เรือดำน้ำทำงานอย่างไร? ไขความลับมหาสมุทรใต้พิสูจน์

จุดเริ่มต้นของความอยากรู้

สมมุติว่าคุณหยิบก้อนหินก้อนหนึ่งโยนลงไปในน้ำ มันจมลงพร้อมกับเสียงตูม แต่เรือดำน้ำซึ่งหนักหลายพันตันกลับสามารถลอยน้ำและดำลงไปใต้ท้องมหาสมุทรได้ตามใจ ทำไมเป็นเช่นนั้น?

คำตอบไม่ใช่เวทมนตร์ แต่เป็นหลักการทางฟิสิกส์ที่มนุษย์เรานำมาประยุกต์ใช้จนสร้างเครื่องจักรที่ทรงพลังที่สุดเครื่องหนึ่งบนโลกใบนี้

หลักการของ Archimedes กุญแจสู่ใต้ทะเล

หัวใจสำคัญของการทำงานของเรือดำน้ำคือหลักการของอาร์คิมิดีส (Archimedes' principle) ซึ่งกล่าวว่า วัตถุที่จมอยู่ในของเหลวจะมีแรงพยุงขึ้นมาเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่

เมื่อเรือดำน้ำลอยอยู่บนผิวน้ำ น้ำหนักของน้ำที่มันแทนที่จะมากกว่าหรือเท่ากับน้ำหนักของตัวเรือเอง ทำให้มันไม่จม แต่เมื่อต้องการดำลงไปใต้น้ำ เรือดำน้ำจะต้องทำตัวให้หนักขึ้นจนแรงพยุงไม่เพียงพอ มันจึงจมลง

ระบบ Ballast Tank เครื่องกำหนดชะตากรรม

เครื่องมือที่ทำให้เรือดำน้ำสามารถควบคุมน้ำหนักได้คือ Ballast Tank หรือถังทุ่นตลอดเรือ ซึ่งสามารถเติมน้ำหรืออัดอากาศเข้าไปได้

การดำลงใต้น้ำ

เมื่อต้องการดำลง วาล์วที่เรียกว่า Kingstons จะเปิดออก ทำให้น้ำทะเลไหลเข้าสู่ Ballast Tank พร้อมกันนั้นอากาศภายในถังจะถูกปล่อยออกทางช่องระบายด้านบน เมื่อน้ำเข้ามากขึ้นเรือก็จะหนักขึ้นจนมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำทะเล และจมลงใต้สมุทร

การลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ

เมื่อต้องการขึ้นสู่ผิวน้ำ เรือดำน้ำจะอัดอากาศอัดเข้าไปใน Ballast Tank ด้วยแรงดันสูง อากาศจะดันน้ำออกจากถังผ่านวาล์วด้านล่าง เมื่อน้ำถูกดันออกไปเรือจะเบาลง และแรงพยุงจะดันให้เรือลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ

การควบคุมทิศทางและความลึก

การดำลงหรือขึ้นเพียงอย่างเดียวยังไม่พอ เรือดำน้ำต้องควบคุมทิศทางและความลึกได้อย่างแม่นยำ ซึ่งทำได้โดยอาศัย Hydroplanes หรือครีบควบคุมที่ติดอยู่ที่ส่วนหัวและท้ายเรือ

เมื่อเรือดำน้ำกำลังเคลื่อนที่ การปรับมุมของ Hydroplanes จะสร้างแรงยกขึ้นหรือกดลง ทำให้เรือสามารถปรับระดับความลึกได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนปริมาณน้ำใน Ballast Tank ตลอดเวลา

ระบบขับเคลื่อนใต้พิสูจน์

เรือดำน้ำยุคแรกใช้เครื่องยนต์ดีเซลสำหรับการเคลื่อนที่บนผิวน้ำ และใช้มอเตอร์ไฟฟ้นเมื่อดำลงใต้น้ำ แต่เครื่องยนต์ดีเซลต้องการออกซิเจนจึงไม่สามารถทำงานใต้น้ำได้

เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์

การมาถึงของเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์เปลี่ยนโลกใต้พิสูจน์อย่างสิ้นเชิง เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สร้างความร้อนที่ใช้ต้มน้ำให้เป็นไอน้ำ ไอน้ำจะไปขับกังหันที่หมุนใบพัดเรือ ระบบนี้ไม่ต้องการออกซิเจนจากภายนอก ทำให้เรือดำน้ำสามารถอยู่ใต้น้ำได้นานหลายเดือนโดยไม่ต้องขึ้นมาเติมอากาศ

เรือดำน้ำนิวเคลียร์ลำแรกของโลกคือ USS Nautilus ที่สหรัฐฯ ปล่อยลงน้ำในปี 1954 มันสามารถเดินทางใต้น้ำได้ไกลกว่า 100,000 กิโลเมตรโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง

การหายใจใต้ท้องมหาสมุทร

มนุษย์ต้องการออกซิเจนเพื่อหายใจ แต่ใต้น้ำไม่มีอากาศ เรือดำน้ำจึงต้องมีระบบสร้างออกซิเจนของตัวเอง

ระบบ Electrolysis

เรือดำน้ำนิวเคลียร์ใช้กระแสไฟฟ้นจากเครื่องปฏิกรณ์มาแยกน้ำทะเลให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนผ่านกระบวนการที่เรียกว่า Electrolysis ออกซิเจนที่ได้จะถูกอัดเก็บและปล่อยเข้าสู่ห้องอาศัยอย่างควบคุม

การกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์

นอกจากต้องเติมออกซิเจนแล้ว เรือดำน้ำยังต้องกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ที่ลูกเรือหายใจออกมา ซึ่งทำได้โดยให้ก๊าซผ่านสารละลายอะมีน (Amine) ที่ดูซับคาร์บอนไดออกไซด์ได้ดี จากนั้นสารละลายจะถูกนำไปให้ความร้อนเพื่อปลดปล่อยก๊าซออกและทิ้ง

การมองเห็นในความมืดมิด

ใต้ท้องมหาสมุทรเป็นความมืดมิดสนิท หน้าต่างกระจกไม่มีประโยชน์เมื่อดำลงไปลึก ๆ เรือดำน้ำจึงต้องพึ่งพาเทคโนโลยีอื่น

ระบบ Sonar

Sonar (Sound Navigation and Ranging) เป็นหัวใจสำคัญของการมองเห็นใต้น้ำ มีสองประเภทหลักคือ

• Active Sonar ส่งเสียงออกไปและรอรับเสียงสะท้อนกลับเพื่อคำนวณระยะทางและตำแหน่งของวัตถุ แต่การส่งเสียงออกไปทำให้เรือดำน้ำถูกตรวจจับได้
• Passive Sonar เป็นเพียงการฟังเสียงที่เกิดขึ้นรอบ ๆ เรือโดยไม่ส่งเสียงออกไป วิธีนี้ปลอดภัยกว่าเพราะไม่เปิดเผยตัวเอง แต่ต้องอาศัยความชำนาญในการแยกแยะเสียง

ความท้าทายของแรงดัน

ยิ่งดำลงลึกเท่าไร แรงดันน้ำก็ยิ่งสูงขึ้น ทุก ๆ 10 เมตรที่ลงลึกขึ้น แรงดันจะเพิ่มขึ้นประมาณ 1 บรรยากาศ ที่ความลึก 300 เมตร แรงดันจะสูงถึง 30 บรรยากาศ หรือเท่ากับมีน้ำหนักกดที่ตัวเรือประมาณ 300 ตันต่อตารางเมตร

ลำตัวเรือดำน้ำจึงต้องสร้างจากเหล็กความแข็งแรงสูงเช่น HY-80 หรือ HY-100 ซึ่งสามารถทนแรงดันมหาศาลได้โดยไม่ยุบตัว การออกแบบต้องเป็นทรงกระบอกกลมเพราะเป็นรูปทรงที่กระจายแรงดันได้ดีที่สุด

ชีวิตประจำวันบนเรือดำน้ำ

การใช้ชีวิตบนเรือดำน้ำเป็นประสบการณ์ที่ไม่เหมือนใคร พื้นที่อยู่อาศัยจำกัด ลูกเรือต้องแบ่งเตียงนอนกัน (Hot Bunking) ในบางเรือ อาหารต้องเก็บในตู้แช่ที่จำกัด และทุกอย่างต้องทำอย่างประหยัดพื้นที่

แต่เรือดำน้ำสมัยใหม่ก็มีสิ่งอำนวยความสะดวกพื้นฐาน เช่น ห้องอาหาร ห้องอ่านหนังสือ และบางลำมีห้องออกกำลังกายเล็ก ๆ ด้วย

อนาคตของเรือดำน้ำ

เทคโนโลยีเรือดำน้ำยังพัฒนาต่อไปไม่หยุดยั้ง มีการวิจัยระบบขับเคลื่อนใหม่ที่เงียบกว่าเดิม ระบบปัญญาประดิษฐ์เริ่มถูกนำมาใช้ในการประมวลผล Sonar และมีแนวคิดเรือดำน้ำไร้คนขับที่สามารถปฏิบัติงานในพื้นที่อันตรายได้

นอกจากนี้เรือดำน้ำยังมีบทบาทในงานวิจัยทางทะเล การสำรวจใต้ทะเลลึก และการติดตั้งสายเคเบิลใต้มหาสมุทร ไม่ใช่เพียงการทางทหารเท่านั้น

สรุป

เรือดำน้ำเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางวิศวกรรมที่ผสมผสานหลักการทางฟิสิกส์พื้นฐานกับเทคโนโลยีล้ำสมัย ตั้งแต่หลักการของอาร์คิมิดีสที่เรียนกันตั้งแต่โรงเรียน ไปจนถึงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ขับเคลื่อนเรือใต้น้ำได้นานหลายเดือน

การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของเรือดำน้ำไม่เพียงทำให้เราเห็นภูมิปัญญาของมนุษย์ แต่ยังเปิดมุมมองให้เราตระหนักถึงความเป็นไปได้ที่ไม่มีขอบเขตเมื่อเราผสมผสานความรู้กับจินตนาการ

ลองนึกดูว่าถ้าคุณได้ขึ้นไปอยู่บนเรือดำน้ำลำหนึ่ง คุณจะรู้สึกอย่างไรเมื่อรู้ว่าระหว่างคุณกับความตายมีเพียงแผ่นเหล็กหนาไม่กี่เซนติเมตร และระบบวิศวกรรมที่มนุษย์สร้างขึ้น คุณจะกล้าดำลงไปใต้ท้องมหาสมุทรไหม?