Извлечение антивещества из вакуума может решить проблему межзвёздных перелётов
17.07.2012 15:31
—
Новости Hi-Tech
Недавно в рамках проекта Icarus Interstellar, ставящего своей целью создание к 2012 году реализуемого концепта межзвездного корабля, появилось несколько публикаций, касающихся возможности разработки аппарата, развивающего субсветовую скорость на основе реактивного импульса, получаемого при аннигиляции антивещества.
Концепт VARIES делит корабль на две части: сзади — разгонный блок, спереди — жилой отсек, составленный из сферических модулей
Причем впервые был предложен относительно реалистичный и эффективный способ генерации антивещества прямо на борту корабля, с использованием одного лишь вакуума — а точнее, его поляризации.
Как известно, дальше всех улетевший от Земли предмет, сделанный человеком, — это "Вояджер-1", запущенный в 1977 году и удаляющийся от нас со скоростью 16 км/с. Такой неспешной поступью он добрался бы до ближайшей звезды через 70 тыс. лет. Несколько непрактично, не находите? Но каковы альтернативы?
НАСА, например, разрабатывает Solar Probe ("Солнечный зонд"), который после серии гравитационных манёвров направится к звезде с рекордной скоростью чуть более 200 км/с. Такой зонд мог бы долететь до ближайшей звезды всего за 6450 лет. В общем, уравнение Циолковского в действии, то есть космические путешествия на нужной скорости не только недостижимы, но и непредставимы?
Не совсем так. Теоретически выходом из проблемы могло бы стать использование сáмого энергоёмкого из известных человечеству энергоносителей — антиматерии. Именно её Icarus Interstellar и предлагает использовать в "Межзвездной исследовательской ракетной системе на основе получения антиматерии из вакуума" (Vacuum to Antimatter-Rocket Interstellar Explorer System, VARIES). Проблема лишь в том, что во всём мире за год вырабатывается всего 10 нг антивещества, и о налаженной технологии такого производства пока говорить не приходится (антиматерия получается как побочный продукт работы крупных ускорителей). Впрочем, создание ловушек для удержания антивещества идет весьма успешно: в 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать атомы антивещества в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе — Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 мс. А уже в мае 2011-го результаты удалось значительно улучшить, захватив 309 антипротонов, которые удерживались 1000 с.
Несмотря на проблемы с производством антивещества, надежда на использование такого вида топлива для межзвездного корабля пока жива. Ведь есть еще рождение электрон-позитронных пар, предсказанное Дж. С. Швингером около полувека назад, и оно действительно соблазняет нас мыслью о том, что дело межзвездных перелетов не так безнадежно. Поясним: при достижении определенной плотности электрического поля наступает так называемая швингеровская интенсивность — состояние, при котором швингеровский лимит превышен и электрон-позитронные пары появляются непосредственно из вакуума, самого доступного ресурса открытого космоса.
Короткое отступление. В отличие от теоретического вакуума — абсолютной пустоты, — реальный вакуум пуст лишь условно. Сколько ни откачивай атомы и прочее из замкнутого пространства, в силу принципа неопределенности Гейзенберга в нём всегда смогут существовать виртуальные частицы, в том числе заряженные частицы в паре со своей античастицей (петля на диаграмме Фейнмана). Такая петля (и пара частица — античастицы) может существовать лишь исчезающе короткое время, в пределах квантовой неопределенности. Но если на вакуум воздействует внешнее поле, то за счет его (такого поля) энергии возможно рождение реальных пар частиц — античастиц. При их аннигиляции может выделяться существенное количество энергии, предположительно, не превосходящее энергию, затраченную на приложение внешнего поля к вакууму. Именно этот процесс разработчики концепции VARIES и называют Vacuum to Antimatter (получение антиматерии из вакуума).
Для достижения такой интенсивности нужны относительно мощные аттосекундные (одна квинтиллионная доля секунды) лазерные импульсы, очень близкие по своим параметрам к тем, что мы имеем сегодня. А ведь показатели лазерных сверхкоротких импульсов сейчас постоянно растут. Как обоснованно предполагают авторы соответствующего исследования, работающие по проекту Icarus Interstellar, достижение швингеровской интенсивности — вопрос буквально ближайших лет.
