аннигиляционный двигатель что такое
Аннигиляционные двигатели
Скорость движения обычных ракет существенным образом зависит от скорости истечения рабочего тела. Ни химические, ни ядерные реакции, известные в настоящее время, не позволяют достичь скоростей истечения, достаточных для разгона космического судна до околосветовой скорости. В качестве одного из вариантов решения проблемы предлагается использование в качестве рабочего вещества ракеты элементарные частицы, движущиеся со световой или околосветовой скоростью. Таким образом антивещество способно высвободить примерно в миллиард раз больше энергии, чем обычное ракетное топливо.
Для получения таких частиц можно использовать аннигиляцию материи и антиматерии. Например, взаимодействие электронов и позитронов порождает гамма-излучение, которое используется для создания реактивной тяги в конструкциях так называемых фотонных ракет (см. Фотонный двигатель).
Содержание
[править] Естественное антивещество
Эта теория допускает существование небольших количеств антивещества, возникшего естественным образом. Если нам удастся обнаружить его запасы, стоимость производства топлива для двигателей на антивеществе резко упадёт.
Искать места скопления естественного антивещества можно следующим методом. Когда электрон встречается с позитроном, оба аннигилируют, излучая при этом пару гамма-квантов с энергией около 0.511 МэВ или выше. В поисках гамма-лучей с такой энергией, можно отыскать следы присутствия естественного антивещества.
Для поисков антивещества естественного происхождения в 2006 г. На орбиту был выведен спутник PAMELA, разработанный совместными усилиями России, Италии, Германии и Швеции и предназначенный для поисков сохранившихся участков антивещества. Предыдущие попытки такого рода ограничивались использованием высотных аэростатов и шаттлов, то есть сбор данных продолжался не более недели. PAMELA же будет работать на орбите по крайней мере три года. Прибор разработан для регистрации космических лучей как от обычных источников, таких как сверхновые, так и от неожиданных и необычных, таких как звезды, состоящие целиком из антивещества. Говоря более конкретно, PAMELA будет искать след антигелия, который может возникать в недрах антизвёзд. Сегодня большинство физиков уверены, что в результате Большого взрыва вещество и антивещество во Вселенной аннигилировали почти полностью, но прибор PAMELA будет работать, исходя из другого предположения — что в этой аннигиляции не участвовали целые области Вселенной с преобладанием антивещества, где оно и сегодня существует в виде антизвёзд.
[править] Получение антивещества
Институт перспективных концепций NASA достаточно серьёзно воспринимает идею сбора антивещества в космосе, о чём свидетельствует грант на пилотный проект по изучению этой идеи. [1] Основой предполагаемого устройства для сбора антивещества служат три концентрические сферы, изготовленные из проволочной сетки. Внешняя сфера диаметром 16 км должна быть положительно заряжена; она будет отталкивать положительно заряженные протоны, но притягивать отрицательно заряженные антипротоны. Антипротоны, прошедшие через первую сферу, будут замедляться, проходя через вторую, и останавливаться на подходе к внутренней сфере диаметром 100 м. Там антипротоны будут захватываться магнитным полем и смешиваться с позитронами для получения антиводорода.
[править] Хранение антивещества
Помимо того, что возникают трудности в получении античастиц, серьезной проблемой представляется их хранение, а именно неизбежная аннигиляция при контакте с веществом. К примеру, учёные Европейского центра ядерных исследований(CERN) пытались получить античастицы в ускорителях и удержать их в гелиевых пузырьках.
Проблемой хранения активно занимается и NASA. Так, Д. Джексон и С. Хоув предложили метод хранения антиводорода в форме твердых шариков (d = 150 мкм). Эти шарики могут быть наэлектризованы и подвешены в системе специальных ловушек, действующих по электростатическому принципу. Правда, перспективы реализации этой идеи видятся довольно туманными.
Эта проблема была частично решена учеными CERN. Они создали глубокий вакуум, чтобы избежать столкновения случайных атомов воздуха с антивеществом. Чтобы удержать античастицы, была создана «магнитная бутылка», [2] состоящая из комбинации магнитных и электрических полей. Однако в ловушке можно удержать лишь ничтожное количество антипротонов и позитронов, иначе она будет разрушена зарядом.
[править] Создание анти-вещества на Земле
В 1995 г. CERN произвёл настоящую сенсацию — объявил о создании девяти атомов антиводорода. Самой большой преградой к созданию атомов более тяжелых антиэлементов является только цена. Любое государство обанкротилось бы, произведя несколько десятков граммов антиатомов. В настоящее время уровень производства антивещества в мире составляет от одной миллиардной до одной десятимиллиардной доли грамма в год. В 2004 г. несколько триллионных грамма антивещества обошлось CERN в 20 млн долларов. При таких темпах производство 1 грамм антивещества стоил бы 100 квадриллионов долларов и заняло бы 100 млдр. лет непрерывной работы фабрики. Это делает антивещество самым дорогим продуктом на свете.
