Un cohete de antimateria es una clase propuesta de cohetes que utilizan antimateria como fuente de energía. Hay varios diseños que intentan lograr este objetivo. La ventaja de esta clase de cohete es que una gran fracción de la masa en reposo de una mezcla de materia / antimateria puede convertirse en energía, lo que permite que los cohetes de antimateria tengan una densidad de energía y un impulso específico mucho más altos que cualquier otra clase de cohete propuesta. [1]
Métodos
Los cohetes de antimateria se pueden dividir en tres tipos de aplicación: los que utilizan directamente los productos de la aniquilación de antimateria para la propulsión, los que calientan un fluido de trabajo o un material intermedio que luego se utiliza para la propulsión, y los que calientan un fluido de trabajo o un intermedio. material para generar electricidad para algún tipo de sistema de propulsión de naves espaciales eléctricas . Los conceptos de propulsión que emplean estos mecanismos generalmente se dividen en cuatro categorías: núcleo sólido, núcleo gaseoso, núcleo de plasma y configuraciones de núcleo con haz. Las alternativas a la propulsión de aniquilación directa de antimateria ofrecen la posibilidad de vehículos viables con, en algunos casos, cantidades mucho más pequeñas de antimateria pero requieren mucho más propulsor de materia. [2] Luego están las soluciones híbridas que utilizan antimateria para catalizar las reacciones de fisión / fusión para la propulsión.
Cohete de antimateria pura: uso directo de productos de reacción
Las reacciones de aniquilación de antiprotones producen piones cargados y no cargados , además de neutrinos y rayos gamma . Los piones cargados pueden canalizarse mediante una boquilla magnética , produciendo empuje. Este tipo de cohete de antimateria es un cohete pión o una configuración de núcleo radiante. No es perfectamente eficiente; La energía se pierde como la masa restante de los piones cargados (22,3%) y no cargados (14,38%), se pierde como la energía cinética de los piones no cargados (que no se pueden desviar por el empuje), y se pierde como neutrinos y rayos gamma ( ver la antimateria como combustible ). [3]
También se ha propuesto la aniquilación de positrones para los cohetes. La aniquilación de positrones produce solo rayos gamma. Las primeras propuestas para este tipo de cohetes, como las desarrolladas por Eugen Sänger , asumían el uso de algún material que pudiera reflejar los rayos gamma, utilizado como vela ligera o escudo parabólico para derivar el empuje de la reacción de aniquilación, pero ninguna forma conocida de materia. (que consta de átomos o iones) interactúa con los rayos gamma de una manera que permitiría la reflexión especular. Sin embargo, el impulso de los rayos gamma se puede transferir parcialmente a la materia mediante la dispersión de Compton . [4] [5]
Un método para alcanzar velocidades relativistas utiliza un cohete de fotones láser de rayos gamma de materia-antimateria GeV hecho posible por una descarga de pellizco de protón-antiprotón relativista, donde el retroceso del rayo láser es transmitido por el efecto Mössbauer a la nave espacial. [6]
Aniquilación de hidrógeno / deuterio: investigadores de la Universidad de Gotemburgo han desarrollado un nuevo proceso de aniquilación. En los últimos años se han construido varios reactores de aniquilación en los que el hidrógeno o el deuterio se convierten en partículas relativistas por aniquilación con láser.
La tecnología ha sido demostrada por grupos de investigación dirigidos por el profesor Leif Holmlid y Sindre Zeiner-Gundersen en instalaciones de investigación tanto en Suecia como en Oslo. Actualmente se está construyendo un tercer reactor de partículas relativista en la Universidad de Islandia.
Las partículas emitidas por los procesos de aniquilación de hidrógeno alcanzan 0,94c y pueden utilizarse en la propulsión espacial. [7]
Su investigación sobre la aniquilación y los impulsos de aniquilación es actualmente uno de los artículos más descargados en el Journal of Acta Astronautical y se ha citado en varias revisiones de tecnología. Su investigación y trabajo sobre la propulsión relativista pueden allanar el camino para la exploración del espacio profundo y la colonización del espacio.
