Hvis du ønsker å bygge et kraftig romskip, er ingenting bedre enn antimatter. NASAs Institute for Advanced Concepts finansierer et team av forskere som prøver å designe et antimateraldrevet romfartøy som kan unngå noen av disse problemene.
De fleste selvrespektende stjerneskip i science fiction-historier bruker antimateriale som drivstoff av en god grunn - det er det mest potente drivstoffet som er kjent. Mens det trengs tonnevis med kjemisk drivstoff for å drive et menneskelig oppdrag til Mars, vil bare titalls milligram antimaterie gjøre (et milligram er omtrent en tusendel av vekten til et stykke av det originale M&M-godteriet).
Men i virkeligheten kommer denne kraften med en pris. Noen antimaterielle reaksjoner gir sprengninger av høyenergi-stråler. Gamma-stråler er som røntgenstråler på steroider. De trenger stoff og bryter sammen molekyler i celler, så de er ikke sunne å være i nærheten. Høy-energi gamma-stråler kan også gjøre motorene radioaktive ved å fragmentere atomer i motorens materiale.
NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) finansierer et team av forskere som jobber med en ny design for et antimateriedrevet romskip som unngår denne ekle bivirkningen ved å produsere gammastråler med mye lavere energi.
Antimatter kalles noen ganger speilbildet av normal materie, fordi mens det ser ut som vanlig materie, er noen egenskaper snudd. For eksempel har normale elektroner, de kjente partiklene som fører elektrisk strøm i alt fra mobiltelefoner til plasma-TV-apparater, en negativ elektrisk ladning. Anti-elektron har en positiv ladning, så forskere kalte dem “positroner”.
Når antimateria møter materie, utslettes begge i et blitz av energi. Denne komplette omstillingen til energi er det som gjør antimaterien så kraftig. Til og med kjernefysiske reaksjoner som driver atombomber kommer på et fjernt sekund, med bare rundt tre prosent av massen deres konvertert til energi.
Tidligere antidisk-drevet romskip utformer antiprotons, som produserer høyenergi-gammastråler når de ødelegger. Den nye designen vil bruke positroner, som gjør gammastråler med omtrent 400 ganger mindre energi.
NIAC-forskningen er en foreløpig studie for å se om ideen er gjennomførbar. Hvis det ser lovende ut, og det er midler tilgjengelig for å lykkes med å utvikle teknologien, ville et positron-drevet romskip ha et par fordeler fremfor de eksisterende planene for et menneskelig oppdrag til Mars, kalt Mars Reference Mission.
"Den viktigste fordelen er mer sikkerhet," sier Dr. Gerald Smith fra Positronics Research, LLC, i Santa Fe, New Mexico. Den nåværende referansemisjonen ber om en atomreaktor for å drive romskipet til Mars. Dette er ønskelig fordi kjernefysisk fremdrift reduserer reisetiden til Mars, øker sikkerheten for mannskapet ved å redusere deres eksponering for kosmiske stråler. Dessuten veier et kjemisk drevet romfartøy mye mer og koster mye mer å lansere. Reaktoren gir også god kraft til det tre år lange oppdraget. Men atomreaktorer er sammensatte, så flere ting kan potensielt gå galt under oppdraget. "Positronreaktoren har imidlertid de samme fordelene, men er relativt enkel," sa Smith, hovedforsker for NIAC-studien.
Atomreaktorer er også radioaktive selv etter at drivstoffet er brukt opp. Etter at skipet ankommer Mars, er planene for Reference Mission å lede reaktoren inn i en bane som ikke vil møte Jorden på minst en million år, når den resterende strålingen vil bli redusert til sikre nivåer. Imidlertid er det ingen reststråling i en positronreaktor etter at drivstoffet er brukt opp, så det er ingen sikkerhetsproblemer om den brukte positronreaktoren ved et uhell skulle komme inn i jordens atmosfære igjen, ifølge teamet.
Det vil være tryggere å lansere også. Hvis en rakett som fører en atomreaktor eksploderer, kan den frigjøre radioaktive partikler i atmosfæren. “Positronrommet vårt ville frigjøre et glimt av gammastråler hvis det eksploderte, men gammastrålene ville være borte på et øyeblikk. Det ville ikke være noen radioaktive partikler som driver på vinden. Blitsen vil også være begrenset til et relativt lite område. Faresonen vil være omtrent en kilometer rundt romfartøyet. En vanlig stor kjemisk drevet rakett har en faresone på omtrent samme størrelse på grunn av den store ildkulen som ville være resultatet av eksplosjonen, sier Smith.
En annen betydelig fordel er hastighet. Reference Mission-romfartøyet ville ta astronauter til Mars om cirka 180 dager. "Våre avanserte design, som gasskjerne og ablative motorkonsepter, kunne ta astronauter til Mars om halvparten av tiden, og kanskje til og med på så lite som 45 dager," sa Kirby Meyer, ingeniør med Positronics Research om studien.
Avanserte motorer gjør dette ved å gå varmt, noe som øker effektiviteten eller "spesifikk impuls" (Isp). Isp er rakettenes “miles per gallon”: jo høyere ISP, jo raskere kan du gå før du bruker opp drivstoffforsyningen. De beste kjemiske rakettene, som NASAs Space Shuttle-hovedmotor, går maks ut på rundt 450 sekunder, noe som betyr at et kilo drivstoff vil produsere et halvt kilo skyvekraft i 450 sekunder. En kjernefysisk reaksjon eller positron kan ta over 900 sekunder. Den ablative motoren, som sakte fordamper seg selv for å produsere skyvekraft, kan gå så høyt som 5000 sekunder.
En teknisk utfordring for å gjøre et positron-romfartøy til virkelighet er kostnadene for å produsere positronene. På grunn av sin spektakulære effekt på normal materie, er det ikke mye antimaterie som sitter rundt. I verdensrommet skapes det i kollisjoner av høyhastighetspartikler som kalles kosmiske stråler. På jorden må det lages i partikkelakseleratorer, enorme maskiner som knuser atomer sammen. Maskinene brukes normalt for å oppdage hvordan universet fungerer på et dypt, grunnleggende nivå, men de kan utnyttes som antimateriefabrikker.
"Et grovt estimat for å produsere de 10 milligram positroner som trengs for et menneskelig Mars-oppdrag er omtrent 250 millioner dollar ved bruk av teknologi som for tiden er under utvikling," sa Smith. Denne kostnaden kan virke høy, men det må tas i betraktning mot ekstrakostnadene for å sette i gang en tyngre kjemisk rakett (nåværende utskytningskostnader er omtrent $ 10.000 per pund) eller kostnadene for drivstoff og sikre en atomreaktor. "Basert på erfaringene med kjerneteknologi ser det ut til å være rimelig å forvente at produksjonskostnadene for positron vil gå ned med mer forskning," la Smith til.
En annen utfordring er å lagre nok positroner på et lite sted. Fordi de ødelegger normal materie, kan du ikke bare fylle dem på en flaske. I stedet må de være forsynt med elektriske og magnetiske felt. "Vi føler oss sikre på at med et dedikert forsknings- og utviklingsprogram kan disse utfordringene overvinnes," sa Smith.
Hvis dette er tilfelle, vil kanskje de første menneskene som når Mars ankomme romskip drevet av samme kilde som avfyrte stjerneskip over universene i science fiction-drømmene våre.
Originalkilde: NASA News Release
