Computerillustration af et potentielt antimateriedrev. Billedkredit: Positronics Research LLC. Klik for at forstørre.
Vi spillede alle spillet som børn - “leapfrog” involverede et barn, der sad på alle fire, mens et sekund lagde deres hænder på den første skuldre. Det stående barn bøjes mod tyngdekraften og bøjes dybt ved benene og trækker sig op og over toppen af det første. Resultatet? Det andet barn går nu på huk, og det andet froskelignende spring følger efter tur. Ikke den mest effektive måde at komme til swing-sæt på - men meget sjov i det rigtige selskab!
Sprøjtning er dog ikke det samme som 'bootstrapping'. Mens bootstrapping bøjes og griber en enkelt spiller skindløkkerne på ydersiden af begge støvler. Spilleren foretager derefter en enorm anstrengelse opad med armene. Leapfrogging fungerer - bootstrapping gør det ikke, det kan bare ikke gøres uden at hoppe - en helt anden ting helt.
NASA-instituttet for avancerede koncepter (NIAC) tror på sprøjtning - nej ikke på legepladsen men i rumfart. Fra instituttets eget websted: "NIAC opfordrer forslagsstillerne til at tænke årtier ind i fremtiden i forfølgelse af koncepter, der vil" springe fra "udviklingen af de nuværende rumfartssystemer." NIAC er på udkig efter et par gode ideer og er villig til at støtte dem med seks måneder lange frøtilskud for at afprøve gennemførligheden, før seriøse forsknings- og udviklingsmidler - der er tilgængelige fra NASA og andre steder - tildeles. Forhåbentlig får sådanne frø lov til at spire, og fremtidige investeringer vokser dem til modenhed.
NIAC ønsker dog at adskille sprøjtning fra bootstrapping. Den ene fungerer, og den anden giver overhovedet ingen mening. Ifølge NIAC kunne positordrevet føre til et kæmpe spring fremad i den måde, vi rejser gennem hele solsystemet og videre. Der er sandsynligvis ingen bootstrapping om det.
Overvej positron - spejl tvilling af elektron - lignende menneskelige tvillinger, en meget sjælden ting. I modsætning til menneskelige tvillinger er det usandsynligt, at en positron overlever fødselsprocessen. Hvorfor? Fordi positroner og deres søskende - elektroner - finder hinanden uimodståelige og udslettes hurtigt i et udbrud af bløde gammastråler. Men det burst under kontrollerede omstændigheder kan konverteres til enhver form for 'arbejde', du måske ønsker at gøre.
Brug for lys? Bland en positron og en elektron og bestråle derefter en gas til glødelampe. Brug for elektricitet? Bland et andet par, og bestrå en metalstrimmel. Brug for pres? Skyd disse gammastråler ind i et drivmiddel, opvarm det til udlandsk høje temperaturer, og skub drivmidlet ud af raketens bagside. Eller skyde disse gammastråler ind i wolframplader i en luftstrøm, varme den luft og sprænge den ud på bagsiden af et fly.
Forestil dig at have et udbud af positroner - hvad kunne du gøre med dem? Ifølge Gerald A. Smith, Principle Investigator for Positronics Research, LLC i Sante Fe, New Mexico, kunne du gå næsten hvor som helst, “antimateriets energitæthed er ti størrelsesordener større end kemisk og tre størrelsesordener større end nuklear fission eller fusionsenergi. ”
Og hvad betyder dette med hensyn til fremdrift? “Mindre vægt, langt, langt, langt mindre vægt.”
Ved hjælp af kemisk baserede fremdrivningssystemer blev 55 procent af vægten forbundet med Huygens-Cassini-sonden sendt til at undersøge Saturn fundet i sondens brændstof- og oxidationsbeholdere. I mellemtiden krævede en sprøjtningskøretøj, der vejer ca. 180 gange den fulde brændstof Cassini-Huygens (1.032.350 kg) for at smide sonderne 5650 kg vægt ud over Jorden.
Ved kun at bruge Dr. Smiths numre - og kun i betragtning af den manøvreringsstyrke, der kræves til Cassini-Huygens ved anvendelse af positron-elektron-udryddelse, kunne de 3100 kg kemiske drivmiddel, der belastede den oprindelige 1997-sonde, reduceres til blot 310 mikrogram elektroner og positroner - mindre stof end det, der findes i en enkelt forstøvet dråbe morgentåge. Og med denne reduktion i masse kunne den samlede lanceringsvægt fra Canaveral til Saturn let reduceres med en faktor på to.
Men positron-elektron udslettelse er som at have masser af luft, men absolut ingen benzin? din bil kommer ikke langt med ilt alene. Elektroner er overalt, mens positroner ikke er naturligt tilgængelige på Jorden. I virkeligheden hvor de forekommer - nær sorte hulhændelseshorisonter eller i korte perioder efter, at partikler med høj energi kommer ind i Jordens atmosfære - finder de snart en af disse allestedsnærværende elektroner og går fotonisk. Af denne grund er du nødt til at lave din egen.
Gå ind i partikelacceleratoren
Virksomheder som Positronics Research, ledet af Dr. Smith, arbejder på teknologier, der er iboende i brugen af partikelacceleratorer - som Stanford Linear Accelerator (SLAC) beliggende i Menlo Park, Californien. Partikelacceleratorer skaber positroner ved hjælp af elektron-positron parproduktionsteknikker. Dette gøres ved at smadre en relativistisk accelereret elektronstråle ind i et tæt wolframmål. Elektronstrålen omdannes derefter til fotoner med høj energi, der bevæger sig gennem wolframen og bliver til matchede sæt elektroner og positroner. Problemet inden Dr. Smith og andre skaber positroner er lettere end at fange, opbevare, transportere og bruge dem effektivt.
I mellemtiden under parproduktion er alt, hvad du virkelig har gjort, pakket en hel masse jordbunden energi i ekstremt små mængder meget flygtigt - men ekstremt let - brændstof. Selve denne proces er ekstremt ineffektiv og introducerer store tekniske udfordringer, der er forbundet med at akkumulere nok anti-partikler til at drive et rumfartøj, der er i stand til at rejse ind i Great Beyond med hastigheder, der muliggør en stor rumsonde - og menneskelig rumbane -. Hvordan spiller alt dette sandsynligvis ud?
Ifølge Dr. Smith har "fysikere i mange år skubbet positroner ud af wolframmålene ved at kollidere positronerne med stof og bremse dem med tusind eller mere for at bruge dem i højopløsningsmikroskoper. Denne proces er frygtelig ineffektiv; kun en milliondel af positronerne overlever. For rumrejser er vi nødt til at øge effektiviteten i afmatningen med mindst en faktor på tusind. Efter fire års hårdt arbejde med elektromagnetiske fælder i vores laboratorier forbereder vi os på at fange og afkøle fem billioner positron pr. Sekund i de næste par år. Vores mål med lang rækkevidde er fem quad-billion billioner pr. Sekund. Med denne hastighed kunne vi brænde op til vores første positron-drevne flyvning ud i rummet på få timer. ”
Selv om det er sandt, at en positron-udslettelsesmotor også kræver drivmiddel (typisk i form af komprimeret brintgas), reduceres mængden af drivmiddel i sig selv til næsten 10 procent af den, der kræves af en konventionel raket - da der ikke er behov for en oxidator for at reagere med brændstof. I mellemtiden kan fremtidig håndværk faktisk være i stand til at skubbe frem drivmiddel op fra solvinden og det interstellære medium. Dette bør også føre til en betydelig reduktion i lanceringsvægten for sådant rumfartøj.
Skrevet af Jeff Barbour
