Rakieta na antymaterię - Antimatter rocket

Proponowana rakieta na antymaterię

Antymateria rakieta jest proponowane klasy rakiet , które używają antymaterii jako źródła energii. Istnieje kilka projektów, które starają się osiągnąć ten cel. Zaletą rakiet tej klasy jest to, że duża część masy spoczynkowej mieszaniny materia/antymateria może zostać przekształcona w energię, dzięki czemu rakiety z antymaterii mają znacznie wyższą gęstość energii i impuls właściwy niż jakakolwiek inna proponowana klasa rakiet.

Metody

Rakiety antymaterii można podzielić na trzy typy zastosowań: te, które bezpośrednio wykorzystują produkty anihilacji antymaterii do napędu, te, które podgrzewają płyn roboczy lub materiał pośredni, który jest następnie używany do napędu, oraz te, które podgrzewają płyn roboczy lub półprodukt materiał do generowania elektryczności dla jakiejś formy elektrycznego układu napędowego statku kosmicznego . Koncepcje napędowe, które wykorzystują te mechanizmy, ogólnie dzielą się na cztery kategorie: konfiguracje z rdzeniem stałym, rdzeniem gazowym, rdzeniem plazmowym i rdzeniem wiązkowym. Alternatywy dla bezpośredniego napędu anihilacji antymaterii dają możliwość istnienia pojazdów z, w niektórych przypadkach, znacznie mniejszymi ilościami antymaterii, ale wymagają znacznie większej ilości materii. Następnie istnieją rozwiązania hybrydowe wykorzystujące antymaterię do katalizowania reakcji rozszczepienia/fuzji w celu napędzania.

Rakieta z czystej antymaterii: bezpośrednie zastosowanie produktów reakcji

W reakcjach anihilacji antyprotonów , oprócz neutrin i promieni gamma, powstają naładowane i nienaładowane piony . Naładowane piony mogą być kierowane przez dyszę magnetyczną wytwarzającą ciąg. Ten typ rakiety na antymaterię to rakieta pionowa lub konfiguracja z rdzeniem wiązkowym . Nie jest idealnie wydajny; energia jest tracona jako masa spoczynkowa naładowanych (22,3%) i nienaładowanych pionów (14,38%), tracona jako energia kinetyczna pionów nienaładowanych (które nie mogą być odchylone dla ciągu) i tracona jako neutrina i promienie gamma ( patrz antymateria jako paliwo ).

Zaproponowano również anihilację pozytonów w rakietach. Anihilacja pozytonów wytwarza tylko promienie gamma. Wczesne propozycje tego typu rakiet, takie jak te opracowane przez Eugena Sängera , zakładały użycie pewnego materiału, który mógłby odbijać promienie gamma, używanego jako lekki żagiel lub paraboliczna tarcza do wyprowadzania ciągu z reakcji anihilacji, ale nie ma znanej formy materii (składający się z atomów lub jonów) oddziałuje z promieniami gamma w sposób umożliwiający odbicie zwierciadlane. Pęd promieni gamma można jednak częściowo przenieść na materię przez rozpraszanie Comptona .

Jedna z metod osiągania relatywistycznych prędkości wykorzystuje rakietę fotonową z materii i antymaterii z laserem gamma GeV, która jest możliwa dzięki relatywistycznemu wyładowaniu skurczowemu proton-antyproton, w którym odrzut wiązki laserowej jest przenoszony przez efekt Mössbauera na statek kosmiczny.

Anihilacja wodoru/deuteru: Naukowcy z Uniwersytetu w Gothenborgu opracowali nowy proces anihilacji. W ostatnich latach zbudowano kilka reaktorów anihilacyjnych, w których wodór lub deuter jest przekształcany w cząstki relatywistyczne za pomocą anihilacji laserowej.

Technologia została zademonstrowana przez grupy badawcze kierowane przez prof. Leifa Holmlida i Sindre Zeiner-Gundersen w placówkach badawczych w Szwecji i Oslo. Na Uniwersytecie Islandzkim budowany jest obecnie trzeci relatywistyczny reaktor cząstek.

