Jos haluat rakentaa voimakkaan avaruusaluksen, mikään ei ole parempaa kuin antimateria. NASA: n edistyneiden käsitteiden instituutti rahoittaa tutkijaryhmää yrittämään suunnitella antimateriaalia käyttävää avaruusalusta, jolla voitaisiin välttää joitain näistä ongelmista.
Useimmat itse kunnioittavat tähtilaivat tieteiskirjallisuustarinoissa käyttävät anti-ainetta polttoaineena hyvästä syystä - se on tehokkain tunnettu polttoaine. Vaikka tonnia kemiallista polttoainetta tarvitaan ihmismatkan kuljettamiseen Marsiin, vain kymmeniä milligrammia antimateriaa suorittaa (milligramma on noin tuhannesosa alkuperäisen M&M -kommidon palan palasta).
Todellisuudessa tällä voimalla on hinta. Jotkut antimateriaalireaktiot tuottavat korkean energian gammasäteiden räjäytyksiä. Gammasäteet ovat kuin steroidien röntgenkuvat. Ne tunkeutuvat aineeseen ja rikkovat molekyylejä soluissa, joten he eivät ole terveitä olla lähellä. Korkeaenergiset gammasäteet voivat myös tehdä moottoreista radioaktiivisia hajottamalla moottorin materiaalin atomit.
NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) rahoittaa tutkijaryhmää, joka työskentelee antimateriaalia käyttävän avaruusaluksen uuden suunnittelun parissa, joka välttää tämän ilkeän sivuvaikutuksen tuottamalla gammasäteitä paljon vähemmän energiaa.
Antimateriaa kutsutaan joskus normaalin aineen peilikuvaksi, koska vaikka se näyttää aivan kuten tavalliselta aineelta, jotkut ominaisuudet ovat päinvastaiset. Esimerkiksi normaaleilla elektroneilla, tutuilla hiukkasilla, jotka kuljettavat sähkövirtaa kaikissa matkapuhelimissa plasmatelevisioihin, on negatiivinen sähkövaraus. Antielektroneilla on positiivinen varaus, joten tutkijat kutsuivat niitä “positroneiksi”.
Kun antimateria kohtaa aineen, molemmat tuhoavat energian välähdyksellä. Tämä täydellinen muuntaminen energiaksi tekee antimateriaalista niin voimakkaan. Jopa ydinreaktiot, jotka tuottavat atomipommeja, tulevat kaukaisessa sekunnissa, vain noin kolme prosenttia niiden massasta muunnetaan energiaksi.
Aikaisemmissa antimateriaaleilla toimivissa avaruusalusten malleissa käytettiin antiprotoneja, jotka tuottavat suurienergiset gammasäteet hävitettäessä. Uusi malli käyttää positroneja, jotka tekevät gammasäteistä noin 400 kertaa vähemmän energiaa.
NIAC-tutkimus on alustava tutkimus, jolla selvitetään, onko idea toteutettavissa. Jos se näyttää lupaavalta ja tekniikan onnistuneelle kehittämiselle on käytettävissä varoja, positronikäyttöisellä avaruusaluksella olisi pari etua verrattuna olemassa oleviin suunnitelmiin, jotka koskevat Mars-ihmisoperaatiota, nimeltään Mars Reference Mission.
"Merkittävin etu on enemmän turvallisuutta", sanoi tohtori Gerald Smith Positronics Research, LLC: stä, Santa Fe, New Mexico. Nykyinen vertailuoperaatio vaatii ydinreaktoria, joka kuljettaisi avaruusaluksen Marsiin. Tämä on toivottavaa, koska ydinvoiman käyttö vähentää matka-aikaa Marsiin ja lisää miehistön turvallisuutta vähentämällä heidän altistumistaan kosmisille säteille. Lisäksi kemiallisesti toimiva avaruusalus painaa paljon enemmän ja maksaa huomattavasti enemmän laskeutumisesta. Reaktori tarjoaa myös runsaasti voimaa kolmen vuoden operaatioon. Ydinreaktorit ovat kuitenkin monimutkaisia, joten useammat asiat saattavat mennä pieleen operaation aikana. "Positronireaktorilla on kuitenkin samat edut, mutta se on suhteellisen yksinkertainen", sanoi NIAC-tutkimuksen johtava tutkija Smith.
Ydinreaktorit ovat myös radioaktiivisia jopa niiden polttoaineen kulutuksen jälkeen. Kun alus on saapunut Marsille, vertailutehtäväsuunnitelmissa on ohjata reaktori kiertoradalle, joka ei kohtaa maata vähintään miljoona vuotta, kun jäännössäteily pienenee turvalliselle tasolle. Ryhmän mukaan positronireaktorissa ei kuitenkaan ole jäljellä olevaa säteilyä polttoaineen käytön jälkeen, joten turvallisuudesta ei ole huolta, jos käytetyn positronireaktorin pitäisi vahingossa palata takaisin maan ilmakehään.
