Антиматерия: производствен проблем

Антиматерията е толкова сложна перспектива за реактивно задвижване, че когато се появи нова перспектива за нейното приложение, се опитвам да разбера последиците от космическите мисии на дълги разстояния. Но тази новина, интересна при всички случаи, неизбежно се балансира от суровата реалност на производствения проблем.

Кораб "Антиматерия Марс".

Няма съмнение, че антиматерията е мощен материал, с потенциал да генерира хиляди пъти повече енергия от реакциите на ядрено делене. Вземете водорода като работна течност, която се нагрява от антиматерия, а 10 грама антиматерия могат да ви дадат същата тяга като 120 тона конвенционално ракетно гориво.

Ако успяхме да намалим цената до 10 милиона долара за милиграм, реактивното задвижване на антиматерията би било по-евтино от ядреното задвижване, в зависимост от ефективността на дизайна. Но как може да се намали този разход? Съвременните оценки показват, че производството на антиматерия в съвременните лаборатории с ускорители ще струва от 100 трилиона долара на грам. Докато работех по книгата си „Мечти на Кентавър“, прекарах известно време, разглеждайки колекцията от статии на Робърт Форвард в Университета на Алабама-Хънтсвил, където в библиотеката на сьомгата се съхраняват няколко кутии с материали. Forward работи непрекъснато в много различни области, като винаги се фокусира върху най-новите изследвания. По-специално той публикува поредица от бюлетини за научни събития, свързани с антиматерията, които разпространява сред колегите си. Разглеждайки тези материали, видях, че когато начисляваме цена от 100 трилиона долара на грам, говорим за антиматерия, произведена като повече или по-малко страничен продукт. Напред разбра и взе предвид научните нужди на лабораториите за ускорител на частици, но той също така видя, че те едва ли са най-ефективните места за производство на антиматерия в каквото и да е количество. В крайна сметка тези лаборатории не бяха свързани с ракетната индустрия.

Поръчан от американските военновъздушни сили, той започва проучване, за да разбере какво би могло да се случи, ако фабриките за антиматерия са били разработени за цели, различни от антипротоните, и резултатът е, че енергийната ефективност на производството може да се увеличи от една милионна до една десет -хилядна, т.е. до 0,01%. Напред вярваше, че разходите за изграждане на такава фабрика могат драстично да бъдат намалени до такова ниво, че нашите 10 милиона долара на милиграм ще бъдат постижими. Това е интересно от няколко гледни точки. Както беше отбелязано по-горе, това прави антиматерията осъществима за някои видове космически мисии (ако приемем съответния напредък в методите за съхранение на антиматерията). Но ако цената започне да пада, тогава можем да очакваме нови приложения в други области на научните изследвания, които могат да увеличат търсенето на антиматерия и да стимулират работата по нейното ефективно производство. Също така си струва да се спомене, че дори при днешните цени антиматерията се е доказала в научните изследвания и медицинските приложения.

Но какво да кажем за други начини за намаляване на цената? Една от възможностите е да се премине отвъд сблъсъка на високоенергийни протони и да се стигне до сблъсъка на тежки ядра. Писане с Джоел Дейвис в Mirror Matter: The Pioneering Physics of Antimatter (Wiley, 1988), Forward разглежда възможностите като ускорители на сблъскващи се лъчи на тежки йони, при които лъчи от тежки йони като уран могат да се сблъскат, за да произведат антипротони в секунда (това повишава проблем с голямо количество ядрени отпадъци!). Той също така разгледа новите поколения свръхпроводящи магнити, за да създаде фокусиращи магнитни полета в близост до зоната, където лъчите се сблъскват, което може да кондензира лъчите и да увеличи производството на антиматерия. Подлагам всичко това на обсъждане, защото възможността за събиране на антиматерия от природни източници в космоса, която обсъдихме миналата седмица, трябва да се сравнява с нейното интензивно производство тук на Земята. Но идеите на Forward всъщност свързват двете заедно. Той искаше да премести производството на антиматерия в космоса под формата на гигантски фабрики. Ето какво каза той за това в есе от книгата си „Неразличимо от Марс“ (Baen, 1995).

Откъде черпим енергия за управлението на тези гигантски фабрики? Някои от прототипите на такива фабрики ще бъдат построени на Земята, но за масово производство определено не искаме да захранваме тези машини чрез изгаряне на изкопаеми горива на Земята. Космосът е пълен с енергия. На разстоянието на Земята от Слънцето, слънцето доставя повече от киловат енергия на квадратен метър повърхност или гигават на квадратен километър. Масив за събиране на светлина със страна от стотици километри би осигурил 10 теравата енергия, което е достатъчно, за да работят фабрики за антиматерия с пълен капацитет, с ниво на производство от един грам дневно.

Разбира се, все още сме далеч, далеч от това да произвеждаме грам антиматерия на ден, така че проучвания като тези, извършени наскоро от Ронан Кийн (Западна резервна академия) и Уи-Минг-Чанг (Университет в Кент), имат такъв футуристичен вид. Но е важно да се проучат теоретичните граници на ракетните системи, дори ако необходимата антиматерия все още не е налице, а Кийн и Чанг обмислят най-модерния метод за задвижване на антиматерията в това отношение - задвижване с лъчева сърцевина http: // arxiv .org/abs/1205.2281 .

За да направите тази работа, ако приемете, че антиматерията е налична, трябва да инжектирате протони и антипротони в магнитна дюза, която след унищожаване на материята с антиматерия ще фокусира заредените пиони в насочен лъч с мощна тяга. Въпреки че заредените божури бързо се разпадат, те могат да започнат с 90% скорост на светлината. За съжаление ранните изчисления на магнитните дюзи се оказаха неефективни при преобразуването на тази енергия, намалявайки дебита до една трета от тази стойност. Утре ще видим дали една по-ефективна магнитна дюза може да се справи по-добре, докато Кийн и Чанг, използвайки CERN софтуер за симулация, анализираха какво може да се случи в адския корем на антиматериален двигател. Трябва да обмислим и други приложения на антиматерията за реактивна тяга, като се има предвид, че космическите фабрики на Forward няма да дойдат скоро.