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科技节之—— 未来宇宙资源 反物质发动机 (魏小轲搜集、整理)  

2017-02-27 14:03:17|  分类: 科技节:科技与建 |  标签: |举报 |字号 订阅

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反物质发动机

早在1928年,就已经有一位英国的物理学家提出反物质这个概念了。他研究发现,构成我们所处的物质世界中的所有原子都含有原子核和电子。在原子核中有质子和中子。质子是包含正电荷的,电子是包含负电荷的。构成质子和中子的夸克和电子就是我们这个世界的基本粒子。但是,假如把质子的正电荷换成负电荷,把电子的电荷换成正的,那么就构成了一种新的物质。这种物质构成的世界中基本粒子不变,物质的比重、分子结构都与正常世界中的物质一模一样,只是质子和电子的电荷与正常世界中的质子和电子相反。他发现了这种物质的存在,并给它们一个名字——反物质。进一步的演算使他发现,当正物质和反物质相碰撞的时候,所有的重量都会根据阿尔伯特·爱因斯坦的质能转换方程E=Mc2 全部以100%转化成纯能量!而这种能量在产生时会以热量为主,而每两个原子相撞后则会产生2个光子。由此,他又提出了一个新词汇:湮灭。这个词汇的意思就是正反物质互相碰撞而转化成量子(能量的最基本单位)的过程。仅仅四年后,加利福尼亚州理工大学的研究人员就发现反电子的存在,即含有正电荷的电子。1955年,有人依据质能转换方程的反向运用造出了第一个反原子,存在了40ns(纳秒,1纳秒为1秒的十亿分之一)。到了1998年时人们已经能够在一小时内生产2000个反原子了。

但是反物质的制造十分昂贵。如果在1999年想要制造1克的反物质,最经济也是唯一可行的方式需要花费625亿美金。相比较下来,1千克的氢氧反应化学火箭燃料可以反应出107次方焦耳能量,1千克核裂变燃料可以产生8×1013焦耳能量,1千克核聚变燃料可以释放3×1014焦耳能量,而这么多的反物质产生的能量,能够达到9×1016焦耳能量!这么多能量相当于一百亿倍的化学火箭,相当于太阳的核心处聚变能量的300倍。一片反阿司匹林可以让一艘飞船飞行数百光年,而长征五号的助推器和主发动机上面的燃料舱可以用100毫克的反物质存储器和反物质喷射器代替。不过,要想制造反物质并不是一件容易的事情,因为全球一年也只能制造一百亿分之一克的反物质,而这点反物质所产生的湮灭能量连加热一杯卡布奇诺都不够。我们现在只能用反物质的湮灭过程来制造反物质,不过是把反物质湮灭的过程反过来,从粒子加速器中的高能中制造反物质。

由于反电子的存储和能量释放方向的问题,它并不会成为反物质发动机青睐的对象。倒是反质子,由于容易用磁场保存,又不会直接产生向所有方向的γ射线,而是会释放5~7个介子,让它们和推进剂发生作用,由于其中的3个带电介子含有整个反质子60%的湮灭能量,将这些能量推到飞船后面附近让它们发出能量,飞船就可以利用能量向前行进。

反物质飞船的前景非常远大:人们可以用反物质在24hr2星期之内从地球到达火星,时间仅仅取决于它们在绕太阳公转中的相对位置。储存现在也不是问题,由于多向电磁约束,人们已经可以在磁场存储球中保存反质子10个星期。

宾西法尼亚州州立大学的反物质太空推进小组(Antimatter Space Propulsion team)设计了ICAN-II系统,这种系统使用了反物质和核裂变的结合,用反物质来引发裂变。方法是让反质子撞击裂变物质原子核,并同原子核里面的质子湮灭,产生的能量将使原子核分裂,其最终产生的能量要比普通的核裂变要大,估计去火星旅行一番需要140毫微克(1毫微克等于10亿分之1)反物质,远远少于粒子束核心反物质发动机的消耗量。

