Антиматерія може відкрити кардинально нове майбутнє міжзоряних подорожей

Міжзоряні подорожі — це лише те, чого людство досягло в науковій фантастиці — як USS Enterprise із Star Trek, який використовував двигуни антиматерії для подорожей зоряними системами. Але антиматерія — це не просто науково-фантастичний троп. Антиматерія дійсно існує.

Ілон Маск назвав силу антиматерії «квитком на міжзоряні подорожі», і такі фізики, як Раян Від, досліджують, як її використовувати. Антиматерія складається з частинок, майже схожих на звичайну матерію, але з протилежним електричним зарядом. Це означає, що коли антиматерія контактує зі звичайною матерією, вони обидва анігілюють і можуть виробляти величезну кількість енергії.

«Анігіляція антиматерії та матерії перетворює масу безпосередньо в енергію», — сказав Від, співзасновник і генеральний директор Positron Dynamics, компанії, що працює над розробкою системи руху антиматерії, Business Insider. Всього один грам антиматерії може викликати вибух, еквівалентний ядерній бомбі. Дехто каже, що саме така енергія може сміливо занести нас туди, куди ще ніхто не заходив, із рекордною швидкістю.

Космічні подорожі на рекордній швидкості

Перевага всієї цієї енергії полягає в тому, що її можна використовувати для прискорення або уповільнення космічного корабля на шаленій швидкості. Наприклад, давайте здійснимо подорож до нашої найближчої зоряної системи, Проксими, приблизно за 4,2 світлових роки від нас.

Двигун на основі антиматерії теоретично міг би прискорити космічний корабель до 1g (9,8 метра на секунду у квадраті), доставивши нас до Проксіми всього за п’ять років, сказав Від у 2016 році. За даними NASA, це у 8000 разів швидше, ніж «Вояджер-1» — один із найшвидших космічних апаратів в історії — щоб подолати приблизно половину відстані. Навіть у нашій власній Сонячній системі космічний корабель, що працює на антиматерії, може досягти Плутона за 3,5 тижні порівняно з 9,5 роками, які знадобилися зонду NASA New Horizons, щоб прибути до нього, сказав Від.

Чому у нас немає двигунів антиматерії

Причина, чому ми не маємо двигунів антиматерії, незважаючи на їхні величезні можливості, полягає у вартості, а не в техніці. Джеральд Джексон, фізик-прискорювач, який працював над проектами антиматерії в Fermilab, сказав Forbes у 2016 році, що за достатнього фінансування ми могли б мати прототип космічного корабля з антиматерії протягом десяти років. Базові технології є. Фізики, озброєні найпотужнішими у світі прискорювачами елементарних частинок, створили антипротони та антиводневі атоми.

Річ у тому, що цей тип антиматерії неймовірно дорогий у виготовленні. Вважається найдорожчою речовиною на Землі. Джексон дав нам уявлення про те, скільки коштуватиме створення та обслуговування машини з антиматерії. Джексон є засновником, президентом і генеральним директором компанії Hbar Technologies, яка працює над концепцією космічного вітрила з антиматерії, щоб уповільнювати космічні кораблі, що рухаються зі швидкістю світла від 1 до 10 відсотків — корисна конструкція для виходу на орбіту навколо далекої зірки, планети. , або місяць, який ви хочете вивчити.

Джексон сказав, що він розробив асиметричний протонний колайдер, який може виробляти 20 грамів антиматерії на рік.

«Для 10-кілограмового наукового пакета, який рухається зі швидкістю 2% від швидкості світла, необхідно 35 грамів антиматерії, щоб уповільнити космічний корабель і вивести його на орбіту навколо Проксими Центавра», — сказав Джексон BI.

За його словами, на будівництво сонячної електростанції для величезних енергетичних потреб виробництва антиматерії знадобиться 8 мільярдів доларів США, а її експлуатація коштуватиме 670 мільйонів доларів на рік. Ідея поки що така. «Наразі немає серйозного фінансування передових концепцій космічного двигуна», — сказав Джексон. Однак існують інші способи отримання антиматерії. Ось де Від зосередив свою роботу.

Концепція Віда включає позитрони, версію електрона з антиматерії.

Інший вид двигуна антиматерії

Позитрони «у кілька тисяч разів легші за антипротони і не мають такої потужної сили під час анігіляції», — сказав Від. Однак перевага полягає в тому, що вони виникають природним шляхом і не потребують гігантського прискорювача та мільярдів доларів, щоб їх створити.

Рухова система антиматерії Віда розроблена для використання криптону-79 — форми елемента криптону, який природним чином випромінює позитрони. Система двигуна спочатку збере високоенергетичні позитрони з криптону-79, а потім спрямує їх до шару звичайної матерії, виробляючи енергію анігіляції. Потім ця енергія запустить потужну реакцію термоядерного синтезу для створення тяги для космічного корабля.

Хоча позитрони можуть бути дешевшими для отримання, ніж більш потужні форми антиматерії, їх важко використовувати, тому що вони мають високу енергію і потребують уповільнення або «поміркування». Тож створити прототип для випробувань у космосі все ще недосяжно з точки зору витрат, сказав Від. Це стосується всіх конструкцій двигунів антиматерії. За десятиліття вчені запропонували десятки концепцій, жодна з яких не була реалізована.

Наприклад, у 1953 році австрійський фізик Ойген Зенгер запропонував «фотонну ракету», яка працюватиме на енергії анігіляції позитронів. А з 80-х років почалися розмови про термічні двигуни з антиматерії, які використовували б антиматерію для нагрівання рідини, газу або плазми для забезпечення тяги.

«Це не наукова фантастика, але ми не побачимо його в польоті, поки не буде значного «притягнення до місії», — сказав Від про свою концепцію двигуна.

Чи може це спрацювати?

Щоб побудувати концепцію Віда в масштабі зоряного корабля, «диявол криється в інженерних деталях», — сказав BI Пол М. Саттер, астрофізик і ведучий подкасту «Запитайте космонавта».

«Ми говоримо про пристрій, який використовує справді величезну кількість енергії, що вимагає вишуканого балансу та контролю», — сказав Саттер.

Загалом, ця величезна енергія є ще однією перешкодою, яка заважає нам революціонізувати космічні подорожі. Тому що під час тестування, «якщо щось піде не так, це будуть великі вибухи», — сказав BI Стів Хау, фізик, який працював над концепцією антиматерії з NASA у 90-х роках.

«Тож нам потрібна здатність тестувати системи з високою щільністю енергії десь, що не загрожує біосфері, але все ж дозволяє нам їх розвивати», — сказав Хоу, який вважає, що Місяць стане хорошою базою для тестування. «І якщо щось піде не так, ви розплавили шматок Місяця», а не Землі, додав він.

Антиматерія, як правило, викликає уяву в усіх, хто над нею працює. «Але нам потрібні божевільні, але правдоподібні ідеї, щоб потрапити далі в космос, тому це варто розглянути», — сказав Саттер.

Війд повторює цю думку, кажучи, що «поки не буде вагомої причини швидко дістатися до поясу Койпера, сонячної гравітаційної лінзи або Альфи Центавра — або, можливо, ми намагатимемось повернути великі астероїди для видобутку — прогрес і надалі буде повільним. цю територію».