Jump to content

Ракета на антивеществе

Предлагаемая ракета на антивеществе

Ракета на антивеществе — это предлагаемый класс ракет , которые используют антивещество в качестве источника энергии. Есть несколько проектов, которые пытаются достичь этой цели. Преимущество этого класса ракет заключается в том, что большая часть остальной массы смеси материи и антивещества может быть преобразована в энергию, что позволяет ракетам на антивеществе иметь гораздо более высокую плотность энергии и удельный импульс , чем любой другой предлагаемый класс ракет. [1]

Ракеты на антиматерии можно разделить на три типа применения: те, которые непосредственно используют продукты аннигиляции антиматерии для движения, те, которые нагревают рабочее тело или промежуточный материал, который затем используется для движения, и те, которые нагревают рабочее тело или промежуточный материал. материал для выработки электроэнергии для той или иной формы электрической двигательной установки космического корабля .Концепции двигательных установок, в которых используются эти механизмы, обычно делятся на четыре категории: конфигурации с твердым ядром, газообразным ядром, плазменным ядром и конфигурации с лучевым ядром. Альтернативы прямому аннигиляционному движению антивещества открывают возможность создания транспортных средств, в некоторых случаях с гораздо меньшим количеством антивещества, но требующих гораздо большего количества топлива-материи. [2] Кроме того, существуют гибридные решения, использующие антивещество в качестве катализатора реакций деления/синтеза для приведения в движение.

Ракета на чистом антивеществе: прямое использование продуктов реакции

[ редактировать ]

В реакциях аннигиляции антипротонов образуются заряженные и незаряженные пионы помимо нейтрино и гамма-лучей . Заряженные пионы могут направляться с помощью магнитного сопла , создавая тягу. Этот тип ракеты на антивеществе представляет собой пионную ракету или конфигурацию с лучевым ядром . Это не совсем эффективно; энергия теряется как масса покоя заряженных (22,3%) и незаряженных пионов (14,38%), теряется как кинетическая энергия незаряженных пионов (которые нельзя отклонить для тяги); и теряется в виде нейтрино и гамма-лучей (см. антивещество как топливо ). [3]

Аннигиляция позитронов также была предложена для ракетной техники. Аннигиляция позитронов производит только гамма-лучи. Ранние предложения по ракетам этого типа, например, разработанные Ойгеном Зенгером , предполагали использование некоторого материала, который мог отражать гамма-лучи, который использовался в качестве легкого паруса или параболического щита для получения тяги от реакции аннигиляции, но не была известна форма материи. (состоящий из атомов или ионов) взаимодействует с гамма-лучами таким образом, что обеспечивает зеркальное отражение. Однако импульс гамма-лучей может быть частично передан веществу за счет комптоновского рассеяния . [4] [5]

Один из методов достижения релятивистских скоростей использует ГэВ-лазерную гамма-фотонную ракету, ставшую возможной благодаря релятивистскому разряду протон-антипротонного пинча, где отдача от лазерного луча передается за счет эффекта Мессбауэра . космическому кораблю [6]

Новый процесс уничтожения якобы разработали исследователи из Гетеборгского университета. За последние годы было построено несколько реакторов-аннигиляторов, в которых пытались преобразовать водород или дейтерий в релятивистские частицы посредством лазерной аннигиляции. Эту технологию исследовали исследовательские группы под руководством профессора Лейфа Холмлида и Синдре Зейнер-Гундерсен, а третий реактор релятивистских частиц в настоящее время строится в Университете Исландии. Теоретически частицы, испускаемые в результате процессов аннигиляции водорода, могут достигать 0,94c и могут использоваться в космических двигателях. [7] Однако достоверность исследования Холмлида оспаривается, и ни одна успешная реализация не была рецензирована или воспроизведена. [8]

Тепловая ракета на антивеществе: нагрев топлива

[ редактировать ]

Этот тип ракеты на антивеществе называется тепловой ракетой на антивеществе , поскольку энергия или тепло аннигиляции используется для создания выхлопных газов из неэкзотического материала или топлива.

