Антиматерия домчит обитаемый корабль к Марсу за полтора месяца

Космические двигатели на антивеществе куда ближе, чем принято думать. Они могут быть сравнительно недорогими и безопасными. Главное – выбрать оптимальный вариант конструкции. Ведь тут исследованы далеко не все возможные схемы. Так считает маленькая компания из Санта-Фе.

 

 

Используя двигатель на антиматерии, лёгкий пилотируемый корабль мог бы достичь Марса за 45-90 дней, вместо примерно полугода с химическими двигателями и сотнями тонн топлива или ионными двигателями, питаемыми солнечными батареями, величиной с пару футбольных полей. Это впечатляет, но насколько двигатели на антивеществе могут быть реальны, с точки зрения техники сегодняшнего дня?

Институт перспективных концепций аэрокосмического агентства США (NIAC) финансирует небольшую американскую компанию Positronics Research, которая уже не первый год занимается разработкой и постройкой опытных устройств для работы с антиматерией, всевозможных магнитных ловушек, в частности.

Недавно компания представила две новые концепции космических двигателей на антиматерии, отличающиеся от ранее известных схем.

Напомним, античастицы похожи на своих обычных "родственников", но несут противоположный заряд. "антиблизнец" электрона – позитрон, заряжен положительно, а "антивариант" протона — антипротон – отрицательно.

При столкновении материи и антиматерии высвобождается огромное количество энергии в виде излучения, в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна (E = mc²). И это значит, что долей грамма антивещества по заложенной в нём энергетике хватило бы для путешествия корабля к Марсу.

Проблем, если упрощать, всего две: хранение антиматерии на борту и рациональный способ использования её огромной энергии. Новый взгляд на эти задачи и предлагает Positronics Research.

Главная идея: эта компания считает, что топливом для кораблей будущего должны стать позитроны, а не антипротоны или какие-нибудь ядра антигелия, как предлагалось ранее.

Выбор этот обоснован так. При реакции аннигиляции материи и антиматерии рождаются гамма-лучи высокой энергии, что в случае пилотируемого аппарата влечёт за собой включение в конструкцию тяжелейшей защиты.

От таких лучей не только сложно защищаться, их и использовать-то для привода корабля – затруднительно. То есть, значительная часть энергии будет улетать прочь.

Аннигиляция позитронов рождает гамма излучение с энергией примерно в 400 раз меньшей. И это хорошо с самых разных точек зрения.

Схема ракетного двигателя типа "Позитронный реактор" (иллюстрация Positronics Research).

Первый вариант своего двигателя авторы назвали "Позитронный реактор" (Positron reactor).

Предполагается, что энное количество позитронов (сотые доли грамма) было бы наработано на земных установках и помещено в большое число миниатюрных магнитных капсул-ловушек. Капсулы эти по очереди, но с большой частотой, направляют в центр реактора, наполненного специальным теплообменником – матрицей.

В центре реактора ловушку выключают, позитроны взаимодействуют с её веществом и дают вспышку излучения, нагревающего матрицу. Через матрицу пропускают водород, который разогревается и с большой скоростью истекает из сопла двигателя.

Часть горячего водорода отводится для привода насоса, а холодный водород из бака, прежде чем попасть в реактор, проходит через двойные стенки сопла – для его охлаждения.

Позитронный реактор мог бы дать удельный импульс в 900 секунд, сообщают исследователи. То есть, на каждый грамм израсходованного за секунду рабочего тела (водорода) он дал бы 900 граммов тяги.

Это примерно в 2-3 раза выше, чем у химических двигателей. Что означает аналогичное уменьшение необходимого для полёта, например, к Марсу топлива, снижение общего веса корабля, а значит – снижение необходимой для его разгона силы тяги.

Заметим, ионные двигатели дают намного больший удельный импульс, но требуют мощного источника электрической энергии извне: или от чудовищно-гигантских солнечных панелей, или – от небольшой атомной электростанции на борту.

Позитронный же реактор энергетически вполне самодостаточен и технически сравнительно прост. И в этом его колоссальное преимущество перед ионниками.

К тому же, на данном принципе ничто не мешает создать мощный позитронный привод, способный вывести корабль на околоземную орбиту. А ионники на это неспособны, они хороши лишь для межпланетных перелётов.

Что до гипотетических маленьких капсул с ловушками для позитронов – такими вещами как раз и занимается сейчас компания из города Санта-Фе в штате Нью-Мексико.

Так будет выглядеть полёт корабля с "Абляционным позитронным двигателем" (иллюстрация Positronics Research).

Второй вариант привода назван "Абляционный позитронный двигатель" (Ablative positron engine). Капсулы с магнитными ловушками, в которых хранятся позитроны, здесь ещё покрыты слоем свинца.

Аннигилируют капсулы в широком сопле двигателя. Но зачем свинец? Он поглощает мощную гамма-радиацию от аннигиляции и переизлучает этот поток энергии в виде рентгеновских лучей.

Рентгеновские же лучи, в отличие от гамма-радиации, очень хорошо поглощаются тончайшим слоем специального покрытия сопла. Эти слои в двигателе постепенно испаряются и дают тягу.

Расчётный удельный импульс абляционного позитронного привода составляет 5 тысяч секунд.

"Самое существенное преимущество этих схем – безопасность", — говорит физик из Йельского университета (Yale University), один из лидеров компании Positronics Research, Джеральд Смит (Gerald Smith).

Данные установки не производят высокоактивных отходов, как, к примеру, атомные реакторы, что снимает вопрос об утилизации такого корабля.

В случае несчастья на старте (если по какой-то немыслимой причине отключатся все капсулы-ловушки) такой корабль не выбросит в атмосферу радиоактивных веществ. Будет лишь короткая гамма-вспышка и взрыв, вполне сравнимый по силе со взрывом обычной химической ракеты. Так что зона безопасности вокруг старта может составлять всего километр.

"По грубой оценке, чтобы произвести 10 миллиграммов позитронов, необходимых для пилотируемой марсианской миссии, нужно приблизительно $250 миллионов; с использованием технологии, которая в настоящее время развивается, — заявил мистер Смит. – Основываясь на опыте ядерной технологии, кажется разумным ожидать, что стоимость производства позитронов снизится с большим количеством исследований".

Вместе со сравнительной простотой позитронного привода эти цифры означают, что полёты на антиматерии – куда ближе к реальности, чем полагали многие ещё недавно. Не зря NIAC выделил Positronics Research средства на подробное изучение и отработку этой технологии.

Напомним, ранее американцы уже показывали эскизы ряда космических двигателей на антиматерии, однако, там применялись антипротоны, причём не столько для создания тяги непосредственно, сколько для катализа ядерных и термоядерных реакций.

Пусть удельный импульс тех "гибридов" был бы существенно выше позитронного аппарата, но зато сложность и практическая реализуемость (в обозримом будущем) – явно ниже.

Если специалисты из Positronics Research будут быстро продвигаться в данном исследовании, может оказаться, что к первым пилотируемым полётам на Марс позитронный привод дойдёт до стадии опытных образцов.

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru