Cohete de antimateria

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Rockets usando antimateria como fuente de energía

Un cohete antimateria propuesto

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 restante de una mezcla de materia y antimateria se puede convertir 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.

Métodos

Los cohetes de antimateria se pueden dividir en tres tipos de aplicaciones: 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 usa para la propulsión y los que calientan un fluido de trabajo o un material intermedio para generar electricidad para alguna forma de sistema eléctrico de propulsión de naves espaciales. Los conceptos de propulsión que emplean estos mecanismos generalmente se dividen en cuatro categorías: configuraciones de núcleo sólido, núcleo gaseoso, núcleo de plasma y núcleo con vigas. Las alternativas a la propulsión directa de aniquilación de antimateria ofrecen la posibilidad de vehículos viables con, en algunos casos, cantidades mucho menores de antimateria pero que requieren mucha más materia propulsora. Luego están las soluciones híbridas que usan antimateria para catalizar 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 ser canalizados por una boquilla magnética, produciendo empuje. Este tipo de cohete de antimateria es una configuración de cohete de piones o núcleo de haz. No es perfectamente eficiente; la energía se pierde como el resto de la masa de los piones cargados (22,3 %) y sin carga (14,38 %), se pierde como la energía cinética de los piones sin carga (que no se pueden desviar para empujar); y se pierde como neutrinos y rayos gamma (ver antimateria como combustible).

La aniquilación de positrones también se ha propuesto para los cohetes. La aniquilación de positrones produce solo rayos gamma. Las primeras propuestas para este tipo de cohete, como las desarrolladas por Eugen Sänger, suponían el uso de algún material que pudiera reflejar los rayos gamma, usado como vela ligera o escudo parabólico para derivar el empuje de la reacción de aniquilación, pero no se conocía ninguna forma 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 puede transferirse parcialmente a la materia mediante la dispersión de Compton.

Un método para alcanzar velocidades relativistas utiliza un cohete de fotones láser de rayos gamma GeV de materia-antimateria que es posible gracias a una descarga de pellizco de protón-antiprotón relativista, donde el retroceso del rayo láser se transmite por el efecto Mössbauer a la nave espacial.

Supuestamente, 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 mediante aniquilación con láser. La tecnología ha sido demostrada por grupos de investigación dirigidos por el Prof. 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 relativistas en la Universidad de Islandia. Las partículas emitidas por los procesos de aniquilación de hidrógeno pueden alcanzar 0,94c y pueden utilizarse en la propulsión espacial. Tenga en cuenta, sin embargo, que la veracidad de la investigación de Leif Holmlid está en disputa.

Cohete térmico de antimateria: 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 aprovecha para crear un escape a partir de material no exótico o propulsor.

El núcleo sólido concepto utiliza antiprotones para calentar un peso sólido, alto-atómico (Z), núcleo de metal refractario. Propellant se bombea en el núcleo caliente y se expande a través de una boquilla para generar empuje. El desempeño de este concepto es aproximadamente equivalente al del cohete nuclear térmico ( $I_{{{text{sp}}}}$ ~ 10³ sec) debido a las limitaciones de temperatura del sólido. Sin embargo, las eficiencias de conversión y calefacción de energía antimateria son típicamente altas debido al corto camino medio entre colisiones con átomos básicos (eficiencia) $eta _{e}$ - 85%). Varios métodos para motor antimateria térmica propulsante líquido usando los rayos gamma producidos por el antiprotón o la aniquilación positron se han propuesto. Estos métodos se asemejan a los propuestos para cohetes nucleares térmicos. Un método propuesto es utilizar rayos gamma de aniquilación positron para calentar un núcleo de motor sólido. El gas de hidrógeno se administra a través de este núcleo, calentado y expulsado de una boquilla de cohete. Un segundo tipo de motor propuesto utiliza la aniquilación positron dentro de un pellets 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 los rayos gamma fue considerado 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 ablatado que proporciona empuje. Al igual que con los cohetes nucleares térmicos, el impulso específico alcanzable por estos métodos está limitado por consideraciones de materiales, normalmente en el rango de 1000–2000 segundos.

El núcleo gaseoso sistema sustituye al sólido punto de baja fundición con un gas de alta temperatura (es decir, gas de tungsteno/plasma), permitiendo así altas temperaturas operativas y rendimiento ( $I_{{{text{sp}}}}$ ~ 2 × 10³ sec). Sin embargo, el camino libre más largo para la termalización y absorción resulta en eficiencias de conversión de energía mucho menor ( $eta _{e}$ ~ 35%).