Концепция твердого ядра использует антипротоны для нагрева твердого тугоплавкого металлического ядра с высоким атомным весом ( Z ). Топливо закачивается в горячую активную зону и расширяется через сопло для создания тяги. Характеристики этой концепции примерно эквивалентны характеристикам ядерной тепловой ракеты ( ~ 10 3 сек) из-за температурных ограничений твердого тела. Однако эффективность преобразования энергии антивещества и нагрева обычно высока из-за короткого среднего пути между столкновениями с атомами ядра ( эффективность ~ 85%). [2] несколько методов создания жидкостного теплового двигателя на антивеществе с использованием гамма- лучей, образующихся в результате аннигиляции антипротонов или позитронов. Было предложено [9] [10] Эти методы напоминают методы, предложенные для ядерных тепловых ракет . Один из предлагаемых методов - использование позитронно-аннигиляционных гамма-лучей для нагрева активной зоны твердотельного двигателя. Водород проходит через это ядро, нагревается и выбрасывается из сопла ракеты . Второй предложенный тип двигателя использует аннигиляцию позитронов внутри твердой свинцовой таблетки или внутри сжатого газа ксенона для создания облака горячего газа, которое нагревает окружающий слой газообразного водорода. Прямой нагрев водорода гамма-лучами считался непрактичным из-за сложности сжатия его достаточного количества в двигателе разумного размера для поглощения гамма-лучей. Третий предлагаемый тип двигателя использует аннигиляционные гамма-лучи для нагрева абляционного паруса, при этом аблированный материал обеспечивает тягу. Как и в случае с ядерными тепловыми ракетами, удельный импульс , достижимый этими методами, ограничен материалами и обычно находится в диапазоне 1000–2000 секунд. [11]

В газовой основной системе твердое вещество с низкой температурой плавления заменяется высокотемпературным газом (т.е. вольфрамовым газом/плазмой), что обеспечивает более высокие рабочие температуры и производительность ( ~ 2 × 10 3 сек). Однако более длинная длина свободного пробега для термализации и поглощения приводит к гораздо более низкой эффективности преобразования энергии ( ~ 35%). [2]

Плазменное ядро ​​позволяет газу ионизироваться и работать при еще более высоких эффективных температурах. Потери тепла подавляются магнитным удержанием в реакционной камере и сопле. Хоть производительность и очень высокая( ~ 10 4 -10 5 сек), большая длина свободного пробега приводит к очень низкому использованию энергии ( ~ 10%) [2]

Генерация энергии антивещества

[ редактировать ]

идея использования антивещества для питания космического электрического двигателя Также была предложена . Эти предлагаемые конструкции обычно аналогичны тем, которые предлагаются для ядерных электрических ракет . Аннигиляция антиматерии используется для прямого или косвенного нагрева рабочего тела, как в ядерной тепловой ракете , но жидкость используется для выработки электричества, которое затем используется для питания той или иной формы электрической космической двигательной установки. Полученная система разделяет многие характеристики других предложений по заряженным частицам и электрическому двигателю, которые обычно характеризуются высоким удельным импульсом и низкой тягой (в соответствующей статье более подробно описывается выработка энергии из антивещества ). [12] [13]

Катализируемое деление/синтез или импульсный синтез

[ редактировать ]

Это гибридный подход, при котором антипротоны используются для катализа реакции деления/синтеза или для «повышения» движения термоядерной ракеты или для любых подобных применений.

(ICF) , управляемой антипротонами В концепции ракеты с инерционным термоядерным синтезом используются гранулы , для реакции DT . Таблетка состоит из полусферы делящегося материала, такого как U. 235 с отверстием, через которое инжектируется импульс антипротонов и позитронов. Он окружен полусферой термоядерного топлива, например, дейтерий-трития или дейтерида лития. Аннигиляция антипротона происходит на поверхности полусферы, которая ионизирует топливо. Эти ионы нагревают ядро ​​таблетки до температуры плавления. [14]

Концепция термоядерного термоядерного двигателя с магнитной изоляцией и инерционным удержанием (MICF), управляемого антипротонами, основана на самогенерируемом магнитном поле, которое изолирует плазму от металлической оболочки, содержащей ее во время горения. По оценкам, время жизни плазмы на два порядка превышает время жизни имплозионного инерционного синтеза, что соответствует более длительному времени горения и, следовательно, большему выигрышу. [14]

управляемый антивеществом ПБ, 11 концепция использует антипротоны для зажигания ПБ 11 реакции в схеме MICF. Чрезмерные потери на излучение являются основным препятствием для воспламенения и требуют изменения плотности частиц и температуры плазмы для увеличения усиления. Был сделан вывод, что вполне возможно, что эта система может достичь I sp ~ 10 5 с. [15]

