Om du vill bygga ett kraftfullt rymdskepp är inget bättre än antimatter. NASA: s Institute for Advanced Concepts finansierar ett forskarteam för att försöka utforma ett antimateraldriven rymdskepp som kan undvika några av dessa problem.
De flesta själv respekterande rymdskepp i science fiction-berättelser använder antimaterial som bränsle av en god anledning - det är det mest potenta bränslet som är känt. Medan massor av kemiskt bränsle behövs för att driva ett mänskligt uppdrag till Mars, kommer bara tiotals milligram antimateria att göra (ett milligram är ungefär en tusendels vikt av en bit av det ursprungliga M & M-godiset).
Men i verkligheten kommer denna kraft med ett pris. Vissa antimateriella reaktioner producerar sprängningar med högenergi-gammastrålar. Gamma-strålar är som röntgenstrålar på steroider. De tränger igenom materia och bryter isär molekyler i celler, så att de inte är friska att vara i närheten. Högenergiska gammastrålar kan också göra motorerna radioaktiva genom fragmentering av atomer i motormaterialet.
NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) finansierar ett team av forskare som arbetar med en ny design för ett antimateraldriven rymdskepp som undviker denna otäcka biverkning genom att producera gammastrålar med mycket lägre energi.
Antimateria kallas ibland spegelbild av normal materia eftersom det ser ut som vanligt material, men vissa egenskaper vänds. Exempelvis har vanliga elektroner, de kända partiklarna som transporterar elektrisk ström i allt från mobiltelefoner till plasma-TV-apparater, en negativ elektrisk laddning. Antielektroner har en positiv laddning, så forskare kallade dem "positroner".
När antimateria möter materien, förintas båda i en blixt av energi. Denna fullständiga omvandling till energi är det som gör antimateria så kraftfull. Till och med kärnkraftsreaktionerna som driver atombomber kommer på en avlägsen sekund, med bara cirka tre procent av deras massa omvandlad till energi.
Tidigare antimateraldrivna rymdskepp designade antiprotons, som producerar högenergiska gammastrålar när de fördärvar. Den nya designen använder positroner som gör gammastrålar med cirka 400 gånger mindre energi.
NIAC-forskningen är en preliminär studie för att se om idén är genomförbar. Om det ser lovande ut, och det finns medel tillgängliga för att framgångsrikt utveckla tekniken, skulle ett positron-driven rymdskepp ha ett par fördelar jämfört med de befintliga planerna för ett mänskligt uppdrag till Mars, kallat Mars Reference Mission.
"Den viktigaste fördelen är mer säkerhet", säger Dr Gerald Smith från Positronics Research, LLC, i Santa Fe, New Mexico. Det nuvarande referensuppdraget kräver en kärnreaktor för att driva rymdskeppet till Mars. Detta är önskvärt eftersom kärnkraftsdrivning reducerar restiden till Mars, vilket ökar säkerheten för besättningen genom att minska deras exponering för kosmiska strålar. Dessutom väger ett kemiskt drivet rymdskepp mycket mer och kostar mycket mer att lansera. Reaktorn ger också gott om kraft för det treåriga uppdraget. Men kärnreaktorer är komplexa, så fler saker kan potentiellt gå fel under uppdraget. ”Positronreaktorn erbjuder dock samma fördelar men är relativt enkel,” säger Smith, ledande forskare för NIAC-studien.
Dessutom är kärnreaktorer radioaktiva även efter att deras bränsle har använts. Efter att fartyget anländer till Mars planerar Reference Mission att leda reaktorn in i en bana som inte kommer att möta Jorden på minst en miljon år, då den återstående strålningen kommer att reduceras till säkra nivåer. Det finns emellertid ingen reststrålning i en positronreaktor efter att bränslet har använts, så det finns inget säkerhetsproblem om den förbrukade positronreaktorn av misstag skulle komma in i jordens atmosfär, enligt teamet.
Det kommer att vara säkrare att lansera också. Om en raket som bär en kärnreaktor exploderar kan den frigöra radioaktiva partiklar i atmosfären. ”Vårt positron rymdskepp skulle släppa en blixt av gammastrålar om det exploderade, men gammastrålarna skulle försvinna på ett ögonblick. Det skulle inte finnas några radioaktiva partiklar att driva på vinden. Blixten skulle också begränsas till ett relativt litet område. Farozonen skulle vara ungefär en kilometer runt rymdskeppet. En vanlig stor kemiskt driven raket har en farozon av ungefär samma storlek på grund av den stora eldkula som skulle bli resultatet av dess explosion, ”säger Smith.
En annan viktig fördel är hastigheten. Referensuppdragets rymdskepp skulle ta astronauter till Mars på cirka 180 dagar. "Våra avancerade konstruktioner, som gasskärnan och de ablativa motorkoncepten, kunde ta astronauter till Mars under halva tiden och kanske till och med på så lite som 45 dagar," sade Kirby Meyer, ingenjör med Positronics Research om studien.
Avancerade motorer gör detta genom att köra varmt, vilket ökar deras effektivitet eller "specifik impuls" (Isp). Isp är raketrys "mil per gallon": ju högre ISP, desto snabbare kan du gå innan du använder din bränsletillförsel. De bästa kemiska raketerna, som NASA: s Space Shuttle-huvudmotor, går ut cirka 450 sekunder, vilket innebär att ett kilo bränsle kommer att producera ett kilo drivkraft under 450 sekunder. En kärnreaktor eller positronreaktor kan ta över 900 sekunder. Den ablativa motorn, som långsamt förångar sig för att producera drivkraft, kan gå så högt som 5000 sekunder.
En teknisk utmaning att göra ett positron-rymdskepp till verklighet är kostnaden för att producera positronerna. På grund av dess spektakulära effekt på normal materia sitter det inte så mycket antimaterier. I rymden skapas det i kollisioner av partiklar med hög hastighet som kallas kosmiska strålar. På jorden måste det skapas i partikelacceleratorer, enorma maskiner som krossar atomer tillsammans. Maskinerna används normalt för att upptäcka hur universum fungerar på en djup, grundläggande nivå, men de kan utnyttjas som antimateriella fabriker.
"En grov uppskattning för att producera de 10 milligram positroner som behövs för ett mänskligt Mars-uppdrag är cirka 250 miljoner dollar med teknik som för närvarande är under utveckling," sade Smith. Denna kostnad kan tyckas vara hög, men det måste beaktas mot extrakostnaderna för att sjösätta en tyngre kemisk raket (de nuvarande lanseringskostnaderna är cirka 10 000 dollar per pund) eller kostnaden för att driva och säkerställa en kärnreaktor. "Baserat på erfarenheterna med kärnkraftteknologi verkar det rimligt att förvänta sig att produktionskostnaderna för positron kommer att minska med mer forskning," tilllade Smith.
En annan utmaning är att lagra tillräckligt med positroner i ett litet utrymme. Eftersom de förstör normal materia kan du inte bara fylla dem i en flaska. Istället måste de förvaras med elektriska och magnetiska fält. "Vi känner oss säkra på att med ett dedikerat forsknings- och utvecklingsprogram kan dessa utmaningar övervinnas," sade Smith.
Om detta är så, kanske de första människorna som når Mars kommer i rymdskepp som drivs av samma källa som sköt rymdskepp över universerna i våra science fiction-drömmar.
Originalkälla: NASA News Release
