physics4u - Διαστημόπλοια με αντιύλη θα μας πάνε στον Άρη

Τα περισσότερα διαστημόπλοια στις ιστορίες επιστημονικής φαντασίας χρησιμοποιούν ως καύσιμο την αντιύλη για έναν και μόνο λόγο - είναι τα πιο ισχυρά γνωστά καύσιμα. Κι ενώ απαιτούνται τόνοι χημικών καυσίμων για να φέρουν μια ανθρώπινη αποστολή στον Άρη, φτάνουν μόνο λίγα δεκάδες κιλά αντιύλης.

Εντούτοις, στην πραγματικότητα αυτή η ισχύς έρχεται με ένα τίμημα. Μερικές αντιδράσεις αντιύλης παράγουν ένα κύμα ακτίνων γάμμα υψηλής ενέργειας, άρα πολύ επικίνδυνες. Οι ακτίνες γάμμα είναι σαν τις ακτίνες X, διαπερνούν την ύλη και διασπούν τα μόρια στα κύτταρα, κι έτσι βλάπτουν την ζωντανή ύλη γύρω τους. Οι υψηλής ενέργειας ακτίνες γάμμα μπορούν επίσης να κάνουν τις μηχανές ραδιενεργές, σπάζοντας τα άτομα από τα οποία αποτελείται το υλικό των μηχανών.

Το Ίδρυμα της NASA για τις Προηγμένες Ιδέες (NIAC) χρηματοδοτεί μια ομάδα ερευνητών που εργάζονται σε ένα νέο σχέδιο για διαστημόπλοια τροφοδοτημένα με αντιύλη, αποφεύγοντας αυτήν την δυσάρεστη παρενέργεια με την δημιουργία ακτίνων γάμμα με πολύ χαμηλότερη ενέργεια.

Η αντιύλη ονομάζεται μερικές φορές κατοπτρική εικόνα της κανονικής ύλης, επειδή ενώ μοιάζει με την συνηθισμένη ύλη, μερικές ιδιότητες της αντιστρέφονται. Παραδείγματος χάριν, τα κανονικά ηλεκτρόνια, που μεταφέρουν το ηλεκτρικό ρεύμα στα πάντα, από τα κινητά έως το τις τηλεοράσεις με πλάσμα, έχουν ένα αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Τα αντι-ηλεκτρόνια έχουν θετικό φορτίο, κι έτσι οι επιστήμονες τα ονόμασαν ποζιτρόνια.

Όταν η αντιύλη συναντά την ύλη, τότε και τα δύο εξαϋλώνονται προς μια λάμψη ενέργειας. Αυτή η πλήρης μετατροπή της ύλης σε ενέργεια είναι αυτό που καθιστά την αντιύλη τόσο ισχυρή. Ακόμη και οι πυρηνικές αντιδράσεις που τροφοδοτούν τις ατομικές βόμβες έρχονται μακράν δεύτερες, με μόνο περίπου το 3% της μάζας τους να μετατρέπεται σε ενέργεια.

Τα μέχρι τώρα σχεδιασμένα διαστημόπλοια που τροφοδοτούνταν με αντιύλη, χρησιμοποιούσαν αντιπρωτόνια, τα οποία παράγουν υψηλής ενέργειας ακτίνες γάμμα όταν εξαϋλώνονται. Το νέο σχέδιο όμως θα χρησιμοποιήσει ποζιτρόνια, τα οποία φτιάχνουν ακτίνες γάμμα με περίπου 400 φορές λιγότερη ενέργεια.

Η έρευνα του NIAC είναι μια προκαταρκτική μελέτη για να φανεί εάν αυτή η ιδέα είναι εφικτή. Εάν φανεί ότι υπάρχει ελπίδα, και είναι διαθέσιμα αρκετά κεφάλαια για να αναπτυχθεί με επιτυχία η τεχνολογία, τότε ένα διαστημόπλοιο τροφοδοτημένο με ποζιτρόνια θα είχε δύο κυρίως πλεονεκτήματα πάνω στα σημερινά σχέδια για μια επανδρωμένη αποστολή στον Άρη, που ονομάζεται Αποστολή Αναφοράς του Άρη.

