Самое взрывоопасное топливо во Вселенной может приводить в движение первый межзвездный корабль человечества.
В 1932 году физики впервые увидели антиматерию — странное зеркальное отражение обычной материи с поразительным потенциалом. Спустя почти век это призрачное вещество может однажды стать топливом для прыжка к звездам.
Исследователи Савсан Аммар Омира и Абдель Хамид Мурад из Университета Объединенных Арабских Эмиратов утверждают, что антиматерия может стать идеальным источником энергии для космических двигателей дальнего действия. Если ученые смогут преодолеть колоссальные трудности с производством и хранением антиматерии, космические корабли на этом экзотическом топливе смогут достичь ближайших звезд в течение человеческой жизни.
Это самое близкое к научной реальности решение для межзвездных путешествий — если мы сможем разобраться, как производить и хранить антиматерию в значимых количествах.
Взрывной потенциал
Антиматерия, зеркальное отражение обычной материи с противоположными электрическими зарядами, была впервые обнаружена в 1932 году, когда физик Карл Дэвид Андерсон позитроны в космических лучах. Когда антиматерия соприкасается с обычной материей, они взаимно уничтожаются во вспышке чистой энергии. И эта энергия колоссальна.
Аннигиляция антиматерии высвобождает потрясающую плотность энергии в 9×10¹⁶ джоулей на килограмм — далеко за пределами возможностей химического или ядерного топлива.
Для сравнения: ракетное топливо, используемое в традиционных космических миссиях, производит 43 мегаджоуля на килограмм. Термоядерный синтез, источник энергии Солнца, дает около 6,4×10¹⁵ джоулей на килограмм. Так что антиматерия оставляет их далеко позади.
Один грамм антиматерии при аннигиляции с материей высвободил бы энергию, равную сгоранию 23 топливных баков космического шаттла.
“Это достигается потому, что вся масса реагентов преобразуется в энергию”, — пишут Омира и Мурад.
С помощью двигателей, работающих на антиматерии, мы могли бы достичь звездной системы Проксима всего за несколько десятилетий
Использование этой энергии могло бы сделать путешествия к дальним уголкам Солнечной системы — или даже к соседним звездам — осуществимыми в течение человеческой жизни. Двигатели на антиматерии, утверждают исследователи, позволили бы развивать скорости, при которых космические корабли могли бы достичь Альфа Центавра, ближайшей звездной системы (примерно в 4,3 световых годах), всего за несколько десятилетий.
Для сравнения, “Вояджеру-1” — самому далекому космическому аппарату, который недавно едва пересек порог межзвездного пространства — потребовалось бы более 80 000 лет для совершения того же путешествия. Даже в пределах нашей Солнечной системы разница была бы впечатляющей. Вместо девяти с половиной лет, которые потребовались зонду NASA “Новые горизонты” для достижения Плутона, двигатель на антиматерии мог бы доставить нас туда всего за 3,5 недели.
Почему мы еще не там?
Как бы заманчива ни была перспектива полетов на антиматерии, проблемы огромны. Антиматерия невероятно редка. Она не валяется вокруг в ожидании, когда ее соберут. Ее производство — это трудоемкий процесс, требующий мощных ускорителей частиц.
И все же самая очевидная проблема — это стоимость. ЦЕРН, Европейская организация по ядерным исследованиям, располагает самым передовым в мире производством антиматерии. Но ЦЕРН способен производить всего десять нанограммов антипротонов в год. Получение одного грамма антиматерии — количества, необходимого для испытания двигательной установки — потребовало бы 4 миллионов долларов на энергозатраты и столько электроэнергии, сколько потребляет небольшой город за год.
Физик Джеральд Джексон ранее работавший в Фермилабе, подсчитал, что строительство солнечной электростанции, способной производить 20 граммов антиматерии в год, обошлось бы в 8 миллиардов долларов. А содержание такого объекта потребовало бы дополнительные 670 миллионов долларов ежегодно.
А после производства хранить ее еще сложнее.
Антиматерия не может соприкасаться с обычной материей без мгновенной аннигиляции. Это означает, что ее нужно удерживать с помощью магнитных или электрических полей в сверхвысоком вакууме. На данный момент исследователям удалось захватить лишь несколько атомов антиводорода на короткое время. Это очень далеко от килограммов, необходимых для движения звездолета.
“Хранение твердой или жидкой антиматерии в контакте с любым состоянием материи невозможно”, — объясняют авторы.
Исследование освещает предлагаемые решения для хранения, такие как криогенно охлаждаемые магнитные ловушки. В этих системах крошечные гранулы замороженного антиводорода удерживались бы в вакуумных туннелях, вытравленных на кремниевых чипах. Но даже с этими инновациями хранение достаточного количества антиматерии для дальних космических миссий остается за пределами современных возможностей.
Взгляд в будущее
Несмотря на все эти трудности, исследователи рассматривают различные конструкции ракет на антиматерии, которые однажды могли бы обеспечить межзвездные путешествия. Одна многообещающая концепция — это ракета с “лучевым ядром” (beam-core). В этой конструкции антипротоны аннигилируют с протонами, создавая заряженные частицы, которые направляются через магнитное сопло для создания тяги. Теоретически это могло бы позволить достичь скорости до 40% от скорости света.
Для более близких миссий, например путешествий в пределах Солнечной системы, двигатели с “плазменным ядром” могли бы стать более практичным решением. Эти системы вводили бы антипротоны в водородную плазму, создавая высокотемпературный выхлоп для движения космического корабля.
Однако авторы предупреждают, что без значительных достижений в производстве антиматерии даже самые оптимистичные сценарии остаются маловероятными.
“Хотя движение на антиматерии имеет существенный потенциал, его изучение относительно недавнее, и экспериментальная работа, естественно, еще не проводилась”, — пишут они.
Даже если бы технология движения существовала сегодня, ее тестирование было бы рискованным. Огромная энергия от аннигиляции антиматерии могла бы привести к катастрофическим взрывам, если что-то пойдет не так. Стив Хоу, физик, работавший над проектами с антиматерией в NASA, предположил, что Луна могла бы быть самым безопасным местом для экспериментов. “Если что-то пойдет не так, вы просто расплавите кусок Луны”, — сказал он, — “а не подвергнете опасности Землю”.
Зачем стремиться к невозможному?
Движение на антиматерии может звучать как научная фантастика, но стремление к фантастическим идеям уже двигало прогресс неожиданными путями. Технологии, разработанные для исследования антиматерии, сегодня нашли применение в медицинской визуализации, например в ПЭТ-сканерах (позитронно-эмиссионная томография).
Прорыв в физике частиц, материаловедении или хранении энергии может однажды превратить ракеты на антиматерии из теории в реальность.
“Непрерывная эволюция космических исследований требует от нас приверженности инновациям и разработке усовершенствованных двигательных систем”, — пишут Омира и Мурад.
Если человечество хочет выйти за пределы Солнечной системы, антиматерия может быть единственным топливом, способным доставить нас туда. Но пока это остается красивой мечтой.
Комментарии (4)