Антиматерията отдавна е позната част от научната фантастика, но много изследователи вярват, че тя наистина би могла да се превърне в основа за бъдещи междузвездни мисии. Universe Today описва как двигателите с антиматерия теоретично са способни да постигнат безпрецедентна скорост и горивна ефективност, но в същото време се сблъскват с огромни технически и икономически бариери.

Тази статия разглежда една от най-екзотичните идеи за междузвездни пътувания: използването на анихилация на материя-антиматерия като източник на задвижване. За разлика от ядреното делене или синтез, тук цялата маса на двойката частица-античастица се преобразува в енергия съгласно формулата на Айнщайн E = mc².

Какво е антиматерия и как е открита?

Всяка елементарна частица има античастица със същата маса, но с противоположен електрически заряд и магнитен момент. За водородния атом, който се състои от протон и електрон, „огледалният“ еквивалент е антиводородът, образуван от антипротон и позитрон (положително зареден електрон).

Първите предсказания за „отрицателни“ частици се появяват в края на 19 век, а математическото им оправдание е осигурено от развитието на квантовата физика. През 1928 г. британският физик Пол А. М. Дирак прилага специалната теория на относителността към уравненията на Шрьодингер за електрони и демонстрира съществуването на антиелектрони. През 1930 г. Робърт Опенхаймер интерпретира тези уравнения като потвърждение за съществуването на позитрони.

През 1932 г. Карл Д. Андерсън за първи път наблюдава позитрони в космически лъчи, използвайки облачна камера, и впоследствие получава Нобелова награда за тази работа. До 1955 г. Емилио Сегре и Оуен Чембърлейн потвърждават съществуването на антипротони в ускорителя Беватрон. От 90-те години на миналия век изследователите от ЦЕРН са се научили да създават и задържат антиводородни атоми за хиляди секунди, но в много малки количества.

Три основни подхода за задвижване на антиматерия

Концепциите за двигатели с антиматерия, разработени от средата на 20-ти век, условно се разделят на три големи групи: системи с лъчево ядро, топлинни и катализирани от антиматерия микроделещи термоядрени системи.

1. Лъчеви (beam-core) ​​и фотонни ракети. При тях анихилацията на материя и антиматерия произвежда заредени пиони или високоенергийни фотони (гама-лъчи), които се насочват от магнитна дюза, за да създадат тяга и да постигнат релативистични скорости.

През 1953 г. немският физик Ойген Зенгер предлага „фотонна ракета“, в която гама-лъчите от анихилацията на електрони и позитрони биха се отразявали от „огледало“, направено от електронен газ. Този дизайн се оказва нереалистичен: газът би трябвало да има плътност, подобна на тази на белите джуджета, за да отразява такова енергично лъчение.

През 1985 г. физикът и писател Робърт Л. Форвард разработва концепция за двигател за анихилация на протони и антипротони. Това би довело до производството на заредени пиони, които биха могли да бъдат отклонявани от магнитно поле. Компютърни симулации през 80-те години на миналия век показват, че подобни системи теоретично са способни да ускоряват космически кораб до 0,33–0,58 пъти скоростта на светлината.

През 2001 г. Даръл Смит и Джонатан Уеби от Аеронавтичния университет „Ембри-Ридъл“ описват фотонна ракета с маса приблизително 400 тона, от които 170 тона биха били антиматерия. Изчисленията показват, че превозното средство може да достигне 0,5°C и да достигне Проксима Кентавър за малко повече от осем години.

През 2003 г. Робърт Фризби от Лабораторията за реактивно движение на НАСА предлага нова конструкция на двигател с антиматерия, използващ замръзнал водород и магнитно левитирани антиводородни сфери при температури близки до абсолютната нула. Той изчислява, че такава система може да ускори до 0,5 секунди, но ще изисква приблизително 815 000 тона антиматерия – практически невъобразимо количество гориво.

2. Ракети с термична антиматерия. Те използват анихилация, за да нагряват драстично конвенционално гориво, като например водород, създавайки висока тяга за бързо пътуване в рамките на Слънчевата система.

В статия от 2011 г. Фридвард Винтерберг описва схема, при която в смес от водород и антиводород (амбиплазма) се генерира силен електрон-позитронен ток. Неговото „компресиране“ от магнитно поле води до колапс на плазмата и ултрависока плътност и мигновена анихилация, произвеждайки тесен лъч гама-лъчение. Този лъч от своя страна взаимодейства с магнитните полета на камерата и генерира тяга.

Според различни автори, подобни системи биха могли да постигнат специфичен импулс от 10^20 до 7140 секунди и скорост на излизане на газ от 10–70 км/с. Това е твърде бавно за полети до звездите, но би било достатъчно, за да се достигне Марс за около девет дни.

3. Антивеществено-катализирано микроделене/термоядрен синтез (ACMF) В тези концепции, малки количества антиматерия предизвикват микроексплозии на делене и синтез в горивни капсули.

Антипротоните се инжектират в пелети, съдържащи деутерий и уран-235. В зоната на контакт протича анихилация, като горивото се нагрява и компресира интензивно, задействайки каскада от микроядрени реакции. Получените заредени частици се насочват от магнитна дюза и се преобразуват в тяга.