Emitowane cząstki z procesów anihilacji wodoru osiągają wartość 0,94c i mogą być wykorzystywane w napędach kosmicznych.

Ich badania nad anihilacją i napędami anihilacji są obecnie jednym z najczęściej pobieranych artykułów w Journal of Acta Astronautical i były cytowane w kilku recenzjach technologii. Ich badania i prace nad relatywistycznym napędem mogą utorować drogę do eksploracji kosmosu i kolonizacji kosmosu.

Rakieta na antymaterię termiczną: podgrzewanie paliwa

Ten typ rakiety na antymaterię nazywa się rakietą z antymaterii termicznej, ponieważ energia lub ciepło z anihilacji jest wykorzystywane do tworzenia spalin z nieegzotycznego materiału lub paliwa.

Stały rdzeń pojęcie stosuje antyprotonów ciepła stałej, wysokiej masy atomowej ( Z ), ogniotrwały rdzeń metalowy. Propelent jest pompowany do gorącego rdzenia i rozprężany przez dyszę, aby wytworzyć ciąg. Wydajność tej koncepcji jest z grubsza równoważna z wydajnością jądrowej rakiety termicznej ( ~10 ³ s) ze względu na ograniczenia temperaturowe ciała stałego. Jednak wydajność konwersji energii i ogrzewania antymaterii jest zazwyczaj wysoka ze względu na krótką średnią drogę między zderzeniami z atomami rdzenia ( sprawność ~ 85%). Zaproponowano kilka metod termicznego silnika antymaterii na paliwo ciekłe wykorzystujące promieniowanie gamma wytwarzane przez anihilację antyprotonów lub pozytonów. Metody te przypominają te proponowane dla jądrowych rakiet cieplnych . Jedną z proponowanych metod jest wykorzystanie promieni gamma anihilacji pozytonów do ogrzania stałego rdzenia silnika. Przez rdzeń przepływa wodór, który jest podgrzewany i wyrzucany z dyszy rakiety . Drugi proponowany typ silnika wykorzystuje anihilację pozytonów w stałym ołowiu lub w sprężonym gazie ksenonowym w celu wytworzenia chmury gorącego gazu, która ogrzewa otaczającą warstwę gazowego wodoru. Bezpośrednie ogrzewanie wodoru promieniami gamma uznano za niepraktyczne ze względu na trudność w kompresji wystarczającej jego ilości w silniku o rozsądnych rozmiarach, aby wchłonąć promienie gamma. Trzeci proponowany typ silnika wykorzystuje anihilacyjne promienie gamma do ogrzewania ablacyjnego żagla, przy czym ablowany materiał zapewnia ciąg. Podobnie jak w przypadku jądrowych rakiet cieplnych, impuls właściwy osiągalny tymi metodami jest ograniczony względami materiałowymi, zwykle mieści się w zakresie 1000-2000 sekund. $I_{\text{sp}}$ $\eta_{e}$

System rdzenia gazowego zastępuje ciało stałe o niskiej temperaturze topnienia gazem o wysokiej temperaturze (tj. gazem wolframowym/plazmą), umożliwiając w ten sposób wyższą temperaturę pracy i wydajność ( ~ 2 × 10 ³ s). Jednak dłuższa średnia droga swobodna dla termalizacji i absorpcji skutkuje znacznie niższymi sprawnościami konwersji energii ( ~35%). $I_{\text{sp}}$ $\eta_{e}$

Rdzeń plazmy pozwala gaz do jonizacji i działać na jeszcze wyższy skutecznych temperaturach. Straty ciepła są tłumione przez zamknięcie magnetyczne w komorze reakcyjnej i dyszy. Chociaż wydajność jest bardzo wysoka ( ~10 ⁴ -10 ⁵ s), długa średnia droga swobodna skutkuje bardzo niskim zużyciem energii ( ~10%) $I_{\text{sp}}$ $\eta_{e}$

