จรวดสร้างแรงขับในสุญญากาศได้อย่างไร?

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ

ข่าวแนวคิดรถที่ใช้ไอพ่นก๊าซเย็นของ Tesla Roadster ทำให้หลายคนสงสัยว่า ถ้าสิ่งหนึ่งพุ่งไปข้างหน้าเพราะพ่นก๊าซออกด้านหลัง แล้วในอวกาศที่แทบไม่มีอากาศให้ผลัก จรวดจะเคลื่อนที่ได้อย่างไร? คำถามนี้ชวนให้นึกถึงภาพเครื่องยนต์ที่ต้องดูดอากาศก่อนทำงาน

คำตอบคือ จรวดพกมวลที่จะพ่นออกไปเอง เมื่อมันเร่งก๊าซให้พุ่งออกทางท้าย แรงปฏิกิริยาจะผลักตัวจรวดไปข้างหน้า จึงสร้าง แรงขับ ได้แม้รอบตัวเป็นสุญญากาศ

ลองนึกถึงลูกโป่งที่ปล่อยมือ ลมพุ่งออกจากปากลูกโป่งไปทางหนึ่ง ส่วนลูกโป่งเคลื่อนไปอีกทางหนึ่ง จรวดทำงานด้วยหลักการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมคล้ายกัน แต่ใช้ถังเชื้อเพลิงหรือก๊าซที่บรรทุกไปกับยาน และมีหัวฉีดช่วยจัดทิศทางของไอพ่น

NASA อธิบายว่าแรงขับของจรวดเกิดจากการปล่อยมวลไอเสียออกมา ไม่ได้เกิดจากการดันอากาศภายนอก นี่เป็นจุดต่างจากเครื่องบินใบพัดและเครื่องยนต์ไอพ่นทั่วไป ซึ่งอาศัยอากาศรอบตัวเป็นส่วนหนึ่งของการทำงาน หากไม่มีอากาศ เครื่องยนต์แบบนั้นก็ไม่มีสิ่งให้ดูดหรือเร่งผ่านตามปกติ

จรวดแต่ละชนิดปล่อยมวลไม่เหมือนกัน เครื่องยนต์เคมีเผาไหม้เชื้อเพลิงแล้วเร่งไอเสียออกจากหัวฉีด ส่วนทรัสเตอร์ก๊าซเย็นใช้ก๊าซที่อัดไว้โดยไม่เผาไหม้ ปล่อยผ่านหัวฉีดให้เกิดแรงขับเล็กกว่าและควบคุมได้ละเอียด จึงเหมาะกับการปรับทิศหรือหันดาวเทียมขนาดเล็ก

ความเรียบง่ายของก๊าซเย็นมีข้อแลกเปลี่ยน: ปริมาณแรงขับรวมมีจำกัดเมื่อเทียบกับระบบขับดันพลังสูง จึงไม่ได้แทนเครื่องยนต์หลักของจรวดปล่อยดาวเทียม NASA ระบุว่าระบบแบบนี้เป็นเทคโนโลยีที่ใช้กับงานควบคุมทิศทางและการเคลื่อนที่ขนาดเล็กได้ดี

ดังนั้นคำว่า “สุญญากาศ” ไม่ได้แปลว่าไม่มีอะไรให้จรวดพ่น แต่หมายถึงไม่มีอากาศรอบนอก จรวดจึงต้องพกทั้งสิ่งที่จะปล่อยและพลังงานที่ใช้เร่งมันไปด้วย ข่าวรถต้นแบบช่วยให้เห็นภาพของไอพ่นก๊าซเย็นได้ แต่รายละเอียดหรือสมรรถนะของรถคันหนึ่งไม่ใช่ตัวแทนของระบบจรวดทุกชนิด

หลักการนี้ทำให้ยานเดินทางต่อได้แม้ไม่มีอากาศเป็นตัวกลาง เพราะแรงขับมาจากมวลที่พ่นออกไปเอง