ในนิยายไซไฟเรื่อง Dune มันจะมีสิ่งมีชีวิตแปลกประหลาดอย่างหนึ่งเรียกว่าหนอนทรายแห่งอาร์ราคิส ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่จะเคลื่อนที่ด้วยการดำดิน ตัวหนอนนี้กินสิ่งต่างๆที่สร้างความเคลื่อนไหว และสิ่งที่มันขับถ่ายออกมาคือ Spice เป็นสารวิเศษใช้ในการทำให้มนุษย์ควบคุมอวกาศยานได้ด้วยความเร็วเหนือแสง ฯลฯ แต่นั่นไม่ใช่ประเด็น ประเด็นของเราคือ หนอนดำดินแห่งอาร์ราคิส มันจะดำดินได้อย่างไร ในฐานะวิดสิวะเกรียนผู้คร่ำหวอดเป็นอับดุล รู้มันทุกเรื่อง เรามาหาคำตอบ และตั้งโมเดลคำนวณกันเป็นเรื่องเป็นราวกันไปเล้ยยยย

---

บทความนี้ จำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับ Vibro fluidization สำหรับผู้ไม่สันทัด สามารถกดขยายเรียนรู้กันก่อนได้ตรงนี้ 
[Spoil] คลิกเพื่อดูข้อความที่ซ่อนไว้Fluidization = ฟลูอิไดเซชั่น คืออะไร

Fluidization เป็นการทำให้ของแข็งที่มีลักษณะเป็นเม็ดผง มีพฤติกรรมเสมือนเป็นของเหลว เพราะว่าของแข็งที่เป็นเม็ดต่างๆไม่ว่าจะเป็นกรวด ทราย หรือลูกปิงปอง มันจะมีช่องว่างระหว่างเม็ดเสมอ ช่องว่างเหล่านี้สามารถเติมด้วยอากาศ และเพราะวัตถุทุกอย่างมีแรงเสียดทาน เมื่อเราผ่านอากาศเข้าไปในปริมาณที่มากพอ ลมจะถูกรีดผ่านช่องว่างของทรายกลายเป็นความเร็วลม และ มันจะถึงจุดหนึ่งที่ความเร็วลมพอดีกับแรงโน้มถ่วงและวัตถุจะเคลื่อนที่อิสระเสมือนไร้น้ำหนัก ณ ตอนนั้น กระบะทรายที่เป่าลมเข้าจากด้านใต้จะมีสภาพเหมือนเป็นกระบะใส่ของเหลว เม็ดทราย จะไม่หลุดออกจากผิวหน้าเนื่องเพราะว่า ความเร็วลมที่สร้างแรงยกได้พอดีเมื่อรีดผ่านช่องว่างของทราย ถ้าพ้นจากผิวหน้ากระบะทราย ความเร็วลมก็จะลดลง และไม่เพียงพอที่จะยกทรายให้ลอยอยู่ในอากาศได้ ตรงนี้เองจึงเป็นที่มาของชื่อ Fluidized ทำให้เป็นของเหลว + Bed กระบะ Fluidized bed มีสมบัติเหมือนของเหลวทุกประการ ถ้าเราวางของที่หนาแน่นกว่า Fluidized bed มันจะจม ถ้าเราฝังของที่หนาแน่นน้อยกว่า Fluidized bed มันจะลอยขึ้นมา

กระบวนการ Fluidization มันทำให้วัตถุที่เป็นผงเป็นเม็ดสามารถขนส่งได้ผ่านท่อ มันทำให้เราสร้างเตาเผาประสิทธิภาพสูง องค์ความรู้ของการทำ Fluidized bed ถูกนำมาสร้างทุ่นช่วยชีวิตสำหรับนักสกี โดยถ้าเกิดหิมะถล่ม นักสกีสามารถเปิดให้บอลลูนข้างในขยายตัวออกมาและทำให้ตัวนักเล่นสกีลอยอยู่ด้านบนของหิมะที่ถล่มเพราะหิมะที่ถล่มลงมามีสภาพเป็น Fluidized bed นั่นเอง

