Может ли антиматерия приблизить нас к созданию окончательного космического двигателя и межзвездным путешествиям?
Межзвездные путешествия — одна из конечных целей аэрокосмических исследований, и двигательные системы на основе антивещества могут стать одним из способов ее достижения. В частности, реакция, возникающая при взаимодействии антивещества с материей, может высвободить огромное количество энергии, что позволит путешествовать на релятивистских скоростях. Однако производство этого чрезвычайно редкого вещества сопряжено с большими трудностями, что делает его использование возможным лишь в (очень) отдаленной перспективе.
В последние годы космические двигательные установки получили значительные преимущества. Однако по мере того, как цели освоения космоса становятся все более амбициозными, необходимо повышать их эффективность. При использовании современных двигательных установок для дальних полетов, например, потребуются многоступенчатые ракеты, что означает менее выгодное соотношение массы топлива и груза по мере увеличения времени полета. С другой стороны, альтернативные технологии, такие как электрические или солнечные двигатели, обеспечивают лишь ограниченную силу тяги.
«Продолжающаяся эволюция освоения космоса требует от нас приверженности инновациям и разработке более совершенных двигательных систем», — объясняют исследователи из Университета Объединенных Арабских Эмиратов в своем новом исследовании, опубликованном в International Journal of Thermofluids. Одним из самых экзотических предложений по преодолению этих проблем является космическая двигательная установка, основанная на аннигиляции материи и антиматерии — процессе, в ходе которого антиматерия взаимодействует с материей, выделяя энергию. «Энергия, высвобождаемая в результате этой реакции, невероятно гигантская и превышает любую другую известную в физике реакцию», — говорят исследователи, и, возможно, однажды она сделает возможным межзвездное путешествие.
В 10 миллиардов раз больше энергии, чем у нынешнего ракетного топлива
Открытая в 1932 году физиком Карлом Дэвидом Андерсоном, антиматерия создает своего рода взрыв при контакте с веществом. Например, когда антипротон взаимодействует с протоном, они аннигилируют друг с другом и высвобождают комбинацию энергии (обычно в виде гамма-излучения) и короткоживущих промежуточных частиц, называемых пионами и каонами. Эти промежуточные частицы либо распадаются, двигаясь с релятивистской скоростью, либо подвергаются дальнейшей аннигиляции.
Теоретически этот процесс можно использовать в двигательных установках космических кораблей, используя частицы, движущиеся с релятивистской скоростью, в качестве силы тяги, а гамма-излучение — в качестве источника энергии. Энергия, высвобождаемая в результате реакции, вдвое превышает массу покоя отдельной частицы. Таким образом, потенциальная плотность энергии этого процесса составляет около 90 миллиардов МДж/кг, что выше, чем у любой известной реакции. Чтобы лучше понять этот потенциал, один килограмм антиматерии может произвести примерно в 10 миллиардов раз больше энергии, чем эквивалентное количество стандартного химического ракетного топлива, и в 300 раз больше энергии, чем ядерный синтез.
Согласно новому исследованию, одного грамма антиводорода хватило бы для питания 23 космических кораблей, а созданные двигатели могли бы развивать скорость до 20 миллионов метров в секунду. Такой исключительный выход энергии возможен благодаря тому, что общая масса реактантов полностью преобразуется в энергию. «Хотя реакция аннигиляции по своей сути является взрывом, если бы ученые и инженеры смогли контролировать ее и использовать в качестве движущей силы, плотность энергии сделала бы ее исключительным источником энергии», — говорят исследователи в своем исследовании.
Значительные энергетические и финансовые затраты
Однако этот тип двигательной установки все еще далек от реализации по нескольким причинам. Во-первых, им крайне сложно управлять, поскольку он самоуничтожается, как только вступает в контакт с веществом и, как следствие, с любым объектом, который может его содержать. Для манипуляций с ним физики используют передовые системы электромагнитной подвески и удержания, что является дорогостоящим и технически сложным. Например, в 2016 году исследователям из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) удалось удержать несколько атомов антиматерии в подвешенном состоянии лишь в течение 16 минут.
С другой стороны, производство антивещества требует огромного количества энергии. Для производства одного грамма антивещества потребуется около 25 миллионов киловатт-часов, что составляет около 4 миллионов долларов затрат на электроэнергию, что эквивалентно годовым потребностям в энергии небольшого города. Антипротонный замедлитель ЦЕРНа, например, производит около 10 нанограммов антипротонов в год, что обходится в несколько миллионов долларов.
Учитывая финансовые затраты и необходимую инфраструктуру, исследования антивещества относительно ограничены, что препятствует прогрессу в этой области. По данным Universe Today, в год публикуется около 100-125 научных работ на эту тему, в то время как в области искусственного интеллекта и больших языковых моделей публикуется около 1000 работ в год. Поэтому создание космических двигателей на основе антивещества невозможно, если только не будут значительно снижены затраты на энергию и не улучшится доступность оборудования.