Ο πυρηνικός αντιδραστήρας παρέχει επίσης αρκετή ισχύ για την τρίχρονη αποστολή. Αλλά οι πυρηνικοί αντιδραστήρες είναι σύνθετοι, κι έτσι υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα κάποια πράγματα να πάνε στραβά κατά τη διάρκεια της αποστολής. "Όμως, ο αντιδραστήρας των ποζιτρονίων προσφέρει τα ίδια πλεονεκτήματα αλλά είναι σχετικά απλός", ισχυρίζεται ο Smith, επικεφαλής ερευνητής στη μελέτη του NIAC.

"Το σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι η περισσότερη ασφάλεια", λέει ο Δρ Gerald Smith ερευνητής στη Σάντα Φε του Νέου Μεξικού. Η Αποστολή Αναφοράς χρειάζεται έναν πυρηνικό αντιδραστήρα για να φέρει το διαστημόπλοιο στον Άρη. Αυτό είναι επιθυμητό επειδή η πυρηνική προώθηση μειώνει το χρόνο του ταξιδιού προς τον Άρη, αυξάνοντας έτσι την ασφάλεια στο πλήρωμα γιατί θα μειωθεί η έκθεση τους στις κοσμικές ακτίνες. Επίσης, ένα διαστημικό σκάφος με χημικά ζυγίζει πολύ περισσότερο και κοστίζει πολύ περισσότερο για να πετάξει.

Επίσης, οι πυρηνικοί αντιδραστήρες είναι ραδιενεργοί ακόμα και όταν καταναλώσουν τα καύσιμά τους. Μόλις φθάσει το σκάφος στον Άρη, τα σχέδια της Αποστολής Αναφοράς είναι να κατευθυνθεί ο αντιδραστήρας σε μια τροχιά που δεν θα αντιμετωπίσει τη Γη για τουλάχιστον ένα εκατομμύριο έτη, όταν δηλαδή το κατάλοιπο της ακτινοβολίας φθάσει σε ασφαλή επίπεδα. Αλλά, σε έναν αντιδραστήρα ποζιτρονίων δεν θα υπάρχει καμία εναπομένουσα ακτινοβολία αφότου καταναλωθούν τα καύσιμα του, έτσι δεν θα υπάρχει καμία ανησυχία για την ασφάλεια της Γης, εάν ο αντιδραστήρας ποζιτρονίων εισχωρήσει τυχαία στη γήινη ατμόσφαιρα, σύμφωνα με την ομάδα.

Επίσης, θα είναι ασφαλέστερο και στην προώθηση. Εάν ένας πύραυλος που φέρει έναν πυρηνικό αντιδραστήρα εκραγεί, θα μπορούσε να απελευθερώσει ραδιενεργά σωματίδια στην ατμόσφαιρα. "Το διαστημικό σκάφος με ποζιτρόνια θα απελευθέρωνε μόνο μία λάμψη ακτίνων γάμμα εάν εκραγεί, αλλά οι ακτίνες γάμμα θα ήταν πολύ σύντομες. Δεν θα υπήρχε κανένα ραδιενεργό σωματίδιο να παρασυρθεί στον αέρα. Η λάμψη θα περιοριζόταν επίσης σε μια σχετικά μικρή περιοχή, ενώ η ζώνη του κινδύνου θα ήταν έκτασης ενός χιλιομέτρου γύρω από το διαστημικό σκάφος. Ένας συνηθισμένος μεγάλος πύραυλος τροφοδοτημένος με χημικά έχει μια ζώνη κινδύνου περίπου του ίδιου μεγέθους, λόγω της μεγάλης πύρινης βολίδα, που θα προέκυπτε από την έκρηξή της", σχολιάζει ο Smith.

Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα είναι η ταχύτητα. Το διαστημικό σκάφος της Αποστολής Αναφοράς θα έφερνε τους αστροναύτες στον Άρη σε περίπου 180 ημέρες. "Τα προηγμένα σχέδιά μας θα μπορούσαν να μεταφέρουν τους αστροναύτες στον Άρη στο μισό χρόνο, ίσως ακόμα και σε 45 ημέρες", τονίζει ο Kirby Meyer, ένας μηχανικός πάνω στην έρευνα για την μελέτη της χρήσης των ποζιτρονίων.

