Antimatter Propulsion System09.05.2024 11:45

Привет! В этой статье я попытался кратко описать свойства антиматерии, способы её применения в космонавтике и полностью с нуля спроектировал и рассчитал двигательную установку на античастицах.

Введение

Для освоения космического пространства человечеству необходимы более мощные двигательные установки, по сравнению с нынешними. Возьмём за пример полёт к Марсу. В нынешних условиях такой перелёт может занять более полугода только в одну сторону. За это время люди на корабле получат критическую дозу космической радиации. Способов защиты от подобного ещё не создали, поэтому единственный выход из ситуации — это двигаться с большей скоростью. Для того, чтобы развить большую скорость, относительно нынешних двигателей, требуется более совершенный двигатель, с большим удельным импульсом. Одним из таких двигателей может являться двигатель на антиматерии.

Антиматерия —  это материя, состоящая из античастиц. Ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковой массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия. Например электрическим зарядом. Антивещество при столкновении с веществом аннигилирует, при этом высвобождается вся энергия массы как вещества, так и антивещества.  Начало истории открытия существования антивещества было положено, когда Эйнштейн сформировал уравнение энергии, для движущей частицы уравнение имеет другой вид и учитывает ее импульс.

E2 = p2 * c2 + m2 * c2

Проектирование двигателя

Нужно понимать, что античастицы обладают чрезвычайно огромной плотностью. Из-за этого их аннигиляция способна буквально разорвать двигатель. Во-избежание этого — необходим демпфер. (демпфер —  устройство, используемое для гашения или предотвращения механических колебаний, возникающих в машинах и механизмах при их работе).

Поговорим подробнее об аннигиляции античастиц. Аннигиляция антипротонов — это процесс взаимодействия на уровне кварковой структуры ядра. Протон состоит из пары кварков с зарядом +2/3 и одного кварка с зарядом -⅓. Антипротон, соответственно, его полная противоположность: пара антикварков -2/3 и один антикварк с зарядом +⅓. Когда антипротон аннигилирует, выделяется энергия в 1,88 гигаэлектронвольт. Эта энергия преобразуется в кинетическую энергию заряженных и нейтральных пи-мезонов. Соответственно, электромагнитное сопло — тоже является крайне необходимой деталью нашего двигателя. С помощью него мы (в теории) сможем направлять заряженные пи-мезоны и, тем самым, создавать реактивную тягу.

Следующая деталь — дуоплазматрон. (Дуоплазматрон — это тип источника ионов). Ионизируя водород, который будет браться из баков, он станет нашим источником протонов для аннигиляции.

Остаётся не решённым вопрос о том, где и как мы будем хранить антипротоны для последующей реакции? Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки. Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях.

Схема ловушки Пеннинга:

Вы можете задаться вопросом: «А как мы полетим, если античастицы достаточно неустойчивы и на данный момент не могут храниться более получаса?». Можно взять несколько вариантов ответа. Первый заключается в том, что мы будем ожидать, пока ученые смогут продлить хранение античастиц в магнитных ловушках на дни. Второй — использовать всё топливо в течение этого самого получаса. В этом случае, вместе с выведением двигателя на орбиту, его стыковкой с кораблём — времени останется чрезвычайно мало. И не смотря на демпфер — весь корабль может быть уничтожен от силы аннигиляции относительно большого количества античастиц, за сравнительно небольшой отрезок времени. Поэтому, я предпочитаю первый вариант.

Характеристики:                                                                

P=w/g * W+F (Pk-Po)=3000кН                                                          

Pуд=P/w=20.000.000 м/с 

P-тяга, w-весовой секундный расход, W-изменение скорости газа, F-площадь выходного сечения сопла, Pk- давление газа в выходном сечении сопла, Po-окружающее давление.

• Высота ~ 10 метров

• Вес ~ 1.5 тонны

• Диаметр = 2–3 метра

• Основной материал — вольфрам.

Небольшое пояснение. Мы знаем что в атмосфере тяга такого двигателя  равна нулю, а значит разница давления в сопле и окружающей среде равна 15%. Весовой секундный расход мы берём как 47 нг в секунду. изменение скорости газа (в нашем случае продуктов аннигиляции антиматерии и материи) берём как 196000000 что является скоростью приобретаемой [«газ»] при аннигиляции. теперь мы можем посчитать 85% от тяги, оно будет равно весовой секундный расход делить на ускорение свободного падения и умножить на изменение скорости [«газ»]. Мы получаем 2400000Н, из этого мы можем получить полную тягу и площадь сечения выходного сопла. площадь выходного сечения сопла будет равна 15% полной тяги, это равно 400000Н, делить на давление, тогда выходное сечение сопла равно 4.4 см^2. Удельный импульс мы можем получить поделив полную тягу 3000000Н на весовой секундный расход, и мы получим 23000000.