Cohete de antimateria térmica: calentamiento de un propulsor
Este tipo de cohete de antimateria se denomina cohete de antimateria térmica ya que la energía o el calor de la aniquilación se aprovechan para crear un escape de material o propulsor no exótico.
El concepto de núcleo sólido utiliza antiprotones para calentar un núcleo de metal refractario sólido de alto peso atómico ( Z ). El propulsor se bombea al núcleo caliente y se expande a través de una boquilla para generar empuje. El rendimiento de este concepto es aproximadamente equivalente al del cohete térmico nuclear (~ 10 3 seg) debido a las limitaciones de temperatura del sólido. Sin embargo, la conversión de energía de antimateria y las eficiencias de calentamiento suelen ser altas debido a la corta trayectoria media entre las colisiones con los átomos del núcleo ( eficiencia ~ 85%). [2] Se han propuesto varios métodos para el motor de antimateria térmica de propulsante líquido que utilizan los rayos gamma producidos por la aniquilación de antiprotones o positrones. [8] [9] Estos métodos se parecen a los propuestos para los cohetes térmicos nucleares . Un método propuesto consiste en utilizar rayos gamma de aniquilación de positrones para calentar un núcleo de motor sólido. El gas hidrógeno se canaliza a través de este núcleo, se calienta y se expulsa por la boquilla de un cohete . Un segundo tipo de motor propuesto utiliza la aniquilación de positrones dentro de una pastilla de plomo sólido o dentro de gas xenón comprimido para producir una nube de gas caliente, que calienta una capa circundante de hidrógeno gaseoso. El calentamiento directo del hidrógeno por rayos gamma se consideró poco práctico, debido a la dificultad de comprimir lo suficiente dentro de un motor de tamaño razonable para absorber los rayos gamma. Un tercer tipo de motor propuesto utiliza rayos gamma de aniquilación para calentar una vela ablativa, con el material ablacionado proporcionando empuje. Al igual que con los cohetes térmicos nucleares, el impulso específico que se puede lograr con estos métodos está limitado por consideraciones de materiales, y suele oscilar entre 1000 y 2000 segundos. [10]
El sistema de núcleo gaseoso sustituye el sólido de bajo punto de fusión con un gas de alta temperatura (es decir, gas de tungsteno / plasma), lo que permite temperaturas operativas y rendimiento más altos (~ 2 × 10 3 segundos). Sin embargo, el camino libre medio más largo para la termalización y la absorción da como resultado eficiencias de conversión de energía mucho más bajas (~ 35%). [2]
El núcleo de plasma permite que el gas se ionice y opere a temperaturas efectivas aún más altas. La pérdida de calor se suprime mediante el confinamiento magnético en la cámara de reacción y la boquilla. Aunque el rendimiento es extremadamente alto (~ 10 4 -10 5 seg), el recorrido libre largo Significado de los resultados en la utilización de muy baja energía (~ 10%) [2]
Generación de energía de antimateria
También se ha propuesto la idea de utilizar antimateria para alimentar un motor espacial eléctrico . Estos diseños propuestos suelen ser similares a los sugeridos para los cohetes eléctricos nucleares . Las aniquilaciones de antimateria se utilizan para calentar directa o indirectamente un fluido de trabajo, como en un cohete térmico nuclear , pero el fluido se utiliza para generar electricidad, que luego se utiliza para alimentar algún tipo de sistema de propulsión espacial eléctrica. El sistema resultante comparte muchas de las características de otras propuestas de propulsión eléctrica / de partículas cargadas (por lo general, alto impulso específico y bajo empuje) (el suyo, donde puede leer más sobre la generación de energía de antimateria ). [11] [12]
Fisión / fusión catalizada o fusión con púas
Este es un enfoque híbrido en el que se utilizan antiprotones para catalizar una reacción de fisión / fusión o para "aumentar" la propulsión de un cohete de fusión o cualquier aplicación similar.
