Ракета на антивеществе - Antimatter rocket

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Ракета на антивеществе»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Апрель 2007 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Предлагаемая ракета на антивеществе

Антивещество
Аннигиляция
Устройства Ускоритель частиц Ловушка Пеннинга Камера Уилсона
Античастицы Позитрон Антипротон Антинейтрон
Использует Позитронно-эмиссионная томография Топливо Оружие
Тела АЛЬФА Сотрудничество АФИНА ЛОВУШКА ЦЕРН RHIC
Люди Поль Дирак Карл Дэвид Андерсон Андрей Сахаров

An ракета на антивеществе предлагаемый класс ракеты это использование антивещество как их источник энергии. Есть несколько проектов, которые пытаются достичь этой цели. Преимущество ракет этого класса в том, что большая часть масса покоя смеси вещества / антивещества могут быть преобразованы в энергию, что позволяет ракетам на антивеществе иметь гораздо более высокую плотность энергии и удельный импульс чем любой другой предлагаемый класс ракет.^[1]

Методы

Ракеты на антивеществе можно разделить на три типа применения: те, которые напрямую используют продукты аннигиляции аннигиляции антивещества для движения, те, которые нагревают рабочую жидкость или промежуточный материал, который затем используется для движения, и те, которые нагревают рабочую жидкость или промежуточный продукт. материал для выработки электроэнергии для некоторых видов электрическая двигательная установка космического корабля Концепции движителей, в которых используются эти механизмы, обычно делятся на четыре категории: твердое ядро, газовое ядро, плазменное ядро ​​и конфигурации сердечника с пучками. Альтернативы прямому движению с аннигиляцией антивещества предлагают возможность создания реальных транспортных средств с, в некоторых случаях, значительно меньшими количествами антивещества, но требующими гораздо большего количества топлива.^[2]Кроме того, существуют гибридные решения, использующие антивещество для катализирования реакций деления / синтеза для обеспечения движения.

Ракета на чистом антивеществе: прямое использование продуктов реакции

Антипротон реакции аннигиляции производят заряженные и незаряженные пионы, помимо нейтрино и гамма излучение. Заряженные пионы могут быть направлены через магнитное сопло, создавая тягу. Этот тип ракеты на антивеществе пион ракета или же балочное ядро конфигурация. Это не совсем эффективно; энергия теряется в виде массы покоя заряженных (22,3%) и незаряженных пионов (14,38%), теряется в виде кинетической энергии незаряженных пионов (которые не могут быть отклонены для тяги) и теряется в виде нейтрино и гамма-лучей ( видеть антивещество как топливо ).^[3]

Позитрон аннигиляция также предлагалась для ракетной техники. Аннигиляция позитронов производит только гамма-лучи. Ранние предложения по этому типу ракет, например, разработанные Ойген Зенгер, предполагал использование некоторых материалов, которые могли отражать гамма-лучи, используемых в качестве легкий парус или же параболический щит чтобы получить тягу от реакции аннигиляции, но ни одна из известных форм материи (состоящая из атомов или ионов) не взаимодействует с гамма-лучами таким образом, чтобы обеспечить зеркальное отражение. Однако импульс гамма-лучей может быть частично передан материи посредством Комптоновское рассеяние.^[4][5]

В одном из методов достижения релятивистских скоростей используется гамма-лазерная фотонная ракета с энергией вещества-антивещества ГэВ, которая стала возможной благодаря релятивистскому протон-антипротонному пинчевому разряду, в котором отдача от лазерного луча передается через Эффект Мёссбауэра к космическому кораблю.^[6]

Аннигиляция водорода / дейтерия. Исследователи из Гётеборгского университета разработали новый процесс аннигиляции. В последние годы было построено несколько реакторов анихилляции, в которых водород или дейтерий превращаются в релятивистские частицы путем лазерной аннигиляции.

Эта технология была продемонстрирована исследовательскими группами под руководством профессора Лейфа Холмлида и Синдре Зайнер-Гундерсен в исследовательских центрах Швеции и Осло. Третий реактор на основе релятивистских частиц в настоящее время строится в Исландском университете.

Выбрасываемые частицы в результате процессов обезвоживания водорода достигают 0,94 ° C и могут использоваться в космических двигателях.^[7]

Их исследование аннигиляции и аннигиляции в настоящее время является одной из самых загружаемых статей в Journal of Acta Astronautical и помещено в несколько обзоров технологий. Их исследования и работа над релятивистскими двигателями могут проложить путь к исследованию дальнего космоса и его колонизации.

