Hvis du søger at opbygge et stærkt rumskib, er intet bedre end antimaterie. NASAs Institute for Advanced Concepts finansierer et team af forskere til at prøve at designe et antimateraldrevet rumfartøj, der kunne undgå nogle af disse problemer.
De fleste selvrespektive stjerneskibe i science fiction-historier bruger antistof som brændstof af en god grund - det er det mest potente brændstof, der er kendt. Mens der er behov for tonsvis af kemisk brændstof for at drive en menneskelig mission til Mars, vil bare titusindvis af milligram antimateriale gøre (et milligram er ca. en tusindedel af vægten af et stykke af det originale M&M-slik).
Men i virkeligheden kommer denne magt med en pris. Nogle antimaterielle reaktioner producerer sprængninger af høj-energi gamma-stråler. Gamma-stråler er som røntgenstråler på steroider. De trænger igennem stof og bryder molekyler i celler, så de er ikke sunde at være i nærheden. Højenergi-gammastråler kan også gøre motorerne radioaktive ved fragmentering af atomer i motormaterialet.
NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) finansierer et team af forskere, der arbejder på et nyt design til et antimateraldrevet rumskib, der undgår denne grimme bivirkning ved at producere gammastråler med meget lavere energi.
Antimateriale kaldes undertiden spejlbillede af normal stof, for selv om det ligner ligesom almindelig stof, er nogle egenskaber vendt. For eksempel har normale elektroner, de velkendte partikler, der fører elektrisk strøm i alt fra mobiltelefoner til plasma-tv, en negativ elektrisk ladning. Antielektroner har en positiv ladning, så forskere kaldte dem "positroner".
Når antimateriale møder stof, udslettes begge i et blink af energi. Denne komplette konvertering til energi er det, der gør antimaterien så kraftig. Selv de nukleare reaktioner, som driver atombomber, kommer i et fjernt sekund, hvor kun ca. tre procent af deres masse omdannes til energi.
Tidligere antimateraldrevet rumskibskonstruktioner anvendte antiprotoner, der producerer højenergi-gammastråler, når de udsletter. Det nye design bruger positroner, som gør gammastråler med cirka 400 gange mindre energi.
NIAC-forskningen er en forundersøgelse for at se, om ideen er gennemførlig. Hvis det ser lovende ud, og der er midler til rådighed til at udvikle teknologien, ville et positron-drevet rumskib have et par fordele i forhold til de eksisterende planer for en menneskelig mission til Mars, kaldet Mars Reference Mission.
"Den mest markante fordel er mere sikkerhed," sagde Dr. Gerald Smith fra Positronics Research, LLC, i Santa Fe, New Mexico. Den nuværende Reference Mission opfordrer til en atomreaktor til at drive rumskibet til Mars. Dette er ønskeligt, fordi nukleare fremdrift reducerer rejsetiden til Mars, hvilket øger besætningenes sikkerhed ved at reducere deres udsættelse for kosmiske stråler. Et kemisk drevet rumfartøj vejer også meget mere og koster meget mere at lancere. Reaktoren giver også rigelig kraft til den tre-årige mission. Men atomreaktorer er komplekse, så flere ting kan potentielt gå galt under missionen. ”Positronreaktoren tilbyder imidlertid de samme fordele, men er relativt enkel,” sagde Smith, førende forsker for NIAC-undersøgelsen.
Atomreaktorer er også radioaktive, selv efter at deres brændstof er opbrugt. Efter at skibet ankommer Mars, er planerne for Reference Mission at lede reaktoren ind i en bane, der ikke vil støde på Jorden i mindst en million år, når den resterende stråling vil blive reduceret til sikre niveauer. Der er dog ingen reststråling i en positronreaktor, efter at brændstoffet er opbrugt, så der er ingen sikkerhedsproblemer, hvis den brugte positronreaktor ved et uheld skulle komme ind i Jordens atmosfære ifølge teamet.
Det vil også være mere sikkert at lancere. Hvis en raket, der bærer en atomreaktor, eksploderer, kan den frigive radioaktive partikler i atmosfæren. ”Vores positron-rumfartøj ville frigive en flash af gammastråler, hvis det eksploderede, men gammastrålerne ville være væk på et øjeblik. Der ville ikke være radioaktive partikler til at drive på vinden. Blitzen vil også være begrænset til et relativt lille område. Farezonen ville være omkring en kilometer (omkring en halv mil) omkring rumfartøjet. En almindelig stor kemisk drevet raket har en farezone på omtrent samme størrelse på grund af den store ildkugle, der ville være resultatet af dens eksplosion, ”sagde Smith.
En anden betydelig fordel er hastighed. Reference Mission-rumfartøjet ville tage astronauter til Mars om cirka 180 dage. ”Vores avancerede design, som gaskernen og de ablative motorkoncepter, kunne tage astronauter til Mars i halve tiden og måske endda på så lidt som 45 dage,” sagde Kirby Meyer, ingeniør med Positronics Research om undersøgelsen.
Avancerede motorer gør dette ved at køre varmt, hvilket øger deres effektivitet eller "specifik impuls" (Isp). Isp er raketriets "mil pr. Gallon": jo højere ISP, jo hurtigere kan du gå, før du bruger din brændstofforsyning. De bedste kemiske raketter, ligesom NASAs Space Shuttle-hovedmotor, maks ud ca. 450 sekunder, hvilket betyder, at et pund brændstof producerer et pund af skyvekraft i 450 sekunder. En atomreaktor eller positronreaktor kan lave over 900 sekunder. Den ablative motor, der langsomt fordamper sig selv for at producere drivkraft, kan gå så højt som 5.000 sekunder.
En teknisk udfordring til at gøre et positron-rumfartøj til virkelighed er omkostningerne ved at fremstille positronerne. På grund af dets spektakulære virkning på normal stof sidder der ikke meget antimaterie. I rummet oprettes det i kollisioner med højhastighedspartikler kaldet kosmiske stråler. På Jorden skal det oprettes i partikelacceleratorer, enorme maskiner, der smadrer atomer sammen. Maskinerne bruges normalt til at opdage, hvordan universet fungerer på et dybt, grundlæggende niveau, men de kan udnyttes som antimaterielle fabrikker.
”Et groft skøn for at producere de 10 milligram positroner, der er nødvendigt til en menneskelig Mars-mission, er omkring 250 millioner dollars ved hjælp af teknologi, der i øjeblikket er under udvikling,” sagde Smith. Disse omkostninger kan se ud til at være høje, men det skal overvejes at tage ekstraomkostningerne i forbindelse med opsætning af en tungere kemisk raket (de aktuelle udskiftningsomkostninger er ca. $ 10.000 pr. Pund) eller omkostningerne til brændstof og sikre en atomreaktor. ”Baseret på erfaringerne med nuklear teknologi ser det ud til at være rimeligt at forvente, at produktionsomkostningerne til positron vil falde med mere forskning,” tilføjede Smith.
En anden udfordring er at opbevare nok positroner i et lille rum. Fordi de ødelægger normal stof, kan du ikke bare fylde dem i en flaske. I stedet skal de være forsynet med elektriske og magnetiske felter. ”Vi føler os sikre på, at disse udfordringer med et dedikeret forsknings- og udviklingsprogram kan overvindes,” sagde Smith.
Hvis dette er tilfældet, vil måske de første mennesker, der når Mars, ankomme i rumskibe drevet af den samme kilde, der fyrede rumskibe over universerne i vores science fiction-drømme.
Original kilde: NASA News Release
