ทำไมเฮลิคอปเตอร์ถึงบินบนดาวอังคารยาก ทั้งที่ดูมีท้องฟ้าเหมือนโลก

ดาวอังคารมีท้องฟ้า ลม และพายุฝุ่น แต่ชั้นบรรยากาศเบาบางมาก จนการทำให้ยานลอยขึ้นได้เพียงไม่กี่เมตรกลายเป็นความท้าทายทางวิศวกรรมระดับสูง

ภาพถ่ายดาวอังคารมักทำให้ดาวเคราะห์แดงดูคล้ายโลกอีกใบ มีพื้นดินกว้างใหญ่ ท้องฟ้าสีหม่น ลม และพายุฝุ่นที่เคลื่อนผ่านพื้นผิว แต่สิ่งที่ต่างจากโลกอย่างชัดเจนคือ “อากาศ” ที่เบาบางมากจนการบินกลายเป็นเรื่องยากกว่าที่หลายคนจินตนาการ

ข้อมูลจาก NASA ระบุว่า Ingenuity Mars Helicopter ต้องบินในสภาพแวดล้อมที่ชั้นบรรยากาศบางน้อยกว่า 1% ของโลก และภารกิจนี้ถูกออกแบบมาเพื่อพิสูจน์การบินแบบมีแรงขับบนดาวเคราะห์ดวงอื่นเป็นครั้งแรก

บนโลก เครื่องบินหรือเฮลิคอปเตอร์ใช้ปีกและใบพัดผลักอากาศเพื่อสร้างแรงยก อากาศที่หนาแน่นพอช่วยให้ใบพัด “จับ” โมเลกุลอากาศได้มากพอจะยกตัวเครื่องขึ้นจากพื้น แต่บนดาวอังคาร โมเลกุลอากาศมีน้อยกว่ามาก ใบพัดแบบเดียวกับที่ใช้บนโลกจึงไม่สามารถทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมนั้น

นี่คือเหตุผลที่การบินบนดาวอังคารไม่ใช่แค่ทำให้ใบพัดหมุนเร็วขึ้น แต่ต้องออกแบบทั้งน้ำหนัก โครงสร้าง ใบพัด ระบบควบคุม และพลังงานให้เข้ากับบรรยากาศที่เบาบาง

อากาศบาง ทำให้แรงยกลดลงทันที

ชั้นบรรยากาศของดาวอังคารประกอบด้วยคาร์บอนไดออกไซด์เป็นหลัก ต่างจากโลกที่มีไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นองค์ประกอบสำคัญ เมื่อรวมกับแรงดันอากาศต่ำและอุณหภูมิที่หนาวเย็น การไหลของอากาศรอบใบพัดจึงไม่เหมือนบนโลก

เฮลิคอปเตอร์บนโลกอาศัยอากาศหนาแน่นเพื่อสร้างแรงยก แต่บนดาวอังคาร อากาศมีน้อยเกินไป ยานบินจึงต้องเบามาก ใบพัดต้องกว้างพอ และต้องหมุนเร็วพอเพื่อสร้างแรงยกจากอากาศที่มีอยู่จำกัด

Ingenuity มีมวลประมาณ 1.8 กิโลกรัม ใบพัดกว้างประมาณ 1.2 เมตร และได้รับพลังงานจากแผงโซลาร์เซลล์กับแบตเตอรี่ NASA ระบุว่าเดิมทีภารกิจนี้เป็นเพียงการสาธิตเทคโนโลยี ไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อบรรทุกมนุษย์หรืออุปกรณ์หนัก

ใบพัดหมุนเร็วก็ยังมีขีดจำกัด

เมื่ออากาศบางมาก วิธีหนึ่งที่วิศวกรใช้คือทำให้ใบพัดหมุนเร็วขึ้น แต่ความเร็วก็มีขอบเขตของมัน

ถ้าปลายใบพัดหมุนเร็วมากจนเข้าใกล้ความเร็วเสียงในบรรยากาศดาวอังคาร ปัญหาด้านอากาศพลศาสตร์จะซับซ้อนขึ้น แรงยกอาจเปลี่ยนแปลง การสั่นสะเทือนอาจเพิ่มขึ้น และการควบคุมยานอาจยากกว่าเดิม

ต้นฉบับระบุว่า ความเร็วเสียงบนดาวอังคารต่ำกว่าบนโลกในหลายสภาวะ จึงทำให้ปลายใบพัดเข้าใกล้ขีดจำกัดได้ง่ายกว่าเมื่อเทียบกับการบินในบรรยากาศโลก

ความท้าทายจึงอยู่ที่การหาจุดสมดุลระหว่าง “หมุนเร็วพอให้ลอยได้” กับ “ไม่เร็วเกินจนเกิดปัญหากับใบพัดและการควบคุม”

Ingenuity พิสูจน์ว่าเป็นไปได้ แต่ไม่ง่าย

Ingenuity ทำการบินครั้งแรกเมื่อ 19 เมษายน 2021 และ NASA ระบุว่าภารกิจนี้ทำการบินทั้งหมด 72 ครั้ง ก่อนสิ้นสุดภารกิจในเดือนมกราคม 2024

