Двигатель антиматерия


Антиматерия домчит обитаемый корабль к Марсу

 

 

Космические двигатели на антивеществе куда ближе, чем принято думать. Они могут быть сравнительно недорогими и безопасными. Главное – выбрать оптимальный вариант конструкции. Ведь тут исследованы далеко не все возможные схемы. Так считает маленькая компания из Санта-Фе.

Используя двигатель на антиматерии, лёгкий пилотируемый корабль мог бы достичь Марса за 45-90 дней, вместо примерно полугода с химическими двигателями и сотнями тонн топлива или ионными двигателями, питаемыми солнечными батареями, величиной с пару футбольных полей. Это впечатляет, но насколько двигатели на антивеществе могут быть реальны, с точки зрения техники сегодняшнего дня?

 

 

Институт перспективных концепций аэрокосмического агентства США (NIAC) финансирует небольшую американскую компанию Positronics Research, которая уже не первый год занимается разработкой и постройкой опытных устройств для работы с антиматерией, всевозможных магнитных ловушек, в частности.

Недавно компания представила две новые концепции космических двигателей на антиматерии, отличающиеся от ранее известных схем.

Напомним, античастицы похожи на своих обычных "родственников", но несут противоположный заряд. "антиблизнец" электрона – позитрон, заряжен положительно, а "антивариант" протона — антипротон – отрицательно.

При столкновении материи и антиматерии высвобождается огромное количество энергии в виде излучения, в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна (E = mc2). И это значит, что долей грамма антивещества по заложенной в нём энергетике хватило бы для путешествия корабля к Марсу.

Проблем, если упрощать, всего две: хранение антиматерии на борту и рациональный способ использования её огромной энергии. Новый взгляд на эти задачи и предлагает Positronics Research.

Главная идея: эта компания считает, что топливом для кораблей будущего должны стать позитроны, а не антипротоны или какие-нибудь ядра антигелия, как предлагалось ранее.

Выбор этот обоснован так. При реакции аннигиляции материи и антиматерии рождаются гамма-лучи высокой энергии, что в случае пилотируемого аппарата влечёт за собой включение в конструкцию тяжелейшей защиты.

От таких лучей не только сложно защищаться, их и использовать-то для привода корабля – затруднительно. То есть, значительная часть энергии будет улетать прочь.

Аннигиляция позитронов рождает гамма излучение с энергией примерно в 400 раз меньшей. И это хорошо с самых разных точек зрения.

 

Первый вариант своего двигателя авторы назвали "Позитронный реактор" (Positron reactor).

Предполагается, что энное количество позитронов (сотые доли грамма) было бы наработано на земных установках и помещено в большое число миниатюрных магнитных капсул-ловушек. Капсулы эти по очереди, но с большой частотой, направляют в центр реактора, наполненного специальным теплообменником – матрицей.

В центре реактора ловушку выключают, позитроны взаимодействуют с её веществом и дают вспышку излучения, нагревающего матрицу. Через матрицу пропускают водород, который разогревается и с большой скоростью истекает из сопла двигателя.

Часть горячего водорода отводится для привода насоса, а холодный водород из бака, прежде чем попасть в реактор, проходит через двойные стенки сопла – для его охлаждения.

Позитронный реактор мог бы дать удельный импульс в 900 секунд, сообщают исследователи. То есть, на каждый грамм израсходованного за секунду рабочего тела (водорода) он дал бы 900 граммов тяги.

Это примерно в 2-3 раза выше, чем у химических двигателей. Что означает аналогичное уменьшение необходимого для полёта, например, к Марсу топлива, снижение общего веса корабля, а значит – снижение необходимой для его разгона силы тяги.

Заметим, ионные двигатели дают намного больший удельный импульс, но требуют мощного источника электрической энергии извне: или от чудовищно-гигантских солнечных панелей, или – от небольшой атомной электростанции на борту.

Позитронный же реактор энергетически вполне самодостаточен и технически сравнительно прост. И в этом его колоссальное преимущество перед ионниками.

К тому же, на данном принципе ничто не мешает создать мощный позитронный привод, способный вывести корабль на околоземную орбиту. А ионники на это неспособны, они хороши лишь для межпланетных перелётов.

Что до гипотетических маленьких капсул с ловушками для позитронов – такими вещами как раз и занимается сейчас компания из города Санта-Фе в штате Нью-Мексико.

Второй вариант привода назван "Абляционный позитронный двигатель" (Ablative positron engine). Капсулы с магнитными ловушками, в которых хранятся позитроны, здесь ещё покрыты слоем свинца.

Аннигилируют капсулы в широком сопле двигателя. Но зачем свинец? Он поглощает мощную гамма-радиацию от аннигиляции и переизлучает этот поток энергии в виде рентгеновских лучей.