El núcleo de plasma permite que el gas ionice y opere a temperaturas efectivas incluso más altas. La pérdida de calor es suprimida por el confinamiento magnético en la cámara de reacción y la boquilla. Aunque el rendimiento es extremadamente alto ( $I_{{{text{sp}}}}$ ~ 10⁴-10⁵ sec), el largo camino medio libre resulta en muy bajo uso de la energía ( $eta _{e}$ ~ 10%)

Generación de energía de antimateria

También se ha propuesto la idea de utilizar antimateria para impulsar un motor espacial eléctrico. Estos diseños propuestos suelen ser similares a los sugeridos para los cohetes eléctricos nucleares. Las aniquilaciones de antimateria se usan para calentar directa o indirectamente un fluido de trabajo, como en un cohete térmico nuclear, pero el fluido se usa para generar electricidad, que luego se usa 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, que suelen ser un impulso específico alto y un empuje bajo (un artículo asociado que detalla más la generación de energía de antimateria).

Fisión/fusión catalizada o fusión con picos

Este es un enfoque híbrido en el que los antiprotones se utilizan para catalizar una reacción de fisión/fusión o para "picos" 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 D-T. La pastilla consta de una semiesfera de material fisionable como el U235 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 de antiprotones ocurre en la superficie del hemisferio, lo que ioniza el combustible. Estos iones calientan el núcleo del gránulo a temperaturas de fusión.

El concepto de propulsión de fusión por confinamiento inercial con aislamiento magnético (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 largo y, por lo tanto, a una mayor ganancia.

El concepto P-B11 impulsado por antimateria utiliza antiprotones para encender las reacciones P-B¹¹ 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 completamente factible que este sistema pueda lograr I_sp~10⁵s.

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 Penning de reacción. La aniquilación tiene lugar en la superficie de la nube de antiprotones, despegando el 0,5% de la nube. La densidad de potencia liberada es aproximadamente comparable a la de un láser de 1 kJ y 1 ns que deposita su energía sobre un objetivo ICF de 200 μm.

El proyecto ICAN-II emplea el concepto de microfisión catalizada por antiprotones (ACMF) que utiliza gránulos con una relación molar de 9:1 de D-T:U²³⁵ para la propulsión de pulsos nucleares.

Dificultades con 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 al resto de la energía de los pares de partículas/antipartículas creados, y normalmente (para la producción de antiprotones) de decenas de miles a millones de veces más. La mayoría de los esquemas de almacenamiento propuestos para naves interestelares requieren la producción de gránulos congelados 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, a partir de 2010, se han realizado solo para una pequeña cantidad de átomos individuales. El almacenamiento de antimateria generalmente se realiza 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 tal vez prohibitivamente) costosos debido a que las capacidades de producción actuales solo pueden producir una pequeña cantidad de átomos, una escala aproximadamente 10²³ veces más pequeña que la necesaria para un 10-gramo viaje a Marte.

Por lo general, la energía de la aniquilación de antiprotones se deposita en una región tan grande que no puede impulsar de manera eficiente las cápsulas nucleares. La fisión inducida por antiprotones y los campos magnéticos autogenerados pueden mejorar en gran medida la localización de energía y el uso eficiente de la energía de aniquilación.

Un problema secundario es la extracción de energía útil o el impulso de los productos de la aniquilación antimateria, que son principalmente en forma de radiación ionizante extremadamente energética. Los mecanismos antimateria propuestos hasta la fecha tienen, en su mayoría, mecanismos plausibles para aprovechar la energía de estos productos de aniquilación. La ecuación clásica de cohetes con su masa "wet" $M_{0}$ )(con fracción de masa propulsiva) a "secar" masa ( $M_{1}$ )(con carga útil) fracción ( ${frac {M_{0}}{M_{1}}}$ ), el cambio de velocidad ( $Delta v$ ) e impulso específico ( $I_{{{text{sp}}}}$ ) ya no se sostiene debido a las pérdidas masivas que ocurren en la aniquilación antimateria.