แล้วทีนี้ Vibrofluidization ล่ะ มันมาได้อย่างไร

ตัว Fluidization นั้น มันใช้การรีดอากาศเพื่อยกให้ทรายสามารถเคลื่อนไหวได้โดยอิสระ เพราะในสภาพเสมือนไร้น้ำหนัก แรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวของเม็ดกรวดหรือทรายก็จะเป็นศูนย์เพราะไม่มีน้ำหนักมาเป็นแรงกด การที่เราจะเอาชนะแรงเสียดทานระหว่างเม็ดทรายนั้น นอกจากการเป่าลมผ่าน เรายังสามารถใช้การสั่นและเขย่าวัสดุให้เคลื่อนไหว ในขณะที่วัสดุเคลื่อนไหวกลิ้งไปมา แรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวของเม็ดทรายก็เสมือนว่าเป็นศูนย์เพราะมันถูกดุลด้วยแรงจากการสั่นสะเทือน การเขย่ากระบะทรายด้วยความถี่และความแรงที่เหมาะสมจะทำให้ของที่หนาแน่นน้อยกว่า bulk density ของทรายลอย หนาแน่นกว่าทรายก็จะจม มันจึงเป็นที่มาของชื่อ Vibro สั่น + Fluidized ทำให้เป็นของเหลว + Bed กระบะ

เมื่อเราติดเครื่องกำเนิดการสั่นสะเทือนเข้ากับเรือ และเอาเรือนี้ไปวางบนทราย เราก็จะได้แท่งดิลโด้สั่นได้ขนาดมโหฬารที่สามารถจะลอยและไหลไปได้บนทราย สามารถที่จะดำทรายและไปโผล่ที่ไหนก็ได้ เราสามารถควบคุมการลอยตัวและจมลงของเรือด้วยถังอากาศอัด และถังเก็บทราย โดยเราสามารถสูบทรายเข้าและปล่อยทรายออกจากถังด้วยการทำ Fluidization และทำให้ความหนาแน่นของเรือเปลี่ยน การขับเคลื่อนใต้ทรายจะใช้สายพาน ครีบ หรือแม้แต่ใบพัดก็ทำได้โดยสะดวก 

หนอนดำดินแห่งอาร์ราคิสถ้าจะดำทรายด้วยวิธีการสร้าง Vibrofluidization ให้ทรายเสมือนเป็นทะเลแหวกว่ายได้ มันจะต้องใช้กำลังและพลังงานขนาดไหน การใช้พลังงานของการดำทรายนั้นจะต้องใช้พลังงานมหาศาลจนเลอะเทอะ ถ้าเราจะทำให้ทรายเสมือนเป็นของเหลวไปจนถึงผิวทรายด้านบน เพราะ ทราย ถ้าอัดกันแน่น เราจะไม่สามารถเขย่าจนทรายเป็นของเหลว ทว่า ทราย หรือแม้แต่วัสดุที่เป็นผงต่างๆ มันก็ไม่ได้แพคกันแน่นขนาดนั้น ถึงแม้ข้างใต้ๆมันจะถูกอัดด้วยแรงกดจากด้านบน ช่องว่างหรือ Void ที่จะ support ด้วยพอดีว่าเม็ดทรายเรียงเป็นโครงสร้างกักช่องว่างไว้พอดีมันก็มีอยู่เสมอ ดังนั้น โมเดลการดำดินด้วย Vibrofluidization แบบประหยัดพลังงานสุดๆ จะได้ประมาณดังรูปนี้

ในแง่ของของเหลว การทำ Vibrofluidization แบบเฉพาะส่วน จะคล้ายการหลอมละลาย เหมือนว่าเรือหรือหนอนของเราอยู่ในน้ำแข็ง และหนอนนี้ใช้ความร้อน (ให้การสั่นสะเทือน) ทำให้น้ำแข็งรอบๆตัวละลาย และมันก็กาดึ้บกาดึ้บไป ละลายน้ำแข็งไปเรื่อยๆ ในมุมมองนี้ หนอนของเราจะต้องทำ Vibrofluidization เพียงแค่ในหลักเมตรพอให้ลำตัวหรือขนเกล็ดของมันขยับกาดึ้บๆไปได้ ซึ่งมันก็จะใช้พลังงานน้อยกว่าการทำให้ทรายทั้งหมดรอบตัวมันเป็นของเหลวเพื่อจะลอยตัวแหวกว่ายอยู่ในทะเลทราย

