Antimateria raket

En föreslagen antimateriaraket

En antimateriaraket är en föreslagen klass av raketer som använder antimateria som sin kraftkälla. Det finns flera mönster som försöker uppnå detta mål. Fördelen med denna raketklass är att en stor del av resten av en materia/antimateriablandning kan omvandlas till energi, vilket gör att antimateriaraketer kan ha en mycket högre energitäthet och specifik impuls än någon annan föreslagen raketklass.

Metoder

Antimateriaraketer kan delas in i tre typer av applikationer: de som direkt använder produkterna från antimateriaförintelse för framdrivning, de som värmer en arbetsvätska eller ett mellanmaterial som sedan används för framdrivning, och de som värmer en arbetsvätska eller en intermediär material för att generera elektricitet för någon form av elektriskt framdrivningssystem för rymdfarkoster . De framdrivningskoncept som använder dessa mekanismer delas i allmänhet in i fyra kategorier: fast kärna, gasformig kärna, plasmakärna och strålade kärnkonfigurationer. Alternativen till direkt framdrivning av antimateriaförintelse erbjuder möjligheten till genomförbara fordon med, i vissa fall, mycket mindre mängder antimateria men kräver mycket mer materiadrivmedel. Sedan finns det hybridlösningar som använder antimateria för att katalysera fission/fusionsreaktioner för framdrivning.

Ren antimateriaraket: direkt användning av reaktionsprodukter

Antiprotonförintelsereaktioner producerar laddade och oladdade pioner , förutom neutriner och gammastrålar . De laddade pionerna kan kanaliseras av ett magnetiskt munstycke , vilket ger dragkraft. Den här typen av antimateriaraket är en pionraket eller strålade kärnkonfiguration. Det är inte perfekt effektivt; energi går förlorad som vilomassan för de laddade (22,3 %) och oladdade pionerna (14,38 %), förlorade som den kinetiska energin för de oladdade pionerna (som inte kan avböjas för dragkraft); och förlorade som neutriner och gammastrålar (se antimateria som bränsle ).

Positronförintelse har också föreslagits för raketer. Förintelse av positroner producerar endast gammastrålar. Tidiga förslag för denna typ av raket, som de som utvecklats av Eugen Sänger , antog användningen av något material som kunde reflektera gammastrålar, som användes som ett lätt segel eller parabolsköld för att härleda dragkraft från förintelsereaktionen, men ingen känd form av materia (som består av atomer eller joner) interagerar med gammastrålar på ett sätt som skulle möjliggöra spegelreflektion. Gammastrålningens rörelsemängd kan dock delvis överföras till materia genom Compton-spridning .

En metod för att nå relativistiska hastigheter använder sig av en materia-antimateria GeV gammastrålelaserfotonraket som möjliggjorts av en relativistisk proton-antiprotonnypaurladdning, där rekylen från laserstrålen överförs av Mössbauer-effekten till rymdfarkosten .

En ny förintelseprocess ska ha utvecklats av forskare från Göteborgs universitet. Flera annihilationsreaktorer har konstruerats under de senaste åren där väte eller deuterium omvandlas till relativistiska partiklar genom laserförintelse. Tekniken har demonstrerats av forskargrupper ledda av prof. Leif Holmlid och Sindre Zeiner-Gundersen vid forskningsanläggningar i både Sverige och Oslo. En tredje relativistisk partikelreaktor byggs för närvarande vid Islands universitet. De emitterade partiklarna från väteförintelseprocesser kan nå 0,94c och kan användas i rymdframdrivning. Notera dock att sanningshalten Leif Holmlids forskning är omtvistad.

Termisk antimateriaraket: uppvärmning av ett drivmedel

Denna typ av antimateriaraket kallas en termisk antimateriaraket eftersom energin eller värmen från förintelsen utnyttjas för att skapa ett avgas från icke-exotiskt material eller drivmedel.