Такое рождение реальных частиц из вакуума не нарушает закона сохранения энергии, поскольку происходит за счет энергии электрического поля, то есть антиматерия всё равно потребует для своего производства энергии, и много (хотя и куда меньше, чем сегодня). При получении антивещества при помощи такого энергетического поля затраты должны примерно равняться энергоемкости добываемого антивещества, что значительно лучше сегодняшних показателей (1 г позитронов теоретически стоит около $25 млрд).
Смысл такого подхода к снабжению топливом космического корабля ясен: масса возимого топлива мала, ведь оно добывается в ходе полета. Учитывая, что в любом другом проекте (кроме солнечного/микроволнового паруса) масса топлива будет составлять более 90% общей массы корабля, подобный подход даст радикальную экономию ресурсов. Другой момент: высочайшая плотность энергии в антивеществе (при аннигиляции одного килограмма выделяется энергии, как при сорокамегатонном термоядерном взрыве) позволяет разогнать космический корабль до субсветовых скоростей, в то время как все расчеты по термоядерному двигателю, например, показывают, что даже для достижения несущим его космическим кораблем 12% от скорости света масса последнего из-за огромной потребности в расходуемом топливе должна превысить 50 тыс. тонн.
На финальной стадии полета VARIES может развернуть солнечные батареи для подпитки электрического поля, порождающего античастицы из вакуума
Но, спросит читатель, ведь и VARIES придется нести с собой топливо, иначе откуда взяться энергии для электрического поля швингеровской интенсивности? Вообще говоря, это не обязательно. Снабжение энергией при разгоне VARIES возможно за счет лазерных импульсов со спутников на околоземной орбите, ну а при торможении у звезды-цели (и разгоне от неё к Земле, если он понадобится) энергия может быть получена за счет развертывания огромных солнечных батарей. Однако более эффективным вариантом представляется накопление на корабле частиц антиматерии еще при отправке из Солнечной системы, пока энергоснабжение от лазерных импульсов не потеряно: это позволит оставить дома тяжелые солнечные батареи километровых размеров.
Разумеется, реализация проекта столкнется с массой технических трудностей, и тем не менее нельзя не отметить, что перед нами первая (и теоретически вполне здравая) инициатива такого рода, не имеющая принципиально непреодолимых проблем.
Концепт VARIES делит корабль на две части: сзади — разгонный блок, спереди — жилой отсек, составленный из сферических модулей
Причем впервые был предложен относительно реалистичный и эффективный способ генерации антивещества прямо на борту корабля, с использованием одного лишь вакуума — а точнее, его поляризации.
Как известно, дальше всех улетевший от Земли предмет, сделанный человеком, — это "Вояджер-1", запущенный в 1977 году и удаляющийся от нас со скоростью 16 км/с. Такой неспешной поступью он добрался бы до ближайшей звезды через 70 тыс. лет. Несколько непрактично, не находите? Но каковы альтернативы?
НАСА, например, разрабатывает Solar Probe ("Солнечный зонд"), который после серии гравитационных манёвров направится к звезде с рекордной скоростью чуть более 200 км/с. Такой зонд мог бы долететь до ближайшей звезды всего за 6450 лет. В общем, уравнение Циолковского в действии, то есть космические путешествия на нужной скорости не только недостижимы, но и непредставимы?
Не совсем так. Теоретически выходом из проблемы могло бы стать использование сáмого энергоёмкого из известных человечеству энергоносителей — антиматерии. Именно её Icarus Interstellar и предлагает использовать в "Межзвездной исследовательской ракетной системе на основе получения антиматерии из вакуума" (Vacuum to Antimatter-Rocket Interstellar Explorer System, VARIES). Проблема лишь в том, что во всём мире за год вырабатывается всего 10 нг антивещества, и о налаженной технологии такого производства пока говорить не приходится (антиматерия получается как побочный продукт работы крупных ускорителей). Впрочем, создание ловушек для удержания антивещества идет весьма успешно: в 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать атомы антивещества в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе — Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 мс. А уже в мае 2011-го результаты удалось значительно улучшить, захватив 309 антипротонов, которые удерживались 1000 с.
