Антиматерія проблема виробництва, Екстремальна механіка
Антиматерія є настільки вишуканою перспективою для реактивного руху, що кожного разу, коли з'являється новий погляд на її застосування, я намагаюся зрозуміти його наслідки для далеких космічних місій. Але ці новини, у будь-якому разі цікаві, неминуче врівноважуються серйозною реальністю проблеми виробництва.
Марсіанський корабель працює на антиматерії.
Немає жодних сумнівів у тому, що антиматерія є потужним матеріалом, з потенціалом отримання у тисячі разів більшої енергії, ніж від ядерних реакцій поділу. Візьміть водень як робочу рідину, яка нагрівається антиматерією, і 10 г антиматерії зможуть дати вам таку ж тягу, як 120 тонн звичайного ракетного палива.
Якби ми могли зменшити ціну до 10 мільйонів доларів за міліграм, реактивний рух на антиматерії став би менш дорогим, ніж з використанням ядерних реакцій, залежно від ефективності конструкції. Але як знизити цю вартість? Поточні оцінки показують, що виробництво антиматерії у сучасних лабораторіях із прискорювачами обійдеться від 100 трильйонів доларів за грам. Працюючи над своєю книгою «Мрії про Центавр», я витратив деякий час, переглядаючи колекцію статей Роберта Форварда в університеті Алабама-Хантсвіл, де в бібліотеці Селмона зберігається кілька коробок з матеріалами. Форвард постійно працював у багатьох різних областях, завжди фокусуючись на нових дослідженнях. Зокрема, він випустив серію бюлетенів про пов'язані з антиматерією наукові події, які поширював серед своїх колег. Переглядаючи ці матеріали я побачив, що коли ми призначаємо ціну в 100 трильйонів доларів за грам, ми говоримо про антиматерію як вироблену у вигляді більш-меншпобічний продукт. Форвард розумів і брав до уваги наукові потреби лабораторій прискорювачів частинок, але він також бачив, що вони були найефективнішими місцями для виробництва антиматерії в будь-яких кількостях. Ці лабораторії були, зрештою, пов'язані з ракетною галуззю.
На замовлення ВПС США він приступив до дослідження з метою з'ясувати, що могло б мати місце, якби фабрики антиматерії були розроблені для будь-яких інших цілей, крім створення антипротонів, і прийшов у результаті до того, що енергоефективність виробництва могла б зрости від однієї 60 мільйонної до десятитисячної, тобто. до 0.01%. Форвард вважав, що при цьому вартість будівництва такої фабрики могла б бути драматично знижена до такого рівня, що наші 10 мільйонів доларів за міліграми стали б досяжними. Це цікаво з кількох точок зору. Як було зазначено вище, це робить антиматерію здійсненним для певного роду космічних місій (припускаючи відповідні успіхи в методах зберігання антиматерії). Але якщо ціна починає падати, то ми можемо очікувати нових застосувань в інших галузях дослідження, які можуть збільшити потребу в антиматерії та пришпорити роботу над її ефективним виробництвом. Заслуговує також на згадку, що навіть за сьогоднішніх цін антиматерія довела свою значущість у наукових дослідженнях та медичних застосуваннях.
Але як щодо інших шляхів зниження ціни? Одна з можливостей полягає в тому, щоб вийти за межі зіштовхування високоенергетичних протонів і перейти до зіштовхування важких ядер. При написанні разом з Джоел Девіс книги «Дзеркальна матерія: піонерська фізика антиматерії» (вид-во Wiley, 1988), Форвард розглядав такі можливості, як прискорювачі на зустрічних пучках важких іонів, у якихпучки важких іонів на кшталт урану могли стикатися для виробництва антипротонів в секунду (при цьому виникає проблема великої кількості ядерних відходів!). Він також розглядав нові покоління надпровідних магнітів для створення фокусуючих магнітних полів поблизу тієї області, де стикаються пучки, що могло б ущільнити ці пучки та збільшити виробництво антиматерії. Я виставив усе це на обговорення, тому що можливість збирання антиматерії з природних джерел у космосі, яку ми обговорювали минулого тижня, слід порівняти з її інтенсивним виробництвом тут, на Землі. Але ідеї Форварда, фактично, поєднують ці два поняття разом. Він хотів перенести виробництво антиматерії у космос у вигляді гігантських фабрик. Ось що він сказав з цього приводу в одному есе зі своєї книги «Нерозрізнене з Марса» (вид Baen, 1995).
Де ми матимемо енергію для роботи цих гігантських фабрик? Деякі з прототипів таких фабрик будуть побудовані на Землі, але для виробництва у великому масштабі ми не хочемо живити ці машини спалюванням викопного палива на Землі. Космос рясніє енергією. На відстані Землі від Сонця, сонце доставляє більше кіловат енергії на кожен квадратний метр поверхні, або гігават на квадратний кілометр. Збираючий світло масив зі стороною в сотні кілометрів забезпечив би подачу енергії в 10 терават, що достатньо для роботи фабрик антиматерії на повній потужності, при рівні виробництва в один грам щодня.
Звичайно ми ще далекі, дуже далекі від виробництва грама антиматерії в день, тому дослідження подібно до тих, які нещодавно були виконані Ронан Кін (Західна резервна академія) та Ві-Мінг-Чанг (університет Кент), мають такий футуристичний вигляд. Але важливо вивчати теоретичні обмеження наракетні системи, навіть якщо необхідна антиматерія поки що недоступна, і з цього приводу Кін і Чанг обмірковують найбільш передовий метод руху на антиматерії - привід від випромінюючого ядра (beamed core drive).
Щоб виконати цю роботу, вважаючи антиматерію доступною, вам потрібно впорснути протони та антипротони в магнітне сопло, яке після анігіляції матерії з антиматерією сфокусує заряджені півонії у спрямований промінь потужної тяги. Хоча заряджені півонії швидко розпадаються, вони можуть стартувати на 90% швидкості світла. На жаль ранні обчислення магнітних сопел довели неефективність перетворення цієї енергії, знизивши швидкість закінчення до однієї третини цього значення. Завтра ми подивимося, чи зможе більш ефективне магнітне сопло дати найкращий результат, а в цей час Кін і Чанг, використовуючи для симулювання програмне забезпечення ЦЕРН-а, проаналізували — що могло б відбуватися в чреві двигуна на антиматерії. Нам також слід розглянути інші способи використання антиматерії для реактивного потягу, враховуючи, що космічні фабрики Форварда найближчим часом не з'являться.