Wytwarzanie energii antymaterii

Zaproponowano również pomysł wykorzystania antymaterii do zasilania elektrycznego napędu kosmicznego . Proponowane projekty są zazwyczaj podobne do tych sugerowanych dla jądrowych rakiet elektrycznych . Anihilacje antymaterii są wykorzystywane do bezpośredniego lub pośredniego podgrzewania płynu roboczego, jak w jądrowej rakiecie termicznej , ale płyn jest wykorzystywany do generowania elektryczności, która jest następnie wykorzystywana do zasilania jakiejś formy elektrycznego systemu napędu kosmicznego. Powstały system ma wiele cech charakterystycznych innych naładowanych cząstek/propozycji napędu elektrycznego (zazwyczaj wysoki impuls właściwy i niski ciąg) (jej, gdzie można przeczytać więcej na temat generowania mocy antymaterii ).

Katalizowane rozszczepienie/fuzja lub fuzja kolczasta

Jest to podejście hybrydowe, w którym antyprotony są wykorzystywane do katalizowania reakcji rozszczepienia/fuzji lub do „wzmacniania” napędu rakiety fuzyjnej lub innych podobnych zastosowań.

Koncepcja rakiety do inercyjnej syntezy jądrowej napędzanej antyprotonami (ICF) wykorzystuje granulki do reakcji DT . Pelet składa się z półkuli materiału rozszczepialnego, takiego jak U ^235, z otworem, przez który wstrzykiwany jest impuls antyprotonów i pozytonów. Otacza ją półkula paliwa fuzyjnego, na przykład deuteru-trytu lub deuterku litu. Na powierzchni półkuli zachodzi anihilacja antyprotonów, która jonizuje paliwo. Jony te podgrzewają rdzeń peletu do temperatury topnienia.

Koncepcja napędzanego antyprotonami napędu magnetycznego z izolacją bezwładnościową z izolacją inercyjną (MICF) opiera się na samodzielnie generowanym polu magnetycznym, które izoluje plazmę od metalicznej powłoki, która ją zawiera podczas spalania. Oszacowano, że czas życia plazmy jest o dwa rzędy wielkości większy niż inercyjna fuzja implozyjna, co odpowiada dłuższemu czasowi spalania, a tym samym większemu wzmocnieniu.

Koncepcja PB ¹¹ napędzana antymaterią wykorzystuje antyprotony do zapłonu reakcji PB ¹¹ w schemacie MICF. Nadmierne straty promieniowania są główną przeszkodą w zapłonie i wymagają modyfikacji gęstości cząstek oraz temperatury plazmy w celu zwiększenia wzmocnienia. Stwierdzono, że jest całkowicie możliwe, aby ten system mógł osiągnąć _Isp ~10 ⁵ s.

Dla AIMStar przewidziano inne podejście, w którym małe kropelki paliwa fuzyjnego byłyby wstrzykiwane do chmury antyprotonów, zamkniętej w bardzo małej objętości w reakcyjnej pułapce Penninga . Na powierzchni obłoku antyprotonu zachodzi anihilacja, odrywając 0,5% obłoku. Uwolniona gęstość mocy jest z grubsza porównywalna z laserem 1 kJ, 1 ns, który deponuje swoją energię na celu ICF o wielkości 200 μm.

Projekt ICAN-II wykorzystuje koncepcję mikrorozszczepiania katalizowanego antyprotonami (ACMF), w której wykorzystuje się granulki o stosunku molowym DT:U ²³⁵ wynoszącym 9:1 do napędu impulsów jądrowych .

