Datorillustration av en potentiell antimateriell enhet. Bildkredit: Positronics Research LLC. Klicka för att förstora.
Vi spelade alla spelet som barn - ”leapfrog” involverade ett barn som kretsade på fyra medan en sekund placerade sina händer på den första axlarna. Det stående barnet kröks mot tyngdkraften och böjer sig djupt vid benen och skjuter sedan upp och över toppen av det första. Resultatet? Det andra barnet kramar nu och det andra groda-hoppet följer i sin tur. Inte det mest effektiva sättet att komma till swing-set - men mycket roligt i rätt företag!
Leapfrogging är dock inte detsamma som "bootstrapping". Under uppstart böjer och griper en spelare i läderslingorna på utsidan av båda stövlarna. Spelaren gör sedan en enorm ansträngning uppåt med armarna. Leapfrogging fungerar - bootstrapping gör det inte, det kan bara inte göras utan att hoppa - en helt annan sak helt.
NASA-institutet för avancerade koncept (NIAC) tror på språng - ingen inte på lekplatsen utan i rymd. Från institutens egen webbplats: "NIAC uppmuntrar förslagsställare att tänka årtionden in i framtiden för att sträva efter koncept som kommer att" hoppa över "utvecklingen av nuvarande flyg- och rymdsystem." NIAC letar efter några goda idéer och är villig att stödja dem med sex månaders fröbidrag för att testa genomförbarheten innan allvarliga forsknings- och utvecklingsfonder - tillgängliga från NASA och på andra håll - tilldelas. Förhoppningsvis får sådana frön groddar och framtida investeringar växer dem till mognad.
NIAC vill emellertid separera språng från bootstrapping. Det ena fungerar och det andra har ingen mening alls. Enligt NIAC kan positordrivningen leda till ett gigantiskt språng framåt på det sätt vi reser genom hela solsystemet och därefter. Det finns förmodligen ingen bootstrapping om det.
Tänk på den positron-spegel tvilling av elektron-liknande mänskliga tvillingar, en mycket sällsynt sak. Till skillnad från mänskliga tvillingar är det osannolikt att en positron överlever födelseprocessen. Varför? Eftersom positroner och deras syskon - elektroner - finner varandra oemotståndliga och förstörs snabbt i en skur av mjuka gammastrålar. Men den brast, under kontrollerade omständigheter, kan konverteras till alla former av "arbete" du kanske vill göra.
Behöver du ljus? Blanda en positron och en elektron och bestrål sedan en gas till glödlampa. Behöver du el? Blanda ett annat par och bestråla en metallremsa. Behöver du drivkraft? Skjut de gammastrålarna in i ett drivmedel, värm det till outlandish höga temperaturer och skjut drivmedlet ut mot raketens baksida. Eller skjut dessa gammastrålar in i volframplattor i en luftström, värm den luften och sprut den ut på baksidan av ett flygplan.
Föreställ dig att ha en mängd positroner - vad kan du göra med dem? Enligt Gerald A. Smith, Principle Investigator for Positronics Research, LLC, Sante Fe, New Mexico, skulle du kunna gå nästan var som helst, ”antimateriets energitäthet är tio storleksordningar större än kemiska och tre storleksordningar större än kärnklyvning eller fusionsenergi. ”
Och vad betyder detta när det gäller framdrivning? "Mindre vikt, långt, långt, mycket mindre vikt."
Med hjälp av kemiskt baserade framdrivningssystem hittades 55 procent av vikten förknippad med Huygens-Cassini-sonden som skickades för att utforska Saturn i sondens bränsle- och oxidationsbehållare. Under tiden för att kasta sönderna 5650 kg vikt bortom jorden krävdes ett startfordon som väger ungefär 180 gånger så mycket som den fulldrivna Cassini-Huygens själv (1 032,350 kg).
Genom att använda Dr Smiths siffror ensam - och endast med tanke på den manövreringskraft som krävs för Cassini-Huygens med användning av positron-elektron-förintelse, kunde de 3100 kg kemiska drivmedlet som belastar den ursprungliga sonden 1997 reduceras till bara 310 mikrogram elektron och positron - mindre materia än det som finns i en enda atomiserad droppe morgondimma. Och med denna minskning av massan kunde den totala lanseringsvikten från Canaveral till Saturn lätt reduceras med en faktor två.
Men positron-elektron förintelse är som att ha gott om luft men absolut ingen bensin? din bil kommer inte att komma långt med syre ensam. Elektroner finns överallt, medan positroner inte är naturligt tillgängliga på jorden. I själva verket där de inträffar - nära svarthålshändelser eller under korta perioder efter att partiklar med hög energi kommer in i jordens atmosfär - hittar de snart en av de allestädes närvarande elektronerna och går fotoniska. Av denna anledning måste du göra dina egna.
Ange partikelacceleratorn
Företag som Positronics Research, under ledning av Dr. Smith, arbetar med teknik som är inneboende i användningen av partikelacceleratorer - som Stanford Linear Accelerator (SLAC) som ligger i Menlo Park, Kalifornien. Partikelacceleratorer skapar positroner med hjälp av elektronpositronparproduktionstekniker. Detta görs genom att krossa en relativistiskt accelererad elektronstråle i ett tätt volframmål. Elektronstrålen omvandlas sedan till högenergifotoner som rör sig genom volfram och förvandlas till matchade uppsättningar av elektroner och positroner. Problemet innan Dr. Smith och andra skapar positroner är enklare än att fånga, lagra, transportera och använda dem effektivt.
Under tiden under parproduktion packas allt du verkligen har gjort en hel massa jordbunden energi i extremt små mängder mycket flyktigt - men extremt lätt vikt - bränsle. Denna process i sig är extremt ineffektiv och introducerar stora tekniska utmaningar relaterade till att samla tillräckligt med antipartiklar för att driva ett rymdskepp som kan resa in i Great Beyond med hastigheter som möjliggör stor rymdsond - och mänsklig rymdled - möjlig. Hur kommer allt detta troligtvis att spela ut?
Enligt Dr. Smith "har fysiker i många år pressat positroner från volframmålen genom att kollidera positronerna med materien och bromsa dem med tusen eller så att de kan användas i mikroskop med hög upplösning. Denna process är fruktansvärt ineffektiv; bara en miljondel av positronerna överlever. För rymdresor måste vi öka effektiviteten i bromsningen med minst en faktor på tusen. Efter fyra års hårt arbete med elektromagnetiska fällor i våra laboratorier förbereder vi oss för att fånga och kyla fem biljoner positron per sekund under de närmaste åren. Våra långsiktiga mål är fem fyr-biljoner positroner per sekund. Med denna hastighet kunde vi driva upp för vår första positron-drivna flygning ut i rymden inom några timmar. ”
Även om det är sant att en positron-utsläppsmotor också kräver drivmedel (vanligtvis i form av komprimerad vätgas) reduceras mängden drivmedel i sig till nästan 10 procent av det som krävs av en konventionell raket - eftersom ingen oxidator behövs för att reagera med bränslet. Samtidigt kan framtida farkoster faktiskt kunna skopa drivmedel upp från solvinden och det interstellära mediet. Detta borde också leda till en avsevärd minskning av lanseringsvikten för sådana rymdfarkoster.
Skrivet av Jeff Barbour