Този подход е обстойно проучен в Университета на щата Пенсилвания за бързи междупланетни мисии. Според доклад от 2006 г. на Института за напреднали концепции на НАСА, физикът Стивън Д. Хау предлага „платно от антиматерия“, базирано на този принцип. Неговите изчисления показват, че то може да постигне специфичен импулс от приблизително 1470 секунди, скорост на бягство от приблизително 14 400 м/с и да намали времето за пътуване до Марс до приблизително 45 дни.

Защо антиматерията е толкова привлекателна?

Основното предимство на двигателите с антиматерия е тяхната невероятна енергийна плътност. Анихилацията на материята и антиматерията произвежда приблизително 101 мегаджаула на килограм, което е приблизително 10 милиарда пъти по-голямо от това на химическите ракети, хиляда пъти по-голямо от това на системите за делене и триста пъти по-голямо от това на системите за термоядрен синтез.

Кораб с антиматерия “Килограм за килограм”, би могъл да бъде най-бързият и най-икономичен от гледна точка на гориво, предлаган някога. За мисии, където конвенционалните ракети изискват тонове гориво за малък полезен товар, антиматерията би била достатъчна в милиграмови или дори нанограмови количества.

Производство на антиматерия: енергийна и финансова пропаст

Междузвездното пътуване обаче изисква не нанограми, а тонове антиматерия, и тук нещата се разпадат. Според Робърт Фрисби, двустепенна ракета, пътуваща до Проксима Кентавър за приблизително 40 години, би изисквала над 815 000 тона антиматерия.

Официалните изчисления показват, че създаването на 1 грам антиматерия изисква поне 9×10¹³ джаула или 25 милиона киловатчаса. Поради ниската ефективност на съвременните ускорители, действителната консумация на енергия ще бъде с порядък по-висока – около 2,5×10¹³ kWh.

В сравнение с енергията, освободена от 1 грам антиматерия (приблизително 1,8 x 10¹⁴ джаула), се оказва, че производството ѝ консумира значително повече енергия, отколкото може да бъде възстановена. Според много консервативни оценки, създаването на 1 грам антиматерия би струвало приблизително 62,5 трилиона долара, или повече от половината от днешния световен БВП.

Освен това, всички големи ускорители в света взети заедно, включително ЦЕРН, са произвели по-малко от 20 нанограма антиматерия през десетилетията. Това е с много порядъци по-малко от количествата, необходими за междузвездните космически апарати.

Възможно ли е да се „събере“ антиматерия в космоса?

За да преодолеят ограниченията на наземните ускорители, през 2005 г. Джералд П. Джаксън и Илейн Т. Маршал от Hbar Technologies предлагат идеята за „събиране“ на антиматерия в космоса. Те разглеждат естествените уловки на антиматерията в планетарните магнитни полета и възможността за извличането ѝ там.

През 2011 г. Ричард Обуси от Icarus Interstellar предложи друг подход: VARIES (Vacuum to Antimatter-Rocket Interstellar Explorer System). В тази концепция апаратът ще разполага с големи слънчеви панели, захранващи мощни лазери, които от своя страна ще създават двойки частици-античастици директно във вакуума около кораба.

Подобно на концепцията за междузвездния „правоструен двигател“, VARIES разглежда проблема с транспортирането на огромно количество гориво, но изграждането на такава мощна и сложна система със сегашните технологии изглежда нереалистично. Освен това не е ясно дали ще бъде възможно да се произведат достатъчни количества антиматерия, а анихилацията би създала интензивно радиационно поле около кораба.

Основният проблем: как да се съхранява антиматерията?

Дори ако антиматерията можеше да се произвежда или „събира“ по-евтино, тя все пак трябва да се съхранява безопасно. Традиционната идея за задържането ѝ като плазма в магнитни капани е твърде енергоемка и неефективна по отношение на плътността.

Робърт Фрисби частично заобикаля това в своята концепция, предлагайки използването на топки от замръзнал антиводород, левитиращи в магнитни полета при температури, близки до абсолютната нула. Това обаче би изисквало космически апарат с фантастични размери: двустепенна структура с дължина хиляди километри и ширина само няколко метра – на практика „космически молив“ с размерите на планета.

Други идеи, включващи замразени антиводородни „пелети“, изискват предварително охлаждане на антипротоните, свързването им с позитрони и улавянето им. В момента това може да се постигне само в лаборатории за единични атоми, а изграждането на системи, способни да съдържат големи количества антиматерия, изглежда изключително скъпо и сложно.

Какво е бъдещето на задвижването с антиматерия?

Прегледът показва, че задвижването с антиматерия има огромен потенциал за бъдещи мисии до близки звезди. Ключовата дума тук обаче е „бъдеще“. С настоящите технологии няма практичен начин за внедряване на този тип двигатели: техническите предизвикателства са огромни, а цената е астрономическа.

Може би в дългосрочен план комбинация от нови енергийни технологии, по-радикално ефективни ускорители и материалознание ще направят системите с антиматерия по-осъществими. Засега изследователите се обръщат към по-баналните идеи, които биха могли да бъдат осъществими през следващите десетилетия – например, задвижване чрез ядрен синтез, насочена енергия или слънчеви и магнитни платна, които ще бъдат обсъдени в бъдещи части от поредицата „Вселената днес“.

Двигателите с антиматерия демонстрират потенциал за междузвездни пътувания, забелязан за първи път на Curiosity.