Trudności z rakietami na antymaterię

Głównymi praktycznymi trudnościami związanymi z rakietami na antymaterię są problemy związane z tworzeniem antymaterii i jej przechowywaniem. Tworzenie antymaterii wymaga wkładu ogromnych ilości energii, co najmniej równoważnych energii spoczynkowej utworzonych par cząstka/antycząstka i zazwyczaj (w przypadku produkcji antyprotonów) dziesiątki tysięcy do milionów razy więcej. Większość systemów przechowywania proponowanych dla statków międzygwiezdnych wymaga produkcji mrożonych granulek antywodoru. Wymaga to schłodzenia antyprotonów, wiązania się z pozytonami i wychwycenia powstających atomów antywodoru - zadania, które od 2010 roku były wykonywane tylko dla niewielkiej liczby pojedynczych atomów. Przechowywanie antymaterii jest zwykle wykonywane przez uwięzienie naładowanych elektrycznie zamrożonych granulek antywodoru w pułapkach Penninga lub Paula . Nie ma teoretycznej bariery dla realizacji tych zadań na skalę wymaganą do napędzania rakiety na antymaterię. Oczekuje się jednak, że będą one niezwykle (i być może zaporowo) drogie ze względu na obecne możliwości produkcyjne, które są w stanie wyprodukować tylko niewielką liczbę atomów, skalę około 10 ²³ razy mniejszą niż potrzebna do 10-gramowej podróży na Marsa.

Ogólnie energia z anihilacji antyprotonów jest osadzana na tak dużym obszarze, że nie jest w stanie skutecznie napędzać kapsuł jądrowych. Rozszczepienie wywołane antyprotonami i samogenerujące się pola magnetyczne mogą znacznie poprawić lokalizację energii i efektywne wykorzystanie energii anihilacji.

Drugim problemem jest pozyskiwanie użytecznej energii lub pędu z produktów anihilacji antymaterii, które mają przede wszystkim postać niezwykle energetycznego promieniowania jonizującego . Zaproponowane do tej pory mechanizmy antymaterii w większości dostarczyły wiarygodnych mechanizmów pozyskiwania energii z tych produktów anihilacji. Klasyczne równanie rakiety z „mokrym” masa ( ) (z ułamku masowym propelenta ) do „suchego” masa ( ) (z ładunkiem ) frakcji ( ), zmiany prędkości ( ) i czasie trwania impulsu ( ) nie posiada w związku z masą straty występujące w anihilacji antymaterii. $M_{0}$ $M_{1}$ ${\frac {M_{0}}{M_{1}}}$ ${\ Displaystyle \ Delta v}$ $I_{\text{sp}}$

Innym ogólnym problemem związanym z napędem o dużej mocy jest nadmiar ciepła lub ciepło odpadowe , a anihilacja antymaterii obejmuje również ekstremalne promieniowanie. Układ napędowy anihilacji protonowo-antyprotonowej przekształca 39% masy paliwa w intensywny, wysokoenergetyczny strumień promieniowania gamma. Promienie gamma i wysokoenergetyczne naładowane piony spowodują uszkodzenie cieplne i promieniowanie, jeśli nie są przed nimi osłonięte. W przeciwieństwie do neutronów nie powodują one, że odsłonięta substancja stanie się radioaktywna poprzez transmutację jąder. Komponenty wymagające ekranowania to załoga, elektronika, zbiornik kriogeniczny i cewki magnetyczne do rakiet wspomaganych magnetycznie. Potrzebne są dwa rodzaje ekranowania: ochrona przed promieniowaniem i ochrona termiczna (inna niż osłona termiczna lub izolacja termiczna ).

Na koniec należy wziąć pod uwagę względy relatywistyczne. Jako produkty anihilacji ruchu w relatywistycznymi prędkości na zmiany masy reszta według relatywistycznej masowej energii . Na przykład, całkowita zawartość masowo-energetyczna pionu obojętnego jest przekształcana w gamma, a nie tylko jego masa spoczynkowa. Niezbędne jest zastosowanie relatywistycznego równania rakiety, które uwzględnia relatywistyczne efekty zarówno pojazdu, jak i gazu pędnego (naładowanych pionów) poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. Te dwie modyfikacje dwóch równań rakiet dają w wyniku stosunek masy ( ) dla danych ( ) i ( ), który jest znacznie wyższy dla relatywistycznej rakiety na antymaterię niż dla klasycznej lub relatywistycznej rakiety „konwencjonalnej”. ${\frac {M_{0}}{M_{1}}}$ ${\ Displaystyle \ Delta v}$ $I_{\text{sp}}$