Ракета на тепловом антивеществе: нагрев топлива

Этот тип ракеты на антивеществе называется ракета на тепловом антивеществе поскольку энергия или тепло от аннигиляции используются для создания выхлопных газов из неэкзотических материалов или ракетного топлива.

В твердое ядро концепция использует антипротоны для нагрева твердого тела, большой атомный вес (Z), сердечник из тугоплавкого металла. Пропеллент закачивается в горячую зону и расширяется через сопло для создания тяги. Производительность этой концепции примерно эквивалентна производительности ядерная тепловая ракета (${displaystyle I_ {ext {sp}}}$ ~ 10³ сек) из-за температурных ограничений твердого тела. Однако эффективность преобразования энергии антивещества и нагрева обычно высока из-за короткого средний путь между столкновениями с атомами ядра (эффективность ${displaystyle eta _ {e}}$ ~ 85%).^[2]Несколько методов для Жидкостный двигатель на антивеществе было предложено использовать гамма-лучи, производимые аннигиляцией антипротонов или позитронов.^[8][9] Эти методы напоминают предложенные для ядерные тепловые ракеты. Один из предлагаемых методов заключается в использовании гамма-излучения аннигиляции позитронов для нагрева твердого ядра двигателя. Водород газ проходит через это ядро, нагревается и удаляется из сопло ракеты. Второй предложенный тип двигателя использует аннигиляцию позитронов в твердом теле. вести гранулы или в сжатом виде ксенон газ, чтобы произвести облако горячего газа, которое нагревает окружающий слой газообразного водорода. Непосредственный нагрев водорода гамма-лучами считался непрактичным из-за трудности его сжатия в двигателе разумных размеров для поглощения гамма-лучей. Третий предложенный тип двигателя использует аннигиляционные гамма-лучи для нагрева абляционного паруса, при этом удаляемый материал обеспечивает тягу. Как и в случае ядерных тепловых ракет, удельный импульс достижимость с помощью этих методов ограничена соображениями материалов, обычно в диапазоне 1000–2000 секунд.^[10]

В газовое ядро Система заменяет твердое вещество с низкой температурой плавления на высокотемпературный газ (например, газ / плазма вольфрама), тем самым обеспечивая более высокие рабочие температуры и рабочие характеристики (${displaystyle I_ {ext {sp}}}$ ~ 2 × 10³ сек). Однако более длинная длина свободного пробега для термализации и поглощения приводит к гораздо более низкой эффективности преобразования энергии (${displaystyle eta _ {e}}$ ~ 35%).^[2]

В плазменное ядро позволяет газу ионизироваться и работать при еще более высоких эффективных температурах. Потери тепла подавляются магнитным удержанием в реакционной камере и сопле. Хотя производительность крайне высока (${displaystyle I_ {ext {sp}}}$ ~ 10⁴-10⁵ сек), большая длина свободного пробега приводит к очень низкому использованию энергии (${displaystyle eta _ {e}}$ ~ 10%)^[2]

Производство энергии из антивещества

Идея использования антивещества для питания электрический космический привод также был предложен. Эти предлагаемые конструкции обычно похожи на предложенные для ядерные электрические ракеты. Аннигиляция антивещества используется для прямого или косвенного нагрева рабочей жидкости, как в ядерная тепловая ракета, но жидкость используется для выработки электричества, которое затем используется для питания некоторой формы электрической космической двигательной установки. Полученная система разделяет многие характеристики других предложений заряженных частиц / электрических движителей (обычно высокий удельный импульс и низкая тяга).^[11][12]

Катализированное деление / синтез или импульсный синтез

Это гибридный подход, в котором антипротоны используются для катализировать реакцию деления / синтеза или "подбросить" движение термоядерная ракета или любые подобные приложения.

Антипротонный Термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF) Rocket Concept использует гранулы для D-T реакция. Таблетка состоит из полусферы из расщепляющегося материала, такого как U²³⁵ с отверстием, через которое вводится импульс антипротонов и позитронов. Он окружен полусферой термоядерного топлива, например дейтерий-тритиевого или дейтерида лития. Аннигиляция антипротонов происходит на поверхности полусферы, которая ионизирует топливо. Эти ионы нагревают ядро ​​таблетки до температур плавления.^[13]

Принцип действия управляемой антипротонами магнитно-изолированной инерционной термоядерной двигательной установки (MICF) основан на самогенерируемом магнитном поле, которое изолирует плазму от содержащей ее металлической оболочки во время горения. Было оценено, что время жизни плазмы на два порядка больше, чем у имплозионного инерционного синтеза, что соответствует большему времени горения и, следовательно, большему усилению.^[13]

