เครื่องยนต์ปฏิสสาร ขับเคลื่อนแรงกว่าพลังนิวเคลียร์พันเท่า ใกล้เป็นจริงหรือยัง?

เมื่อสัปดาห์ที่แล้วมีข่าวการค้นพบครั้งสำคัญที่ชี้ว่า “ปฏิสสาร” (antimatter) อนุภาคขั้วตรงข้ามของสสารธรรมดาซึ่งหาพบได้ยากมากในจักรวาล ตกอยู่ใต้อิทธิพลของความโน้มถ่วงและร่วงหล่นสู่พื้นได้เช่นเดียวกับสสารปกติ

ข่าวนี้สร้างความประหลาดใจให้กับแวดวงวิทยาศาสตร์ รวมทั้งปลุกความสนใจในเรื่องความเป็นไปได้ของ “เครื่องยนต์พลังปฏิสสาร” ที่มนุษย์หวังว่าจะใช้เดินทางข้ามห้วงอวกาศได้รวดเร็วในพริบตาขึ้นมาอีกครั้ง

แนวคิดเรื่องการสร้างเครื่องยนต์ขับดันยานอวกาศ ซึ่งพุ่งทะยานไปข้างหน้าแบบเฉียดเข้าใกล้ความเร็วแสง เนื่องจากได้พลังมหาศาลจากการทำปฏิกิริยาหักล้างระหว่างสสาร-ปฏิสสาร (matter-antimatter engine) เป็นแนวคิดที่รู้จักกันมานานและปรากฏอยู่บ่อยครั้งในนวนิยายหรือภาพยนตร์แนวไซ-ไฟ

ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่า ยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยการทำปฏิกิริยาหักล้างระหว่างสสาร-ปฏิสสาร จะทรงพลังยิ่งกว่าเครื่องยนต์ขับดันรุ่นใด ๆ ที่เคยมีมา เพราะปฏิกิริยาดังกล่าวจะให้ผลผลิตเป็นพลังงานล้วน ๆ ร้อยเปอร์เซ็นต์ ซึ่งมากกว่าที่เครื่องยนต์เผาไหม้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและออกซิเจนเหลวจะให้ได้ถึง 10,000 ล้านเท่า และยังทำความเร็วเหนือกว่าถึง 10 ล้านเท่า

แต่ในขณะเดียวกันหลายคนพากันสงสัยว่า จนถึงทุกวันนี้ แนวคิดล้ำยุคดังกล่าวได้ถูกพัฒนาจนมีความเป็นไปได้จริงมากน้อยแค่ไหนแล้ว ?

นักฟิสิกส์เริ่มมีแนวคิดเรื่องปฏิสสารครั้งแรกในปี 1928 เมื่อพอล ดิแร็ก (Paul Dirac) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เสนอว่ามวล (m) ในสมการ E = mc² ของไอน์สไตน์ สามารถจะมีค่าเป็นลบได้ ซึ่งหมายความว่าในธรรมชาติมีพลังงานลบอยู่เช่นเดียวกับพลังงานบวก และสื่อถึงการดำรงอยู่ของปฏิสสารที่มีคุณสมบัติตรงกันข้ามกับสสารโดยทั่วไปนั่นเอง

ทว่าปฏิสสารนั้นหาพบได้ยากมากในปัจจุบัน ส่วนใหญ่มนุษย์ต้องสร้างขึ้นมาด้วยเครื่องเร่งและชนอนุภาค โดยแทบจะไม่พบตามแหล่งกำเนิดในธรรมชาติเลย

บรรดานักฟิสิกส์จึงตั้งสมมติฐานว่า ปฏิสสารเคยมีอยู่ทั่วไปในอดีตช่วงกำเนิดจักรวาลหรือบิ๊กแบง ในปริมาณที่เท่ากันพอดีกับสสารธรรมดา แต่ด้วยสาเหตุลึกลับบางประการ ทำให้สสารทั้งสองชนิดไม่หักล้างกันจนหมดสิ้นไป ส่งผลให้จักรวาลในทุกวันนี้ไม่ว่างเปล่าและยังคงมีสสารหลงเหลืออยู่

คาร์ล แอนเดอร์สัน นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เป็นผู้ค้นพบโพซิตรอน (positron) หรืออนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุบวกแทนที่จะเป็นลบในปี 1932 ซึ่งเป็นหลักฐานเชิงประจักษ์ชิ้นแรกที่ยืนยันถึงการมีอยู่ของปฏิสสาร