El concepto de cohete de fusión por confinamiento inercial (ICF) impulsado por antiprotones utiliza gránulos para la reacción de DT . El gránulo consta de un hemisferio de material fisionable como el U 235 con un orificio a través del cual se inyecta un pulso de antiprotones y positrones. Está rodeado por un hemisferio de combustible de fusión, por ejemplo, deuterio-tritio o deuteruro de litio. La aniquilación del antiprotón ocurre en la superficie del hemisferio, lo que ioniza el combustible. Estos iones calientan el núcleo del gránulo a temperaturas de fusión. [13]
El concepto de propulsión por fusión por confinamiento inercial aislado magnéticamente (MICF) impulsado por antiprotones se basa en un campo magnético autogenerado que aísla el plasma de la capa metálica que lo contiene durante la combustión. Se estimó que la vida útil del plasma era dos órdenes de magnitud mayor que la fusión inercial por implosión, lo que corresponde a un tiempo de combustión más prolongado y, por lo tanto, a una mayor ganancia. [13]
El concepto de PB 11 impulsado por antimateria utiliza antiprotones para encender las reacciones de PB 11 en un esquema MICF. Las pérdidas de radiación excesivas son un obstáculo importante para la ignición y requieren modificar la densidad de partículas y la temperatura del plasma para aumentar la ganancia. Se concluyó que es totalmente factible que este sistema pueda alcanzar I sp ~ 10 5 s. [14]
Se imaginó un enfoque diferente para AIMStar en el que se inyectarían pequeñas gotas de combustible de fusión en una nube de antiprotones confinados en un volumen muy pequeño dentro de una trampa de reacción de Penning . La aniquilación tiene lugar en la superficie de la nube de antiprotón, despegando el 0,5% de la nube. La densidad de potencia liberada es aproximadamente comparable a la de un láser de 1 kJ, 1 ns que deposita su energía sobre un objetivo ICF de 200 μm. [15]
El proyecto ICAN-II emplea el concepto de microfisión catalizada por antiprotón (ACMF) que utiliza gránulos con una relación molar de 9: 1 de DT: U 235 para la propulsión de pulso nuclear . [dieciséis]
Dificultades con los cohetes de antimateria
Las principales dificultades prácticas con los cohetes de antimateria son los problemas de crear antimateria y almacenarla. La creación de antimateria requiere la entrada de grandes cantidades de energía, al menos equivalente a la energía en reposo de los pares de partículas / antipartículas creados, y típicamente (para la producción de antiprotones) de decenas de miles a millones de veces más. [17] [18] La mayoría de los esquemas de almacenamiento propuestos para naves interestelares requieren la producción de bolitas congeladas de antihidrógeno. Esto requiere el enfriamiento de los antiprotones, la unión a los positrones y la captura de los átomos de antihidrógeno resultantes, tareas que tienen, a partir de 2010[actualizar], se ha realizado solo para un pequeño número de átomos individuales. El almacenamiento de antimateria se realiza típicamente atrapando gránulos de antihidrógeno congelados cargados eléctricamente en trampas Penning o Paul . No existe una barrera teórica para que estas tareas se realicen en la escala requerida para alimentar un cohete de antimateria. Sin embargo, se espera que sean extremadamente (y quizás prohibitivamente) costosos debido a que las capacidades de producción actuales solo pueden producir una pequeña cantidad de átomos, una escala aproximadamente 10 23 veces más pequeña que la necesaria para un viaje de 10 gramos a Marte.