был предусмотрен другой подход Для AIMStar , в котором небольшие капли термоядерного топлива будут впрыскиваться в облако антипротонов, заключенных в очень небольшом объеме внутри реакционной ловушки Пеннинга . Аннигиляция происходит на поверхности облака антипротонов, отслаивая 0,5% облака. Выделяемая плотность мощности примерно сравнима с энергией лазера мощностью 1 кДж и длительностью 1 нс, передающей свою энергию на мишень ICF размером 200 мкм. [16]

В проекте ICAN-II используется концепция микроделения, катализируемого антипротонами (ACMF), в которой используются гранулы с молярным соотношением DT:U 9:1. 235 для ядерно-импульсного движения . [17]

Трудности с ракетами на антиматерии

[ редактировать ]

Главные практические трудности с ракетами на антивеществе — это проблемы создания антивещества и его хранения. Создание антиматерии требует ввода огромного количества энергии, по крайней мере эквивалентной энергии покоя созданных пар частица/античастица, а обычно (для производства антипротонов) в десятки тысяч или миллионы раз больше. [18] [19] Большинство схем хранения, предлагаемых для межзвездных кораблей, требуют производства замороженных гранул антиводорода. Для этого необходимо охлаждение антипротонов, связывание с позитронами и захват образовавшихся атомов антиводорода - задачи, которые по состоянию на 2010 г. , выполнено лишь для небольшого числа отдельных атомов. Хранение антивещества обычно осуществляется путем улавливания электрически заряженных замороженных гранул антиводорода в ловушках Пеннинга или Пола . Не существует теоретических препятствий для выполнения этих задач в масштабах, необходимых для заправки ракеты на антиматерии. Однако ожидается, что они будут чрезвычайно (а возможно, непомерно) дорогими из-за нынешних производственных возможностей, позволяющих производить лишь небольшое количество атомов, в масштабе примерно 10. 23 раз меньше, чем необходимо для полета на Марс с весом 10 граммов.

Обычно энергия аннигиляции антипротонов концентрируется в такой большой области, что она не может эффективно управлять ядерными капсулами. Деление, вызванное антипротонами, и самогенерируемые магнитные поля могут значительно улучшить локализацию энергии и эффективное использование энергии аннигиляции. [20] [21]

Второстепенная проблема — извлечение полезной энергии или импульса из продуктов аннигиляции антиматерии, которые представлены преимущественно в виде чрезвычайно энергичного ионизирующего излучения . Предложенные на сегодняшний день механизмы антивещества по большей части обеспечивают правдоподобные механизмы использования энергии этих продуктов аннигиляции. Классическое уравнение ракеты с ее «мокрой» массой ( )(с массовой долей пороха ) до «сухой» массы ( )(с полезной нагрузкой ) дробь ( ), изменение скорости ( ) и удельный импульс ( ) больше не выполняется из-за потерь массы, происходящих при аннигиляции антивещества. [3]

Другая общая проблема, связанная с мощными двигателями, — это избыточное тепло или отходящее тепло , и, как и в случае с антиматерией, аннигиляция материи также включает в себя экстремальное излучение. Протон-антипротонная аннигиляционная двигательная установка преобразует 39% массы топлива в интенсивный высокоэнергетический поток гамма-излучения. Гамма-лучи и заряженные пионы высокой энергии могут вызвать нагрев и радиационное повреждение, если от них не защититься. В отличие от нейтронов, они не приводят к тому, что подвергшийся воздействию материал становится радиоактивным в результате трансмутации ядер. Компонентами, нуждающимися в защите, являются экипаж, электроника, криогенный резервуар и магнитные катушки для ракет с магнитным усилением. Необходимы два типа защиты: радиационная защита и тепловая защита (отличная от теплового экрана или теплоизоляции ). [3] [22]

Наконец, необходимо принять во внимание релятивистские соображения. Поскольку побочные продукты аннигиляции движутся с релятивистскими скоростями, масса покоя изменяется в соответствии с релятивистской массой-энергией . Например, в гамма-излучение преобразуется вся масса-энергия нейтрального пиона, а не только его масса покоя. Необходимо использовать релятивистское уравнение ракеты , учитывающее релятивистские эффекты как корабля, так и выхлопов топлива (заряженных пионов), движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Эти две модификации двух уравнений ракеты приводят к соотношению масс ( ) для данного ( ) и ( ), что намного выше для релятивистской ракеты на антивеществе, чем для классической или релятивистской «обычной» ракеты. [3]

Модифицированное уравнение релятивистской ракеты

[ редактировать ]

Потеря массы, характерная для аннигиляции антивещества, требует модификации уравнения релятивистской ракеты, задаваемого как [23]

( я )

где это скорость света, а удельный импульс (т.е. =0.69 ).