Несмотря на проблемы с производством антивещества, надежда на использование такого вида топлива для межзвездного корабля пока жива. Ведь есть еще рождение электрон-позитронных пар, предсказанное Дж. С. Швингером около полувека назад, и оно действительно соблазняет нас мыслью о том, что дело межзвездных перелетов не так безнадежно. Поясним: при достижении определенной плотности электрического поля наступает так называемая швингеровская интенсивность — состояние, при котором швингеровский лимит превышен и электрон-позитронные пары появляются непосредственно из вакуума, самого доступного ресурса открытого космоса.
Короткое отступление. В отличие от теоретического вакуума — абсолютной пустоты, — реальный вакуум пуст лишь условно. Сколько ни откачивай атомы и прочее из замкнутого пространства, в силу принципа неопределенности Гейзенберга в нём всегда смогут существовать виртуальные частицы, в том числе заряженные частицы в паре со своей античастицей (петля на диаграмме Фейнмана). Такая петля (и пара частица — античастицы) может существовать лишь исчезающе короткое время, в пределах квантовой неопределенности. Но если на вакуум воздействует внешнее поле, то за счет его (такого поля) энергии возможно рождение реальных пар частиц — античастиц. При их аннигиляции может выделяться существенное количество энергии, предположительно, не превосходящее энергию, затраченную на приложение внешнего поля к вакууму. Именно этот процесс разработчики концепции VARIES и называют Vacuum to Antimatter (получение антиматерии из вакуума).
Для достижения такой интенсивности нужны относительно мощные аттосекундные (одна квинтиллионная доля секунды) лазерные импульсы, очень близкие по своим параметрам к тем, что мы имеем сегодня. А ведь показатели лазерных сверхкоротких импульсов сейчас постоянно растут. Как обоснованно предполагают авторы соответствующего исследования, работающие по проекту Icarus Interstellar, достижение швингеровской интенсивности — вопрос буквально ближайших лет.
Такое рождение реальных частиц из вакуума не нарушает закона сохранения энергии, поскольку происходит за счет энергии электрического поля, то есть антиматерия всё равно потребует для своего производства энергии, и много (хотя и куда меньше, чем сегодня). При получении антивещества при помощи такого энергетического поля затраты должны примерно равняться энергоемкости добываемого антивещества, что значительно лучше сегодняшних показателей (1 г позитронов теоретически стоит около $25 млрд).
Смысл такого подхода к снабжению топливом космического корабля ясен: масса возимого топлива мала, ведь оно добывается в ходе полета. Учитывая, что в любом другом проекте (кроме солнечного/микроволнового паруса) масса топлива будет составлять более 90% общей массы корабля, подобный подход даст радикальную экономию ресурсов. Другой момент: высочайшая плотность энергии в антивеществе (при аннигиляции одного килограмма выделяется энергии, как при сорокамегатонном термоядерном взрыве) позволяет разогнать космический корабль до субсветовых скоростей, в то время как все расчеты по термоядерному двигателю, например, показывают, что даже для достижения несущим его космическим кораблем 12% от скорости света масса последнего из-за огромной потребности в расходуемом топливе должна превысить 50 тыс. тонн.
На финальной стадии полета VARIES может развернуть солнечные батареи для подпитки электрического поля, порождающего античастицы из вакуумаНо, спросит читатель, ведь и VARIES придется нести с собой топливо, иначе откуда взяться энергии для электрического поля швингеровской интенсивности? Вообще говоря, это не обязательно. Снабжение энергией при разгоне VARIES возможно за счет лазерных импульсов со спутников на околоземной орбите, ну а при торможении у звезды-цели (и разгоне от неё к Земле, если он понадобится) энергия может быть получена за счет развертывания огромных солнечных батарей. Однако более эффективным вариантом представляется накопление на корабле частиц антиматерии еще при отправке из Солнечной системы, пока энергоснабжение от лазерных импульсов не потеряно: это позволит оставить дома тяжелые солнечные батареи километровых размеров.
Разумеется, реализация проекта столкнется с массой технических трудностей, и тем не менее нельзя не отметить, что перед нами первая (и теоретически вполне здравая) инициатива такого рода, не имеющая принципиально непреодолимых проблем.