Двигун на антиречовині – фантастика чи реальність?

Фотонний двигун – це гіпотетичний реактивний двигун, тяга якого створюється за рахунок витікання квантів електромагнітного випромінювання або фотонів. Головною перевагою такого двигуна є максимально-можлива в рамках релятивістської механіки швидкість витікання, яка може дорівнювати швидкості світла у вакуумі. Для ракетного апарата це єдиний широко відомий спосіб досягти скільки-небудь значної частки світлової швидкості при розумних значеннях числа Ціолковського, яке характеризує співвідношення мас заправленої та порожньої ракети.
Головним недоліком фотонного двигуна є низький ККД ланцюжка перетворення енергії від первинного джерела до струменя фотонів. Застосування реакції анігіляції для прямого одержання оптичних і гамма-квантів не набагато знижує гостроту проблеми, так як необхідно враховувати втрати на зберігання антиречовини (не кажучи про її виробництво) і труднощі фокусування одержуваного випромінювання у макромасштабі. Крім того, як більш реальне, розглядалося використання в якості джерела фотонів термоядерної плазми (в тому числі і для генерації лазерного випромінювання) або використання електромагнітних квантів більш довгохвильового діапазону. В першому випадку залишаються поки невирішеними проблеми генерації і підтримання в стійкому стані плазми з необхідними параметрами. Другий варіант значно спрощує завдання фокусування “реактивного струменя”, але різко знижує ККД.

Створення антиречовини

У 1995 р. CERN оголосив про справжню сенсацію – створення дев’яти атомів антиводню. В принципі ніщо – окрім, зрозуміло, позамежно високої ціни – не заважає створювати атоми важчих антиелементів. Будь-яка держава збанкрутіла б, зробивши декілька десятків грамів антиатомів. Нині рівень виробництва антиречовини у світі складає від однієї мільярдної до однієї десятимільярдної грама на рік. До 2020 р. ця кількість, можливо, потроїться. Економічна сторона виробництва антиречовини виглядає дуже непривабливо. У 2004 р. декілька трильйонних грама антиречовини обійшлася CERN в 20 млн дол. При таких темпах виробництво 1 г антиречовини коштувало б сто квадрильйонів доларів і зайняло б 100 млрд років безперервної роботи фабрики! Це робить антиречовину найдорожчим продуктом на світі.

“Якби ми могли зібрати усю зроблену нами антиречовину і анігілювати її з речовиною, – говориться в заяві CERN, – ми отримали б досить енергії, щоб одна електрична лампочка могла горіти декілька хвилин”.

Поводитися з антиречовиною надзвичайно складно – адже будь-який контакт речовини і антиречовини породжує вибух. Помістити антиречовину у звичайний контейнер рівносильно самогубству – як тільки вона зіткнеться зі стінками, станеться вибух. Взагалі, як можна поводитися з такою чутливою субстанцією? Єдиний спосіб – заздалегідь іонізувати антиречовину, перетворивши її на іонний газ, а потім надійно замкнути у “магнітну пляшку”, де магнітне поле не дозволить зіткнутися зі стінками.

Якщо ми хочемо побудувати двигун на антиречовині, нам треба буде забезпечити постійне подання її у робочу камеру; там антиречовина акуратно входитиме в зіткнення з речовиною, народжуючи керований вибух – приблизно такий же, який відбувається в ракеті з хімічним двигуном. Іони, що виникли в процесі вибуху, потім викидатимуться через сопло двигуна, надаючи ракеті поступальної ходи. Двигун на антиречовині дуже ефективно перетворює матерію на енергію, тому теоретично це найспокусливіший тип двигуна для зорельотів майбутнього.