Рентгеновские же лучи, в отличие от гамма-радиации, очень хорошо поглощаются тончайшим слоем специального покрытия сопла. Эти слои в двигателе постепенно испаряются и дают тягу.

Расчётный удельный импульс абляционного позитронного привода составляет 5 тысяч секунд.

"Самое существенное преимущество этих схем – безопасность", — говорит физик из Йельского университета (Yale University), один из лидеров компании Positronics Research, Джеральд Смит (Gerald Smith).

Данные установки не производят высокоактивных отходов, как, к примеру, атомные реакторы, что снимает вопрос об утилизации такого корабля.

В случае несчастья на старте (если по какой-то немыслимой причине отключатся все капсулы-ловушки) такой корабль не выбросит в атмосферу радиоактивных веществ. Будет лишь короткая гамма-вспышка и взрыв, вполне сравнимый по силе со взрывом обычной химической ракеты. Так что зона безопасности вокруг старта может составлять всего километр.

"По грубой оценке, чтобы произвести 10 миллиграммов позитронов, необходимых для пилотируемой марсианской миссии, нужно приблизительно $250 миллионов; с использованием технологии, которая в настоящее время развивается, — заявил мистер Смит. – Основываясь на опыте ядерной технологии, кажется разумным ожидать, что стоимость производства позитронов снизится с большим количеством исследований".

Вместе со сравнительной простотой позитронного привода эти цифры означают, что полёты на антиматерии – куда ближе к реальности, чем полагали многие ещё недавно. Не зря NIAC выделил Positronics Research средства на подробное изучение и отработку этой технологии.

Напомним, ранее американцы уже показывали эскизы ряда космических двигателей на антиматерии, однако, там применялись антипротоны, причём не столько для создания тяги непосредственно, сколько для катализа ядерных и термоядерных реакций.

Пусть удельный импульс тех "гибридов" был бы существенно выше позитронного аппарата, но зато сложность и практическая реализуемость (в обозримом будущем) – явно ниже.

Если специалисты из Positronics Research будут быстро продвигаться в данном исследовании, может оказаться, что к первым пилотируемым полётам на Марс позитронный привод дойдёт до стадии опытных образцов.

fosso.com.ua

К звездам - на "бесконечной" антиматерии. Новые детали смелой идеи

Некоммерческий фонд Icarus Interstellar недавно опубликовал некоторые подробности своего нового проекта межзвездной беспилотной миссии

Источник - http://www.cnews.ru/reviews/index.shtml?2012/08/27/502999

Icarus Interstellar – это организация энтузиастов, которая готовит амбициозный проект: первый межзвездный полет. По замыслам участников данного проекта, исторический полет беспилотного зонда от Земли к одной из близлежащих звезд и обратно им удастся подготовить к 2100 году.

В настоящее время разрабатываются несколько технологий межзвездных путешествий: на термоядерной или лазерной тяге, солнечном парусе. Однако одной из самых интересных и перспективных концепций является возвращаемая ракета на антиматерии – VARIES фонда Icarus Interstellar.

Звезды рядом?

Необычность данного проекта, запущенного в разработку в конце 2011 года, в производстве топлива. Схема полета VARIES в принципе проста: ракета, использующая в качестве топлива антиматерию, будет питаться от солнечных панелей и лазерного луча с Земли или спутников. Затем она отправится к далекой звезде, исследует ее, с помощью солнечных панелей накопит энергию для обратного полета и вернется к Земле.

Исследователи изучили множество проектов межзвездных путешествий, включая расчеты по таким известным программам, как корабль Daedalus весом 55 тыс. тонн. Однако с использованием достижимых в ближайшем будущем технологий и в сроки сопоставимые с карьерой ученого, можно реализовать только миссию VARIES. Полет VARIES, например, к звезде Проксима Центавра и возвращение аппарата на Землю будут гигантским достижением в освоении космоса и займут всего около 50 лет.

Беспилотный корабль, оснащенный гигантскими солнечными панелями, сможет слетать к другой звезде и пользуясь ее светом выработать антиматерию для возвращения к Земле На сегодняшний день дальше всех земных космических аппаратов улетел зонд Voyager 1, запущенный в 1977 году. Однако он движется со скоростью всего 17 км/сек, и даже до ближайшей к нам звезде Проксима Центавра ему лететь более 70000 лет. Недавно в НАСА начали разработку зонда Solar Probe Plus, который с помощью семи гравитационных маневров и солнечного паруса достигнет огромной по нынешним меркам скорости - 201 км/сек. Но даже этот зонд расстояние в 4 световых года преодолеет за почти 6,5 тыс. лет – слишком долго для того, чтобы такая миссия имела хоть какое-то значение.