[править] Технические возможности
Согласно оценке Джеральда Джексона из компании Hbar Technologies, управляемая аннигиляция вещества и антивещества внутри космического корабля могла бы довести его под солнечным парусом до Плутона при расходе всего лишь в 30 мг антивещества. Чтобы долететь до Альфы Центавра, (ближайшей к нам солнечной системе, на расстоянии около 4 световых лет), звездолёту потребуется 17 г антивещества. Теоретические расчёты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70 % от скорости света.
Фотонный двигатель
Фотонный двигатель (квантовый) — гипотетический реактивный двигатель, где источником энергии служит тело, которое излучает свет. Фотон имеет импульс, и, соответственно, при истекании из двигателя, свет создает реактивную тягу. Теоретически фотонный двигатель может развить максимальную тягу из расчёта на затраченную массу космического аппарата, позволяя достигать скоростей, близких к скорости света, однако практическая разработка таких двигателей, судя по всему, дело достаточно отдалённого будущего.
Содержание
Аннигиляционный фотонный двигатель
Чаще всего обсуждаются и упоминаются в научно-фантастической литературе идеи создания такого двигателя с использованием антивещества. Энтузиасты считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение.
Тем не менее, надо отметить, что распространенная в литературе формулировка «при аннигиляции выделяются гамма-кванты» в принципе физически неверна. Гамма-кванты прямо выделяются только при электрон-позитронной аннигиляции. В случае аннигиляции покоящейся (не релятивистской) пары протон-антипротон происходит сложно-цепочечная реакция: образование (часто) адронного мезоатома с временем жизни порядка 10 −27 секунды, затем распад этого атома (собственно аннигиляция) с образованием пионного комплекса, состоящего из 2-12 (в среднем 5-7) нейтральных (1/3) и заряженных (2/3) пи-мезонов (пионов), затем за время порядка 10 −17 секунды нейтральные пионы распадаются с выделением гамма-квантов с пиком энергии в спектре около 70 МэВ, в то время, как заряженные пионы, имеющие значительно много большее время жизни, до
1,5×10 −4 секунды, удаляются с околосветовыми скоростями из области реакции (в вакууме и разреженной среде — до 20-40 м, в плотном веществе, например, графите — порядка 0,1-0,2 м) и затем распадаются с образованием мюонов, в свою очередь распадающихся (в основном, 99,998 %, канале распада) на нейтрино и электроны.
Таким образом, при аннигиляции антивещества — то есть вещества, состоящего из антипротонов и позитронов, примерно 1/3 энергии выделится в виде жесткого гамма-излучения с энергией квантов 511 кэВ (от позитронно-электронной аннигиляции) и 70 МэВ от распада нейтральных пионов,
1/3 энергии — в виде заряженных частиц с достаточно большим пробегом, а
Технические проблемы
В сегодняшнем состоянии идея фотонного реактивного двигателя невероятно далека от технического воплощения. Она содержит ряд проблем, которые сейчас даже теоретически не могут быть решены: Это:
Фотонный двигатель на магнитных монополях
π 0 быстро распадается на 2 фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, в итоге атом водорода превращается в 4 фотона, и нерешённой остаётся только проблема зеркала.
В то же время в большинстве современных теорий Великого объединения магнитные монополи отсутствуют, что ставит под сомнение эту привлекательную идею.
Упоминания в научной фантастике
Патенты на фотонный двигатель
В настоящее время существуют несколько патентов России на фотонный двигатель. Однако они содержат физические ошибки, и в отсутствие эффективных рабочих образцов эти патенты могут рассматриваться лишь как курьёзы:
Фотонный двигатель в реальности
Согласно одной из гипотез, аномальное ускорение космических аппаратов «Пионер-10» и «Пионер-11» вызвано анизотропией теплового излучения аппаратов. Если это так, то таким образом зафиксирован эффект, аналогичный фотонному двигателю. Аналогично при определении параметров гравитационного поля Земли из траекторий движения геофизических спутников LAGEOS в расчёты входит давление солнечного света (Солнечный парус) и анизотропия теплового излучения спутников.
Аннигиляционный двигатель
Механоиды [ ]
Аннигиляционный двигатель, «Механоиды»
Вид плазменного двигателя, использующий энергию аннигиляции. За счёт этого он более экономичен и обладает лучшими характеристиками.