำทะเลมีความสำคัญ และตอนนี้จำได้เพียงจรวดอวกาศสองลำที่ปล่อยจากสถานที่ที่ระดับความสูงต่างกันมาก การปล่อยจากที่สูงอาจเป็นทางออกของปัญหาคลื่นกระแทก แต่ก็มีข้อจำกัดอื่น