Kategorie
Kosmologia

Antymateria

Antymateria

Mimo że paliwo D-³He charakteryzuje się najwyższą entalpią spośród wszystkich substancji, które można znaleźć w przyrodzie, istnieje substancja, której entalpia jest jeszcze większa – antymateria.

Antymateria to substancja, której cząstki subatomowe mają odwrócone ładunki elektryczne. We wszystkich normalnych substancjach elektrony mają ładunek ujemny; w antymaterii są dodatnie. Zwyczajne protony mają ładunek dodatni, natomiast antyprotony – ładunek ujemny. Ponieważ cząsteczki o przeciwnym ładunku przyciągają się, cząstki antymaterii przyciągają cząstki zwyczajnej materii. Ich zbliżenie kończy się jednak fatalnie, ponieważ obydwie anihilują, zmieniając całą swoją masę w energię zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E = mc² (energia równa jest iloczynowi masy oraz kwadratu prędkości światła).

Antymateria występowała w tak wielu powieściach fantastyczno-naukowych, że wiele osób uważa, iż jest ona jedynie wytworem wyobraźni. Tymczasem antymateria istnieje naprawdę. Nie spotykamy jej w życiu codziennym, ponieważ Wszechświat, a przynajmniej ten jego region, w którym żyjemy, zawiera olbrzymią nadwyżkę zwykłej materii nad antymaterią. Tak więc cała antymateria (lub cała antymateria w naszej Galaktyce) anihilowała, pozostawiając tylko zwykłe cząstki. Ale zgodnie z twierdzeniem, według którego energię można zamieniać na masę zgodnie z teorią Einsteina, pojedyncze cząstki antymaterii są wytwarzane, gdy promieniowanie kosmiczne bombarduje ziemską atmosferę. Możemy również produkować antycząsteczki w akceleratorach. Udało się też połączyć antyprotony z antyelektronami (czyli pozytonami) i wytworzyć w ten sposób antyatomy wodoru. Zostały one następnie połączone ze sobą i stworzyły antycząsteczki wodoru. Antyprotony mogą być składowane w specjalnych pojemnikach, nazywanych pułapkami Penninga. Jony są w nich powstrzymywane przed uderzaniem w ściany pojemnika (w wyniku czego uległyby anihilacji) przez pole magnetyczne. W ten sposób wiele milionów antyprotonów można przechowywać naraz przez długi czas. Przy użyciu dużych pierścieni zbiorczych w wiodących laboratoriach wysokich energii, takich jak Fermilab czy CERN, udało się zebrać ilości rzędu tryliona antyprotonów. Jest to równoważne mniej więcej jednemu pikogramowi antymaterii (pikogram to jedna bilionowa grama). Gdyby anihilować taką ilość antymaterii, wyzwolilibyśmy około 300 dżuli (J) energii, co wystarczyłoby do zasilania sześćdziesięcio watowej żarówki przez 5 sekund. Małe ilości antyatomów i antycząsteczek wodoru udało się również zebrać dzięki użyciu promieni laserowych, które odpychały je od ścian pojemnika.

Załóżmy teraz, że stać nas na więcej, że potrafimy zamrozić anty-wodorowy gaz do postaci kryształów. Moglibyśmy wtedy nadać kryształom statyczny ładunek elektryczny, co pozwoliłoby na ich przechowywanie bez groźby dotknięcia czegokolwiek – dzięki lewitacji wewnątrz magnetycznej lub elektrostatycznej pułapki. Moglibyśmy wtedy je wykorzystać jako paliwo na statku kosmicznym, anihilując antywodór z cząsteczkami zwykłego wodoru, by otrzymać energię. Jak dużo energii? Bardzo dużo. Ponieważ prędkość światła c jest tak dużą liczbą – 300 tysięcy km/s – wzór Einsteina hojnie szafuje energią. Gdyby anihilować pół kilograma antymaterii i pół kilograma zwykłej materii, wyzwolilibyśmy 90 miliardów MJ energii. Oznacza to entalpię równą 90 miliardów MJ/kg, czyli 259 razy więcej niż przy fuzji D-³He, ponad 1000 razy więcej niż podczas rozszczepienia jąder i blisko 7 miliardów razy więcej niż przy użyciu takiej samej ilości wodoro-tlenowego paliwa rakietowego. Innymi słowy, kilogram antymaterii reagując z kilogramem zwykłej materii wytwarza tyle energii co 40 milionów ton TNT. Teoretycznie, maksymalną prędkością wylotową rakiety napędzanej antymaterią byłaby prędkość światła.

Tyle w teorii; w praktyce sprawy nie przedstawiają się aż tak dobrze. Po pierwsze, około 40% energii wytwarzanej podczas anihilacji antymaterii jest emitowane w postaci promieni gamma o energii ponad 200 milionów woltów. To setki razy więcej niż przeciętne promienie gamma emitowane w reaktorach jądrowych i wymagałoby stosowania niezwykle masywnych tarcz ochronnych na statku kosmicznym. Warto też się zastanowić, w jaki sposób wytwarzany będzie ciąg. Jedną z możliwości jest wykorzystanie antymaterii do wygenerowania wysokoenergetycznej (setki milionów woltów), uwięzionej w pułapce magnetycznej plazmy. W takim wypadku do wykorzystania nadawałaby się tylko część energii pochodzącej z anihilacji antymaterii. Konkretnie ta część, która emitowana jest w postaci naładowanych cząsteczek, gdyż promienie gamma oraz cząsteczki nie mające ładunku uciekłyby z systemu, zanim podgrzałyby plazmę. W dodatku plazma o wysokiej temperaturze traciłaby olbrzymie ilości energii poprzez promieniowanie cyklotronowe oraz promieniowanie hamowania. Straty te, w połączeniu z wydajnością dysz magnetycznych sięgającą 60%, obniżyłyby efektywną możliwą do uzyskania prędkość wylotową napędu wykorzystującego plazmę do około 30% prędkości światła.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *