Старая, добрая сказка

Художник Н. Кольчицкий («Фотонная ракета», Техника — молодёжи, 1957г.,  № 7)

    Идею фотонного звездолета, которая доминировала в научно-фантастических романах полувековой давности, сегодня уже мало кто рассматривает серьезно. Однако, судя по академической статье http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1205/1205.2281.pdf Ронана Кина и Ви-Минг-Чанга, интерес к анигиляционному двигателю полностью не угас. Статья внушает большие надежды, если не задумываться о колоссальных трудностях производства антивещества http://extremal-mechanics.org/archives/709. Пока также не ясно, как его хранить, не допуская контакта с веществом. Единственная видимая возможность — это электромагнитная ловушка. Но для того, чтобы антивещество взаимодействовало с полем, оно должно быть полностью ионизировано. А это возможно лишь при температуре порядка 100 000 градусов. Длительное время хранить антивещество в состоянии плазмы можно было бы внутри устройства типа Токамак или Стелларатор, но при большом запасе топлива потребуется гигантская установка с тяжелыми обмотками электромагнитов. И как из такой ловушки непрерывно отводить антивещество малыми порциями в зону аннигиляции, не нарушая конфигурацию магнитного поля ?  

       Но допустим, что мы получили и как-то умеем хранить антивещество. Соединив его с веществом, получим энергию в виде гамма-излучения. В случае аннигиляции электронов с позитронами ничего другого не выделяется. Что делать с гамма- лучами, если их нельзя отразить никаким образом ?  Именно поэтому фотонный двигатель, как таковой, т.е., использующий отдачу пучка отраженных гамма-фотонов,  в принципе невозможен.  

    И все-таки допустим, что каким-то волшебным способом мы отразили поток излучения от аннигиляции.  Импульс гамма-квантов и любых фотонов в 300 000 000 раз меньше  энергии (в скорость света раз). Поэтому тяга от фотонов ничтожно мала на фоне расхода энергии. Более неразумную идею трудно придумать, чем пытаться разогнаться с помощью прожектора, пусть даже очень мощного. Для иллюстрации: пусть масса космического аппарата всего 100 тонн. Чтобы разогнаться до 30 000 км/сек придется затратить не менее 10 тонн антивещества. Полученная энергия превысит эквивалент 200 Гигатонн тротила! При этом кинетическая энергия корабля достигнет 1 Гигатонны. Имеем КПД = 0.5% . Сам по себе низкий КПД не страшен, когда решается грандиозная задача вызов — полет к звездам. Но как защитить аппарат от чудовищного потока энергии в 200 Гигатонн ? Даже если разгон до крейсерской скорости растянется на 10 лет — на протяжении этого времени каждую секунду в камере сгорания-сопле будет взрываться около 700 тонн тротила !  Но главное — это принципиальная невозможность отражать и направлять поток гамма-излучения от аннигиляции. Идея фотонного звездолета изначально мертва, но если мы назовем такой двигатель аннигиляционным, то ее можно попытаться реанимировать.

    Для этого предлагается использовать тот факт, что при аннигиляции протонов и антипротонов образуются пионы (пи-мезоны).  Заряженные частицы различных знаков, которые можно отразить магнитным соплом.  

Схема работы магнитного сопла.

    Двигаясь в неоднородном магнитном поле , заряженная частица описывает спираль с уменьшающимся радиусом и расстоянием между витками. В пределе «пружина» полностью сжимается, затем траектория отражается и частица продолжает спиральное движение в обратном направлении. В указанной выше статье Кина и Ви-Минг-Чанга описаны результаты компьютерного моделирования процесса. Оптимальное сопло представляет собой соленоид с переменным числом витков - цилиндр высотой 3.8 м и радиусом 1.5 м, где точка аннигиляции вещества с антивеществом удалена на 1 м от выхода. Максимальная индукция магнитного поля 12.5 Тесла линейно спадает до нуля на выходе. В итоге авторы приходят к выводу, что такое магнитное сопло может обеспечить среднюю продольную скорость отраженной струи из пионов почти в  0.7с = 210 000 км/сек !    

     Имея период полураспада всего секунды, заряженный пион пролетит за это время не больше 8 метров, что меньше длины окружности одного витка соленоида. Впрочем распадаются они на нейтрино и мюоны, живущие уже микросекунды. Однако идея использовать пи-мезоны от аннигиляции протонов с антипротонами вызывает серьезные сомнения. Ведь эти пионы возникают в равных пропорциях со своими античастицами, поэтому они немедленно начнут аннигилировать. В итоге снова получим потоки гамма-квантов и нейтрино, от которых нет ни малейшей пользы. Успеет ли существенная часть частиц до своей аннигиляции отразиться от магнитного зеркала и передать кораблю импульс ? Авторы статьи этот вопрос не рассматривали. 

   Предполагается также использовать антивещество в ракетных двигателях, как источник тепловой энергии. Энергия аннигиляции испаряет тонкий слой вещества на поверхности сопла, и от его абляции (взрывного испарения) возникает тяга. Но на этом сильно не разгонишься, потому что скорость аблирующей струи не превысит порядка 100 км/сек. Антивещество здесь не играет принципиальной роли. Термояд тоже годится, хотя он менее эффективен. Этот концепт был бы хорош для полетов в Солнечной системе, но никак не к звездам !

    Таким образом, вопрос об осуществимости аннигиляционной ракеты остается открытым. В любом случае не стоит обольщаться в отношении перспектив этого принципа в том, что касается достижения суб-релятивистских скоростей. Согласно оценкам других ученых, приведенным в статье Кина и Ви-Минг-Чанга, 40 летняя миссия аннигиляционного звездолета, происходящая на крейсерской скорости 0.42 скорости света с торможением по месту прибытия,  потребует 40 миллионов тонн антивещества ! С учетом фундаментальных трудностей его производства и хранения такие, пусть даже сильно улучшаемые оценки действуют отрезвляюще.

Дмитрий Зотьев