Konceptet med solid kärna använder antiprotoner för att värma en fast, eldfast metallkärna med hög atomvikt ( Z ) . Drivmedel pumpas in i den heta kärnan och expanderas genom ett munstycke för att generera dragkraft. Prestandan för detta koncept är ungefär likvärdig med den för den nukleära termiska raketen ( $I_{\text{sp}}$ ~ 10 ³ sek.) på grund av temperaturbegränsningar hos det fasta ämnet. Emellertid är antimateriaenergiomvandlingen och uppvärmningseffektiviteten vanligtvis hög på grund av den korta medelvägen mellan kollisioner med kärnatomer ( effektivitet $\eta _{e}$ ~ 85%). Flera metoder för den termiska antimateriamotorn med flytande drivmedel med användning av gammastrålar som produceras av antiproton- eller positronförintelse har föreslagits. Dessa metoder liknar de som föreslagits för termiska kärnraketer . En föreslagen metod är att använda positronförstörande gammastrålar för att värma en fast motorkärna. Vätgas leds genom denna kärna, värms upp och stöts ut från ett raketmunstycke . En andra föreslagen motortyp använder positronförintelse i en fast blypellet eller inuti komprimerad xenongas för att producera ett moln av het gas, som värmer ett omgivande lager av gasformigt väte. Direkt uppvärmning av vätgas med gammastrålar ansågs opraktisk, på grund av svårigheten att komprimera tillräckligt mycket av det i en motor av rimlig storlek för att absorbera gammastrålningen. En tredje föreslagen motortyp använder förintande gammastrålar för att värma ett ablativt segel, med det ablerade materialet som ger dragkraft. Liksom med kärnvärmeraketer begränsas den specifika impuls som kan uppnås med dessa metoder av materialöverväganden, vanligtvis i intervallet 1000–2000 sekunder.

Det gasformiga kärnsystemet ersätter det fasta ämnet med låg smältpunkt med en högtemperaturgas (dvs. volframgas/plasma), vilket möjliggör högre driftstemperaturer och prestanda ( $I_{\text{sp}}$ ~ 2 × 10 ³ sekunder). Den längre medelfria vägen för termalisering och absorption resulterar emellertid i mycket lägre energiomvandlingseffektivitet ( $\eta _{e}$ ~ 35%).

Plasmakärnan gör att gasen kan joniseras och arbeta vid ännu högre effektiva temperaturer . Värmeförlusten undertrycks av magnetisk inneslutning i reaktionskammaren och munstycket. Även om prestandan är extremt hög ( $I_{\text{sp}}$ ~ 10 ⁴ -10 ⁵ sek), resulterar den långa medelfria vägen i mycket lågt energiutnyttjande ( $\eta _{ e}$ ~ 10 %

Kraftgenerering mot materia

Idén att använda antimateria för att driva en elektrisk rymdenhet har också föreslagits. Dessa föreslagna konstruktioner liknar vanligtvis de som föreslås för kärnkraftsraketer . Antimateriaförintelser används för att direkt eller indirekt värma upp en arbetsvätska, som i en kärnkraftsraket , men vätskan används för att generera elektricitet, som sedan används för att driva någon form av elektriskt rymdframdrivningssystem. Det resulterande systemet delar många av egenskaperna hos andra förslag om laddade partiklar/elektriska framdrivningar, som vanligtvis är hög specifik impuls och låg dragkraft (En tillhörande artikel som ytterligare beskriver antimateria-kraftgenerering ).

Katalyserad fission/fusion eller spetsad fusion

Detta är ett hybridtillvägagångssätt där antiprotoner används för att katalysera en fission/fusionsreaktion eller för att "spika" framdrivningen av en fusionsraket eller liknande tillämpningar.

Det antiprotondrivna inertial confinement fusion (ICF) raketkonceptet använder pellets för DT-reaktionen . Pelleten består av en halvklot av klyvbart material såsom U ²³⁵ med ett hål genom vilket en puls av antiprotoner och positroner injiceras. Den är omgiven av en halvklot av fusionsbränsle, till exempel deuterium-tritium eller litiumdeuterid. Antiprotonförintelse sker vid ytan av halvklotet, vilket joniserar bränslet. Dessa joner värmer kärnan av pelleten till fusionstemperaturer.

Det antiprotondrivna, magnetiskt isolerade tröghetsbegränsande fusionsframdrivningskonceptet (MICF) bygger på självgenererat magnetfält som isolerar plasman från det metalliska skalet som innehåller det under bränningen. Livslängden för plasman uppskattades vara två storleksordningar större än implosionströghetsfusion, vilket motsvarar en längre brinntid och därmed större vinst.