สำหรับโมเดลคำนวณตรงนี้ มีที่มาจาก ทีสิส ป. เอกของคณะวิศวกรรมเคมี โดยคุณ Eric A. Roe ในปี 2003 งานวิจัยของเขาแน่นอนว่ามันไม่ใช่การสร้างเรือดำดินหรือหนอนดูน แต่เป็นการปรับใช้การทำ Vibrofluidization เพื่อช่วยการอบแห้งกรดซิตริกเพราะการอบแห้งด้วยการทำ Fluidization ด้วยอากาศอย่างเดียวมันจะแห้งเกินไป แน่นอน ของที่ใช้เป็นการเป็นงานแบบนี้คงไม่มีใครสนใจจะอ่านหรอก เราต้องเอามาใช้ผิดๆแบบการเอามาคำนวณเรือดำดินหรือขอมดำดินนี่ละมันถึงจะมีคนมาอ่าน งานวิจัยของเขา อยู่ที่นี่

https://digitalcommons.usf.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2459&context=etd&fbclid=IwY2xjawHIve9leHRuA2FlbQIxMAABHXUu7bwB4HuumomwE9bAIqEBCVMjoK1yThysA13B_SqnXuH38H-6saQc2g_aem_bc9UhSmw5ssuZFwSieezTg

ในการคำนวณตรงนี้ เราสมมุติให้หนอนทรายมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร ยาว 400 เมตร และจะดำดินที่ระดับความลึกราว 21 เมตร นับจากเส้นผ่านศูนย์กลางลำตัวถึงผิวดิน โดยเราจะสร้างสภาพ VFB เป็นระยะทางจากพื้นผิวเปลือกหนอนดูนเป็นระยะทาง 1 เมตร เท่ากับเราจะสร้าง VFB เป็นปริมาตรทรายทั้งสิ้น 56,803 ลบม การสั่นสะเทือน อิงจากงานวิจัยเขาบ่งชี้ว่า ความเร่งเชิงมุมที่จำเป็นสำหรับการสร้าง VFB จะต้องมีขนาดสูงกว่า 1 และไม่ต้องเกิน 6 ซึ่งทางผมก็ปรับสมมุติค่า Amplitude ของการสั่นสะเทือนที่ 3 มม และสั่นที่ 43 รอบต่อวินาที จริงๆผมก็อยากใช้ค่าตามอ้างอิงค่าการสั่นยอดนิยมของไวเบรเตอร์ แต่ค่าการสั่นของไวเบรเตอร์จะให้ค่าความเร่งเชิงมุมเกิน 6 ผมเลยลดขนาดการสั่นลงหน่อย สำหรับผู้สนใจว่าไวเบรเตอร์ของสาวๆในท้องตลาดจะสั่นถี่แค่ไหนดิ้นแรงขนาดใด เผื่อจะเอามาทดลองทำ VFB คุณสามารถอ้างอิงได้ที่นี่

https://www.researchgate.net/figure/Frequency-displacement-and-acceleration-of-vibrators_tbl1_254343367?fbclid=IwY2xjawHIvg9leHRuA2FlbQIxMAABHXUu7bwB4HuumomwE9bAIqEBCVMjoK1yThysA13B_SqnXuH38H-6saQc2g_aem_bc9UhSmw5ssuZFwSieezTg

ผลที่ได้คือ

การดำดินของหนอนทรายแห่งอาร์ราคิส ในแบบประหยัดสุดๆก็จะต้องใช้พลังงานในการสั่นสะเทือนที่ 18,700 เมกกะวัตต์ ตัวเลขนี้จะใกล้เคียงการใช้ไฟฟ้าทั้งหมดของประเทศไทย ซึ่งก็ดีกว่าผลการคำนวณแบบทำให้พื้นที่โดยรอบต้องสั่นสะเทือนเป็นของเหลวจนหนอนสามารถแหวกว่ายทรายได้โดยอิสระ เพราะไอ้แบบนั้น เราจะต้องใช้พลังงานราวการใช้พลังงานของโลกทั้งใบในยุคปัจจุบันที่ราว 3,000,000 เมกกะวัตต์ โดยสรุปแล้ว ถ้าหนอนทรายใช้การสั่นสร้าง VFB แค่พอให้ปริมาตรทรายใกล้ๆตัวลื่นเหลวเป็นน้ำ ขนาดของพลังงานเพียง 18,700 เมกกะวัตต์ ก็อาจนับว่า อยู่ในระดับที่เป็นไปได้ที่จะใช้กระบวนการทางชีวภาพในการสร้างพลังงานขนาดนี้นับตามขนาดตัวของมัน และเพราะหนอนทรายมีการสั่นขณะเคลื่อนไหว มันอาจเป็นสาเหตุให้การขี่หนอนทรายต้องใช้การยืนไม่ใช่การนั่ง ไม่อย่างนั้นก็คงจะเสียน้ำกับบ่อยจนขาดน้ำตายในทะเลทรายอันโหดร้ายของดาวเคราะห์อาร์ราคิส