Zmodyfikowane relatywistyczne równanie rakiety

Utrata masy charakterystyczna dla anihilacji antymaterii wymaga modyfikacji relatywistycznego równania rakiety podanego jako

{\ Displaystyle {\ Frac {M_ {0}}{M_ {1}}} = \ lewo ({\ Frac {1 + {\ Frac {\ Delta V} {c}}} {1-{\ Frac {\ Delta v}{c}}}\right)^{\frac {c}{2I_{\text{sp}}}}}

( ja )

gdzie jest prędkością światła, a jest impulsem właściwym (tj. =0,69 ). $c$ $I_{\text{sp}}$ $I_{\text{sp}}$ $c$

Forma pochodna równania to

{\frac {dM_{\text{statek}}}{M_{\text{statek}}}}={\frac {-dv(1-I_{\text{sp}}{\frac {v }{c^{2}}})}{(1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}})(-{\frac {I_{\text{sp}}}{ c^{2}v2}}+(1+a)v+aI_{\text{sp}})}}

( II )

gdzie jest nierelatywistyczną (spoczynkową) masą rakiety i jest ułamkiem oryginalnej (pokładowej) masy paliwa (nierelatywistycznej) pozostałej po anihilacji (tj. = 0,22 dla naładowanych pionów). $M_{\tekst{statek}}$ $a$ $a$

Równania II nie można zintegrować analitycznie. Jeżeli przyjmiemy, że, takie, żeto wynikowe równanie to ${\ Displaystyle v \ sim I_ {\ tekst {sp}}}$ ${\ Displaystyle (1-{\ Frac {I_ {\ tekst {sp}} v} {c ^ {2}}}) \ SIM (1- {\ Frac {v ^ {2}} {c ^ {2} }})}$

{\frac {dM_{\text{statek}}}{M_{\text{statek}}}}={\frac {-dv}{(-{\frac {ja_{\text{sp}} }{c^{2}v^{2}}}+(1-a)v+aI_{\text{sp}})}}

( III )

Równanie III może być całkowane, a całka obliczana dlai, oraz prędkości początkowej i końcowej (i). Wynikowe relatywistyczne równanie rakiety z utratą paliwa to $M_{0}$ $M_{1}$ ${\ Displaystyle V_ {i} = 0}$ ${\ Displaystyle V_ {f} = \ Delta V}$

{\ Displaystyle {\ Frac {M_ {0}} {M_ {1}}} = \ lewo ({\ Frac {(-2I_ {\ tekst {sp}}) \ Delta v / c ^ {2} + 1 a -{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}})(1-a+{\sqrt {(1-a)^ {2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}})}{(-2I_{\text{sp}}\Delta v/c^{2}+1-a+ {\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}})(1-a-{\sqrt {(1-a)^ {2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}})}}\right)^{\frac {1}{\sqrt {(1-a)^{2} +4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}}}}

( IV )

Inne kwestie ogólne

Twarde promieniowanie kosmiczne z czasem zjonizuje kadłub rakiety i będzie stanowiło zagrożenie dla zdrowia . Ponadto interakcje z plazmą gazową mogą powodować ładunek kosmiczny . Główną niepokojącą interakcją jest różnicowe ładowanie różnych części statku kosmicznego, prowadzące do silnych pól elektrycznych i wyładowań łukowych między elementami statku kosmicznego. Można to rozwiązać za pomocą dobrze umieszczonego stycznika plazmowego . Jednak nie ma jeszcze rozwiązania, gdy styczniki plazmowe są wyłączone, aby umożliwić prace konserwacyjne na kadłubie. Długotrwały lot kosmiczny z prędkościami międzygwiezdnymi powoduje erozję kadłuba rakiety w wyniku zderzenia z cząstkami, gazem , pyłem i mikrometeorytami . W ilości 0,2 do odległości 6 lat światła, erozja szacowana jest rzędu 30 kg / m ² lub od około 1 cm od osłony aluminiowej. $c$

Zobacz też

Jądrowa rakieta fotoniczna

Languages

In other projects