Антиматерия: проблема производства

       Это перевод статьи Пола Гилстера, опубликованной на интересном сайте, который целиком посвящен проблеме межзвездного полета http://www.centauri-dreams.org/. В переводе на русский ресурс называется  »Мечты о Центавре». 

      Антиматерия является настолько изысканной перспективой для реактивного движения, что всякий раз, когда появляется новый взгляд на ее применение, я пытаюсь понять его последствия для дальних космических миссий. Но эти новости, в любом случае интересные, неизбежно уравновешиваются суровой реальностью проблемы производства. 

Марсианский корабль, работающий на антиматерии. 

Нет никаких сомнений в том, что антиматерия является мощным материалом, с потенциалом получения в тысячи раз большей энергии, чем от ядерных реакций деления. Возьмите водород в качестве рабочей жидкости, которая нагревается антиматерией, и 10 грамм антиматерии смогут дать вам такую же тягу, как 120 тонн обычного ракетного топлива.    

      Если бы мы могли снизить цену до 10 миллионов долларов за миллиграмм, реактивное движение на антиматерии стало бы менее дорогим, чем с использованием ядерных реакций, в зависимости от эффективности конструкции. Но как понизить эту стоимость ? Текущие оценки показывают, что производство антиматерии в современных лабораториях с ускорителями обойдется от 100 триллионов долларов за грамм. Работая над своей книгой «Мечты о Центавре», я потратил некоторое время, просматривая коллекцию статей Роберта Форварда в университете Алабама-Хантсвилл, где в библиотеке Сэлмона хранится несколько коробок с материалами. Форвард постояннно работал в множестве различных областей, всегда фокусируясь на новейших исследованиях. В частности, он выпустил серию бюллетеней о связанных с антиматерией научных событиях, которые распространял среди своих коллег.    Просматривая эти материалы я увидел, что когда мы назначаем цену в 100 триллионов долларов за грамм, мы говорим об антиматерии, как произведенной в виде более или менее побочного продукта. Форвард понимал и принимал во внимание научные потребности лабораторий ускорителей частиц, но он также видел, что едва ли они были наиболее эффективными местами для производства антиматерии в любых количествах. Эти лаборатории не были, в конце концов, связаны с ракетной отраслью.

    По заказу ВВС США он приступил к исследованию с целью выяснить, что могло бы иметь место, если бы фабрики антиматерии были разработаны ни для каких иных целей, кроме создания антипротонов, и пришел в результате к тому, что энергоэффективность производства могла бы вырасти от одной 60 миллионной до одной десятитысячной, т.е. до 0.01 % . Форвард полагал, что при этом стоимость строительства такой фабрики могла бы быть драматически снижена до такого уровня, что наши 10 миллионов долларов за миллиграмм стали бы достижимыми. Это интересно с нескольких точек зрения. Как было отмечено выше, это делает антиматерию осуществимой для определенного рода космических миссий (предполагая соответствующие успехи в методах хранения антиматерии) . Но если цена начинает падать, то мы можем ожидать новых применений в других областях исследования, которые могут увеличить потребность в антиматерии и пришпорить работу над ее эффективным производством. Заслуживает также упоминания, что даже при сегодняшних ценах, антиматерия доказала свою значимость в научных исследованиях и медицинских применениях. 

     Но как насчет других путей снижения цены? Одна из возможностей состоит в том, чтобы выйти за рамки сталкивания высокоэнергетичных протонов и перейти к сталкиванию тяжелых ядер. При написании вместе с Джоэл Дэвис книги «Зеркальная материя: пионерская физика антиматерии» (изд-во Wiley, 1988), Форвард рассматривал такие возможности, как ускорители на встречных пучках тяжелых ионов, в которых пучки тяжелых ионов вроде урана могли бы сталкиваться для производства 10^{18} антипротонов в секунду (при этом возникает проблема большого количества ядерных отходов!). Он также рассматривал новые поколения сверхпроводящих магнитов для создания фокусирующих магнитных полей вблизи той области, где сталкиваются пучки, что могло бы уплотнить эти пучки и увеличить производство антиматерии. Я выставил все это на обсуждение, потому что возможность собирания антиматерии из естественных источников в космосе, которую мы обсуждали на прошлой неделе, нужно сравнить с ее интенсивным производством здесь, на Земле. Но идеи Форварда, фактически, соединяют эти два понятия вместе. Он хотел перенести производство антиматерии в космос в форме гигантских фабрик. Вот что он сказал по этому поводу в одном эссе из своей книги «Неразличимое с Марса» (изд-во Baen, 1995). 

   Где мы получим энергию для работы этих гигантских фабрик? Некоторые из прототипов таких фабрик будут построены на Земле, но для производства в большом масштабе мы определенно не хотим питать эти машины сжиганием ископаемого топлива на Земле. Космос изобилует энергией. На расстоянии Земли от Солнца, солнце доставляет более киловатта энергии на каждый квадратный метр поверхности, или гигаватт на квадратный километр. Собирающий свет массив со стороной в сотни километров обеспечил бы подачу энергии в 10 тераватт, что достаточно для работы фабрик антиматерии на полной мощности, при уровне производства в один грамм ежедневно.

     Конечно мы еще далеки, очень далеки от производства грамма антиматерии в день, поэтому исследования подобно тем, которые недавно были выполнены Ронан Кин (Западная резервная академия) и Ви-Минг-Чанг (университет Кент), имеют такой футуристический вид. Но важно изучать теоретические ограничения на ракетные системы, даже если необходимая антиматерия пока недоступна, и на этот счет Кин и Чанг обдумывают наиболее передовой метод движения на антиматерии — привод от излучающего ядра (beamed core drive) http://arxiv.org/abs/1205.2281 

     Чтобы выполнить эту работу, считая антиматерию доступной, вам нужно впрыснуть протоны и антипротоны в магнитное сопло, которое после аннигиляции материи с антиматерией сфокусирует заряженные пионы в направленный луч мощной тяги. Хотя заряженные пионы быстро распадаются, они могут стартовать на 90% скорости света. К несчастью ранние вычисления магнитных сопел доказали неэффективность преобразования этой энергии, понизив скорость истечения до одной трети этого значения. Завтра мы посмотрим, сможет ли более эффективное магнитное сопло дать лучший результат, а в это время Кин и Чанг, используя для симулирования программное обеспечение ЦЕРН-а, проанализировали — что могло бы происходить в адском чреве двигателя на антиматерии. Нам также следует рассмотреть другие способы использования антиматерии для реактивной тяги, принимая во внимание, что космические фабрики Форварда в  ближайшее время не появятся

Опубликовано  http://www.centauri-dreams.org/?p=22962 , перевод Дмитрия Зотьева. 

Антиматерия: проблема производства: Один комментарий

  1. О сегодняшнем уровне производства антиматерии: в 2011 году в ЦЕРНе сумели получить 309 атомов антиводорода и удержать их от аннигиляции порядка 1 000 секунд http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/26709/ . Как это удалось сделать с электро-нейтральными атомами антиводорода ? Для удержания антивещества в магнитной ловушке, казалось бы, следует использовать его полностью ионизированную плазму.