Решить проблему скорости и запаса топлива может только использование антиматерии. По соотношению вес/выделяемая энергия антивещество находится в абсолютных лидерах в сравнении с любым другим видом топлива. Кроме того, реакция происходит спонтанно, в результате простого соприкосновения антиматерии и обычной материи, поэтому не нужны никакие сложные громоздкие системы для ее инициирования.

Аннигиляции антипротонов - это процесс взаимодействия на уровне кварковой структуры ядра. Протон состоит из пары кварков, с зарядом +2/3, и одного кварка с зарядом -1/3. Антипротон, соответственно, его полная противоположность: пара антикварков -2/3, и один антикварк с зарядом +1/3. Когда антипротон аннигилирует, выделяется энергия в 1,88 гигаэлектронвольт. Эта энергия преобразуется в кинетическую энергию заряженных и нейтральных пионов. Затем пионы распадаются с выделением гамма-фотонов, которые и создают реактивную тягу. Для двигателей VARIES реакция протон/антипротон предпочтительнее, чем электрон/позитрон, поскольку промежуточные частицы можно направить в нужную сторону с помощью магнитного поля. В свою очередь, аннигиляция электрон/позитрон сразу дает мощную вспышку гамма-лучей, которые распространяются во все стороны и могут попросту разрушить корабль.

К сожалению, в настоящее время создание антипротонов является очень сложным делом - ежегодный объем мирового производства антипротонов составляет около 10 нанограмм. К тому же, пока большое количество любой антиматерии сложно хранить, а ведь даже несколько сотен грамм антивещества представляют огромную опасность и способны мгновенно испарить сам зонд и все вокруг в радиусе нескольких километров.

В проекте VARIES данная проблема решена кардинально: антипротонно-позитронное топливо будет вырабатываться непосредственно на борту космического аппарата.

Топливо бесконечно?

Заправляться VARIES будет благодаря использованию квантового эффекта, известного как швингеровское образование электрон-позитронных пар.Согласно выводам современной теоретической и экспериментальной физики, мироздание представляет собой набор квантовых полей. Даже вакуум не является абсолютной пустотой, а ведет себя как простой гармонический осциллятор, т.е. испытывает колебания и постоянно рождает виртуальные частицы. Это следствие принципа неопределенности Гейзенберга – основы современной квантовой механики. Согласно ему, в вакууме всегда появляются виртуальные частицы, в том числе заряженные, а также пары материя/антиматерия. Лауреат Нобелевской премии физик Юлиан Швингер доказал, что достаточно сильное электрическое поле может создавать электрон-позитронные пары прямо из вакуума самого пространства. Таким образом, космический корабль теоретически может получать топливо прямо из окружающей среды - космоса.

Разработчики VARIES планируют использовать для этого мощный лазерный луч, "ломающий" вакуум и вызывающий его поляризацию, т.е. образование пары электрон/позитрон. Для этого требуется создать мощнейшее электрическое поле, и за короткое время существования позитрона "выхватить" его и направить в хранилище или непосредственно в ракетный двигатель.

Разумеется, для создания мощнейшего электрического поля требуется энергия. Излучать энергию планируется с помощью сверхкороткого (одна квинтиллионная доля секунды) лазерного импульса, благо прогресс в этой области идет семимильными шагами. В частности, совсем недавно в лаборатории NIF получен импульс мощностью 500 трлн. тераватт и длительностью 23 миллиардных долей секунды. Проблема хранения антиматерии теоретически тоже решаема: сегодня физики уже умеют удерживать ее в течение 1000 секунд в специальных магнитных бутылках.

Мощные лазеры на свободных электронах с помощью сверхкоротких импульсов добудут антиматерию непосредственно из вакуума Также существует проблема производства энергии, необходимой для генерации мощных лазерных импульсов. Дело в том, что производство антиматерии из вакуума подчиняется законам сохранения энергии и требует столько же энергозатрат, сколько даст последующая аннигиляция. Разработчики VARIES видят два пути решения этой проблемы. Первый предполагает использование больших солнечных панелей и лазерного излучателя, который даст необходимый избыток энергии и позволит накопить топливо при старте из Солнечной системы. На разгон и торможение VARIES будет использовать запасы антиматерии, сгенерированные в процессе кружения вокруг нашего Солнца. После достижения главной цели, Проксимы Центавра, зонд будет изучать чужую звездную систем и одновременно с помощью солнечных панелей вырабатывать энергию для лазеров и накапливать антиматерию на обратную дорогу. Схема эта довольно сложна в реализации, поскольку зонду потребуется "тащить" на себе тяжелые панели и надеяться, что у Проксимы Центавра они все еще будут работать.

