Если вы хотите построить мощный космический корабль, нет ничего лучше антивещества. Институт передовых концепций НАСА финансирует команду исследователей, чтобы попытаться разработать космический аппарат на антиматерии, который мог бы избежать некоторых из этих проблем.
Большинство уважающих себя космических кораблей в научно-фантастических историях по веской причине используют антиматерию в качестве топлива - это самое мощное из известных топлив. В то время как тонны химического топлива необходимы, чтобы продвинуть миссию человека на Марс, подойдут только десятки миллиграммов антивещества (миллиграмм составляет приблизительно одну тысячную веса части оригинальной конфеты M & M).
Однако в действительности эта сила имеет свою цену. Некоторые реакции антивещества вызывают вспышки гамма-излучения высокой энергии. Гамма-лучи похожи на рентген на стероидах. Они проникают в вещество и разрывают молекулы в клетках, поэтому они не здоровы, чтобы быть рядом. Гамма-лучи высокой энергии также могут сделать двигатели радиоактивными, фрагментируя атомы материала двигателя.
Институт передовых концепций НАСА (NIAC) финансирует группу исследователей, работающих над новым проектом космического корабля на антиматерии, который позволяет избежать этого неприятного побочного эффекта, производя гамма-лучи с гораздо меньшей энергией.
Антивещество иногда называют зеркальным отображением нормальной материи, потому что, хотя оно выглядит как обычная материя, некоторые свойства меняются местами. Например, нормальные электроны, знакомые частицы, которые несут электрический ток во всем, от сотовых телефонов до плазменных телевизоров, имеют отрицательный электрический заряд. Антиэлектроны имеют положительный заряд, поэтому ученые назвали их «позитронами».
Когда антивещество встречает материю, оба аннигилируют во вспышке энергии. Это полное преобразование в энергию - вот что делает антивещество таким мощным. Даже ядерные реакции, которые приводят в действие атомные бомбы, происходят за считанные секунды, и только около трех процентов их массы превращается в энергию.
В предыдущих разработках космических кораблей, работающих на антиматерии, использовались антипротоны, которые при аннигиляции производят высокоэнергетические гамма-лучи. В новом дизайне будут использоваться позитроны, которые производят гамма-излучение с энергией примерно в 400 раз меньше.
Исследование NIAC - предварительное исследование, чтобы видеть, выполнима ли идея. Если это выглядит многообещающе и имеются средства для успешной разработки технологии, космический корабль с позитронным двигателем будет иметь несколько преимуществ по сравнению с существующими планами человеческой миссии на Марс, называемой Эталонной миссией на Марс.
«Самым значительным преимуществом является большая безопасность», - сказал д-р Джеральд Смит из Positronics Research, LLC, в Санта-Фе, штат Нью-Мексико. Нынешняя Референтная миссия требует ядерного реактора для продвижения космического корабля на Марс. Это желательно, потому что ядерные двигатели сокращают время в пути до Марса, повышая безопасность экипажа за счет уменьшения их воздействия на космические лучи. Кроме того, космический корабль с химическим приводом весит гораздо больше и стоит намного дороже. Реактор также обеспечивает достаточную мощность для трехлетней миссии. Но ядерные реакторы сложны, так что больше вещей может пойти не так во время миссии. «Однако позитронный реактор обладает теми же преимуществами, но относительно прост», - сказал Смит, ведущий исследователь исследования NIAC.
Кроме того, ядерные реакторы радиоактивны даже после того, как их топливо израсходовано. После прибытия корабля на Марс планы Эталонной миссии должны направить реактор на орбиту, которая не будет встречаться с Землей в течение как минимум миллиона лет, когда остаточная радиация будет снижена до безопасных уровней. Однако после использования топлива в позитронном реакторе не остается остаточного излучения, поэтому не стоит беспокоиться о безопасности, если отработанный позитронный реактор случайно попадет в атмосферу Земли, по словам группы.
Также будет безопаснее запускать. Если взорвется ракета с ядерным реактором, она может выпустить радиоактивные частицы в атмосферу. «Наш позитронный космический корабль испустит вспышку гамма-излучения, если он взорвется, но гамма-лучи исчезнут в одно мгновение. Там не будет радиоактивных частиц, чтобы дрейфовать на ветру. Вспышка также будет ограничена относительно небольшой областью. Опасная зона будет около километра (около полумили) вокруг космического корабля. Обычная большая ракета с химическим приводом имеет опасную зону примерно такого же размера из-за большого огненного шара, который может возникнуть в результате ее взрыва », - сказал Смит.
Еще одно существенное преимущество - скорость. Космический корабль "Эталонная миссия" доставит астронавтов на Марс примерно через 180 дней. «Наши передовые разработки, такие как газовое ядро и концепции абляционного двигателя, могут доставить астронавтов на Марс за половину этого времени и, возможно, даже за 45 дней», - сказал Кирби Мейер, инженер исследования исследования Positronics.
Усовершенствованные двигатели делают это, нагреваясь, что увеличивает их эффективность или «удельный импульс» (Isp). Isp - это «мили на галлон» ракетной техники: чем выше Isp, тем быстрее вы можете двигаться, прежде чем использовать запас топлива. Максимальная скорость работы лучших химических ракет, таких как главный двигатель НАСА «Спейс Шаттл», составляет около 450 секунд, а это означает, что фунт топлива будет производить фунт тяги в течение 450 секунд. Ядерный или позитронный реактор может работать более 900 секунд. Абляционный двигатель, который медленно испаряется для создания тяги, может достигать 5000 секунд.
Одной из технических проблем, связанных с реализацией позитронного космического корабля, является стоимость производства позитронов. Из-за его впечатляющего влияния на нормальную материю, не так уж много антиматерии. В космосе он создается при столкновениях высокоскоростных частиц, называемых космическими лучами. На Земле это должно быть создано в ускорителях частиц, огромных машинах, которые разбивают атомы вместе. Машины обычно используются, чтобы узнать, как работает вселенная на глубоком фундаментальном уровне, но их можно использовать как фабрики антивещества.
«По приблизительным оценкам, для получения 10 миллиграммов позитронов, необходимых для миссии на Марс, составляет около 250 миллионов долларов с использованием технологии, которая в настоящее время находится в стадии разработки», - сказал Смит. Эта стоимость может показаться высокой, но ее следует учитывать в сравнении с дополнительными затратами на запуск более тяжелой химической ракеты (текущие затраты на запуск составляют около 10 000 долл. США за фунт) или затратами на топливо и обеспечение безопасности ядерного реактора. «Основываясь на опыте с ядерными технологиями, кажется разумным ожидать, что стоимость производства позитронов снизится с увеличением количества исследований», - добавил Смит.
Еще одной проблемой является хранение достаточного количества позитронов в небольшом пространстве. Поскольку они уничтожают нормальное вещество, вы не можете просто положить их в бутылку. Вместо этого они должны быть ограничены электрическим и магнитным полями. «Мы уверены, что с помощью специальной программы исследований и разработок эти проблемы могут быть преодолены», - сказал Смит.
Если это так, возможно, первые люди, достигшие Марса, прибудут на космических кораблях, приводимых в действие тем же источником, который запустил космические корабли по вселенным наших фантастических снов.
Первоисточник: пресс-релиз НАСА