Οι προηγμένες μηχανές έχουν αυξημένη αποδοτικότητα ή όπως λέγεται "ειδική ώθηση ή Isp. Η Isp είναι τα "μίλια ανά γαλόνι" και όσο υψηλότερο είναι το isp, τόσο γρηγορότερα μπορείτε να πάτε χωρίς να τελειώσουν τα καύσιμα. Οι καλύτεροι χημικοί πύραυλοι, όπως αυτός του διαστημικού λεωφορείου της NASA, είναι περίπου 450 δευτερόλεπτα, που σημαίνει ότι 450 γραμμάρια καυσίμων θα παραγάγουν 4,5 Νιούτον ώθησης, για 450 δευτερόλεπτα. Ένας πυρηνικός ή ένας αντιδραστήρας ποζιτρονίων μπορεί να φτάσει τα 900 δευτερόλεπτα. Η μηχανή αυτή με σταθερή επιτάχυνση θα μπορούσε να φτάσει και τα 5.000 δευτερόλεπτα.

Μια άλλη πρόκληση για την δημιουργία ενός διαστημικού σκάφους με ποζιτρόνια θα είναι το κόστος της παραγωγής του ποζιτρονίου. Λόγω της άμεσης αντίδρασης του με την κανονική ύλη, δεν υπάρχει πολλή αντιύλη. Στο διάστημα, δημιουργείται με τη σύγκρουση σωματιδίων υψηλής ταχύτητας, δηλαδή των κοσμικών ακτίνων. Στη γη, όμως, πρέπει να δημιουργηθεί μέσα στους επιταχυντές των σωματιδίων, μέσα σε τεράστιες μηχανές στις οποίες συνθλίβονται μεταξύ τους τα άτομα. Οι μηχανές αυτές χρησιμοποιούνται κανονικά για να ανακαλυφθεί ο τρόπος που δουλεύει ο Κόσμος σε ένα βαθύ, θεμελιώδες επίπεδο, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως εργοστάσια αντιύλης.

"Σε μια κατά προσέγγιση εκτίμηση, για την παραγωγή 10 χιλιοστόγραμμων ποζιτρονίων, που απαιτούνται για μια επανδρωμένη αποστολή του Άρη, κοστίζουν περίπου 250 εκατομμύρια δολάρια. Γιατί χρησιμοποιούν την τεχνολογία που είναι αυτήν την περίοδο υπό ανάπτυξη", αναφέρει ο Smith. Αυτό το κόστος μπορεί να φαίνεται υψηλό, αλλά πρέπει να ειδωθεί υπό το πρίσμα ότι υπάρχει ένα πρόσθετο κόστος για την προώθηση ενός βαρύτερου χημικού πυραύλου (οι σημερινές δαπάνες για την εκτόξευση είναι περίπου $10.000 ανά μισό κιλό ή το κόστος για να τροφοδοτηθεί με καύσιμα και να γίνει ασφαλής ένας πυρηνικός αντιδραστήρας. "Βασισμένος στην εμπειρία με την πυρηνική τεχνολογία, φαίνεται λογικό να αναμένεται ότι το κόστος της παραγωγής των ποζιτρονίων μπορεί να μειωθεί αν μεσολαβήσει περισσότερη έρευνα", προσθέτει ο Smith.

Μια άλλη πρόκληση είναι να αποθηκευτούν αρκετά ποζιτρόνια σε ένα μικρό χώρο. Επειδή εξαϋλώνεται όταν έρθουν σε επαφή με την κανονική ύλη, δεν μπορείτε να τα βάλετε σε ένα μπουκάλι. Αντίθετα, πρέπει να περιοριστούν με τλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. "Αισθανόμαστε βέβαιοι ότι με ένα πολύ καλό ερευνητικό και αναπτυξιακό πρόγραμμα, αυτές οι προκλήσεις μπορούν να υπερνικηθούν", συνεχίζει ο Smith.

Εάν αυτά συμβούν με αυτό τον τρόπο, ίσως οι πρώτοι άνθρωποι που φθάσουν στον Άρη, θα φθάσουν με διαστημόπλοια που θα τροφοδοτούνται από την ίδια πηγή που πυροδότησε τα διαστημόπλοια των κόσμων της επιστημονικής φαντασίας μας.