Jeśli chcesz zbudować potężny statek kosmiczny, nie ma nic lepszego niż antymateria. Instytut Zaawansowanych Koncepcji NASA finansuje zespół naukowców, którzy próbują zaprojektować statek kosmiczny zasilany antymaterią, który mógłby uniknąć niektórych z tych problemów.
Większość szanujących się statków kosmicznych w opowieściach science fiction wykorzystuje anty materię jako paliwo nie bez powodu - jest to najsilniejsze znane paliwo. Podczas gdy tony paliwa chemicznego są potrzebne do napędzenia ludzkiej misji na Marsa, wystarczy zaledwie kilkadziesiąt miligramów antymaterii (miligram jest około jednej tysięcznej masy oryginalnego cukierka M&M).
Jednak w rzeczywistości ta moc ma swoją cenę. Niektóre reakcje antymaterii wytwarzają podmuchy wysokoenergetycznych promieni gamma. Promienie gamma są jak promieniowanie rentgenowskie na sterydach. Wnikają w materię i rozbijają molekuły w komórkach, więc przebywanie w pobliżu nie jest zdrowe. Wysokoenergetyczne promienie gamma mogą również powodować promieniowanie silników przez rozdrobnienie atomów materiału silnika.
NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) finansuje zespół naukowców pracujących nad nowym projektem statku kosmicznego napędzanego antymaterią, który pozwala uniknąć tego nieprzyjemnego efektu ubocznego poprzez wytwarzanie promieni gamma o znacznie niższej energii.
Antymateria jest czasami nazywana lustrzanym odbiciem normalnej materii, ponieważ chociaż wygląda jak zwykła materia, niektóre właściwości są odwrócone. Na przykład normalne elektrony, znane cząsteczki, które przenoszą prąd elektryczny we wszystkim, od telefonów komórkowych po telewizory plazmowe, mają ujemny ładunek elektryczny. Antyelektrony mają ładunek dodatni, więc naukowcy nazwali je „pozytronami”.
Kiedy antymateria styka się z materią, oba unicestwiają się w błysku energii. To całkowite przekształcenie w energię sprawia, że antymateria jest tak potężna. Nawet reakcje jądrowe zasilające bomby atomowe zachodzą w odległej sekundzie, a zaledwie około trzy procent ich masy zamienia się w energię.
Poprzednie konstrukcje statków kosmicznych zasilanych antymaterią stosowały antyprotony, które wytwarzają wysokoenergetyczne promienie gamma podczas ich anihilacji. Nowy projekt będzie wykorzystywał pozytony, które wytwarzają promienie gamma o około 400 razy mniejszej energii.
Badanie NIAC jest wstępnym badaniem mającym na celu sprawdzenie, czy pomysł jest wykonalny. Jeśli wygląda to obiecująco i dostępne są fundusze na udany rozwój technologii, statek kosmiczny napędzany pozytronem miałby kilka zalet w stosunku do istniejących planów misji ludzkiej na Marsa, zwanej Mars Reference Mission.
„Najważniejszą zaletą jest większe bezpieczeństwo” - powiedział dr Gerald Smith z Positronics Research, LLC, w Santa Fe w Nowym Meksyku. Obecna misja referencyjna wzywa reaktor jądrowy do napędzania statku kosmicznego na Marsa. Jest to pożądane, ponieważ napęd jądrowy skraca czas podróży na Marsa, zwiększając bezpieczeństwo załogi poprzez zmniejszenie narażenia na promieniowanie kosmiczne. Statek kosmiczny zasilany chemicznie waży znacznie więcej i kosztuje znacznie więcej. Reaktor zapewnia również wystarczającą moc na trzyletnią misję. Ale reaktory jądrowe są złożone, więc więcej rzeczy może potencjalnie pójść nie tak podczas misji. „Jednak reaktor pozytronowy oferuje te same zalety, ale jest stosunkowo prosty”, powiedział Smith, główny badacz do badania NIAC.
Reaktory jądrowe są również radioaktywne nawet po zużyciu paliwa. Po przybyciu statku na Marsa misje referencyjne mają skierować reaktor na orbitę, która nie napotka Ziemi przez co najmniej milion lat, kiedy resztkowe promieniowanie zostanie zredukowane do bezpiecznego poziomu. Jednak zespół nie pozbywa się promieniowania w reaktorze pozytonowym po zużyciu paliwa, więc nie ma obaw o bezpieczeństwo, jeśli zużyty reaktor pozytonowy przypadkowo ponownie wejdzie w atmosferę ziemską, według zespołu.