Производная форма уравнения: [3]

( II )

где - нерелятивистская (остаточная) масса ракетного корабля, а - это доля исходной (на борту) массы топлива (нерелятивистская), оставшаяся после аннигиляции (т.е. =0,22 для заряженных пионов).

Уравнение II трудно интегрировать аналитически. Если предположить, что , такой, что тогда полученное уравнение будет

( III )

Уравнение III можно проинтегрировать и оценить интеграл для и , а также начальную и конечную скорости ( и ).Итоговое уравнение релятивистской ракеты с потерей топлива: [3] [23]

( IV )

Другие общие вопросы

[ редактировать ]

Жесткое космическое фоновое излучение со временем ионизирует корпус ракеты и представляет угрозу для здоровья . Кроме того, взаимодействия газа с плазмой могут вызывать пространственный заряд . Основным взаимодействием, вызывающим озабоченность, является дифференциальная зарядка различных частей космического корабля, что приводит к возникновению сильных электрических полей и искрению между компонентами космического корабля. Эту проблему можно решить с помощью удачно расположенного плазменного контактора . Однако пока не существует решения, когда плазменные контакторы отключаются для проведения работ по техническому обслуживанию корпуса. Длительный космический полет на межзвездных скоростях вызывает эрозию корпуса ракеты из-за столкновения с частицами, газом , пылью и микрометеоритами . На 0,2 на расстоянии 6 световых лет эрозия оценивается примерно в 30 кг/м. 2 или около 1 см алюминиевой защиты. [24] [25]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Шмидт, Джордж (2012). «Ядерные системы для космической энергетики и производства». 62-й Международный астронавтический конгресс 2011 г.: (IAC 2011): Кейптаун, Южная Африка, 3–7 октября 2011 г. Международная астронавтическая федерация. Париж: Международная астронавтическая федерация. стр. 6792–6812. ISBN  978-1-61839-805-5 . OCLC   795367347 .
  2. ^ Jump up to: а б с д Реакции синтеза и аннигиляция материи-антиматерии для космических двигателей. Архивировано 4 октября 2023 г. в Wayback Machine Клода Дойча, 13 июля 2005 г.
  3. ^ Jump up to: а б с д и ж Как построить ракету на антивеществе для межзвездных миссий: соображения системного уровня при проектировании транспортных средств с передовыми двигательными технологиями. Архивировано 2 мая 2015 г. в Wayback Machine. Роберт Х. Фрисби, документ AIAA 2003-4696, 20–23 июля 2003 г.,
  4. ^ Фотонный привод антиматерии: релятивистская двигательная система Даррел Смит, Джонатан Уэбби, документ AIAA 2001-3231, 2001 г.
  5. ^ Термический анализ вольфрамовой радиационной защиты для ракет с лучевым сердечником на антивеществе Джонатан А. Уэбб
  6. ^ Винтерберг, Ф. (21 августа 2012 г.). «Материя-антивещество, гигаэлектронвольтный гамма-лазерный ракетный двигатель». Акта Астронавтика . 81 (1): 34–39. Бибкод : 2012AcAau..81...34W . дои : 10.1016/j.actastro.2012.07.001 .
  7. ^ Холмлид, Лейф; Зейнер-Гундерсен, Синдре (1 октября 2020 г.). «Межзвездные ракеты будущего могут использовать реакции аннигиляции, вызванные лазером, для релятивистского двигателя» . Акта Астронавтика . 175 : 32–36. Бибкод : 2020AcAau.175...32H . doi : 10.1016/j.actaastro.2020.05.034 . hdl : 20.500.11815/2191 .
  8. ^ Клавс Хансен (2022). Комментарий к статье «Сверхплотный протий p(0) и дейтерий D(0) и их связь с обычным ридберговским веществом: обзор» 2019 Physica Scripta 94, 075005 . arXiv : 2207.08133 .
  9. ^ Вулпетти, Г. (август 1987 г.). «Дальнейший анализ концепции конструкции жидкостного двигателя на тепловом антивеществе». Акта Астронавтика . 15 (8): 551–555. Бибкод : 1987AcAau..15..551V . дои : 10.1016/0094-5765(87)90155-X .
