Как двигатели на антивеществе смогут доставить людей к звездам всего за несколько лет
Межзвездные путешествия пока являются реальностью лишь в научной фантастике — так, например, космический корабль «Энтерпрайз» из «Звездного пути» использовал двигатели на антивеществе (антиматерии) для путешествий к другим звездным системам.
Но антиматерия — это не выдумка писателей-фантастов, она действительно существует. Илон Маск назвал силу антиматерии «билетом для межзвездных путешествий», а физики, такие как Райан Уид, изучают, как ее использовать.
Антивещество состоит из частиц почти таких же, как обычное вещество, но с противоположным электрическим зарядом. Это означает, что когда антивещество контактирует с обычной материей, они аннигилируют и могут производить огромное количество энергии.
«Аннигиляция антиматерии и материи преобразует массу непосредственно в энергию», — говорит Райан Уид, соучредитель и генеральный директор Positron Dynamics, компании, занимающейся разработкой двигательной системы на антивеществе.
Всего один грамм антивещества может вызвать взрыв, эквивалентный ядерной бомбе. Некоторые ученые говорят, что такая огромная энергия может привести нас туда, где еще никто не бывал, с рекордной скоростью.
Что такое антивещество?
Это не вопрос с подвохом. Антиматерия — это именно то, о чем вы могли подумать — противоположность обычной материи, из которой состоит большая часть нашей Вселенной. В какой-то момент ученые считали наличие антиматерии во Вселенной лишь теоретическим.
Физик Поль Дирак помог изменить наше понимание антиматерии.
В 1928 году он пересмотрел знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc² . Дирак сказал, что Эйнштейн не учел, что «м» в уравнении — масса — может иметь как отрицательную, так и положительную энергию. Уравнение Дирака (E = + или — mc²) допускало существование античастиц в нашей Вселенной. С тех пор ученые доказали, что существует несколько типов античастиц.
Эти античастицы в буквальном смысле являются зеркальным отражением обычной материи. Каждая античастица имеет ту же массу, что и соответствующая ей частица, но электрические заряды поменяны местами. Вот некоторые открытия антивещества 20-го века:
Позитроны: Электроны с положительным, а не отрицательным зарядом. Позитроны, открытые Карлом Андерсоном в 1932 году, стали первым свидетельством существования антиматерии.
Антипротоны: Протоны, имеющие отрицательный заряд вместо обычного положительного. В 1955 году исследователи из Беватрона в Беркли создали антипротон.
Антиатомы: Соединив позитроны и антипротоны, ученые из ЦЕРН, Европейской организации ядерных исследований, создали первый антиатом. Было создано девять атомов антиводорода, каждый из которых существовал всего 40 наносекунд.
Когда антивещество вступает в контакт с обычной материей, эти равные, но противоположные частицы сталкиваются, вызывая взрыв, испускающий чистое излучение, которое выходит из точки взрыва со скоростью света. Обе частицы, создавшие взрыв, полностью аннигилируют.
Взрыв, происходящий при встрече материи и антиматерии, переводит всю массу обоих объектов в энергию. Ученые полагают, что эта энергия более мощная, чем любая, которую можно получить другими методами.
Космическое путешествие на рекордной скорости
Преимущество всей этой энергии заключается в том, что ее можно использовать для ускорения космического корабля до головокружительной скорости.
Например, давайте отправимся в путешествие к нашей ближайшей звездной системе Проксиме, находящейся на расстоянии около 4,2 световых лет.
Двигатель на антивеществе теоретически мог бы ускорять космический корабль со скоростью 1g (9,8 метра в секунду в квадрате), что позволит добраться до Проксимы всего за пять лет, говорит Райан Уид. По данным НАСА, это в 8000 раз быстрее, чем потребовалось бы «Вояджеру-1» — одному из самых быстрых космических кораблей в истории — чтобы преодолеть половину расстояния.
По словам Райана Уида, даже в Солнечной системе космический корабль на антивеществе мог бы достичь Плутона за 3,5 недели по сравнению с 9,5 годами, которые потребовались зонду НАСА «Новые горизонты» .
Почему у нас нет двигателей на антивеществе
Причина, по которой у нас нет двигателей на антивеществе, несмотря на их огромные возможности, кроется в стоимости, а не в технологиях.
Джеральд Джексон, физик, работавший над проектами по антиматерии в Фермилабе, рассказал, что при достаточном финансировании мы могли бы получить прототип космического корабля на антиматерии в течение десятилетия.
Базовая технология есть. Физики, вооружённые самыми мощными в мире ускорителями частиц, создали антипротоны и атомы антиводорода.
Проблема в том, что производство такого типа антиматерии невероятно дорого. Оно считается самым дорогим веществом на Земле. Джеральд Джексон дал представление о том, сколько будет стоить создание и обслуживание двигателя на антивеществе.
Джексон — основатель, президент и генеральный директор компании Hbar Technologies, которая работает над концепцией «паруса» из антиматерии для создания космического корабля, движущегося со скоростью от 1 до 10 процентов от скорости света. Он говорит, что разработал асимметричный протонный коллайдер, который может производить 20 граммов антиматерии в год.
