Silnik na antymaterię

Grupa naukowców współpracuje z NASA w celu stworzenia nowego typu silnika, który wykorzystywałby antymaterię. Jeśli taka konstrukcja powstanie, lot na Marsa będzie wymagał zużycia kilku miligramów paliwa.

Wysłanie pierwszego człowieka na Księżyc rozbudziło nadzieję, że już wkrótce ludzie będą podróżowali na inne planety. Obecnie, 40 lat to tamtym wydarzeniu, wysłanie człowieka na Marsa jest wciąż odległą perspektywą. Do przezwyciężenia pozostało wiele problemów finansowych i technicznych. Jednym z nich jest napęd statku kosmicznego.

Użycie tradycyjnego chemicznego paliwa do takiej misji jest mało praktyczne, ponieważ pojazd kosmiczny musiałby zabrać ze sobą olbrzymie ilości takiego środka napędowego, a to znacząco zwiększy jego masę i koszty samej ekspedycji. Z tego też powodu rozważane jest wykorzystanie silnika działającego dzięki reakcjom atomowym.

Taka możliwość rozważana była już od lat 60. ubiegłego wieku w ramach programu Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), jednak w 1972 roku zrezygnowano z tego pomysłu. Ponownie wzięto go pod uwagę w roku 2003, gdy narodził się Projekt Prometeusz.
Wydaje się, że napęd atomowy jest najbardziej prawdopodobną opcją, która zostanie wykorzystana podczas marsjańskiej misji. Ma on jednak poważną wadę, którą jest duża radioaktywność.

Z tego też powodu doktor Gerald A. Smith, założyciel firmy Positronics Research, kieruje pracami zespołu z NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC), którego zadaniem jest stworzenie silnika wykorzystującego antymaterię.

Takie silniki są dobrze znane z literatury czy filmów science-fiction. Antymateria jest bowiem najpotężniejszym znanym nam paliwem. Tym co czyni ją tak potężną jest fakt, że w reakcji z materią cała zamienia się na energię. Dla porównania: jedynie około 3% ładunku bomby atomowej jest zamieniane w energię. Doktor Smith informuje, że 10 miligramów pozytronów dostarczy pojazdowi 23 razy więcej energii, niż całe paliwo, zabierane obecnie przez promy kosmiczne.

Antymateria ma jednak swoje minusy. Niektóre reakcje z jej wykorzystaniem prowadzą do powstania promieniowania gamma, które jest niebezpieczne dla organizmów żywych. Ponadto może ono doprowadzić, poprzez reakcję z materiałami, z których zbudowany jest silnik, do tego, iż urządzenie to stanie się radioaktywne.

Amerykańscy uczeni próbują stworzyć napęd, który byłby pozbawiony takich "skutków ubocznych”. Chcą tego dokonać dzięki obniżeniu energii promieni gamma. Początkowo rozważano wykorzystanie jako paliwa protonów. Obecnie naukowcy mają zamiar użyć pozytronów, ponieważ powstające z nich promienie gamma mają około 400-krotnie mniej energii.

Energię z antymaterii można uzyskać podczas jej reakcji z materią. Po spotkaniu pozytronów (czyli antyelektronów) z elektronami, dochodzi do anihilacji obu cząstek i wytwarzane jest ciepło.

Pomysł naukowców polega na tym, by ze specjalnego pojemnika dostarczać pozytrony do reaktora, gdzie dochodziłoby do reakcji z materią i uwolnienia ciepła. Byłoby ono odbierane przez krążący w reaktorze ciekły wodór. Ten z kolei przepływałby do dysz, z których byłby wyrzucany na zewnątrz, nadając pojazdowi przyspieszenie.

W porównaniu do napędu atomowego, taki silnik byłby znacznie prostszy w konstrukcji i bezpieczniejszy w użyciu.

NIAC zaproponował obecnie NASA trzy modele silników:
1. z rdzeniem stałym – energia przekazywana jest do paliwa umieszczonego w matrycy z wolframu, który podgrzewa się anihilując promieniowanie gamma. Jego zaletą jest fakt, iż mamy tu do czynienia z dobrze znaną technologią. Wadą natomiast – ograniczenie efektywności działania, gdyż wolframu nie można oczywiście podgrzać powyżej temperatury jego topnienia.
2. z rdzeniem gazowym – energia przekazywana jest bezpośrednio do gazowego lub płynnego paliwa, które podgrzewa się anihilując promienie gamma. Zaleta takiego rozwiązania to brak limitu spowodowanego temperaturą topnienia. Wadą zaś możliwość zamienienia się takiego paliwa w plazmę.
3. z ablacją ciała stałego – energia jest przekazywana do materiału, którym pokryty jest "tłok” silnika i zużywa go stopniowo do napędzania pojazdu. Wśród zalet tej propozycji uczeni wymieniają prostotę konstrukcji i brak ograniczeń technologicznych. Wśród wad – fakt, iż połowa promieni gamma nie trafia w „tłok”, więc maksymalna efektywność całego systemu wynosi 50 procent.

Pewnym ograniczeniem jest również tempo produkcji pozytronów. Obecnie jest ono zbyt wolne. Doktor Smith mówi, że gdyby udało je się przyspieszyć stukrotnie, to potrzebne do marsjańskiej misji 10 miligramów paliwa powstałoby w ciągu trzech lat. Koszt jego produkcji to 250 milionów dolarów. Do tego należy doliczyć 1,5 miliarda USD na odpowiedni akcelerator, w którym powstawałoby paliwo.

Zdaniem Smitha potrzebna ilość paliwa pozytronowego mogłaby powstać w ciągu 5-10 lat. Uczeni zdążyliby więc z nim na czas, ponieważ USA planują rozpoczęcie misji na Marsa około roku 2030.

antymateria silnik NASA NIAC Gerard A. Smith Positronic Research pozytron Mars