Более надежным выглядит идея предварительного накопления антивещества на борту VARIES еще в пределах Солнечной системы, где энергию кораблю будут поставлять с Земли микроволнами, лазером или с помощью сбрасываемых солнечных панелей. Накопив достаточный запас антивещества, VARIES стартует к чужой звезде, перейдя с внешнего питания на свои запасы топлива. Данная схема позволяет реализовать как "полноценный", так и "половинчатый" полет с разворотом на полпути к звезде, однако накопление и длительное хранение большого количества антивещества пока остается очень сложной технической проблемой.

Двигатель реален?

Антивещество обладает максимально возможной плотностью энергии (90 МДж/мкг) и идеально подходит для межзвездных миссий, поскольку ничтожное количество топлива выделяет гигантское количество энергии.

Однако чрезмерная плотность энергии одновременно является и серьезной проблемой. Аннигиляция одного грамма материи сравнима с взрывом мощной ядерной бомбы – совладать с такой энергией и превратить ее в реактивную тягу, мягко говоря, непросто.

В двигателе VARIES генерация антиматерии из вакуума производится с помощью сверхкоротких импульсов лазера на свободных электронах (который сейчас как раз разрабатывается Пентагоном для военных целей). Антиматерия поступает в магнитные бутылки – "топливные баки" зонда. Для создания тяги антиматерия направляется в сопла двигателя с помощью мощных сверхпроводящих магнитов, работающих при температуре -173 градуса Цельсия. Самые "упрямые" частицы и гамма-лучи, преодолевшие магнитное поле, будут улавливаться специальным антирадиационным щитом, скорее всего, вольфрамовым. Генерация антиматерии, ее хранение и создание реактивной тяги являются самыми сложными техническими задачами. К счастью, решить их возможно – никакие законы физики этому не противоречат.

С энергией для лазеров и магнитов серьезных технологических проблем и вовсе нет. По расчетам ученых, для получения 10 кг антипротонов в течение 1 года при расстоянии 1 астрономическая единица от звезды (расстояние от Земли до Солнца) потребуется лишь 2088 кв. км солнечных панелей. То есть, даже при очень низкой эффективности преобразования солнечного света в электричество (около 0,01 %) понадобится солнечная панель около 45х45 км. На первый взгляд это много, однако при использовании надувных конструкций создание такой панели осуществимо и при современных технологиях.

Правда, открытым остается все тот же вопрос долговечности панелей, которым придется не менее 50 лет мчаться сквозь космос с гигантской скоростью.

Пока сами инициаторы проекта затрудняются определить полезную нагрузку и срок путешествия своего космического зонда. Слишком много технологических барьеров предстоит преодолеть. Однако весьма отрадно, что эти барьеры не выглядят фантастикой, как полет на Луну во времена Римской империи. Сегодня ученые видят реальные пути для реализации амбициозной идеи межзвездного полета. Возможно, именно корабль VARIES кардинально расширит горизонт человечества и откроет совершенно новую страницу в истории нашей цивилизации.

ru-universe.livejournal.com

Антиматерия и до звезды доведет!

Пилотируемые полеты к звездам — вековая мечта человечества. Дело только за передовыми технологиями, которые позволят нам совершать достаточно быстрые и безопасные космические путешествия. На сегодняшний день существует масса проектов, предлагающих эффективное решение этой задачи. Но будут ли они в ближайшее время воплощены в жизнь, или нет?

В 1960 году физик Роберт Бассард предложил модель прямоточного термоядерного двигателя, принцип действия которого основан на использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Сначала космический корабль разгоняется на собственном горючем, затем формирует гигантскую магнитную воронку диаметром в несколько тысяч километров, которая захватывает из космоса водород. Он и служит источником топлива для ракеты.

 За счет максимального ускорения отпадает проблема невесомости, а корабль, двигаясь со скоростью, равной 50 или даже более процентам от скорости света, теоретически способен преодолеть расстояние в 10 световых лет примерно за 12 земных лет, причем благодаря релятивистским эффектам на борту звездолета этот срок сократился бы всего до пяти лет.Увы, пока двигатель Бассарда эффективен лишь в теории. В частности, современный уровень технологий не позволяет разработать «ловушку» для водорода, генерирующую магнитные поля такой колоссальной мощности, которая необходима, чтобы транспортировать водород в термоядерный реактор и привести корабль в движение.

Дело в том, что в прямоточном реакторе эта простейшая реакция будет идти слишком медленно. Хотя не исключено, что по мере развития термоядерного синтеза будет найден катализатор в виде новых изотопов и антиматерии, которые позволят преодолеть сопротивление межзвездной среды.

Кстати, антиматерия внушает энтузиастам звездных путешествий большие надежды. По словам специалистов, термоядерный реактор, работающий на дейтерии и тритии, способен генерировать количество энергии, равное 6×1011 джоулей на один грамм водорода, то есть в 10 миллионов раз больше, чем химические ракеты.