«Для 10-килограммового научного груза, движущегося со скоростью 2% скорости света, необходимо 35 граммов антиматерии, чтобы разогнать космический корабль и вывести его на орбиту вокруг Проксимы Центавра», — сказал Джеральд Джексон.
По его словам, строительство электростанции для удовлетворения огромных энергетических потребностей производства антиматерии потребует 8 миллиардов долларов, а ее эксплуатация будет стоить 670 миллионов долларов в год.
Однако, «в настоящее время нет серьезного финансирования для передовых концепций космических двигателей», — сказал Джексон.
Но есть и другие способы производства антивещества. Именно на этом Райан Уид сосредоточил свою работу. Его концепция включает в себя позитроны, версию электронов из антивещества.
Другой вид двигателя на антивеществе
Позитроны «в несколько тысяч раз легче антипротонов и не обладают такой силой при аннигиляции», — говорит Райан Уид.
Преимущество, однако, в том, что они появляются естественным путем и для их создания не требуется гигантский ускоритель и миллиарды долларов.
Двигательная установка Уида на антивеществе спроектирована для использования криптона-79 — формы элемента криптона, который естественным образом испускает позитроны.
Система двигателя сначала будет собирать высокоэнергетические позитроны из криптона-79, а затем направлять их к слою обычной материи, производя энергию аннигиляции. Эта энергия затем вызовет мощную реакцию, создающую тягу космического корабля.
Хотя получение позитронов может быть дешевле, их трудно использовать, поскольку они обладают высокой энергией и их необходимо замедлять или «умерять». Таким образом, по словам Уида, создание прототипа для испытаний в космосе по-прежнему недостижимо с точки зрения затрат.
Так обстоит дело со всеми проектами двигателей на антиматерии. За десятилетия ученые предложили десятки концепций, ни одна из которых не была реализована.
Например, в 1953 году австрийский физик Ойген Зенгер предложил «фотонную ракету», которая будет работать на энергии аннигиляции позитронов. А с 80-х годов ходят разговоры о тепловых двигателях на антивеществе, которые будут использовать антивещество для нагрева жидкости, газа или плазмы для обеспечения тяги.
«Это не научная фантастика, но мы не увидим его в полете до тех пор, пока не появится значительная «притягательность миссии», — сказал Райан Уид о своей концепции двигателя.
Может ли это сработать?
При реализации концепции Райана Уида в масштабе звездолета, «дьявол кроется в инженерных деталях», говорит астрофизик Пол Саттер. «Мы говорим об устройстве, которое использует поистине огромное количество энергии, требуя изысканного баланса и контроля».
В общем, эта огромная энергия является еще одним препятствием, удерживающим нас от революции в космических путешествиях. Потому что во время испытаний «если что-то пойдет не так, это будут большие взрывы», — говорит Стив Хоу, физик, работавший над концепциями антивещества в НАСА в 90-х годах.
«Поэтому нам нужна возможность тестировать системы с высокой плотностью энергии где-нибудь, где они не угрожают биосфере, но при этом позволяют нам их развивать», — сказал Хоу, который считает, что Луна могла бы стать хорошей испытательной базой. «А если что-то пойдет не так, вы расплавите кусок Луны», а не Земли, добавил он.
Антиматерия имеет тенденцию пробуждать воображение у каждого, кто с ней работает. «Но нам нужны сумасшедшие, но правдоподобные идеи, чтобы продвинуться дальше в космос, поэтому их стоит рассмотреть», — говорит Пол Саттер.
Райан Уид разделяет это мнение, говоря, что «пока не появится веская причина действительно быстро добраться до пояса Койпера, Солнечной гравитационной линзы или Альфы Центавра — прогресс в этой области будет по-прежнему медленным».
Двигатель материи-антиматерии
Двигатель материи-антиматерии будет самым эффективным из когда-либо созданных двигателей, поскольку 100 процентов массы материи и антиматерии преобразуются в энергию.
Когда материя и антиматерия сталкиваются, энергия, выделяемая при их аннигиляции, примерно в 10 миллиардов раз больше энергии, чем химическая энергия, такая как сжигание водорода и кислорода, которую высвобождает обычная ракета.
Реакции между веществом и антивеществом в 1000 раз мощнее, чем ядерное деление, производимое на атомных электростанциях, и в 300 раз мощнее, чем энергия ядерного синтеза.
Таким образом, двигатели из материи-антиматерии потенциально могут доставить нас дальше с меньшим количеством топлива. Проблема в создании и хранении антиматерии.
Примерно 10 граммов антипротонов было бы достаточно, чтобы доставить пилотируемый космический корабль на Марс за один месяц.
Можно было бы совершать путешествия к Сатурну, Нептуну и даже за пределы гелиопаузы или к другим звездам. Но пройдет еще много времени, прежде чем космические корабли смогут летать на варп-скорости, как «Энтерпрайз».