Мрії Джеральда Сміта

Фізик Джеральд Сміт з Університету штату Пенсильванія – один з найзатятіших прибічників кораблів на антиречовині. Він вважав, що, не заглядаючи занадто далеко вперед, усього лише 4 мг позитронів буде достатньо, щоб доставити корабель з відповідним двигуном на Марс всього за декілька тижнів. Сміт відмічав, що антиречовина здатна вивільнити приблизно в мільярд разів більше енергії, ніж звичайне ракетне паливо. Важливим завданням виробництва палива-антиречовини повинно стати отримання у прискорювачі часток потоку антипротонів та “накопичення” їх у пастці Пеннінга.

Пастка Пеннінга — пристрій для накопичення заряджених частинок, в якому використовується однорідне аксіальне магнітне поле та неоднорідне квадрупольне електричне поле. Такого роду пастки особливо ефективні при прецизійних вимірюваннях властивостей іонів та стабільних субатомних частинок. Вони дозволили створити та вивчати так звані «атоми геонію», а також з великою точністю виміряти магнітний момент електрона. Серед новітніх використань — фізична реалізація квантових обчислень та квантова обробка інформації, для чого у пастках накопичуються кубіти. Пастки Пеннінга працюють у багатьох лабораторіях світу. Наприклад, у ЦЕРНі вони служать для зберігання античастинок на зразок антипротонів.(wikipedia)

Пастка Пеннінга зможе вмістити близько трильйона антипротонів, утримуючи їх у магнітному полі. (При дуже низьких температурах довжина хвилі антипротонів у декілька разів більше довжини хвилі атомів, з яких складається стінка контейнера, тому антипротони у більшості випадків відбиватимуться від стінки без анігіляції). Сміт стверджував, що антипротони в пастці Пеннінга можна буде зберігати близько п’яти діб (до використання, тобто до змішування із звичайними атомами та анігіляції). Очікується, що його пастка вмістить приблизно одну мільярдну грама антипротонів. Мета Сміта – створити пастку Пеннінга, здатну утримувати до 1 мкг, т. е. до однієї мільйонної долі грама антипротонів.

У 2016 році фізики з Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) поставили рекорд: за допомогою сильного електромагнітного поля вони “упіймали” 219 іонів берилія у “пастку”. Раніше подібні системи створювалися для 20 іонів.

Теорія Хауга

Нова математична теорія, запропонована норвезьким професором Эспеном Гаардером Хаугом, дозволяє серйозно говорити про створення космічного корабля, який зможе розігнатися до 99,999% світлової швидкості. В якості рушійної сили для такого корабля, який “відкриє для землян Всесвіт” норвежець пропонує використати квантові частки -фотони. Його робота описує математичну модель ракети, яка використовує для руху фотони.

Фотон це – елементарна частка, квант електромагнітного випромінювання. У ного немає маси, його електричний заряд дорівнює нулю, він здатний існувати тільки рухаючись із швидкістю світла. Жодна з фундаментальних часток не може рухатися швидше за швидкість світла, т. е. це абсолютний максимум для ракети, міркує Хауг. При цьому, саме фотони краще всього підходять, тому що завжди рухаються саме з такою швидкістю. Для того, щоб фотони могли привести в рух космічний об’єкт, потрібний двигун нового типу, здатний перетворювати енергію безпосередньо на світло. А саме – прискорювач елементарних часток, на кшталт Великого адронного колайдера, тільки набагато потужніший і, зрозуміло, компактніший. Але доки незрозуміло, яке паливо могло б використовуватися у такому двигуні, тим більше в умовах космосу.

За розрахунками Хауга, два фотони, розігнані двигуном корабля до швидкості світла, зіткнувшись, породять планковськую частку, яка тут же зникне, перетворившись на енергію. “Лабораторні експерименти показують, що переміщення об’єктів завдяки одним тільки фотонам, цілком можливо”, – пояснює учений. Але Хауг визнає, що для того, щоб його теоретична модель запрацювала на практиці, потрібний ряд відкриттів у теоретичній фізиці, які б дозволили побудувати такий двигун.

Необхідно здолати ряд перешкод, особливо у виробництві і зберіганні антиматерії, щоб зробити технологію здійсненною, але деякі експерти вважають, що вона може бути готова через півстоліття або біля того.