Антивещество P-B¹¹ Концепция использует антипротоны для зажигания P-B¹¹ реакции в схеме MICF. Чрезмерные радиационные потери являются основным препятствием для зажигания и требуют изменения плотности частиц и температуры плазмы для увеличения усиления. Был сделан вывод, что вполне возможно, что эта система может обеспечить I_зр~10⁵с.^[14]

Другой подход был предусмотрен для AIMStar в котором маленькие капли термоядерного топлива будут впрыснуты в облако антипротонов, заключенных в очень малом объеме внутри реакции Ловушка Пеннинга. Аннигиляция происходит на поверхности облака антипротонов, отслаивая 0,5% облака. Выделяемая плотность мощности примерно сопоставима с излучением лазера 1 кДж и длительностью 1 нс, направленного на мишень ICF 200 мкм.^[15]

В ICAN-II В проекте используется концепция катализируемого антипротонами микрорасщепления (ACMF), в которой используются гранулы с молярным соотношением D-T: U 9: 1.²³⁵ за Ядерный импульсный двигатель.^[16]

Трудности с ракетами на антивеществе

Главные практические трудности с ракетами на антивеществе - это проблемы создания и хранения антивещества. Создание антивещества требует ввода огромного количества энергии, по крайней мере, эквивалентного энергии покоя созданных пар частиц / античастиц, и обычно (для производства антипротонов) в десятки тысяч или миллионы раз больше.^[17][18] Большинство схем хранения, предлагаемых для межзвездных кораблей, требуют производства замороженных гранул антиводорода. Для этого требуется охлаждение антипротонов, связывание с позитронами и захват образующихся атомов антиводорода - задачи, которые с 2010 г.^{[Обновить]}, проводилась только для небольшого числа отдельных атомов. Хранение антивещества обычно осуществляется путем захвата электрически заряженных замороженных гранул антиводорода в Пеннинг или же Пол ловушки. Нет никаких теоретических препятствий для выполнения этих задач в масштабах, необходимых для заправки ракеты на антивеществе. Однако ожидается, что они будут чрезвычайно (и, возможно, чрезмерно) дорогими из-за того, что текущие производственные возможности позволяют производить только небольшое количество атомов, в масштабе приблизительно 10²³ раз меньше, чем нужно для 10-граммовой поездки на Марс.

Как правило, энергия от аннигиляции антипротонов накапливается в такой большой области, что она не может эффективно управлять ядерными капсулами. Антипротонное деление и самогенерируемые магнитные поля могут значительно улучшить локализацию энергии и эффективное использование энергии аннигиляции.^[19][20]

Вторичной проблемой является извлечение полезной энергии или импульса из продуктов аннигиляции антивещества, которые в основном находятся в форме чрезвычайно энергичных ионизирующего излучения. Механизмы антивещества, предложенные на сегодняшний день, по большей части обеспечили правдоподобные механизмы для использования энергии этих продуктов аннигиляции. Классический уравнение ракеты своей «влажной» массой (${displaystyle M_ {0}}$)(с массовая доля пороха ) до «сухой» массы (${displaystyle M_ {1}}$)(с полезная нагрузка ) дробная часть (${displaystyle {frac {M_ {0}} {M_ {1}}}}$) изменение скорости (${displaystyle Delta v}$) и удельный импульс (${displaystyle I_ {ext {sp}}}$) больше не выполняется из-за потери массы при аннигиляции антивещества.^[3]

Другая общая проблема с мощным движителем - это избыточное тепло или отходящее тепло, и, как и в случае аннигиляции антивещества, также включает экстремальное излучение. Двигательная установка с аннигиляцией протонов и антипротонов преобразует 39% массы пороха в интенсивный высокоэнергетический поток гамма-излучения. Гамма-лучи и заряженные пионы высокой энергии вызовут нагревание и радиационное повреждение, если они не защищены от них. В отличие от нейтронов, они не заставят экспонированный материал стать радиоактивным из-за трансмутации ядер. Компоненты, нуждающиеся в защите, - это экипаж, электроника, криогенная цистерна и магнитные катушки для ракет с магнитным усилителем. Требуются два типа экранирования: радиационная защита и тепловая защита (отличается от Тепловой экран или же теплоизоляция ).^[3][21]

Наконец, необходимо принять во внимание релятивистские соображения. Поскольку побочные продукты аннигиляции движутся на релятивистские скорости то изменения массы покоя в соответствии с релятивистская масса-энергия. Например, полное массово-энергетическое содержание нейтрального пиона преобразуется в гамму, а не только его массу покоя. Необходимо использовать уравнение релятивистской ракеты который учитывает релятивистские эффекты как транспортного средства, так и выхлоп топлива (заряженные пионы) движутся со скоростью, близкой к скорости света. Эти две модификации двух уравнений ракеты приводят к соотношению масс (${displaystyle {frac {M_ {0}} {M_ {1}}}}$) для данного (${displaystyle Delta v}$) и (${displaystyle I_ {ext {sp}}}$), что намного выше для релятивистской ракеты на антивеществе, чем для классической или релятивистской «обычной» ракеты.^[3]

