Antimaterie voortstuwingsmotor opnieuw ontworpen met behulp van CERN's Particle Physics Simulation Toolkit

Smash een klomp materie in antimaterie en het zal duizend keer meer energie vrijgeven dan dezelfde massa brandstof in een kernsplijtingsreactor en zo'n 2 miljard keer meer dan het equivalent in koolwaterstoffen verbranden.

Het is dus geen wonder dat antimaterie de droombrandstof is voor sciencefictionfans.

Het probleem is natuurlijk dat antimaterie vrij schaars is, waardoor het vooruitzicht om ooit een raket te bouwen op basis van deze technologie enigszins ver weg is.

Maar van tijd tot tijd zetten natuurkundigen deze zorgen opzij en hebben ze een beetje plezier om uit te zoeken hoe goed antimaterie-raketmotoren kunnen zijn. Vandaag is het de beurt aan Ronan Keane van de Western Reserve Academy en Wei-Ming Zhang aan de Kent State University, beide in Ohio, die het probleem op een nieuwe manier benaderen met een aantal interessante resultaten.

Eerst wat elementaire raketwetenschap. De maximale snelheid van een raket hangt af van de uitlaatsnelheid, de fractie van de massa die aan brandstof wordt besteed en de configuratie van de rakettrappen. De laatste twee factoren zijn sterk afhankelijk van de fijne details van techniek en constructie, en als we de voortstuwing van de ruimte voor de verre toekomst beschouwen, lijkt het passend om de studie van dergelijke details uit te stellen, zeggen Keane en Zhang.

Dus deze jongens concentreren zich op de uitlaatsnelheid - de snelheid van de deeltjes die worden geproduceerd in materie-antimaterie-annihilaties wanneer ze de raketmotor verlaten.

De stuwkracht van deze vernietigingen komt grotendeels van het gebruik van een magnetisch veld om geladen deeltjes die bij de vernietiging zijn ontstaan, af te buigen. Deze jongens richten zich op de vernietiging van protonen en antiprotonen om geladen pionen te produceren.

Een belangrijke factor is dus hoe efficiënt het magnetische veld deze deeltjes uit het mondstuk kan kanaliseren.

In feite hangt de uitlaatsnelheid van deze pionen af ​​van twee factoren: hun gemiddelde beginsnelheid wanneer ze worden gemaakt en de efficiëntie van het magnetische mondstukontwerp.

In het verleden hebben verschillende natuurkundigen berekend dat de pionen met meer dan 90 procent van de lichtsnelheid zouden moeten reizen, maar dat de straalpijp slechts 36 procent efficiënt zou zijn. Dat vertaalt zich in een gemiddelde uitlaatsnelheid van slechts een derde van de lichtsnelheid, nauwelijks relativistisch en enigszins een teleurstelling voor fans van antimaterie-aandrijving.

Dat gaat nu echter allemaal veranderen. Keane en Zhang hebben een andere reeks figuren bedacht met behulp van door CERN ontwikkelde software die de interactie tussen deeltjes, materie en allerlei soorten velden simuleert.

CERN gebruikt deze software, GEANT4 genaamd (afkorting van Geometry and Tracking 4), om beter te begrijpen hoe deeltjes zich gedragen bij de Large Hadron Collider, die zelf bundels van protonen en antiprotonen botst. Het is dus bij uitstek geschikt voor de taak van Keane en Zhang.

Het nieuwe werk levert goed nieuws en slecht nieuws op. Eerst het slechte. De nieuwe simulaties geven aan dat op deze manier geproduceerde pionen aanzienlijk langzamer zullen zijn dan eerder werd gedacht, en zich met slechts 80 procent van de lichtsnelheid voortbewegen.

Het goede nieuws is dat de GEANT4-simulaties aangeven dat een magnetisch mondstuk veel efficiënter kan zijn dan eerder werd gedacht, met een efficiëntie van 85 procent. Dat vertaalt zich in een gemiddelde uitlaatsnelheid van ongeveer 70 procent lichtsnelheid. Dat is veel veelbelovender. Echte relativistische snelheden worden weer een mogelijkheid, zeggen Keane en Zhang.

Deze jongens hebben nog een verrassing in petto. Hun mondstuk heeft een magnetische veldsterkte van ongeveer 12 Tesla. Zo'n veld zou kunnen worden geproduceerd met de huidige technologie, terwijl eerdere ontwerpen van mondstukken op dit gebied grote vooruitgang verwachtten en vereisten, zeggen ze.

Dat zal een glimlach op het gezicht brengen van veel sciencefictionfans.

Er is natuurlijk het kleine probleem om voldoende antimaterie te verzamelen voor een reis van behoorlijke lengte. Het aantal anti-atomen dat bij CERN wordt gemaakt, is klein genoeg om telbaar te zijn. Volgens één schatting zal het in dit tempo duizend jaar duren om een ​​enkele microgram antimaterie te maken.

Keane en Zhang wijzen erop dat alle eerdere schattingen dateren van vóór de ontdekking van het PAMELA-ruimtevaartuig vorig jaar dat de aarde wordt omringd door een ring van antiprotonen en suggereren dat dit zou kunnen worden gedolven voor brandstof. Wat ze echter niet vermelden, is dat PAMELA in twee jaar slechts 28 antiprotonen heeft gezien - veel minder dan de snelheid waarmee CERN ze dagelijks maakt.

Keane en Zhang eindigen door op te merken dat andere brandstoftechnologieën exponentieel zijn gevorderd, bijvoorbeeld de productie van vloeibare waterstof. Als de fabricage van antimaterie een soortgelijk traject blijkt te volgen, wie weet wat er dan kan gebeuren.

Interessant, onderhoudend en enorm ambitieus - allemaal erg leuk.

Referentie: arxiv.org/abs/1205.2281 : Beamed Core Antimatter Propulsion: Motorontwerp en optimalisatie

zich verstoppen