Некогда ученый Марк Миллис рассчитал, что энергозатраты на запуск космического корабля к Альфе Центавра составят 1018 джоулей, что эквивалентно годовому потреблению электроэнергии всем человечеством. Между тем, для получения такого количества энергии требуется всего один килограмм антивещества.Но, разумеется, и тут не все так радужно, как хотелось бы. Во-первых, вспышки мощнейшего гамма-излучения, которые происходят в процессе аннигиляции, просто убьют тех, кто находится на борту корабля. Во-вторых, пока не существует технологий, которые позволили бы накопить большое количество антивещества.В-третьих, хранить тонны антиматерии пусть даже в космическом пространстве на значительном расстоянии от Земли довольно опасно, так как аннигиляция всего одного килограмма антиматерии эквивалентна ядерному взрыву мощностью 43 мегатонны. Наконец, производство одного грамма антиводорода обойдется в 10 триллионов долларов.

Впрочем, недавно специалистами НАСА было разработано несколько проектов космических аппаратов для полетов в глубокий космос, которым для работы двигателя требуется всего один микрограмм антивещества.

Американская компания Hbar Technologies при поддержке НАСА занимается разработкой беспилотных зондов, двигатель которых будет работать на антиводороде. Согласно проекту, аппарат будет оснащен тонким парусом из углеродного волокна с покрытием из урана-238. В процессе работы двигателя антиводород будет врезаться в парус, аннигилировать и создавать мощный поток фотонов, скорость истечения которого приближается к скорости света.Менее чем за 10 лет такой зонд сможет достичь пояса Койпера на окраине Солнечной системы, расстояние до которого измеряется 250 астрономическими единицами. Полезная нагрузка аппарата составит всего 10 миллиграммов, а антиводорода ему потребуется всего 30 миллиграммов. По предварительным расчетам, можно будет отправить такой небольшой зонд и к Альфе Центавра. На одном грамме антиводорода он достигнет этой далекой звезды «всего» за 40 лет.Правда, тут речь идет о беспилотных полетах. Но НАСА уже запустило проект 100 Year Starship, рассчитанный на много лет и предполагающий поэтапное формирование научно-технологической базы для межпланетных и межзвездных полетов, в том числе и пилотируемых. Если все пойдет по плану, то через несколько десятков лет мы сможем свободно перемещаться по нашей Солнечной системе, а через 100 лет полетим к дальним звездам.

 

Ирина Шлионская

 

Источник

othereal.ru

Компьютерра: Зеркало мира

Архив

автор: Сергей Петрушанко   21.05.2001

Если бы мы могли извлечь всю энергию, заключенную в одном килограмме вещества, - то ее хватило бы на 100 тыс. лет непрерывного движения обычного легкового автомобиля или на один год жизни современного индустриального города средних размеров.

Если бы мы могли извлечь всю энергию, заключенную в одном килограмме вещества, - это примерно 25 млрд. киловатт-часов, - то ее хватило бы на 100 тыс. лет непрерывного движения обычного легкового автомобиля или на один год жизни современного индустриального города средних размеров. Такие выводы получаются из всем известной формулы E=mc2, которая была предложена в 1905 году Альбертом Эйнштейном и которая дает основания утверждать, что масса - это не что иное, как концентрированная форма энергии. Масса и энергия подобны «деньгам» природы: это две «валюты», которые можно перевести друг в друга по стабильному курсу: квадрату скорости света.

Однако для того, чтобы превратить энергию в материю, нужны очень высокие температуры - десятки триллионов градусов. Ученые используют гигантские ускорители, чтобы разогнать частицы (протоны, ядра атомов) до скоростей, близких к скорости света, и затем столкнуть их с веществом.

Краткая история антиматерии

В конце 1920-х годов Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг создали теорию квантовой механики. Однако она имела существенный недостаток: объясняя поведение частицы, движущейся с небольшой скоростью, теория давала неверные результаты при скоростях, близких к световым (как говорят физики, релятивистским скоростям). Но в 1928 году молодому физику Полю Дираку удалось вывести формулу, описывающую движение релятивистского электрона, объединив таким образом специальную теорию относительности и квантовую механику. Эта формула принесла Дираку заслуженную Нобелевскую премию и подарила ученым еще одну головную боль. Так же как простое уравнение x2=4 имеет два корня (х=2 и х=-2), формула Дирака была верна для случая двух частиц: электрона с положительной и электрона с отрицательной энергией! Но ведь в рамках классической физики отрицательных энергий не существует! Дирак предложил следующий выход из положения. У каждой частицы есть партнер - античастица, имеющая те же свойства, но обладающая противоположным зарядом. Например, антиэлектрон, в отличие от отрицательного электрона, должен быть положительно заряженной частицей. За счет отличия знака заряда энергия античастицы и имеет противоположный знак. Нобелевская лекция Дирака стала сенсацией в мире физики и положила начало истории освоения антиматерии: ученый говорил о существовании целой антивселенной, состоящей из антивещества!

