" Инженеры, будьте готовы кварп-двигателю" С этой командой команда "Звездного пути" корабля U. S. S. «Энтерпрайз» приготовился бросить космический корабль через космос на сверхсветовой скорости. Варп-двигатель - еще одна из тех научно-фантастических технологий, которые, подобно телепортации и путешествиям во времени, имеют научное обоснование. Просто это еще не достигнуто. Однако ученые работают над созданием двигателя для межзвездного космического корабля, похожего на двигатель «Энтерпрайза» из вещества-антивещества.
Ни один двигатель не может развивать сверхсветовую скорость; законы физики не позволяют нам сделать это, но мы сможем двигаться во много раз быстрее, чем позволяют наши нынешние методы движения. Двигатель на основе материи-антиматерии унесет нас далеко за пределы нашей Солнечной системы и позволит нам добраться до ближайших звезд за долю времени, которое потребовалось бы космическому кораблю, приводимому в движение двигателем на жидком водороде, подобно тому, который используется в космическом челноке. Это как разница между вождением гоночного автомобиля Indy и Ford Pinto 1971 года. В Pinto вы в конце концов доберетесь до финиша, но это займет в 10 раз больше времени, чем в Indy car.
В этой статье мы заглянем на несколько десятилетий в будущее космических путешествий, чтобы посмотреть накосмический корабль на антиматерии и выяснить, что такое антиматерия на самом деле и какой она будет. используется для продвинутой двигательной установки.
Что такое антивещество?
Это не вопрос с подвохом. Антиматерия - это именно то, что вы могли бы подумать, - противоположность обычной материи, из которой состоит большая часть нашей Вселенной. До недавнего времени присутствие антиматерии в нашей Вселенной считалось только теоретическим. В 1928 году британский физикПол А. М. Диракпересмотрел известное уравнение ЭйнштейнаE=mc²Дирак сказал, что Эйнштейн не считал, что «m» в уравнении - масса - может иметь как отрицательные, так и положительные свойства.. Уравнение Дирака (E=+ или - mc2) допускало существование античастиц в нашей Вселенной. С тех пор ученые доказали, что существует несколько античастиц.
Эти античастицы буквально являются зеркальным отражением обычной материи. Каждая античастица имеет ту же массу, что и соответствующая частица, но электрические заряды меняются местами. Вот некоторые открытия антиматерии 20 века:
- Positrons- Электроны с положительным, а не отрицательным зарядом. ОткрытыеКарлом Андерсоном в 1932 году, позитроны стали первым доказательством существования антивещества.
- Антипротоны - Протоны, имеющие отрицательный заряд вместо обычного положительного. В 1955 году исследователи Беркли Беватрон получили антипротон.
- Антиатомы - Объединив позитроны и антипротоны, ученые из ЦЕРНа, Европейской организации ядерных исследований, создали первый антиатом. Было создано девять атомов антиводорода, каждый из которых существует всего 40 наносекунд. К 1998 году исследователи ЦЕРН довели производство атомов антиводорода до 2000 атомов в час.
Когда антивещество вступает в контакт с обычным веществом, эти равные, но противоположные частицы сталкиваются, вызывая взрыв, испускающий чистое излучение, которое выходит из точки взрыва со скоростью света. Обе частицы, вызвавшие взрыв, полностью аннигилируют, оставляя после себя другие субатомные частицы. Взрыв, происходящий при взаимодействии антиматерии и материи, переводит всю массу обоих объектов в энергию. Ученые считают, что эта энергия более мощная, чем любая другая, которую можно получить с помощью других методов движения.
Итак, почему мы не построили реактивный двигатель материи-антиматерии? Проблема с разработкой двигателей на основе антиматерии заключается в том, что во Вселенной не хватает антиматерии. Если бы было равное количество материи и антиматерии, мы, вероятно, наблюдали бы эти реакции вокруг себя. Поскольку антиматерии вокруг нас не существует, мы не видим света, который мог бы возникнуть в результате ее столкновения с материей.