Generalmente, la energía de la aniquilación del antiprotón se deposita sobre una región tan grande que no puede impulsar eficientemente las cápsulas nucleares. La fisión inducida por antiprotones y los campos magnéticos autogenerados pueden mejorar en gran medida la localización de la energía y el uso eficiente de la energía de aniquilación. [19] [20]
Un problema secundario es la extracción de energía útil o impulso de los productos de la aniquilación de antimateria, que se encuentran principalmente en forma de radiación ionizante extremadamente energética . Los mecanismos de antimateria propuestos hasta la fecha han proporcionado en su mayor parte mecanismos plausibles para aprovechar la energía de estos productos de aniquilación. La ecuación clásica del cohete con su masa "húmeda" () (con fracción de masa de propulsor ) a masa "seca" () (con carga útil ) fracción (), el cambio de velocidad () e impulso específico () ya no se mantiene debido a las pérdidas de masa que se producen en la aniquilación de antimateria. [3]
Otro problema general con la propulsión de alta potencia es el exceso de calor o el calor residual y, al igual que con la aniquilación de materia antimateria, también incluye radiación extrema. Un sistema de propulsión por aniquilación de protones y antiprotones transforma el 39% de la masa del propulsor en un intenso flujo de radiación gamma de alta energía. Los rayos gamma y los piones cargados de alta energía causarán daños por calentamiento y radiación si no están protegidos contra ellos. A diferencia de los neutrones, no harán que el material expuesto se vuelva radiactivo por transmutación de los núcleos. Los componentes que necesitan protección son la tripulación, la electrónica, el tanque criogénico y las bobinas magnéticas para cohetes asistidos magnéticamente. Se necesitan dos tipos de apantallamiento: protección contra la radiación y protección térmica (diferente del escudo térmico o del aislamiento térmico ). [3] [21]
Finalmente, hay que tener en cuenta consideraciones relativistas. A medida que los subproductos de la aniquilación se mueven a velocidades relativistas, la masa en reposo cambia de acuerdo con la masa-energía relativista . Por ejemplo, el contenido total de masa-energía del pión neutro se convierte en gammas, no solo en su masa en reposo. Es necesario utilizar una ecuación de cohete relativista que tenga en cuenta los efectos relativistas tanto del vehículo como del escape del propulsor (piones cargados) que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Estas dos modificaciones a las dos ecuaciones del cohete dan como resultado una relación de masa () para una dada () y () que es mucho más alto para un cohete relativista de antimateria que para un cohete clásico o relativista "convencional". [3]
Ecuación de cohete relativista modificada
La pérdida de masa específica de la aniquilación de antimateria requiere una modificación de la ecuación relativista del cohete dada como [22]
( Yo )
dónde es la velocidad de la luz, y es el impulso específico (es decir = 0,69).
La forma derivada de la ecuación es [3]
( II )
dónde es la masa no relativista (en reposo) del cohete espacial, y es la fracción de la masa propulsora original (a bordo) (no relativista) que queda después de la aniquilación (es decir, = 0,22 para los piones cargados).
La ecuación II no se puede integrar analíticamente. [ cita requerida ] Si se asume que, tal que entonces la ecuación resultante es
( III )
La ecuación III se puede integrar y la integral se puede evaluar para y , y velocidades inicial y final ( y ). La ecuación del cohete relativista resultante con pérdida de propulsor es [3] [22]
( IV )
Otros problemas generales
La fuerte radiación del fondo cósmico ionizará el casco del cohete con el tiempo y representa una amenaza para la salud . Además, las interacciones de gas y plasma pueden causar carga espacial . La principal interacción de preocupación es la carga diferencial de varias partes de una nave espacial, lo que genera campos eléctricos elevados y arcos entre los componentes de la nave espacial. Esto se puede resolver con un contactor de plasma bien colocado . Sin embargo, todavía no existe una solución para cuando los contactores de plasma se apagan para permitir el trabajo de mantenimiento en el casco. Los vuelos espaciales a largo plazo a velocidades interestelares provocan la erosión del casco del cohete debido a la colisión con partículas, gas , polvo y micrometeoritos . A 0,2para una distancia de 6 años luz, se estima que la erosión es del orden de aproximadamente 30 kg / m 2 o aproximadamente 1 cm de blindaje de aluminio. [23] [24]
Ver también
- Cohete fotónico nuclear
Referencias
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