Немало любопытных и замечательных физических теорий и смелых предположений, которые, не найдя экспериментального подтверждения, канули в лету. Теорию антиматерии Дирака подобная участь миновала, так как охота за таинственным веществом дала плоды…

Еще в начале прошлого столетия Виктор Гесс открыл природный источник частиц сверхвысоких энергий - космические лучи, рожденные в глубинах космоса, которые, сталкиваясь с атомами атмосферы Земли, порождают ливни самых разнообразных частиц. В 1932 году молодой профессор Калифорнийского технологического института Карл Андерсон (Carl Anderson), изучая ливни частиц с помощью конденсационных камер, обнаружил одновременное рождение электрона и «чего-то положительного, но с массой, как у электрона». Дальнейшие исследования подтвердили обнаружение антиэлектрона, который назвали позитроном. За свое открытие Карл Андерсон получил Нобелевскую премию. На протяжении последующих 22 лет космические лучи оставались единственным источником античастиц. Однако физика ускорителей уже набирала обороты…

В 1930 году Эрнест Лоуренс (Ernest Lawrence) предложил идею циклотрона - машины, которая позволяла ускорять частицы, например протоны, до энергий в десятки миллионов электрон-вольт. Этот год принято считать датой рождения новой науки: физики высоких энергий. В 1954 году в Калифорнии запустили беватрон - ускоритель, способный разгонять протоны и сталкивать их друг с другом, достигая энергии 6,2 ГэВ (1 ГэВ=109 эВ), что оптимально для поиска антипротона. Специально для этой цели группа ученых во главе с Эмилио Сегре (Emilio Segre) разработала и построила детектор. В октябре 1955 года передовица в «New York Times» сообщала: «Найдена новая частица: отрицательный протон». А в 1960 году другая группа ученых, работавшая на беватроне, открыла антинейтрон.

Таким образом, антиматерия была предложена теорией и открыта в эксперименте. Ведь протон, нейтрон и электрон - «кирпичики», из которых построено вещество. Теперь перед физиками встала задача синтезировать антиматерию, воспользовавшись этими «деталями». Необходимо было узнать, действительно ли антиматерия, как считал Дирак, является симметричным отражением материи.

В 1965 году команда физиков под руководством Антонино Зичичи (Antonino Zichicchi), используя протонный синхротрон в Европейском центре ядерных исследований, синтезировала ядро антидейтерия, состоящего из антипротона и антинейтрона. А группа ученых под руководством Леона Ледермана (Leon Lederman) на ускорителе Брукхейвенской национальной лаборатории под Нью-Йорком в том же году подтвердила открытие европейцев. В последующие годы в различных лабораториях мира, в том числе у нас в Дубне, были получены и более тяжелые антиядра: антитритий (два антинейтрона плюс один антипротон), изотопы антигелия, антибериллия и т. д. Однако во всех этих случаях речь шла о ядрах, которые имели большие энергии, вследствие чего не были способны захватить антиэлектрон, дабы физики наконец-то могли говорить о настоящем антивеществе.

В 1995 году в ЦЕРНе запустили уникальную машину: кольцо низкоэнергичных антипротонов (Low Energy Antiproton Ring - LEAR), которая позволяла замедлять антипротоны до очень небольших по меркам физиков скоростей. В конце года немецкие и итальянские физики, работавшие в этом проекте, смогли получить первые атомы антиводорода. Правда, их было всего девять, но это не помешало им стать главной новостью года физики высоких энергий. LEAR был закрыт в конце 1996 года, - физики задумали построить новую установку для вырывания у антиматерии ее сокровенных тайн - антипротонный замедлитель (Antiproton Decelerator - AD).

Фабрика антиматерии в ЦЕРНе

Уже более двадцати лет физики в ЦЕРНе используют античастицы для своих повседневных нужд. Античастицы возникают при столкновениях высокоэнергичных частиц. Затем их отбирают, изолируют и хранят для дальнейшего использования. До настоящего времени эти функции выполняли разные машины. А сейчас в ЦЕРНе построена первая «самодостаточная фабрика антиматерии» - антипротонный замедлитель, представляющий собой кольцо длиной 188 метров. Внутри составляющих кольцо труб находятся вакуумные насосы, магниты, резонаторы и электронные приборы.