Det antimateriadrivna PB ¹¹ -konceptet använder antiprotoner för att antända PB ¹¹ -reaktionerna i ett MICF-schema. Alltför stora strålningsförluster är ett stort hinder för antändning och kräver modifiering av partikeldensiteten och plasmatemperaturen för att öka förstärkningen. Man drog slutsatsen att det är fullt möjligt att detta system skulle kunna uppnå I _sp ~10 ⁵ s.

Ett annat tillvägagångssätt var tänkt för AIMStar där små fusionsbränsledroppar skulle injiceras i ett moln av antiprotoner inneslutna i en mycket liten volym i en reaktions- Penning-fälla . Förintelse äger rum på ytan av antiprotonmolnet och drar tillbaka 0,5 % av molnet. Den frigjorda effekttätheten är ungefär jämförbar med en 1 kJ, 1 ns laser som avsätter sin energi över ett 200 μm ICF-mål.

ICAN -II- projektet använder antiprotonkatalyserad mikrofission (ACMF)-konceptet som använder pellets med ett molförhållande på 9:1 av DT:U ²³⁵ för nukleär pulsframdrivning .

Svårigheter med antimateriaraketer

De främsta praktiska svårigheterna med antimateriaraketer är problemen med att skapa antimateria och lagra den. Att skapa antimateria kräver tillförsel av enorma mängder energi, åtminstone motsvarande resten av energin hos de skapade partikel/antipartikelparen, och typiskt (för antiprotonproduktion) tiotusentals till miljontals gånger mer. De flesta lagringssystem som föreslås för interstellära farkoster kräver produktion av frysta pellets av antiväte. Detta kräver kylning av antiprotoner, bindning till positroner och infångning av de resulterande antiväteatomerna - uppgifter som från och med 2010 endast har utförts för ett litet antal enskilda atomer. Lagring av antimateria görs vanligtvis genom att fånga elektriskt laddade frysta antivätepellets i Penning- eller Paul-fällor . Det finns ingen teoretisk barriär för att dessa uppgifter utförs i den skala som krävs för att driva en antimateriaraket. De förväntas dock vara extremt (och kanske oöverkomligt) dyra på grund av att nuvarande produktionsförmåga bara kan producera ett litet antal atomer, en skala ungefär 10 23 gånger mindre än vad som behövs ^för en 10-grams resa till Mars.

Generellt sett deponeras energin från antiprotonförintelse över ett så stort område att det inte effektivt kan driva kärnkapslar. Antiprotoninducerad klyvning och självgenererade magnetfält kan avsevärt förbättra energilokalisering och effektiv användning av förintelseenergi.

Ett sekundärt problem är utvinningen av användbar energi eller rörelsemängd från produkterna från antimateriaförintelsen, som främst är i form av extremt energisk joniserande strålning . De antimateriamekanismer som hittills föreslagits har till största delen tillhandahållit rimliga mekanismer för att utnyttja energi från dessa förintelseprodukter. Den klassiska raketekvationen med sin "våta" massa ( $M_{0}$ )(med drivmedelsmassafraktion ) till "torr" massa ( $M_{1}$ )(med nyttolast ) fraktion ( ${\frac {M_{0}}{M_{1}}}$ ), hastighetsändringen ( $\Delta v$ ) och specifik impuls ( $I_{ \text{sp}}$ ) håller inte längre på grund av de massförluster som inträffar i antimateriaförintelsen.

Ett annat allmänt problem med högdriven framdrivning är överskottsvärme eller spillvärme , och som med antimateria-förintelse inkluderar även extrem strålning. Ett proton-antiprotonförintande framdrivningssystem omvandlar 39 % av drivmedelsmassan till ett intensivt högenergiflöde av gammastrålning. Gammastrålarna och de högenergiladdade pionerna kommer att orsaka värme- och strålskador om de inte skyddas mot. Till skillnad från neutroner kommer de inte att orsaka att det exponerade materialet blir radioaktivt genom transmutation av kärnorna. Komponenterna som behöver avskärmas är besättningen, elektroniken, den kryogena tanken och magnetspolarna för magnetiskt assisterade raketer. Två typer av skärmning behövs: strålskydd och termiskt skydd (till skillnad från värmesköld eller värmeisolering ).

