Antimateria-framdrivningsmotor omdesignad med hjälp av CERN:s verktygssats för partikelfysiksimulering

Slå sönder en klump materia till antimateria och den kommer att frigöra tusen gånger mer energi än samma massa bränsle i en kärnklyvningsreaktor och cirka 2 miljarder gånger mer än att förbränna motsvarande kolväten.

Så det är inte konstigt att antimateria är drömbränslet för science fiction-fans.

Problemet är naturligtvis att antimateria är en ganska bristfällig tillgång, vilket gör möjligheten att någonsin bygga en raket baserad på denna teknik något avlägsen.

Men då och då lägger fysiker dessa farhågor åt sidan och har lite kul att ta reda på hur bra antimateriaraketmotorer kan vara. Idag är det tur till Ronan Keane vid Western Reserve Academy och Wei-Ming Zhang vid Kent State University, båda i Ohio, som tar ett nytt förhållningssätt till problemet med några intressanta resultat.

Först lite grundläggande raketvetenskap. Den maximala hastigheten för en raket beror på dess avgashastighet, andelen massa som ägnas åt bränsle och konfigurationen av raketsteg. De två sistnämnda faktorerna beror starkt på fina detaljer i teknik och konstruktion, och när man överväger rymdframdrivning för en avlägsen framtid, verkar det lämpligt att skjuta upp studiet av sådana detaljer, säger Keane och Zhang.

Så de här killarna fokuserar på avgashastigheten - hastigheten på partiklarna som produceras i materia-antimateriaförintelser när de lämnar raketmotorn.

Drivkraften från dessa förintelser kommer till stor del från att använda ett magnetfält för att avleda laddade partiklar som skapas i förintelsen. Dessa killar fokuserar på förintelsen av protoner och antiprotoner för att producera laddade pioner.

Så en viktig faktor är hur effektivt magnetfältet kan kanalisera dessa partiklar ut ur munstycket.

Faktum är att avgashastigheten för dessa pioner beror på två faktorer - deras genomsnittliga initiala hastighet när de skapas och effektiviteten hos den magnetiska munstycksdesignen.

Tidigare har olika fysiker räknat ut att pionerna borde färdas med över 90 procent av ljusets hastighet men att munstycket bara skulle vara 36 procent effektivt. Det översätts till en genomsnittlig avgashastighet på bara en tredjedel av ljushastigheten, knappt relativistisk och något av en besvikelse för antimateria-framdrivningsfans.

Men allt det kommer att förändras nu. Keane och Zhang har kommit på en annan uppsättning figurer med hjälp av mjukvara utvecklad av CERN som simulerar samspelet mellan partiklar, materia och fält av olika slag.

CERN använder denna programvara, som kallas GEANT4 (förkortning av Geometry and Tracking 4), för att bättre förstå hur partiklar beter sig vid Large Hadron Collider, som själv kolliderar med strålar av protoner och antiprotoner. Så det är idealiskt för Keane och Zhangs uppgift.

Det nya verket ger en del goda nyheter och en del dåliga nyheter. Först det dåliga. De nya simuleringarna indikerar att pioner som produceras på detta sätt kommer att vara betydligt långsammare än vad man tidigare trott och färdas med endast 80 procent av ljusets hastighet.

Den goda nyheten är att GEANT4-simuleringarna indikerar att ett magnetiskt munstycke kan vara mycket effektivare än vad man tidigare trott och når 85 procents effektivitet. Det översätts till en genomsnittlig avgashastighet på cirka 70 procent ljushastighet. Det är mycket mer lovande. Sanna relativistiska hastigheter blir återigen en möjlighet, säger Keane och Zhang.

De här killarna har en annan överraskning i rockärmen. Deras munstycke har en magnetfältstyrka på cirka 12 Tesla. Ett sådant fält skulle kunna produceras med dagens teknik, medan tidigare munstyckskonstruktioner förutsåg och krävde stora framsteg inom detta område, säger de.

Det kommer att ge många science fiction-fans ett leende.

Det finns naturligtvis det lilla problemet med att samla tillräckligt med antimateria för en resa av vilken anständig längd som helst. Antalet antiatomer som tillverkas vid CERN är tillräckligt litet för att kunna räknas. Enligt en uppskattning kommer det i denna takt att ta tusen år att göra ett enda mikrogram antimateria.

Keane och Zhang påpekar att alla tidigare uppskattningar föregår PAMELA-rymdfarkostens upptäckt förra året att jorden är omgiven av en ring av antiprotoner och tyder på att detta skulle kunna bryta efter bränsle. Vad de dock inte nämner är att PAMELA bara upptäckte 28 antiprotoner på två år - mycket mindre än den hastighet med vilken CERN tillverkar dem på en daglig basis.

Keane och Zhang avslutar med att notera att andra bränsleteknologier har utvecklats i en exponentiell takt, till exempel produktion av flytande väte. Om antimateriatillverkningen visar sig följa en liknande bana, vem vet vad som kan hända.

Intressant, underhållande och väldigt ambitiöst – allt roligt.

Ref: arxiv.org/abs/1205.2281 : Beamed Core Antimatter Propulsion: Motordesign och optimering

Dölj