Химические ракеты доставили нас на Луну и обратно, но для путешествий к звёздам требуется нечто более мощное. Starship компании Space X может выводить на орбиту огромные массы и доставлять полезные грузы по всей Солнечной системе с помощью своих химических ракет, но он не может летать к ближайшим звёздам со скоростью в тридцать процентов от скорости света и приземляться. Для миссий за пределами нашего региона космоса нам нужно нечто принципиально более энергичное, чем химическое горение, и физика предлагает это, то есть антиматерию.
При столкновении антиматерии с обычной материей происходит её полная аннигилляция, превращая массу непосредственно в энергию согласно уравнению Эйнштейна E = mc². Этот член c² равен приблизительно 10¹⁷, почти непостижимо большому числу. Это делает антиматерию примерно в 1000 раз более энергичной, чем ядерное деление — самый мощный источник энергии, используемый в настоящее время.
Антиматерия как источник энергии
Антиматерия как источник энергии потенциально может позволить космическим кораблям достигать близлежащих звёзд со скоростью, составляющей значительные доли скорости света. Подробный технический анализ, проведённый Кейси Хэндмером, генеральным директором Terraform Industries, описывает, как человечество может разработать практические двигатели на антиматерии в рамках существующих бюджетов космических полётов, что потребует прорывов в трёх важнейших областях: эффективности производства, надёжных системах хранения и конструкциях двигателей, способных безопасно использовать максимально возможное количество физически энергоёмкого топлива.
Задача заключается в том, чтобы превратить теоретическую физику в работающее оборудование. Между нами и космическими аппаратами, работающими на антиматерии, стоят три основных препятствия: производство достаточного количества антиматерии, её безопасное хранение и разработка двигателей, способных её использовать.
Производство антиматерии
В настоящее время производство антиматерии осуществляется на таких объектах, как ЦЕРН, где ежедневно обрабатываются тысячи атомов. Это впечатляющий прогресс по сравнению с показателями десятилетней давности, но примерно сопоставимый с мощностями по производству плутония в конце 1940-х годов. Этот процесс остаётся чрезвычайно неэффективным, составляя около 0,000001%, что требует использования мощных ускорителей частиц и вакуумных накопительных колец. Однако недавние демонстрации восьмикратного повышения эффективности свидетельствуют о возможности быстрого улучшения. Ещё несколько прорывов подобного масштаба могли бы сделать производство пригодным для дальних космических миссий, где получение дополнительной скорости вдали от Земли становится практически бесценным.
Хранение представляет собой более сложную задачу, поскольку антиматерия мгновенно аннигилирует при контакте с любой обычной материей. Современные системы используют электромагнитные накопители для удержания заряженной плазмы антиматерии, но они большие, тяжёлые и хрупкие. Более перспективный подход может включать электростатическое удержание, при котором крошечная капля или кристалл антиводорода удерживается в криогенно охлаждаемой вакуумной камере с помощью тщательно контролируемых электрических полей. Это напоминает технологию, уже используемую в квантовых компьютерах, и может быть безопасно протестировано с обычным водородом, просто инвертируя заряд.
Какой нужен двигатель
Конструкция двигателя определяет, действительно ли огромная энергия антиматерии создаёт полезную тягу. Простейший подход использует антиматерию для нагрева огнеупорного блока, через который протекает топливо, достигая производительности, сравнимой с ядерными тепловыми ракетами, без необходимости использования бортового реактора. Более сложные конструкции сочетают антиматерию с ураном-238, природной формой урана. Антипротоны могут инициировать деление U-238, производя высокозаряженные частицы, которые гораздо эффективнее передают энергию в выхлопной поток, чем одни только гамма-лучи, что позволяет достигать удельных импульсов от значений, характерных для химических ракет, до значений, подходящих для межзвёздных миссий.
Необходимые количества остаются на удивление скромными: например, для путешествия к Плутону и обратно менее чем за двадцать лет потребуется всего 45 граммов антиматерии в сочетании с 10 килограммами урана-238, которые вместе займут примерно 500 кубических сантиметров пространства. Поскольку проблема химического двигателя в значительной степени решена с помощью многоразовых ракет, антиматерия представляет собой логичный следующий рубеж в исследовании дальнего космоса.
Источники:
Статья создана по материалам https://www.universetoday.com/articles/the-case-for-an-antimatter-manhattan-project
