211service.com
Pārveidots pretmateriālu piedziņas dzinējs, izmantojot CERN daļiņu fizikas simulācijas rīkkopu
Sasmalciniet vielas gabalu antimateriālā, un tas izdalīs tūkstoš reižu vairāk enerģijas nekā tāda pati degvielas masa kodola skaldīšanas reaktorā un aptuveni 2 miljardus reižu vairāk nekā sadegot ekvivalentu ogļūdeņražos.
Tāpēc nav brīnums, ka antimatērija ir zinātniskās fantastikas cienītāju sapņu degviela.
Problēma, protams, ir tā, ka antimateriāls ir diezgan deficīts, tāpēc izredzes kādreiz uzbūvēt raķeti, pamatojoties uz šo tehnoloģiju, ir nedaudz attālinātas.
Taču laiku pa laikam fiziķi šīs bažas noliek malā un nedaudz izklaidējas, izdomājot, cik labi var būt antimateriālu raķešu dzinēji. Šodien ir kārta Ronanam Kīnam Rietumu rezervju akadēmijā un Veimingam Džanam Kentas štata universitātē Ohaio štatā, kuri izmanto jaunu pieeju problēmai ar dažiem interesantiem rezultātiem.
Pirmkārt, dažas pamata raķešu zinātnes. Raķetes maksimālais ātrums ir atkarīgs no tās izplūdes ātruma, degvielai atvēlētās masas daļas un raķetes posmu konfigurācijas. Pēdējie divi faktori ir ļoti atkarīgi no smalkām inženierijas un būvniecības detaļām, un, apsverot kosmosa dzinējspēku tālā nākotnē, šķiet lietderīgi atlikt šādas specifikas izpēti, saka Kīns un Džans.
Tāpēc šie puiši koncentrējas uz izplūdes ātrumu — to daļiņu ātrumu, kas rodas matērijas un antimatērijas iznīcināšanā, kad tās atstāj raķešu dzinēju.
Šo iznīcināšanu radītais spēks lielā mērā rodas no magnētiskā lauka izmantošanas, lai novirzītu iznīcināšanas laikā radītās uzlādētās daļiņas. Šie puiši koncentrējas uz protonu un antiprotonu iznīcināšanu, lai radītu uzlādētus pionus.
Tātad svarīgs faktors ir tas, cik efektīvi magnētiskais lauks var izvadīt šīs daļiņas no sprauslas.
Faktiski šo pionu izplūdes ātrums ir atkarīgs no diviem faktoriem – to vidējā sākotnējā ātruma, kad tie tiek izveidoti, un magnētiskās sprauslas konstrukcijas efektivitātes.
Agrāk dažādi fiziķi ir aprēķinājuši, ka pioniem vajadzētu pārvietoties ar vairāk nekā 90% gaismas ātruma, bet sprauslas efektivitāte būtu tikai 36%. Tas nozīmē, ka vidējais izplūdes ātrums ir tikai trešdaļa no gaismas ātruma, kas ir tikko relatīvs un zināmā mērā rada vilšanos antimatērijas dzinējspēka faniem.
Tomēr tagad tas viss mainīsies. Kīns un Džans ir izdomājuši atšķirīgu figūru kopu, izmantojot CERN izstrādāto programmatūru, kas simulē mijiedarbību starp daļiņām, matēriju un dažāda veida laukiem.
CERN izmanto šo programmatūru, ko sauc par GEANT4 (saīsinājums no ģeometrijas un izsekošanas 4), lai labāk saprastu, kā daļiņas uzvedas lielajā hadronu paātrinātājā, kas pats saduras ar protonu un antiprotonu stariem. Tāpēc tas ir ideāli piemērots Kīna un Džana uzdevumam.
Jaunais darbs rada dažas labas ziņas un dažas sliktas ziņas. Vispirms sliktais. Jaunās simulācijas liecina, ka šādā veidā ražoti pioni būs ievērojami lēnāki, nekā tika uzskatīts iepriekš, pārvietojoties tikai ar 80% gaismas ātruma.
Labā ziņa ir tā, ka GEANT4 simulācijas liecina, ka magnētiskā sprausla var būt daudz efektīvāka, nekā iepriekš paredzēts, sasniedzot 85 procentu efektivitāti. Tas nozīmē, ka vidējais izplūdes ātrums ir aptuveni 70% gaismas ātruma. Tas ir daudz daudzsološāk. Patiesi relatīvistiski ātrumi atkal kļūst par iespējamību, saka Kīns un Džans.
Šiem puišiem ir vēl viens pārsteigums. Viņu sprauslas magnētiskā lauka stiprums ir aptuveni 12 Teslas. Šāds lauks varētu tikt ražots ar mūsdienu tehnoloģijām, savukārt iepriekšējie sprauslu dizaini paredzēja un prasīja lielu progresu šajā jomā, viņi saka.
Tas izraisīs smaidu daudzu zinātniskās fantastikas cienītāju sejās.
Protams, pastāv maza problēma, kā savākt pietiekami daudz antimatērijas jebkura pienācīga garuma ceļojumam. CERN ražoto antiatomu skaits ir pietiekami mazs, lai tos varētu saskaitīt. Pēc viena aprēķina, ar šādu ātrumu būs nepieciešami tūkstoš gadi, lai izveidotu vienu mikrogramu antimaterijas.
Kīns un Džans norāda, ka visi iepriekšējie aprēķini ir veikti pirms PAMELA kosmosa kuģa pagājušā gada atklājuma, ka Zemi ieskauj antiprotonu gredzens, un liecina, ka no tā varētu iegūt degvielu. Tomēr viņi nemin, ka PAMELA divu gadu laikā pamanīja tikai 28 antiprotonus, kas ir daudz mazāk, nekā CERN tos ražo katru dienu.
Keane un Zhang pabeidz, atzīmējot, ka citas degvielas tehnoloģijas ir attīstījušās eksponenciāli, piemēram, šķidrā ūdeņraža ražošana. Ja izrādīsies, ka antimateriālu ražošana iet pa līdzīgu trajektoriju, kas zina, kas varētu notikt.
Interesanti, izklaidējoši un mežonīgi ambiciozi — tas viss ir jautri.
Atsauce: arxiv.org/abs/1205.2281 : staru kodola antimateriālu dzinējspēks: dzinēja dizains un optimizācija