Slutligen måste relativistiska överväganden tas i beaktande. När biprodukterna från förintelsen rör sig med relativistiska hastigheter förändras vilomassan enligt relativistisk massenergi . Till exempel omvandlas den totala massa-energihalten i den neutrala pionen till gamma, inte bara dess vilomassa. Det är nödvändigt att använda en relativistisk raketekvation som tar hänsyn till de relativistiska effekterna av både fordonets och drivmedelsavgaserna (laddade pioner) som rör sig nära ljusets hastighet. Dessa två modifieringar av de två raketekvationerna resulterar i ett massförhållande ( ${\displaystyle {\frac {M_{0}}{M_{1}}}} )$ för en given ( $\Delta v$ ) och ( $I_{\text{sp}}$ ) som är mycket högre för en relativistisk antimateriaraket än för antingen en klassisk eller relativistisk "konventionell" raket.

Modifierad relativistisk raketekvation

Förlusten av massa specifik för antimateriaförintelse kräver en modifiering av den relativistiska raketekvationen som ges som

${\frac {M_{0}}{M_{1}}}=\left({\frac {1+{ \frac {\Delta v}{c}}}{1-{\frac {\Delta v}{c}}}}\right)^{\frac {c}{2I_{\text{sp}}}}$

 

 

 

 

()

där $c$ är ljusets hastighet, och $I_{\text{sp}}$ är den specifika impulsen (dvs. $I_{\text{sp}}$ =0,69 $c$ ).

Den derivativa formen av ekvationen är

${ \frac {dM_{\text{ship}}}{M_{\text{ship}}}}={\frac {-dv(1-I_{\text{sp}}{\frac {v}{c^ {2}}})}{(1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}})(-{\frac {I_{\text{sp}}}{c^{2 }v2}}+(1+a)v+aI_{\text{sp}})}}$

 

 

 

 

()

där $M_{\text{ship}}$ är raketskeppets icke-relativistiska (vila) massa, och $a$ är bråkdelen av den ursprungliga (ombord) drivmedelsmassan (icke -relativistisk) kvar efter förintelse (dvs. $a$ =0,22 för de laddade pionerna).

Eq.II är svår att integrera analytiskt. Om det antas att $v\sim I_{\text{sp}}$ , så att $(1 -{\frac {I_{\text{sp}}v}{c^{2}}})\sim (1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}})$ sedan den resulterande ekvationen är

${\frac {dM_{\text{ship}}}{M_{\text {ship}}}}={\frac {-dv}{(-{\frac {I_{\text{sp}}}{c^{2}v^{2}}}+(1-a)v +aI_{\text{sp}})}}$

 

 

 

 

()

Eq.III kan integreras och integralen utvärderas för $v_{i}=0$$\displaystyle M_{0}}$ och $M_{1}$ och initiala och slutliga hastigheter ( och $v_{f}=\Delta v$ ). Den resulterande relativistiska raketekvationen med förlust av drivmedel är

${\frac {M_{0}}{M_{1}}}=\left({ \frac {(-2I_{\text{sp}}\Delta v/c^{2}+1-a-{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^ {2}/c^{2}}})(1-a+{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}} )}{(-2I_{\text{sp}}\Delta v/c^{2}+1-a+{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{ 2}/c^{2}}})(1-a-{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}} )}}\right)^{\frac {1}{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}}}$

 

 

 

 

()

Andra allmänna frågor

Den kosmiska bakgrundsstrålningen kommer att jonisera raketens skrov över tiden och utgör ett hälsohot . Gasplasmainteraktioner kan också orsaka rymdladdning . Den största växelverkan av oro är differentiell laddning av olika delar av en rymdfarkost, vilket leder till höga elektriska fält och ljusbågar mellan rymdfarkosternas komponenter. Detta kan lösas med välplacerad plasmakontaktor . Det finns dock ännu ingen lösning för när plasmakontaktorer är avstängda för att tillåta underhållsarbete på skrovet. Långvarig rymdflygning med interstellära hastigheter orsakar erosion av raketens skrov på grund av kollision med partiklar, gas , damm och mikrometeoriter . Vid 0,2 $c$ för en sträcka på 6 ljusår beräknas erosion vara i storleksordningen ca 30 kg/m ² eller ca 1 cm aluminiumskärmning.

Se även

• Nukleär fotonisk raket