Модифицированное уравнение релятивистской ракеты

Потеря массы, характерная для аннигиляции антивещества, требует модификации уравнения релятивистской ракеты, которое имеет вид^[22]

${displaystyle {frac {M_ {0}} {M_ {1}}} = left ({frac {1+ {frac {Delta v} {c}}}} {1- {frac {Delta v} {c}}}) } ight) ^ {frac {c} {2I_ {ext {sp}}}}}$

(я)

куда ${displaystyle c}$ это скорость света, и ${displaystyle I_ {ext {sp}}}$ - удельный импульс (т.е. ${displaystyle I_ {ext {sp}}}$=0.69${displaystyle c}$).

Производная форма уравнения:^[3]

${displaystyle {frac {dM_ {ext {ship}}} {M_ {ext {ship}}}} = {frac {-dv (1-I_ {ext {sp}}} {frac {v} {c ^ {2}) }})} {(1- {frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}) (- {frac {I_ {ext {sp}}} {c ^ {2} v2}} + ( 1 + a) v + aI_ {ext {sp}})}}}$

(II)

куда ${displaystyle M_ {ext {ship}}}$ - нерелятивистская масса (покоя) ракетного корабля, и ${displaystyle a}$ представляет собой долю исходной (бортовой) массы топлива (нерелятивистской), оставшейся после аннигиляции (т. е. ${displaystyle a}$= 0,22 для заряженных пионов).

Уравнение II не могут быть интегрированы аналитически.^{[нужна цитата ]} Если предположить, что ${displaystyle vsim I_ {ext {sp}}}$, так что ${displaystyle (1- {frac {I_ {ext {sp}} v} {c ^ {2}}}) sim (1- {frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}})}$ то результирующее уравнение

${displaystyle {frac {dM_ {ext {ship}}} {M_ {ext {ship}}}} = {frac {-dv} {(- {frac {I_ {ext {sp}}}} {c ^ {2}) v ^ {2}}} + (1-a) v + aI_ {ext {sp}})}}}$

(III)

Уравнение III может быть интегрирован, и интеграл вычислен для ${displaystyle M_ {0}}$ и ${displaystyle M_ {1}}$, начальная и конечная скорости (${displaystyle v_ {i} = 0}$ и ${displaystyle v_ {f} = Delta v}$В результате получается уравнение релятивистской ракеты с потерей топлива:^[3][22]

${displaystyle {frac {M_ {0}} {M_ {1}}} = left ({frac {(-2I_ {ext {sp}} Delta v / c ^ {2} + 1-a- {sqrt {(1 -a) ^ {2} + 4aI_ {ext {sp}} ^ {2} / c ^ {2}}}) (1-a + {sqrt {(1-a) ^ {2} + 4aI_ {ext {sp }} ^ {2} / c ^ {2}}})} {(- 2I_ {ext {sp}} Дельта v / c ^ {2} + 1-a + {sqrt {(1-a) ^ {2} + 4aI_ {ext {sp}} ^ {2} / c ^ {2}}}) (1-a- {sqrt {(1-a) ^ {2} + 4aI_ {ext {sp}} ^ {2} / c ^ {2}}})}} ight) ^ {frac {1} {sqrt {(1-a) ^ {2} + 4aI_ {ext {sp}} ^ {2} / c ^ {2}} }}}$

(IV)

Прочие общие вопросы

Космический фон жесткое излучение со временем ионизирует корпус ракеты и создает угроза здоровью. Кроме того, газо-плазменные взаимодействия могут вызывать космический заряд. Основное взаимодействие, вызывающее озабоченность, - это дифференциальная зарядка различных частей космического корабля, приводящая к сильным электрическим полям и возникновению дуги между компонентами космического корабля. Это можно решить с помощью хорошо размещенных плазменный контактор. Однако пока нет решения, когда плазменные контакторы отключены, чтобы можно было проводить работы по техническому обслуживанию корпуса. Длительный космический полет на межзвездных скоростях вызывает эрозию корпуса ракеты из-за столкновения с частицами, газ, пыль и микрометеориты. При 0,2${displaystyle c}$ для расстояния в 6 световых лет эрозия оценивается примерно в 30 кг / м² или около 1 см алюминиевого экрана.^[23][24]

Смотрите также

• Ядерная фотонная ракета

Рекомендации