Антипротоны циркулируют по трубам в условиях очень глубокого вакуума во избежание контакта с молекулами воздуха - соприкосновение материи и антиматерии вызывает мгновенную аннигиляцию. Мощные насосы поддерживают эти условия. В кольце антипротонной фабрики установлены два типа магнитов: диполи и квадруполи. Диполи - обычные двухполюсные магниты - служат для изменения направления движения пучка антипротонов, а также для удержания частиц на нужной траектории, дабы исключить их контакт со стенками труб замедлительного кольца. Квадруполи, имеющие два северных и два южных полюса, работают как линзы в оптике: они позволяют фокусировать антипротоны, уменьшая поперечные размеры пучка. Магнитное поле способно изменять направление движения частиц, но не их энергию. Для замедления частиц используется электрическое поле, создаваемое радиочастотными резонаторами. Антипротонный замедлитель имеет одну систему, «впускающую» в кольцо высокоэнергичные протоны, и одну, «выпускающую» замедленные частицы наружу - для проведения экспериментов.

Как же все это работает? В замедлитель AD поступает пучок высокоэнергичных протонов от ускорителя PS и направляется на специальную мишень из меди или иридия (эти металлы легко охлаждать). При столкновении протонов с веществом рождаются новые частицы и выделяется огромное количество энергии. В среднем лишь в одном из десяти миллионов столкновений рождается пара протон-анитпротон. За одну минуту мишень бомбардирует около 10 трлн. протонов, что дает 10 млн. антипротонов. Рождающиеся частицы разлетаются во все стороны, а кроме того, все они имеют разную энергию. Из-за этого только малую их часть удается собрать с помощью магнитов и направить циркулировать по кольцу. В процессе кругового движения антипротоны замедляются до одной десятой скорости света и выводятся наружу для экспериментов. Один такой цикл длится всего около миллионной доли секунды.

В рамках работ на антипротонном замедлителе проводится три эксперимента:

ASACUSA - атомная спектроскопия и столкновения с использованием медленных антипротонов.
  • ATHENA - создание антиводорода и прецизионные измерения.
  • ATRAP - получение холодного антиводорода для точной лазерной спектроскопии.

    В задачи экспериментов ATHENA и ATRAP входит синтез и изучение атомов антиводорода - их получают в особых магнитных ловушках, добавляя к медленным антипротонам позитроны от радиоактивных источников. А в эксперименте ASACUSA ученые хотят синтезировать экзотические атомы, в которых вокруг протона вместо электрона будет вращаться антипротон. Подобные исследования могут помочь физикам лучше понять строение атомных систем.

    Первый пробный пучок антипротонов был замедлен на «антипротонной фабрике» в конце 1999 года, а все три эксперимента начались в июне 2000 года. Уже получены первые результаты - открыты новые резонансы в ядрах антипротона и антигелия. Физики, говорят, что работа только начинается, и надеются, что скоро смогут порадовать нас парой-тройкой научных сенсаций.

    Зачем это нужно?

    Многим читателям может показаться, что вся эта физика «слишком далека от народа». Конечно, в настоящее время изучение антиматерии является областью чисто фундаментальных исследований, которые дают новые знания о строении и происхождении нашего мира. Но не следует забывать, что в будущем эти знания наверняка окажутся полезны и в обыденной жизни, вспомним лазеры, которые сейчас есть практически в каждом доме.

    В 1940-50-х годах физики синтезировали ряд изотопов, при распаде излучавших позитроны. Медики и физиологи проявили интерес к античастицам, и в середине 1950-х годов М. Тер-Погосян (Michel Ter-Pogossian) выдвинул идею использования этих элементов для исследования больных методом, который впоследствии получил название позитронной томографии (Positron Emission Tomography - PET). В тело пациента вводится смесь, содержащая биологически активное вещество, часть атомов которого заменена радиоактивными изотопами (такими как углерод-11, азот-13, кислород-15 и фтор-18), излучающими позитроны. Время жизни этих элементов - от нескольких минут до часов. Позитроны, испущенные радиоактивными атомами, почти сразу аннигилируют с электронами близлежащих атомов. При этом в противоположных направлениях - в соответствии с законом сохранения импульса - излучаются два фотона, которые регистрируются размещенными вокруг пациента детекторами, позволяя врачу узнать, куда попало введенное вещество. Технологию позитронной томографии удалось воплотить в жизнь в начале 1970-х годов, а сейчас метод PET успешно используется медиками для обследования пациентов с самыми разными заболеваниями, вызывающими биохимические изменения в организме. Наибольшее применение эта технология нашла при выявлении заболеваний головного мозга. Кроме того, ее активно используют фармацевты для изучения воздействия новых лекарств на организм человека. Также PET помогает ученым в исследованиях, касающихся работы мозга.

