Czy technologia reaktora materii i antymaterii może działać?

Statek kosmiczny Enterprise, znany fanom serii „Star Trek” ma korzystać z niesamowitej technologii o nazwie napęd warp, wyrafinowane źródło zasilania, które ma antymaterię w sercu. Antymateria prawdopodobnie produkuje całą energię, której potrzebuje załoga statku, aby wypaczać galaktykę i przeżywać przygody. Oczywiście taką elektrownią jest dzieło science fiction.

Wydaje się to jednak tak przydatne, że ludzie często zastanawiają się, czy koncepcję antymaterii można wykorzystać do zasilania statku kosmicznego międzygwiezdnego. Okazuje się, że nauka jest dość solidna, ale niektóre przeszkody zdecydowanie stoją na przeszkodzie, aby zamienić źródło marzeń w rzeczywistość użyteczną.

Źródłem mocy Enterprise jest prosta reakcja przewidywana przez fizykę. Materia to „rzeczy” gwiazd, planet i nas. Składa się z elektronów, protonów i neutronów.

Antymateria jest przeciwieństwem materii, rodzajem materii „lustrzanej”. Składa się z cząstek, które indywidualnie są antycząstkami różnych elementów budulcowych

Natura tworzy antycząstki, ale nie w dużych ilościach. Antycząstki powstają w procesach zachodzących w sposób naturalny, a także metodami eksperymentalnymi, takimi jak akceleratory dużych cząstek w zderzeniach wysokoenergetycznych. Ostatnie prace wykazały, że antymateria powstaje naturalnie ponad chmurami burzowymi, co jest pierwszym sposobem, w jaki produkuje się ją naturalnie na Ziemi i jej atmosferze.

W przeciwnym razie do wytworzenia antymaterii potrzeba ogromnych ilości ciepła i energii, na przykład podczas supernowe lub w środku gwiazdy głównej sekwencji, takie jak słońce. Nigdzie nie jesteśmy w stanie naśladować tych ogromnych rodzajów roślin termojądrowych.

Teoretycznie materia i jej odpowiednik antymaterii są łączone i natychmiast, jak sama nazwa wskazuje, unicestwią się, uwalniając energię. Jaka byłaby struktura takiej elektrowni?

Po pierwsze, musiałby być bardzo starannie zbudowany ze względu na ogromne ilości energii. Antymateria byłaby oddzielona od normalnej materii przez pola magnetyczne, tak aby nie zachodziły niezamierzone reakcje. Energia byłaby wówczas wydobywana w taki sam sposób, jak reaktory jądrowe wychwytują energię cieplną i świetlną z reakcji rozszczepienia.

Reaktory materia-antymateria byłyby rzędami wielkości bardziej wydajnymi w wytwarzaniu energii niż fuzja, kolejny najlepszy mechanizm reakcji. Jednak nadal nie jest możliwe pełne przechwycenie uwolnionej energii ze zdarzenia antymaterii. Znaczna część produkcji jest przenoszona przez neutrina, prawie bezmasowe cząsteczki, które oddziałują w ten sposób słabo z materią, którą są prawie niemożliwe do uchwycenia, przynajmniej w celu wydobycia energia.

Obawy związane z przechwytywaniem energii nie są tak ważne, jak zadanie uzyskania wystarczającej ilości antymaterii do wykonania zadania. Po pierwsze, musimy mieć dość antymaterii. To jest główna trudność: uzyskanie znacznej ilości antymaterii w celu utrzymania reaktora. Podczas gdy naukowcy stworzyli niewielkie ilości antymaterii, od pozytonów, antyprotonów, anty-wodoru atomów, a nawet kilku atomów helu, nie były one w wystarczających ilościach wystarczające do zasilania byle co.

Gdyby inżynierowie zgromadzili wszystkie antymaterie, które kiedykolwiek zostały sztucznie stworzone, po połączeniu przy normalnej materii nie wystarczyłoby zapalić standardową żarówkę przez więcej niż kilka minuty.

Ponadto koszt byłby niewiarygodnie wysoki. Akceleratory cząstek są drogie, nawet jeśli wytwarzają niewielką ilość antymaterii w swoich zderzeniach. W najlepszym przypadku wyprodukowanie jednego grama pozytonów kosztowałoby 25 miliardów dolarów. Badacze z CERN podkreślają, że wyprodukowanie jednego grama antymaterii wymagałoby 100 biliardów dolarów i 100 miliardów lat na uruchomienie akceleratora.

Oczywiście, przynajmniej przy obecnie dostępnej technologii, regularne wytwarzanie antymaterii nie wygląda obiecująco, przez co statki kosmiczne przez jakiś czas są poza zasięgiem. Jednak NASA szuka sposobów na przechwycenie naturalnie wytworzonego antymaterii, który może być obiecującym sposobem na zasilenie statków kosmicznych podczas podróży przez galaktykę.

Gdzie naukowcy szukaliby wystarczającej ilości antymaterii, aby załatwić sprawę? The Van Allenpromieniowanie pasy - regiony w kształcie pączków naładowanych cząstek otaczających Ziemię - zawierają znaczne ilości antycząstek. Są one tworzone, gdy cząstki o bardzo wysokiej energii naładowane od Słońca wchodzą w interakcje z polem magnetycznym Ziemi. Może być więc możliwe uchwycenie tego antymaterii i zachowanie go w „butelkach” pola magnetycznego, dopóki statek nie będzie mógł użyć go do napędu.

Ponadto, dzięki niedawnemu odkryciu tworzenia antymaterii ponad chmurami burzowymi, możliwe jest wychwycenie niektórych z tych cząstek na nasze potrzeby. Ponieważ jednak reakcje zachodzą w naszej atmosferze, antymateria nieuchronnie wejdzie w interakcję z normalną materią i unicestwi, prawdopodobnie zanim będziemy mieli szansę ją uchwycić.

Tak więc, choć nadal byłoby to dość drogie, a techniki chwytania nadal były badane, może kiedyś będzie to możliwe opracować technologię, która może zbierać antymaterię z otaczającej nas przestrzeni kosztem mniejszym niż sztuczne stworzenie Ziemia.

W miarę postępu technologii i lepszego zrozumienia, w jaki sposób powstaje antymateria, naukowcy mogą zacząć opracowywać sposoby wychwytywania nieuchwytnych cząstek, które są naturalnie tworzone. Nie jest więc niemożliwe, aby pewnego dnia mieliśmy źródła energii takie jak te przedstawione w science fiction.

-Edytowane i aktualizowane przez Carolyn Collins Petersen