Uruchomienie również będzie bezpieczniejsze. Jeśli rakieta z reaktorem jądrowym eksploduje, może uwolnić radioaktywne cząstki do atmosfery. „Nasz pozytronowy statek kosmiczny wyzwoliłby błysk promieni gamma, gdyby wybuchł, ale promienie gamma zniknęłyby natychmiast. Na wietrze nie byłoby cząstek radioaktywnych. Błysk byłby również ograniczony do stosunkowo niewielkiego obszaru. Strefa zagrożenia wynosiłaby około kilometra (około pół mili) wokół statku kosmicznego. Zwykła duża rakieta z napędem chemicznym ma strefę niebezpieczną mniej więcej tego samego rozmiaru z powodu dużej kuli ognia, która byłaby wynikiem jej wybuchu ”- powiedział Smith.
Kolejną istotną zaletą jest szybkość. Statek kosmiczny Misja Referencyjna zabrałby astronautów na Marsa za około 180 dni. „Nasze zaawansowane konstrukcje, takie jak koncepcja rdzenia gazowego i silnika ablacyjnego, mogą zabrać astronautów na Marsa w połowie tego czasu, a może nawet w ciągu zaledwie 45 dni”, powiedział Kirby Meyer, inżynier z Positronics Research w badaniu.
Zaawansowane silniki robią to, pracując na gorąco, co zwiększa ich wydajność lub „impuls właściwy” (Isp). Isp to „mila na galon” rakiety: im wyższy Isp, tym szybciej możesz jechać, zanim zużyjesz zapas paliwa. Najlepsze rakiety chemiczne, takie jak główny silnik NASA Space Shuttle, osiągają maksimum po około 450 sekundach, co oznacza, że funt paliwa wytworzy funt ciągu przez 450 sekund. Reaktor jądrowy lub pozytronowy może wykonać ponad 900 sekund. Silnik ablacyjny, który powoli paruje, wytwarzając ciąg, może osiągnąć nawet 5000 sekund.
Jednym z technicznych wyzwań związanych z urzeczywistnieniem pozytronowego statku kosmicznego jest koszt wytworzenia pozytonów. Ze względu na jego spektakularny wpływ na normalną materię, wokół nie ma wiele antymaterii. W kosmosie powstaje w zderzeniach szybkich cząstek zwanych promieniami kosmicznymi. Na Ziemi należy go tworzyć w akceleratorach cząstek, ogromnych maszynach, które niszczą razem atomy. Maszyny są zwykle używane do odkrywania, jak wszechświat działa na głębokim, podstawowym poziomie, ale można je wykorzystać jako fabryki antymaterii.
„Szacunkowe przybliżenie 10 miligramów pozytonów potrzebnych do misji na Marsie to około 250 milionów dolarów przy użyciu technologii, która jest obecnie w fazie rozwoju” - powiedział Smith. Koszt ten może wydawać się wysoki, ale należy wziąć pod uwagę dodatkowy koszt uruchomienia cięższej rakiety chemicznej (obecne koszty wystrzelenia wynoszą około 10 000 USD za funt) lub koszt paliwa i zapewnienia bezpieczeństwa reaktora jądrowego. „Na podstawie doświadczeń z technologią nuklearną wydaje się rozsądne oczekiwać, że koszty produkcji pozytronów spadną wraz z większą liczbą badań”, dodał Smith.
Kolejnym wyzwaniem jest przechowywanie wystarczającej liczby pozytonów na małej przestrzeni. Ponieważ anihilują normalną materię, nie można po prostu wrzucić ich do butelki. Zamiast tego muszą być ograniczone polami elektrycznymi i magnetycznymi. „Jesteśmy przekonani, że dzięki dedykowanemu programowi badań i rozwoju można sprostać tym wyzwaniom” - powiedział Smith.
Jeśli tak, być może pierwsi ludzie, którzy dotrą na Marsa, pojawią się w statkach kosmicznych zasilanych z tego samego źródła, z którego wystrzeliwano statki kosmiczne we wszechświatach naszych snów science fiction.
Oryginalne źródło: NASA News Release