Заключение

В заключении не могу не отметить, что генерация антиматерии, ее хранение и создание реактивной тяги являются самыми сложными техническими задачами. К счастью, решить их возможно — никакие законы физики этому не противоречат. К слову, полет к ближайшей к солнцу звезде (Proxima Centauri), на таком двигателе займет не более 20 лет. В сравнении с тысячами лет полёта на нынешних химических двигателях — это приемлемый срок.

Из доступных источников информации я выяснил, что около 12 мг антипротонов понадобится для совершения полета на Марс. При наибольшей скорости в 120.000 км/с. Исходя из расчетов, при поступлении 49 нг антипротонов каждую секунду — такая скорость будет набрана за 1.16 дня. Весь полёт займет около 5–6 дней.

И представляю результат работы, а именно 3D модель двигателя.

Если смотреть слева направо — первым идет магнитное сопло, с его помощью мы будем направлять заряженные пи-мезоны, далее ловушка Пеннинга, для хранения антипротонов, дуоплазматрон для ионизации водорода, а сразу же за ним бак с водородом. И всё это окружает демпфер.

Теоретическая часть

История открытия античастиц

В 1927 году английский теоретик Поль Дирак представил надежную теоретическую основу для концепции электронного вращения. Чтобы описать поведение электрона в электромагнитном поле, Дирак ввел в квантовую механику специальную теорию относительности физика немецкого происхождения Альберта Эйнштейна. Релятивистская теория Дирака показала, что электрон должен обладать вращением и магнитным моментом, но она также сделала то, что казалось странным. Базовое уравнение, описывающее допустимые энергии для электрона, допускало бы два решения, одно положительное и одно отрицательное. Положительное решение, по-видимому, описывало нормальные электроны. Отрицательное решение было скорее загадкой; казалось, оно описывало электроны с положительным, а не отрицательным зарядом.

Загадка была разрешена в 1932 году, когда американский физик Карл Андерсон открыл частицу, называемую позитроном. Позитроны очень похожи на электроны: они имеют одинаковую массу и одинаковое вращение, но имеют противоположный электрический заряд. Таким образом, позитроны — это частицы, предсказанные теорией Дирака, и они были первыми из так называемых обнаруженных античастиц. Теория Дирака, фактически, применима к любой субатомной частице с вращением ½; следовательно, все частицы с вращением ½ должны иметь соответствующие античастицы. Однако материя не может быть создана как из частиц, так и из античастиц. Когда частица встречает соответствующую ей античастицу, они исчезают в акте взаимного уничтожения, известном как аннигиляция.

Используя ускорители частиц, физики могут имитировать действие космических лучей и создавать столкновения с высокой энергией. В 1955 году команда, возглавляемая ученым итальянского происхождения Эмилио Сегре и американцем Оуэном Чемберленом, нашла первые доказательства существования антипротонов при столкновениях протонов высокой энергии, производимых беватроном — ускорителем в Национальной лабораторией Лоуренса Беркли в Калифорнии. Вскоре после этого другая команда, работавшая над тем же ускорителем, открыла антинейтрон.

Свойства и строение античастиц

Античастицы отличаются от частицы заменой всех зарядов (электрического, барионного, лептонного, ароматов кварков) на противоположный. Ряд характеристик частицы и античастицы совпадают (масса, спин). Связь характеристик частиц и античастиц показана в таблице.

Способы добычи

В основном, космические лучи состоят из «обычных» для глубокого космоса частиц: протонов, альфа-частиц и электронов. Но иногда в них встречается и что-то необычное, например частицы антиматерии — антипротоны и позитроны. Откуда они могут взяться, если вся Вселенная состоит из вещества, а не антивещества?

Во-первых, античастицы, в особенности позитроны, могут рождаться вблизи какого-то астрофизического объекта, который работает космическим ускорителем электронов, например пульсара. Тогда он может подхватить и разогнать до больших энергий не только электроны, но и позитроны. Такие позитроны считаются полноправным компонентом первичных космических лучей. Даже если античастиц не было в первичных космических лучах, они возникнут при их столкновении с межзвездным веществом. Такие частицы называются вторичными, поскольку они возникают как побочный продукт распространения первичных космических лучей в галактике. Это самый стандартный, «наискучнейший» источник позитронов и антипротонов в космосе.

Антивещество можно получать в ускорителях частиц. Античастицы, например антипротоны, получают следующим образом: пучок протонов сталкивают с металлической мишенью, в результате столкновения образуется множество частиц, в том числе и нужные нам антипротоны. Следующим шагом будет изоляция антипротонов с помощью магнитного или электрического поля.

Позитроны согласно теории Юлиана Швингера (нобелевского лауреата) могут появляться в космическом вакууме, под действием сильного электрического поля в виде пары электрон-позитрон, путем поляризации вакуума.

Ну, а на этом пожалуй всё. :-)

© Habrahabr.ru