ตัวเลขนี้เกินกว่าเป้าหมายเริ่มต้นอย่างมาก เพราะ Ingenuity ถูกออกแบบให้เป็นเพียงภารกิจสาธิตเทคโนโลยีระยะสั้น เดิมคาดหวังการบินทดสอบไม่กี่ครั้งในช่วงเวลาจำกัด แต่สุดท้ายมันได้ทำหน้าที่เป็นเหมือนหน่วยสำรวจทางอากาศ ช่วยให้ทีมภารกิจมองเห็นพื้นที่ที่รถสำรวจภาคพื้นดินอาจเข้าถึงได้ยาก

ความสำเร็จของ Ingenuity จึงไม่ได้อยู่ที่การบินสูงหรือบินไกลแบบอากาศยานบนโลก แต่อยู่ที่การพิสูจน์ว่า ยานขนาดเล็กสามารถลอยขึ้น ควบคุมตัวเอง และลงจอดได้ในบรรยากาศที่แทบไม่มีอากาศให้พึ่งพา

ทำไมควบคุมจากโลกแบบทันทีไม่ได้

อีกโจทย์หนึ่งของการบินบนดาวอังคารคือระยะทางจากโลก สัญญาณคำสั่งไม่ได้เดินทางไปถึงดาวอังคารแบบทันที ทำให้ไม่สามารถควบคุมเฮลิคอปเตอร์เหมือนโดรนที่บินอยู่ใกล้ตัวบนโลกได้

ยานจึงต้องทำงานแบบอัตโนมัติเป็นหลัก ระบบควบคุมต้องประมวลผลการทรงตัว ความสูง ทิศทาง และสภาพพื้นผิวโดยไม่รอมนุษย์สั่งแบบเรียลไทม์ ความผิดพลาดเล็กน้อยระหว่างบินอาจส่งผลต่อทั้งภารกิจ เพราะการซ่อมแซมหน้างานทำไม่ได้

ในสภาพแวดล้อมที่หนาวเย็น อากาศบาง และมีฝุ่นละเอียด ทุกกรัมของน้ำหนัก ทุกวัตต์ของพลังงาน และทุกคำสั่งของระบบควบคุมมีความหมาย

อากาศบางไม่ได้กระทบแค่การบิน

บรรยากาศดาวอังคารยังทำให้เสียงและลมต่างจากโลกด้วย ต้นฉบับอธิบายว่า เสียงบนดาวอังคารเดินทางได้ต่างออกไป เพราะมีโมเลกุลอากาศน้อยกว่าสำหรับส่งผ่านการสั่นสะเทือน

ส่วนลมและพายุฝุ่นบนดาวอังคารอาจดูรุนแรงในภาพถ่ายหรือข้อมูลภารกิจ แต่แรงปะทะของลมไม่เหมือนพายุบนโลก เนื่องจากอากาศมีความหนาแน่นต่ำกว่า ภาพพายุฝุ่นบนดาวอังคารจึงเป็นตัวอย่างที่ดีของสภาพแวดล้อมที่ดูคุ้นตา แต่ทำงานด้วยกฎทางกายภาพต่างจากโลก

สำหรับภารกิจในอนาคต ชั้นบรรยากาศนี้เป็นทั้งอุปสรรคและทรัพยากร อากาศบางเกินกว่าจะหายใจหรือใช้บินได้ง่าย แต่คาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศอาจเกี่ยวข้องกับแนวคิดการผลิตออกซิเจนหรือเชื้อเพลิงสำหรับการสำรวจระยะยาว

เส้นทางใหม่ของการสำรวจดาวอังคาร

หลังความสำเร็จของ Ingenuity แนวคิดเรื่องยานบินบนดาวอังคารไม่ได้เป็นเพียงภาพในจินตนาการอีกต่อไป NASA ระบุว่า Ingenuity ช่วยปูทางให้กับยานสำรวจทางอากาศรุ่นต่อไปบนดาวอังคารและจุดหมายอื่นในอวกาศ

ยานบินรุ่นใหม่อาจช่วยสำรวจพื้นที่ที่รถโรเวอร์เข้าไปยาก เช่น หน้าผา หุบเขา เนินทราย หรือพื้นที่ขรุขระ การมองจากมุมสูงช่วยให้ทีมภารกิจวางแผนเส้นทาง เลือกเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ และลดความเสี่ยงของการเดินทางบนพื้นผิว

ดาวอังคารอาจมีท้องฟ้าเหมือนโลกเมื่อมองจากภาพถ่าย แต่ใต้ท้องฟ้านั้น การยกตัวยานขึ้นจากพื้นได้เพียงไม่กี่เมตรต้องอาศัยการออกแบบที่ละเอียดมาก อากาศบาง ๆ ที่ดูเหมือนไม่มีอะไร กลับเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดว่ายานจะบินได้หรือไม่

• ชั้นบรรยากาศดาวอังคารบางน้อยกว่า 1% ของโลก ทำให้การสร้างแรงยกยากมาก
• เฮลิคอปเตอร์บนดาวอังคารต้องเบา ใบพัดออกแบบพิเศษ และระบบควบคุมต้องทำงานอัตโนมัติ
• Ingenuity พิสูจน์การบินแบบมีแรงขับบนดาวเคราะห์ดวงอื่น และทำการบินทั้งหมด 72 ครั้ง
• อากาศบางส่งผลทั้งต่อการบิน เสียง ลม พายุฝุ่น และการออกแบบภารกิจสำรวจ
• ความสำเร็จของ Ingenuity เปิดทางให้ยานบินรุ่นใหม่ช่วยสำรวจพื้นที่ที่รถโรเวอร์เข้าถึงยาก