Otro problema general con la propulsión de alta potencia es el exceso de calor o calor residual y, al igual que con la aniquilación de antimateria-materia, también incluye la radiación extrema. Un sistema de propulsión de aniquilación protón-antiprotón transforma el 39% de la masa propulsora en un intenso flujo de alta energía de radiación gamma. Los rayos gamma y los piones cargados de alta energía causarán daños por calentamiento y radiación si no están protegidos. 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 blindaje: protección contra la radiación y protección térmica (diferente del escudo térmico o aislamiento térmico).

Por último, hay que tener en cuenta consideraciones relativistas. A medida que los productos de aniquilación se mueven a velocidades relativistas, el resto de masa cambia según la energía relativista de masa. Por ejemplo, el contenido total de energía en masa del pión neutral se convierte en gammas, no sólo su masa de descanso. Es necesario utilizar una ecuación de cohetes relativista que tenga en cuenta los efectos relativistas del vehículo y el escape propulsante (piones cargados) que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Estas dos modificaciones a las dos ecuaciones de cohetes dan lugar a una relación de masa ( ${frac {M_{0}}{M_{1}}}$ ) para un dado ( $Delta v$ ) y ( $I_{{{text{sp}}}}$ ) que es mucho más alto para un cohete antimateria relativista que para un cohete clásico o relativista "convencional".

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

{frac {M_{0}}{M_{1}}}=left({frac {1+{frac {Delta v}{c}}}{1-{frac {Delta v}{c}}}}right)^{frac {c}{2I_{text{sp}}}}

()I)

Donde $c$ es la velocidad de la luz, y $I_{{{text{sp}}}}$ es el impulso específico (es decir, $I_{{{text{sp}}}}$ =0,69 $c$ ).

La forma derivada de la ecuación es

{frac {dM_{text{ship}}}{M_{text{ship}}}}={frac {-dv(1-I_{text{sp}}{frac {v}{c^{2}}})}{(1-{frac {v^{2}}{c^{2}}})(-{frac {I_{text{sp}}}{c^{2}v2}}+(1+a)v+aI_{text{sp}})}}

()II)

Donde $M_{{{text{ship}}}}$ es la masa no relativista (resto) del cohete, y $a$ es la fracción de la masa propulsiva original (a bordo) (no relativista) que permanece después de la aniquilación (es decir, $a$ =0.22 para las piones cargadas).

Eq.II es difícil de integrar analíticamente. Si se supone que $vsim I_{text{sp}}$ , tal que $(1-{frac {I_{text{sp}}v}{c^{2}}})sim (1-{frac {v^{2}}{c^{2}}})$ entonces la ecuación resultante es

{frac {dM_{text{ship}}}{M_{text{ship}}}}={frac {-dv}{(-{frac {I_{text{sp}}}{c^{2}v^{2}}}+(1-a)v+aI_{text{sp}})}}

()III)

Eq.III puede integrarse y evaluarse integralmente $M_{0}$ y $M_{1}$ , y velocidades iniciales y finales ( $v_{i}=0$ y $v_{f}=Delta v$ ). La ecuación de cohetes relativista resultante con pérdida de propelente es

{frac {M_{0}}{M_{1}}}=left({frac {(-2I_{text{sp}}Delta v/c^{2}+1-a-{sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{text{sp}}^{2}/c^{2}}})(1-a+{sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{text{sp}}^{2}/c^{2}}})}{(-2I_{text{sp}}Delta v/c^{2}+1-a+{sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{text{sp}}^{2}/c^{2}}})(1-a-{sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{text{sp}}^{2}/c^{2}}})}}right)^{frac {1}{sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{text{sp}}^{2}/c^{2}}}}

()IV)

Otras cuestiones generales

La radiación cósmica dura ionizará el casco del cohete con el tiempo y plantea una amenaza para la salud. Además, las interacciones de plasma de gas pueden causar carga espacial. La principal interacción de la preocupación es la carga diferencial de varias partes de una nave espacial, que conduce a campos eléctricos altos y la formación entre componentes de naves espaciales. Esto se puede resolver con contactor de plasma bien colocado. Sin embargo, todavía no hay solución para cuando los contactores de plasma se apagan para permitir el trabajo de mantenimiento en el casco. El vuelo espacial a largo plazo a velocidades interestelar causa erosión del casco del cohete debido a la colisión con partículas, gas, polvo y micrometeoritas. A 0,2 $c$ para una distancia de 6 años luz, se estima que la erosión está en el orden de unos 30 kg/m² o alrededor de 1 cm de blindaje de aluminio.

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