Двигатель на антиречовині – фантастика или реальность?

Фотонный двигатель – это гипотетический реактивный двигатель, тяга которого создается за счет истечения квантов электромагнитного излучения или фотонов. Главным преимуществом такого двигателя является максимально-возможная в рамках релятивистской механики скорость истечения, которая может быть равна скорости света в вакууме. Для ракетного аппарата это единственный широко известный способ достичь сколь-нибудь значительной доли световой скорости при разумных значениях числа Циолковского, которое характеризует соотношение масс заправленной и пустой ракеты.
Главным недостатком фотонного двигателя является низкий КПД цепочки преобразования энергии от первичного источника до струи фотонов. Применение реакции аннигиляции для прямого получения оптических и гамма-квантов не намного снижает остроту проблемы, так как необходимо учитывать потери на хранение антивещества (не говоря о ее производстве) и трудности фокусировки получаемого излучения в макромасштабі. Кроме того, как более реальное, рассматривалось использование в качестве источника фотонов термоядерной плазмы (в том числе и для генерации лазерного излучения) или использование электромагнитных квантов более длинноволнового диапазона. В первом случае остаются пока нерешенными проблемы генерации и подержания в устойчивом состоянии плазмы с необходимыми параметрами. Второй вариант значительно упрощает задачу фокусировки “реактивной струи”, но резко снижает КПД.

Создание антивещества

В 1995 г. CERN объявил о настоящую сенсацию – создание дев’ять атомов антиводорода. В принципе ничто – кроме, понятно, запредельно высокой цены – не мешает создавать атомы более тяжелых антиелементів. Любое государство обанкротилась бы, сделав несколько десятков граммов антиатомів. Сейчас уровень производства антивещества в мире составляет от одной миллиардной до одной десятимільярдної грамма в год. К 2020 г. это количество, возможно, утроится. Экономическая сторона производства антивещества выглядит очень непривлекательно. В 2004 г. несколько триллионных грамма антивещества обошлась в CERN 20 млн долл. При таких темпах производство 1 г антивещества стоило бы сто квадриллионов долларов и заняло бы 100 млрд лет непрерывной работы фабрики! Это делает антивещество самым дорогим продуктом в мире.

“Если бы мы могли собрать всю сделанную нами антивещество и аннигилировать ее с веществом, – говорится в заявлении CERN, – мы получили бы довольно энергии, чтобы одна электрическая лампочка могла гореть несколько минут”.

Обращаться с антивеществом чрезвычайно сложно – ведь любой контакт вещества и антивещества порождает взрыв. Поместить антивещество в обычный контейнер равносильно самоубийству – как только она столкнется со стенками, произойдет взрыв. Вообще, как можно обращаться с такой чувствительной субстанцией? Единственный способ – предварительно ионизировать антивещество, превратив его в ионный газ, а потом надежно запереть в “магнитную бутылку”, где магнитное поле не позволит столкнуться со стенками.

Если мы хотим построить двигатель на антиречовині, нам нужно будет обеспечить постоянное представление ее в рабочую камеру; там антивещество аккуратно входить в соприкосновение с веществом, рождая управляемый взрыв – примерно такой же, который происходит в ракете с химическим двигателем. Ионы, возникшие в процессе взрыва, потом викидатимуться через сопло двигателя, предоставляя ракете поступательного движения. Двигатель на антиречовині очень эффективно превращает материю в энергию, поэтому теоретически это самый соблазнительный тип двигателя для звездолетов будущего.

Мечты Джеральда Смита

Физик Джеральд Смит из Университета штата Пенсильвания – один из самых ярых сторонников кораблей на антиречовині. Он считал, что, не заглядывая слишком далеко вперед, всего лишь 4 мг позитронов будет достаточно, чтобы доставить корабль с соответствующим двигателем на Марс всего за несколько недель. Смит отмечал, что антивещество способно высвободить примерно в миллиард раз больше энергии, чем обычное ракетное топливо. Важной задачей производства топлива-антивещества должно стать получение в ускорителе частиц потока антипротонов и “накопления” их в ловушке Пеннинга.

Ловушка Пеннинга — пристрій для накопичення заряженных частиц, в котором используется однородное аксіальне магнитное поле и неоднородное квадрупольне электрическое поле. Такого рода ловушки особенно эффективны при прецизионных измерениях свойств ионов и стабильных субатомных частиц. Они позволили создать и изучать так называемые «атомы геонію», а также с большой точностью измерить магнитный момент электрона. Серед новітніх використань — фізична реалізація квантовых вычислений и квантовая обработка информации, для чего накапливаются в ловушках кубиты. Ловушки Пеннинга работают во многих лабораториях мира. Например, в Церне они служат для хранения античастиц вроде антипротонов.(wikipedia)

Ловушка Пеннинга сможет вместить около триллиона антипротонов, удерживая их в магнитном поле. (При очень низких температурах длина волны антипротонов в несколько раз больше длины волны атомов, из которых состоит стенка контейнера, поэтому антипротони в большинстве случаев будут метаться от стенки без аннигиляции). Смит утверждал, что антипротони в ловушке Пеннинга можно будет хранить около п’ять суток (к использованию, то есть до смешивания с обычными атомами и аннигиляции). Ожидается, что его ловушка вместит примерно одну миллиардную грамма антипротонов. Цель Смита – создать ловушку Пеннинга, способную удерживать до 1 мкг, т. е. до одной миллионной доли грамма антипротонов.

В 2016 году физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) поставили рекорд: с помощью сильного электромагнитного поля они “поймали” 219 ионов бериллия в “ловушку”. Ранее подобные системы создавались для 20 ионов.

Теория Хауга

Новая математическая теория, предложенная норвежским профессором Эспеном Гаардером Хаугом, позволяет всерьез говорить о создании космического корабля, который сможет разогнаться до 99,999% световой скорости. В качестве движущей силы для такого корабля, который “откроет для землян Вселенная” норвежець пропонує використати квантові частки -фотони. Його робота описує математичну модель ракети, которая использует для движения фотоны.

Фотон это – элементарная частица, квант электромагнитного излучения. У ного нет массы, его электрический заряд равен нулю, он способен существовать только двигаясь со скоростью света. Ни одна из фундаментальных частиц не может двигаться быстрее скорости света, т. е. это абсолютный максимум для ракеты, рассуждает Хауг. При этом, именно фотоны лучше всего подходят, потому что всегда движутся именно с такой скоростью. Для того, чтобы фотоны могли привести в движение космический о’объект, нужен двигатель нового типа, способен преобразовывать энергию непосредственно в свет. А именно – ускоритель элементарных частиц, вроде Большого адронного коллайдера, только гораздо мощнее и, понятно, компактнее. Но пока непонятно, какое топливо могло бы использоваться в таком двигателе, тем более в условиях космоса.

По расчетам Хауга, два фотона, разогнанные двигателем корабля к скорости света, столкнувшись, породят планковськую долю, которая тут же исчезнет, превратившись в энергию. “Лабораторные эксперименты показывают, что перемещение о’объектов благодаря одним только фотонам, вполне возможно”, – объясняет ученый. Но Хауг признает, что для того, чтобы его теоретическая модель заработала на практике, нужен ряд открытий в теоретической физике, которые бы позволили построить такой двигатель.

Необходимо преодолеть ряд препятствий, особенно в производстве и хранении антиматерии, чтобы сделать технологию осуществимой, но некоторые эксперты считают, что она может быть готова через полвека или около того.