Πρόωση με αντιύλη

Πηγή: Scientific American, Νοέμβριος 2005

Σύμφωνα με τη NASA, 42 mgr αντιπρωτονίων περιέχουν ενεργεία ίση με εκείνη 750.000 kgr καυσίμου και οξειδωτικού αποθηκευμένων στην εξωτερική δεξαμενή του διαστημικού λεωφορείου. Η χρησιμότητα μιας τέτοιας συμπυκνωμένης πηγής ενεργείας για την πρόωση οχημάτων μοιάζει προφανής, πλην όμως μένει να υπερνικηθούν πολλά δύσκολα προβλήματα ώσπου να γίνει πραγματικότητα ένα διαστημικό ταξίδι όπου την προωστική ισχύ θα την προσέφερε η αντιύλη.

Η πρώτη απαίτηση, φυσικά, είναι η εξεύρεση ενός πρακτικού τρόπου γιο την παραγωγή αντιύλης σε ποσότητες της τάξεως του χιλιοστογράμμου (mgr). Ο Επιβραδυντής Αντιπρωτονίων του CERN παράγει 20 εκατομμύριο αντιπρωτόνια κάθε 100 δευτερόλεπτα. Αν λειτουργούσε αδιάκοπα επί ένα έτος, θα παρήγαγε μόλις 10 πικογραμμάρια (pgr) αντιπρωτονίων.

Δεύτερον, χρειάζεται ένας τρόπος αποθήκευσης μεγάλων ποσοτήτων αντιΰλης. Οι τυπικές παγίδες ουδέτερων ατόμων μπορούν να κρατήσουν μόνο μερικά εκατομμύρια άτομα. Σύμφωνα με ένα σχήμα, το οποίο προτάθηκε από τους Steven D. Howe και Gerald P. Jackson της HbarTechnotogies σε ένα συνέδριο της NASA το 2003, το αντιυδρογόνο θα αποθηκευόταν υπό μορφή στερεών σβώλων (το υδρογόνο, άρα και το αντιυδρογόνο, στερεοποιείται στους 14 Κέλβιν). Οι σβώλοι, πιθανώς διαμέτρου περίπου 150 μικρομέτρων, θα ήταν ηλεκτρικά φορτισμένοι και θα αιωρούνταν σε μια διάταξη ηλεκτροστατικών παγίδων.

Αλλά ακόμη κι αν διαθέτουμε σημαντικό απόθεμα αντιύλης, η ενέργεια εξαΰλωσης πρέπει να μετατραπεί σε ώση. Όταν εξαϋλώνεται ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου, η ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή δύο ακτίνων γ, οι οποίες απομακρύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η εξαΰλωση ζεύγους πρωτονίου-αντιπρωτονίου παράγει υψηλής ενέργειας βραχύβια σωματίδια που ονομάζονται πιόνια. Αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να θερμανθεί ένας πυρήνας από βολφράμιο πάνω από τον οποίο θα διοχετευόταν υδρογόνο. Η θερμική διαστολή του υδρογόνου θα προσέφερε ώση. Ένας κινητήρας που θα χρησιμοποιούσε μαγνητικά πεδία για να κατευθύνει τα ίδια τα πιόνια ως προωστική ύλη θα ήταν πολύ αποδοτικότερος, αλλά θα παρήγε ολική ώση πολύ χαμηλότερη λόγω της μικρής ποσότητας του προωστικού στην οποία θα αναλογούσαν τα πιόνια.

Ο Howe και ο Jackson πρότειναν και έναν τρίτο τρόπο χρησιμοποίησης των σβώλων αντιύλης για την πρόωση ενός συστήματος ιστίου. Το ιστίο θα αποτελούνταν από άνθρακα επικαλυμμένο με ουράνιο, και το ουράνιο θα υφίστατο πυρηνική σχάση όταν θα βάλλονταν εναντίον του στερεοί σβώλοι αντιυδρογόνου. Η εκπομπή των θραυσμάτων από τις σχάσεις θα παρείχε προωστική ισχύ στο ιστίο, το οποίο θα έσυρε μαζί του και το διαστημόπλοιο. Εντούτοις, το ότι η αντιύλη θα επήγε αποδοτικά αντιδράσεις σχάσης αποτελεί προς το παρόν καθαρή εικασία.

Τέλος, προτείνεται ένα σύστημα πρόωσης με αντιύλη που χρησιμοποιεί στερεούς σβώλους αντιυδρογόνου για να προκαλούν σχάσεις σε ένα ιστίο επικαλυμμένο με ουράνιο.

