W najnowszym artykule naukowym badacze wskazują, że takim napędem, który otworzyłby przed nami podróż międzygwiezdną, może stać się antymateria. Rakiety i statki kosmiczne napędzane antymaterią pozwoliłyby nam przemierzać Układ Słoneczny w ciągu zaledwie dni i tygodni, a tym samym docierać do najbliższych gwiazd w ciągu ludzkiego życia.
Autorzy opracowania, naukowcy z Uniwersytetu Zjednoczonych Emiratów Arabskich postanowili przyjrzeć się reakcjom anihilacji materii i antymaterii jako potencjalnego źródła napędu statków kosmicznych przyszłości.
Czytaj także: Wkrótce ciężarówkami będzie jeździć antymateria. To brzmi jak science fiction
Jak doskonale wiadomo, budując nowe napędy konwencjonalne, naukowcy bezustannie muszą mierzyć się z wyborem między ciągiem a wydajnością. O ile tradycyjne rakiety o napędzie chemiczne generują wysoki ciąg podczas startu, charakteryzują się one niską wydajnością, a tym samym nie są w stanie go utrzymać przez długi czas. Silniki elektryczne czy też słoneczne (np. żagle słoneczne) mają wysoką wydajność, ale generowany przez nie ciąg jest minimalny, przez co przyspieszanie za ich pomocą wymaga bardzo długiego czasu.
Wszystko jednak wskazuje na to, że napęd oparty o anihilację antymaterii mógłby być pierwszym, który generowałby bardzo duży ciąg przy ekstremalnie wysokiej wydajności.
Co do zasady, cząstki antymaterii, posiadają taką samą masę jak ich zwykłe odpowiedniki w świecie materii, i różnią się od nich jedynie ładunkiem i spinem. Co jednak ważne, w momencie zetknięcia cząstki antymaterii i materii dochodzi do anihilacji, w której masa obu cząstek zamienia się całkowicie w energię. Tym samym proces ten jest najbardziej energetyczną reakcją w fizyce.
W artykule naukowym badacze postanowili przyjrzeć się dwóm reakcjom anihilacji, które szczególnie dobrze sprawdziłyby się w sektorze kosmicznym. Pierwszą reakcją jest anihilacja antyprotonu oraz nukleonu (protonu lub neutronu), a drugą anihilacja pozytonu z elektronem. Obie reakcje są najbardziej stabilnymi reakcjami anihilacji antymaterii i dostarczają zdumiewające ilości energii. Warto tutaj zwrócić uwagę na aspekt stabilności reakcji, bowiem wiele znanych cząstek antymaterii jest niestabilnych, a jeżeli mamy zapakować na pokład statku kosmicznego odpowiednie zapasy antymaterii, to musi być ona bardzo stabilna, aby można było ją przechowywać w trwającej latami podróży międzygwiezdnej.
Można tutaj zadać pytanie o to, jak zbudowanie takiego napędu opartego na antymaterii zwiększyłoby nasze szanse na dotarcie do najbliższych gwiazd. Kluczowym tutaj parametrem jest gęstość energii powstającej w procesie anihilacji antymaterii i materii. Same wartości numeryczne niewiele nam powiedzą, dlatego najlepiej powiedzieć tutaj, że gęstość energii w takim procesie jest dziesięć miliardów razy wyższa od tej, powstającej w procesie spalania wodoru i tlenu w konwencjonalnych silnikach rakietowych. Ten ogromny potencjał energetyczny przekłada się na wyjątkowo wysoki impuls właściwy, miarę wydajności napędu. Napęd antymaterii może osiągnąć impuls właściwy do 20 milionów metrów na sekundę (m/s). Aktualnie takie wartości istnieją jedynie w sferze fantastyki naukowej. Gdyby jednak udało się taki napęd opracować, odległości w przestrzeni kosmicznej uległyby dla ludzkości znacznemu skróceniu.
Czytaj także: Wykryli antymaterię na pokładzie ISS! Naukowcy otworzyli nowy rozdział w fizyce
Badacze wskazują tutaj także na fakt, że aż 70 proc. energii uwalnianej w procesie anihilacji materii i antymaterii można wykorzystać do napędu statku kosmicznego. Gdzie zatem leży problem? Jak na razie znajdujemy się na etapie, na którym naukowcy stawiają dopiero pierwsze kroki w produkcji antymaterii. Owszem, udało się już stworzyć niewielkie ilości np. antywodoru, ale to wciąż są ilości zdecydowanie za małe, aby można było myśleć o tworzeniu opartych na nich napędów kosmicznych. Jakby tego było mało, wyzwaniem jest wysoki koszt produkcji oraz przechowywania antymaterii.
Jeżeli jednak uda nam się zwiększyć skalę produkcji antywodoru, to z czasem być może opracowujemy odpowiednie metody jego przechowywania i kontrolowania, które będą na tyle skuteczne, aby można było je bezpiecznie zapakować na pokład statku kosmicznego i wykorzystać do badania najbliższych układów planetarnych.