Se on turvallisempaa myös käynnistää. Jos ydinreaktoria kantava raketti räjähtää, se voi vapauttaa radioaktiivisia hiukkasia ilmakehään. ”Positroniavaruusaluksemme vapauttaisi gammasäteilyn salaman, jos se räjähtää, mutta gammasäteet katoavat hetkessä. Tuulen päällä ei olisi radioaktiivisia hiukkasia. Salama rajoittuisi myös suhteellisen pienelle alueelle. Vaaravyöhyke olisi noin kilometri (noin puoli mailia) avaruusaluksen ympärillä. Tavallisella suurella kemiallisella moottorilla varustetulla raketilla on suunnilleen samansuuruinen vaaravyöhyke, joka johtuu sen räjähdyksestä johtuvasta suuresta tulipallasta ”, Smith sanoi.
Toinen merkittävä etu on nopeus. Referenssimissio-avaruusalus vie astronautit Marsiin noin 180 päivässä. "Kehittyneet suunnittelumme, kuten kaasuydin ja ablatiiviset moottorikonseptit, voisivat viedä astronautit Marsiin puolessa ajassa ja ehkä jopa 45 päivässä", kertoi Kirby Meyer, insinööri, jolla on tutkimuksen Positronics Research -tutkimus.
Kehittyneet moottorit tekevät tämän käymällä kuumana, mikä lisää niiden tehokkuutta tai ”omaa impulssia” (Isp). Isp on rocketryn “mailia / gallona”: mitä korkeampi Isp, sitä nopeammin voit mennä ennen polttoaineesi kuluttamista. Parhaat kemialliset raketit, kuten NASA: n Space Shuttle -päämoottori, maksimivat noin 450 sekunnissa, mikä tarkoittaa, että punta polttoainetta tuottaa puntaa työntövoimaa 450 sekunniksi. Ydin- tai positronireaktori voi kestää yli 900 sekuntia. Ablatiivinen moottori, joka höyrystyy hitaasti itsensä tuottamaan työntövoimaa, voisi mennä jopa 5000 sekuntia.
Yksi tekninen haaste positron-avaruusaluksen toteuttamiseksi on positronien tuotantokustannukset. Koska sillä on vaikuttava vaikutus normaaliin aineeseen, ympärillä ei ole paljon antimateriaa. Avaruudessa se syntyy nopeiden hiukkasten törmäyksissä, joita kutsutaan kosmisiksi säteiksi. Maapallolla se on luotava hiukkaskiihdyttimissä, valtavissa koneissa, jotka puristavat atomit yhdessä. Koneita käytetään yleensä selvittämään, kuinka maailmankaikkeus toimii syvällä, perustavaa laatua olevalla tasolla, mutta niitä voidaan valjastaa antimateriaalitehtaina.
"Karkea arvio tuottaa 10 milligrammaa positronia, joita tarvitaan ihmisen Mars-operaatioon, on noin 250 miljoonaa dollaria tällä hetkellä kehitteillä olevan tekniikan avulla", Smith sanoi. Nämä kustannukset saattavat tuntua korkealta, mutta sitä on harkittava ylimääräisistä kustannuksista, jotka aiheutuvat raskaamman kemiallisen raketin laukaisusta (nykyiset laukaisukustannukset ovat noin 10 000 dollaria puntaa kohti) tai polttoaineen kustannuksista ja ydinreaktorin turvallisuudesta. "Ydinteknologiasta saatujen kokemusten perusteella vaikuttaa kohtuulliselta odottaa, että positronin tuotantokustannukset laskevat lisää tutkimuksen myötä", Smith lisäsi.
Toinen haaste on tarpeeksi positronien varastointi pieneen tilaan. Koska ne tuhoavat normaalin aineen, et voi vain pakata niitä pullossa. Sen sijaan ne on suojattava sähkö- ja magneettikentillä. "Olemme varmoja siitä, että omistautuneella tutkimus- ja kehitysohjelmalla nämä haasteet voidaan voittaa", Smith sanoi.
Jos näin on, kenties ensimmäiset Marsiin saapuneet ihmiset saapuvat avaruusaluksiin, jotka saavat samaa lähtettä, joka ampui tähtialuksia tieteiskirjallisten unelmamme universumien yli.
Alkuperäinen lähde: NASA: n lehdistötiedote
