Как будет работать космический корабль на антивеществе

[Carder]

Подобный космический аппарат на антивеществе когда-нибудь сможет сократить полет к Марсу с 11 месяцев до одного месяца.

«Инженерное дело, ждите варп-двигателя». С этой командой экипаж «Звездного пути» USS Enterprise приготовился швырнуть космический корабль через космос на сверхсветовых скоростях. Варп-двигатель - это еще одна из тех научно-фантастических технологий, таких как телепортация и путешествия во времени, которые имеют научную основу. Это просто еще не достигнуто. Однако ученые работают над разработкой двигателя межзвездного космического корабля, который похож на двигатель вещества-антивещества Энтерпрайза.
Ни один двигатель не может генерировать сверхсветовые скорости; законы физики не позволяют нам этого делать, но мы сможем двигаться во много раз быстрее, чем позволяют наши нынешние методы движения. Двигатель из вещества и антивещества перенесет нас далеко за пределы нашей Солнечной системы и позволит достичь ближайших звезд за долю времени, которое потребуется космическому кораблю, который приводится в движение жидкостным водородным двигателем, подобным тому, который используется в космических кораблях. Это как разница между вождением гоночного автомобиля Indy и Ford Pinto 1971 года выпуска. В Pinto вы в конечном итоге доберетесь до финиша, но это займет в 10 раз больше времени, чем на автомобиле Indy.

В этой статье мы заглянем на несколько десятилетий в будущее космических путешествий, чтобы взглянуть на космический корабль на антивеществе и выяснить, что такое антивещество на самом деле и как оно будет использоваться для усовершенствованной двигательной установки.

Что такое антиматерия?​

На этом составном изображении Крабовидной туманности вещество и антивещество движутся Крабовидным пульсаром почти со скоростью света. Изображения были получены из рентгеновской обсерватории НАСА Чандра и космического телескопа Хаббла.

Это не вопрос с подвохом. Антивещество - это именно то, что вы могли подумать - противоположность обычной материи, из которой состоит большая часть нашей Вселенной. До недавнего времени присутствие антивещества в нашей Вселенной считалось только теоретическим. В 1928 году британский физик Пол AM Дирак пересмотрел знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc². Дирак сказал, что Эйнштейн не учел, что буква m в уравнении - масса - может иметь как положительные, так и отрицательные свойства. Уравнение Дирака (E = + или - mc 2 ) допускало существование античастиц в нашей Вселенной. Ученые с тех пор доказали, что существует несколько античастиц.
Эти античастицы в буквальном смысле являются зеркальным отражением нормальной материи. Каждая античастица имеет ту же массу, что и соответствующая частица, но электрические заряды меняются местами. Вот несколько открытий антивещества 20 века:

• Позитроны - электроны с положительным зарядом вместо отрицательного. Открытые Карлом Андерсоном в 1932 году позитроны были первым доказательством существования антивещества.
• Антипротоны - протоны, которые имеют отрицательный заряд вместо обычного положительного. В 1955 году исследователи из Беватрона в Беркли получили антипротон.
• Анти-атомы - Спаривание вместе позитроны и антипротоны, ученые ЦЕРН, Европейская организация ядерных исследований, создали первый анти-атом. Были созданы девять антиводородных атомов, каждый из которых длился всего 40 наносекунд. В 1998 году исследователи ЦЕРНа увеличили производство атомов антиводорода до 2000 в час.

Когда антивещество вступает в контакт с нормальной материей, эти равные, но противоположные частицы сталкиваются, чтобы произвести взрыв, испускающий чистое излучение, которое выходит из точки взрыва со скоростью света. Обе частицы, создавшие взрыв, полностью аннигилируют, оставляя после себя другие субатомные частицы. Взрыв, который происходит при взаимодействии антивещества и вещества, переводит всю массу обоих объектов в энергию. Ученые считают, что эта энергия более мощная, чем любая, которую можно получить с помощью других методов движения.

Итак, почему мы не создали двигатель реакции материя-антивещество? Проблема с развитием двигателя на антивеществе состоит в том, что во Вселенной не хватает антивещества. Если бы было равное количество вещества и антивещества, мы, вероятно, увидели бы эти реакции вокруг себя. Поскольку антивещества вокруг нас не существует, мы не видим света, возникающего в результате его столкновения с веществом.