    А еще антиматерия может стать замечательным средством хранения энергии - ведь в одном грамме антивещества заключена огромная сила! Первыми это поняли писатели-фантасты, познакомившие нас с двигателями на антиматерии. Принцип их работы прост: берем кусок антиматерии, помещаем его в магнитные ловушки и небольшими порциями подаем в «камеру сгорания» позади звездолета антивещество вперемешку с обычным веществом. В процессе аннигиляции выделяется огромное количество фотонов, ставим на задней части корабля идеальное зеркало и - летим!.. Подсчитано, что такому кораблю потребуется около 20 кг антивещества, чтобы пересечь нашу галактику.

    Фантастика фантастикой, а космические специалисты тоже возлагают большие надежды на подобный двигатель. Загвоздка в том, что для путешествий в пределах Солнечной системы такому движку требуется никак не меньше десятка-другого граммов антивещества. Сегодня же все вместе взятые ускорители на Земле вырабатывают менее 10 нг антивещества в год, - на таком количестве топлива далеко не уедешь…

    Однако не все так печально. Инженеры NASA и Университета Пенсильвании представили на суд коллег новую и довольно практичную идею. В предлагаемом ими проекте космического двигателя антипротонная плазма, содержащаяся в специальной магнитной ловушке, периодически сжимается электрическими и магнитными полями. Одновременно в плазму добавляется смесь из дейтерия и гелия-3 с небольшой примесью урана-238. В результате взаимодействия антиматерии с ядрами урана возникает огромное число нейтронов, что приводит к реакции ядерного синтеза между дейтерием и гелием. Таким образом, антиматерия в этой схеме играет роль «запала», энергию же дает самый обычный ядерный синтез.

    Подобный двигатель потребует совсем немного антиматерии: от 1 до 100 мкг в зависимости от того, до какой скорости нужно разогнать космический аппарат. Инженеры утверждают, что двигатель позволит развивать скорость до 1000 км/с, то есть полет к границе Солнечной системы займет всего пять лет. Конечно, в ближайшие годы этот способ (который, кстати говоря, носит название antimatter initiated microfusion AIM - инициированный антиматерией микросинтез) - такая же фантастика, как и прочие движки на антиматерии. Однако не стоит отчаиваться: фабрика антиматерии в ЦЕРНе работает, и как знать, может быть, физики придумают дешевый и эффективный способ получения топлива для звездолетов (сейчас эффективность производства антиматерии очень мала: в нее превращается менее 0,00000001% затраченной энергии).

    За всем этим с интересом наблюдают военные: какое там ядерное оружие, - что может быть лучше бомбы на антиматерии, мгновенно выделяющей гигантскую энергию при небольшой массе «изделия». Физики уже давно подозревают, что у военных имеются свои разработки в этой области. Но у всех одна и та же проблема - нет достаточного количества антивещества.

    Что касается совсем уж отдаленного будущего, антиматерия - идеальное средство хранения энергии. Так что не удивляйтесь, если лет через пятьдесят или сто в «КомпьюFeрре» будут тестировать новые антиаккумуляторы для переносных компьютеров, а в новостях передадут, что межзвездный аппарат, построенный совместными усилиями НПО «Энергия» и NASA, достиг Альфы Центавра и сообщает, что расход антигорючего в норме. Тут мы скажем «ага!» и подумаем, что надо бы не забыть заправить свой автомобиль новой порцией антибензина на ближайшей заправке. Или антизаправке?..

    Врезка: Большой взрыв и антиматерия

    [i39628]

    Большой взрыв и антиматерия

    История нашей вселенной началась примерно 15 млрд. лет назад, когда произошел Большой взрыв, породивший разбегающееся во все стороны вещество. Ученые считают, что Большой взрыв должен был породить равное количество материи и антиматерии. Окружающее нас пространство заполнено обычной материей: физики еще в 50-х годах прошлого века подсчитали, что в нашей галактике антиматерия составляет менее одной десятимиллионной доли вещества.

    Куда же девалась антиматерия? Есть два возможных объяснения: либо в какой-то момент истории вселенной она просто исчезла вследствие не совсем понятных нам физических процессов, либо же материя и антиматерия продолжают существовать в отдаленных друг от друга частях вселенной.

    Для проверки второго предположения нобелевский лауреат профессор Самуель Тинг (Samuel Ting) предложил построить так называемый магнитный спектрометр альфа (Alpha Magnetic Spectrometer - AMS), который позволил бы зафиксировать антиядра, летящие из областей космоса, «населенных» антиматерией. В 1998 году прототип этого детектора - AMS-01 - уже слетал на десять дней в космос на борту американского шаттла. Из трех миллионов ядер, зафиксированных им, ни одно не имело приставку «анти»… Основная часть эксперимента AMS запланирована на 2004 год: на Международной космической станции установят детектор AMS-02 (на фото), который продолжит поиски внегалактических источников антиядер. Предполагается, что эксперимент продлится по меньшей мере три года.

    Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

    old.computerra.ru


    Смотрите также