Στην NASA επιστήμονες, όπως ο Kammash,  πρότειναν για την κίνηση των διαστημοπλοίων μεγάλα λέιζερ με μια γρήγορη έκχυση αντιύλης. Οι στόχοι που θα χρησιμοποιούνταν σε ένα τέτοιο σχέδιο (ένας σβώλος μόνο 2 εκατοστά σε μήκος και μάζας 3.5 γραμμαρίων), θα αποτελούνταν κατά το μεγαλύτερο μέρος από δευτέριο (D) και τρίτιο (T), με έναν κοίλο πυρήνα και ένα μικρό κομμάτι ουράνιου 238 στην μια πλευρά. Ο σβώλος του D-T πρέπει να είναι ντυμένος με το ουράνιο, που θα χρησιμεύσει σαν ένας ανακλαστήρας των νετρονίων που παράγονται.

Όταν λειτουργεί αυτή η κατασκευή, ένας στόχος (D-T) βρίσκεται στην αίθουσα καύσης και ένα ρεύμα αντιπρωτονίων στοχεύει, μέσω μιας μικρής οπής, προς τον πυρήνα. Αυτό προκαλεί τη διάσπαση του ουρανίου. Τα νετρόνια ανακλώνται από το κάλυμμα του ουρανίου, και τα ελευθερωμένα ηλεκτρόνια διαμορφώνουν ένα κατάλληλο μαγνητικό πεδίο για να περιορίσουν το πλάσμα του σβώλου D-T, αρκετό χρόνο για μια μικρή αντίδραση τήξης.

Θεωρητικά, μια τέτοια μηχανή θα μπορούσε να έχει ειδική ώθηση (lsp) μέχρι 200.000 δευτερολέπτων, αν και το πρακτικό όριο είναι 9.000 δευτερόλεπτα -- περισσότερο από 19 φορές αποδοτικότερο από τις βασικές μηχανές του διαστημικού λεωφορείου. Και αντίθετα από τα διάφορα άλλα σχέδια, όπου υψηλό isp σημαίνει επίσης χαμηλή ώθηση, η προώθηση του παλμού αυτού θα έχει μια πραγματική ώθηση.

Η ειδική ώθηση (isp) μας δείχνει για πόσα δευτερόλεπτα μπορεί το βάρος ενός καυσίμου μιας λίβρας (pound), να μας δώσει σταθερή προωστική δύναμη ίση με μια λίβρα.

Πυροδοτώντας με ένα ρυθμό 136 σβώλων ανά δευτερόλεπτο, το παλλόμενο υβρίδιο πυρηνικής διάσπασης-σύντηξης θα επιτάχυνε ένα σκάφος στο 1/5 g για πολύ μεγάλη περίοδο.

Έτσι, με αυτό το τρόπο θα μπορούσαμε να φτάσουμε στους εσωτερικούς πλανήτες σε λιγότερο από μια εβδομάδα, ενώ για το ταξίδι για τον Δία θα διαρκούσε λιγότερο από ένα μήνα.

Τέτοιες μηχανές θα μπορούσαν να φθάσουν στο κοντινότερο αστέρι, το Άλφα του Κενταύρου, μόνο σε 200 έτη. Αν και φαίνεται πολύς χρόνος, είναι ένα γρήγορο ταξίδι,  αν αναλογιστούμε ότι ένα τέτοιο ταξίδι με μια συμβατική μηχανή, χημικών καυσίμων, θα έπαιρνε 168.000 έτη.

Αλλά η δοκιμαστική χρήση αυτής της συσκευής, θα αρχίσει μετά από πολλά χρόνια. Ήδη το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Marshall ερευνά τις βασικές μεθόδους με μια γεννήτρια Van de Graff, που θα παραγάγει υψηλής ταχύτητας ακτίνες   πρωτονίων που θα ρίπτονται πάνω στους στόχους τήξης. Κοστίζουν δε περίπου 5.000 $ η κάθε μία. Με αυτή τη μέθοδο μπορούν να μάθουν να τοποθετούν το στόχο και να στοχεύουν με την ακτίνα.

Συγχρόνως το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας αναπτύσσει μια παγίδα περίφραξης (Penning trap), σαν το μαγνητικό μπουκάλι του Star Trek, που θα συγκρατεί μια μικρή ποσότητα αντιπρωτονίων, προσεκτικά παγιδευμένη και ευρισκόμενη υπό ψύξη. Αυτή η ποσότητα θα έχει συλληφθεί,  μετά από συγκρούσεις ατόμων σε άλλα πειράματα. Η παγίδα αυτή θα συγκρατεί ένα ασήμαντο αριθμό, περίπου 1 τρισεκατομμύριο αντιπρωτονίων, αρκετά όμως για ένα δοκιμαστικό σχέδιο.