Возможно, что во время Большого взрыва количество частиц было больше, чем античастиц. Как указано выше, столкновение частиц и античастиц разрушает и то, и другое. И поскольку изначально во Вселенной могло быть больше частиц, это все, что осталось. Сегодня в нашей Вселенной может не быть естественных античастиц. Однако в 1977 году ученые обнаружили возможное месторождение антивещества недалеко от центра галактики. Если оно действительно существует, это будет означать, что антивещество существует естественным образом, и необходимость в создании нашего собственного антивещества отпадет.

А пока нам придется создать собственное антивещество. К счастью, есть технология, позволяющая создавать антивещество с помощью коллайдеров частиц высоких энергий, также называемых «сокрушителями атомов». Разрушители атомов, такие как ЦЕРН, представляют собой большие туннели, выстланные мощными супермагнитами, которые вращаются вокруг, чтобы двигать атомы со скоростью, близкой к световой. Когда атом проходит через этот ускоритель, он врезается в цель, создавая частицы. Некоторые из этих частиц являются античастицами, разделенными магнитным полем. Эти ускорители частиц высоких энергий производят только один или два пикограмма антипротонов в год. Пикограмм - это одна триллионная грамма. Всего антипротонов, произведенных в ЦЕРНе за один год, хватило бы, чтобы зажечь 100-ваттную электрическую лампочку на три секунды. Чтобы добраться до межзвездного пространства, потребуются тонны антипротонов.

Двигатель-Антивещество​

Космический корабль на антивеществе, подобный тому, что изображен на этой концепции художника, может унести нас за пределы Солнечной системы с поразительной скоростью.

НАСА, возможно, осталось всего несколько десятилетий до разработки космического корабля на антивеществе, который снизил бы расходы на топливо до доли того, что они есть сегодня. В октябре 2000 года ученые НАСА объявили о первых проектах двигателя на антивеществе, который мог бы генерировать огромную тягу, используя лишь небольшое количество антивещества. Количество антивещества, необходимое для питания двигателя для годичного полета на Марс, может составлять всего одну миллионную грамма, согласно отчету в журнале Journal of Propulsion and Power за этот месяц.

Двигательная установка материя-антивещество будет самой эффективной из когда-либо разработанных двигателей, потому что 100 процентов массы вещества и антивещества преобразуется в энергию. Когда вещество и антивещество сталкиваются, энергия, выделяемая при их аннигиляции, высвобождает примерно в 10 миллиардов раз больше энергии, чем выделяется химическая энергия, такая как сгорание водорода и кислорода, которое используется космическими шаттлами. Реакции материя-антивещество в 1000 раз мощнее ядерного деления, производимого на атомных электростанциях, и в 300 раз мощнее, чем энергия ядерного синтеза. Таким образом, двигатели на основе вещества и антивещества могут продвинуть нас дальше с меньшим количеством топлива. Проблема заключается в создании и хранении антивещества. Двигатель из вещества и антивещества состоит из трех основных компонентов:

• Магнитные накопительные кольца - антивещество должно быть отделено от обычного вещества, чтобы накопительные кольца с магнитными полями могли перемещать антивещество по кольцу до тех пор, пока оно не понадобится для создания энергии.
• Система питания - когда космическому кораблю требуется больше энергии, антивещество высвобождается и сталкивается с материальной целью, которая выделяет энергию.
• Магнитное ракетное сопло. Подобно коллайдеру частиц на Земле, длинное магнитное сопло будет перемещать энергию, создаваемую материей-антивеществом, через двигатель малой тяги.

Накопители на космическом корабле будут удерживать антивещество.

Приблизительно 10 граммов антипротонов будет достаточно для отправки пилотируемого космического корабля на Марс в течение одного месяца. Сегодня беспилотному космическому кораблю требуется почти год, чтобы достичь Марса. В 1996 году Mars Global Surveyor прибыл на Марс за 11 месяцев. Ученые считают, что скорость космического корабля, работающего на основе вещества и антивещества, позволит человеку отправиться туда, где прежде в космосе никто не бывал. Можно было бы совершить поездки к Юпитеру и даже за гелиопаузу, точку, в которой заканчивается солнечное излучение. Но пройдет еще много времени, прежде чем космонавты попросят рулевого своего звездолета разогнать их до максимальной скорости.