Возможно, во время Большого взрыва количество частиц превосходило количество античастиц. Как сказано выше, столкновение частиц и античастиц уничтожает и то, и другое. И поскольку частиц во Вселенной могло быть больше, осталось только это. Сегодня в нашей Вселенной может не быть естественных античастиц. Однако ученые обнаружили возможное месторождение антиматерии недалеко от центра галактики в 1977 году. Если оно действительно существует, это будет означать, что антиматерия существует естественным образом, и необходимость создавать нашу собственную антиматерию отпадет.
На данный момент нам нужно создать собственную антиматерию. К счастью, существует технология, позволяющая создавать антиматерию с помощью коллайдеров высокоэнергетических частиц, также называемых «ускорителями атомов». Ускорители атомов, такие как ЦЕРН, представляют собой большие туннели с мощными супермагнитами, которые вращаются вокруг, разгоняя атомы на околосветовых скоростях. Когда атом проходит через этот ускоритель, он врезается в цель, создавая частицы. Некоторые из этих частиц являются античастицами. которые разделены магнитным полем. Эти ускорители частиц высокой энергии производят только один или два пикограмма антипротонов каждый год. 100-ваттная электрическая лампочка на три секунды. Потребуются тонны антипротонов, чтобы добраться до межзвездных пунктов назначения.
Материя-Антиматерия Двигатель
НАСА, возможно, всего в нескольких десятилетиях от разработки космического корабля на антиматерии, который сократит расходы на топливо до части того, что сегодня. В октябре 2000 года ученые НАСА объявили о первых разработках двигателя на антивеществе, который мог бы генерировать огромную тягу, питаясь лишь небольшим количеством антивещества. Количество антиматерии, необходимое для питания двигателя для годового путешествия на Марс, может составлять всего лишь одну миллионную грамма, согласно отчету, опубликованному в этом месяце в журнале «Journal of Propulsion and Power»..
Двигатели на материи и антиматерии будут самыми эффективными двигателями из когда-либо созданных, потому что 100 процентов массы материи и антиматерии преобразуются в энергию. Когда материя и антиматерия сталкиваются, энергия, высвобождаемая при их аннигиляции, высвобождает примерно в 10 миллиардов раз больше энергии, чем химическая энергия, такая как сжигание водорода и кислорода, которую высвобождает космический шаттл. Реакции материи и антиматерии в 1000 раз мощнее, чем ядерное деление, производимое на атомных электростанциях, и в 300 раз мощнее, чем энергия ядерного синтеза. Таким образом, двигатели на материи-антиматерии могут продвинуть нас дальше с меньшим количеством топлива. Проблема заключается в создании и хранении антиматерии. Двигатель материи-антиматерии состоит из трех основных компонентов:
- Магнитные накопительные кольца - Антиматерия должна быть отделена от обычной материи, чтобы накопительные кольца с магнитными полями могли перемещать антиматерию по кольцу до тех пор, пока она не понадобится для создания энергии.
- Feed system - когда космическому кораблю требуется больше энергии, антиматерия высвобождается, чтобы столкнуться с целью материи, которая высвобождает энергию.
- Двигатель с магнитным соплом ракеты - Подобно коллайдеру частиц на Земле, длинное магнитное сопло будет перемещать энергию, создаваемую материей-антиматерией, через двигатель.
Примерно 10 граммов антипротонов хватило бы для отправки пилотируемого космического корабля на Марс за один месяц. Сегодня беспилотному космическому кораблю требуется почти год, чтобы добраться до Марса. В 1996 годуMars Global Surveyor прибыл на Марс за 11 месяцев. Ученые считают, что скорость космического корабля, работающего на материи-антиматерии, позволит человеку отправиться туда, куда еще не ступала нога человека в космосе. Можно было бы совершать путешествия к Юпитеру и даже за гелиопаузу, точку, в которой заканчивается солнечное излучение. Но пройдет еще много времени, прежде чем астронавты попросят рулевого своего звездолета перевести их на варп-скорость.