ต่อมาในปี 1955 มีการค้นพบแอนติโปรตอน (anti-proton) หรืออนุภาคโปรตอนที่มีประจุลบแทนที่จะเป็นบวก และในช่วงปลายทศวรรษ 1990 องค์การวิจัยนิวเคลียร์แห่งยุโรปหรือเซิร์น (CERN) สามารถจับคู่โพซิตรอนและแอนติโปรตอน จนสร้างอนุภาค “แอนติอะตอม” (anti-atom) ได้สำเร็จ ซึ่งปฏิสสารนี้มีชีวิตอยู่สั้นมากเพียง 40 นาโนวินาที

อย่างไรก็ตาม นับแต่ช่วงปลายทศวรรษ 1970 เป็นต้นมา มีการค้นพบร่องรอยของปฏิสสารในธรรมชาติ บริเวณใกล้กับใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกและดาราจักรอื่น ๆ ไม่กี่แห่ง ทำให้มีความหวังขึ้นมาบ้างว่า มนุษย์อาจจะสามารถเก็บเกี่ยวปฏิสสารจากห้วงอวกาศมาใช้ผลิตพลังงานได้ โดยไม่ต้องสร้างขึ้นมาเองจากการชนอนุภาค

ในปัจจุบันการผลิตปฏิสสารด้วยวิธีนี้ยังมีประสิทธิภาพต่ำ เพราะใน 1 ปี เซิร์นสามารถผลิตแอนติโปรตอนจากเครื่องชนอนุภาคได้เพียง 1-2 พิโคกรัม หรือราว 1 ในล้านล้านส่วนของปริมาณ 1 กรัม ซึ่งพอจะทำให้หลอดไฟ 100 วัตต์ สว่างขึ้นมาได้นาน 3 วินาทีเท่านั้น

ทว่าผลการวิจัยล่าสุดในปี 2000 ชี้ว่า เราสามารถใช้ปฏิสสารในปริมาณน้อยนิดเพียง 1 ในล้านส่วนของ 1 กรัม สำหรับการผลิตพลังงานขับเคลื่อนยานอวกาศ ซึ่งปฏิสสารจำนวนนี้เพียงพอจะพามนุษย์ไปถึงดาวอังคารได้ ภายในระยะเวลาไม่เกิน 1 ปี ซึ่งใกล้เคียงกับความเร็วที่เครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลวทำได้ในปัจจุบัน

ด้านองค์การนาซาก็ได้เผยร่างต้นแบบของเครื่องยนต์พลังปฏิสสารออกมา ตั้งแต่เดือน ต.ค. ปี 2000 ซึ่งเชื่อว่าจะช่วยตัดลดค่าใช้จ่ายที่เสียไปกับเชื้อเพลิงเหลวปริมาณมหาศาลลงได้ในอนาคต แต่ก็ยังคงมีปัญหาใหญ่ในด้านการออกแบบวิศวกรรมว่า จะทำอย่างไรให้ห้องบรรจุปฏิสสารไม่ระเบิดออกกลางคัน เนื่องจากการทำปฏิกิริยากับสสารแบบไม่คาดฝัน

ปฏิกิริยาหักล้างระหว่างสสาร-ปฏิสสาร ปลดปล่อยพลังงานที่รุนแรงยิ่งกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิซชัน 1,000 เท่า และรุนแรงยิ่งกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน 300 เท่า โดยอนุภาคแอนติโปรตอน 10 กรัม ก็เพียงพอที่จะส่งยานพร้อมมนุษย์อวกาศไปถึงดาวอังคารได้ โดยใช้เวลาเดินทางเพียง 1 เดือนเท่านั้น

ด้วยเหตุนี้ ยานอวกาศรุนใหม่จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง ที่จะต้องเก็บรักษาปฏิสสารในห้องที่แยกออกจากสสารโดยเด็ดขาด ซึ่งอาจมีการใช้วงแหวนแม่เหล็กขนาดใหญ่ สร้างสนามแม่เหล็กทรงพลังครอบท่อบรรจุปฏิสสาร เพื่อกักมันไว้ภายในอย่างมิดชิด ก่อนจะปล่อยออกบางส่วนขณะผลิตพลังงาน โดยยิงตรงไปยังสสารธรรมดาที่ใช้เป็นเป้า และใช้หัวฉีดแม่เหล็กจ่ายพลังงานที่ได้ไปยังตัวเครื่องยนต์ขับดันต่อไป

คาดว่ายานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานจากปฏิสสาร จะสามารถทำความเร็วสูงสุดได้ถึง 116 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งจะทำให้การเดินทางในห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว โดยออกพ้นขอบเขตของระบบสุริยะ สามารถเป็นจริงได้อย่างไม่ไกลเกินฝันในอนาคตหลายสิบปีข้างหน้า

บทความจาก บีบีซีไทย