  10. ^ Смит, Джеральд; Мецгер, Джон; Мейер, Кирби; Тоуд, Лес (7 марта 2006 г.). «Космический транспортный корабль с позитронным двигателем для планетарных миссий» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 21 апреля 2010 г.
  11. ^ Вулпетти, Джованни; Печчиоли, Мауро (сентябрь 1989 г.). «Соображения об удельном импульсе теплового двигателя на антивеществе». Журнал движения и мощности . 5 (5): 591–595. дои : 10.2514/3.23194 .
  12. ^ Электрическая ракетная установка: предыстория. Архивировано 5 августа 2013 г. в Wayback Machine Джерри М. Зейтцман, 2003-2004 гг.
  13. ^ Высокоспецифическое импульсное сверхтекучее и нанотрубное двигательное устройство, система и метод движения Майкл Уоллес, Джозеф Д. Никс, Кристофер В. Смит, 2014
  14. ^ Jump up to: а б Каммаш, Терри (1998). Антипротонная двигательная установка с магнитной изоляцией и инерционным удержанием термоядерного синтеза (Micf) (PDF) (Отчет). CiteSeerX   10.1.1.498.1830 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  15. ^ Каммаш, Терри; Мартин, Джеймс; Годфрой, Томас (17 января 2003 г.). «Термоядерная двигательная установка P-B11, управляемая антивеществом». Материалы конференции AIP . 654 (1): 497–501. Бибкод : 2003AIPC..654..497K . дои : 10.1063/1.1541331 . hdl : 2027.42/87345 .
  16. ^ Льюис, Раймонд; Мейер, Кирби; Смит, Джеральд; Хау, Стивен (1999). «AIMStar - Микросинтез, инициированный антиматерией для межзвездных миссий-предшественников». 35-я совместная конференция и выставка по двигательной технике . CiteSeerX   10.1.1.577.1826 . дои : 10.2514/6.1999-2700 .
  17. ^ «Антипротонно-каталитические двигательные системы микроделения/термоядерного синтеза для исследования внешней Солнечной системы и за ее пределами». Архивировано 5 августа 2014 г., в Wayback Machine Г. Гайдос, Р. А. Льюис, Г. А. Смит, Б. Дандор и С. Чакрабарти, AIAA Paper. 1998-3589, июль 1998 г.
  18. ^ «Лазерный импульс производит позитроны» . Фотоника Медиа. 18 ноября 2008 г. Проверено 18 ноября 2008 г.
  19. ^ Чен, Хуэй; Уилкс, Скотт С.; Бонли, Джеймс Д.; Лян, Эдисон П.; Мьятт, Джейсон Мятт; Прайс, Дуайт Ф.; Д. Мейерхофер, Дэвид Д.; Байерсдорфер, Питер (2009). «Создание релятивистских позитронов с использованием ультраинтенсивных лазеров с короткими импульсами» . Письма о физических отзывах . 102 (10): 105001–105004. Бибкод : 2009PhRvL.102j5001C . doi : 10.1103/PhysRevLett.102.105001 . ПМИД   19392120 .
  20. ^ Солем, Дж. К. (1991). «Перспективы эффективного использования энергии аннигиляции». Технология синтеза . 20 (4П2): 1040–1045. Бибкод : 1991FuTec..20.1040S . дои : 10.13182/FST91-A11946978 . ОСТИ   6628569 .
  21. ^ Огенштейн, BW; Солем, Дж. К. (1990). «Антипротон инициировал термоядерный синтез для движения космического корабля». Отчет ND-3555-SDI (Корпорация RAND, Санта-Моника, Калифорния) .
  22. ^ Движение к аннигиляции антипротонов RL Forward, сентябрь 1985 г.
  23. ^ Jump up to: а б Оценка вариантов движения для межзвездных миссий. Архивировано 8 мая 2014 г. на Wayback Machine. Роберт Х. Фрисби, Стефани Д. Лейфер, документ AIAA 98-3403, 13–15 июля 1998 г.
  24. Научные новости НАСА Space Charge , 6 апреля 2011 г.
  25. ^ Туда и обратно: Руководство для непрофессионалов по сверхнадежности межзвездных миссий. Архивировано 8 мая 2014 г. в Wayback Machine Генри Гарретта, 30 июля 2012 г.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 99668f6f261e8f8d26d2f1900051d619__1720942560
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/99/19/99668f6f261e8f8d26d2f1900051d619.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Antimatter rocket - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)