AIM是反质子触发微裂变/聚变的缩写(Anti-proton Initiated Micro-fission/fusion),按照宾州州立大学的设想,如果有了比ICAN-II中能得到的稍微多一点的反物质,就可以朝粒子束核心反物质发动机的方向前进一步,用反物质来加强裂变,从而加热聚变燃料引发聚变。这种发动机对反物质的需要量增加了,但需要的裂变物质比较少,而且有比ICAN-II更高的比冲量,大约在61,000秒左右。他们把按这种方式设计的飞船称为AIM之星(AIM-Star),如果能有30-130微克(1微克等于1/1000毫克)反物质AIM之星探测飞船能在50年内飞到奥尔特星云。

让核聚变和反物质的结合的方法是把反物质在比较近的时期投入使用的尝试,不过需要比AIM方式再多一些的反物质。只有有足够的反物质,我们就可以完全抛弃裂变过程,直接用反物质湮灭产生的能量来触发惯性约束聚变,而不必象前面介绍惯性约束聚变时那样使用激光。估计使用这种发动机,我们能在1个月以内到达火星。

美国宇航局马歇尔飞行中心(Marshall Flight Center)的研究人员期望,上述技术能在30-40年之内成熟并获得应用。

此外,同样有人设想将反物质湮灭同核反应结合,并用类似猎户座的爆炸的方式来推进,正在美国航空航天局下属的NIAC资助下研究反物质发动机Hbar Technologies公司就设计了反物质飞船。

显然,Hbar公司设计的飞船和猎户座一样有个推进盘,不过这个推进盘是在前方,而且直径只有15英尺(5),这种反物质飞船结构相当紧密。飞船向推进盘喷出反物质,反物质粒子和推进盘碰撞产生爆炸,而物质和反物质湮灭时将和帆上薄薄的铀235涂层作用,产生少量的核裂变。这两个反应组合起来能产生最大的爆炸,用这种方法加速,Hbar公司设计的飞船在四个月里能达到每秒116公里。

这项研究的目的就是设计出一个小型飞船用以携带探测器,初步计划是在发送一个探测器并使之在10年内到达柯伊伯带。而这个公司到目前为止的成就显示,可以利用30毫克的反氢10年内将一个载有小质量仪器的探测飞船送到距离太阳250天文单位远的地方;而根据初步测算,使用几克反物质则可以把同样大小的探测器在40年内送到比邻星

需要说明的是,反物质的基本粒子不仅仅包括正电子和反质子,而是多种多样的,例如反μ介子、反π介子等等,它们是和对应的正基本粒子电荷相反的基本粒子,但它们的寿命太短暂,比如正反μ介子只能存在百万分之几秒钟,而正反π介子大约只能存在一亿分之二点五秒,寿命如此短暂的物质显然无法作为燃料。除了带电的之外,还有不带电的,如反中子、反中微子之类,以反中子为例,它虽然和普通中子一样都不带电荷,但一个反中子经过β衰变后就变成一个反质子,而不是一个带正电的质子,我们可以据此区分它们,不过这样不带电的粒子以目前的手段无法有效储存(甚至更糟糕,以我们目前的手段都无法直接观测到它们,而是通过湮灭间接观测),所以同样也不适合作为燃料。最后能够候选的还是反质子和反电子

由于反物质和物质如果相遇,将会湮灭,正反物质的质量将全部转化为能量,按照爱因斯坦的质能公式E=mc2释放巨大的能量,就目前所知道的所有物理反应而言,这是效率最高的燃料。这种飞船的比冲量将是最高的,而推重比也可能是最高的,一片阿司匹林那么大的反物质同物质湮灭产生的能量足以让一艘飞船巡弋数百光年,而航天飞机那么巨大的燃料箱和推进器中的燃料完全可以用100毫克的反物质代替。

此外,反物质发动机的一个好处是反物质的湮灭可以自发产生,不需要象核发动机中的核反应那样需要许多条件,所以就不需要很大的反应堆,可以减轻飞船重量。因此,早在1953年德国火箭科学家Eugene Sanger就提出可以用反物质推进宇宙飞船,而以反物质为燃料的飞船其后也成为科幻小说作家喜爱的星际运输工具。

 

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