Voisiko Matter-Antimatter-reaktoritekniikka toimia?

Tähtialus Enterprise, "Star Trek" -sarjan faneille tutun, on tarkoitus käyttää uskomatonta tekniikkaa nimeltään poimuajo, hienostunut virtalähde, jonka ytimessä on antimateria. Antimaterian väitetään tuottavan kaiken energian, jonka laivan miehistö tarvitsee kiertääkseen galaksiaan ja saadakseen aikaan seikkailuja. Luonnollisesti tällainen voimalaitos on tieteiskirjallisuus.

Se näyttää kuitenkin niin hyödylliseltä, että ihmiset usein ihmettelevät, voitaisiinko antimateriaa koskevaa konseptia käyttää tähtienvälisten avaruusalusten voimistamiseen. Osoittautuu, että tiede on melko vakaa, mutta jotkut esteet ehdottomasti estävät tekemästä tällaisen unelmavirtalähteen käyttökelpoiseksi todellisuudeksi.

Yrityksen voimanlähde on fysiikan ennustama yksinkertainen reaktio. Aine on tähtiä, planeettoja ja meitä "juttuja". Se koostuu elektronista, protoneista ja neutroneista.

Antimateria on aineen vastakohta, eräänlainen "peilimateriaali". Se koostuu hiukkasista, jotka ovat erikseen hiukkasia eri rakennuspalikoista

Luonto luo hiukkasia, vain ei suurina määrinä. Hiukkasten vastaiset hiukkaset luodaan luonnossa esiintyvissä prosesseissa, samoin kuin kokeellisilla keinoilla, kuten suurien hiukkaskiihdyttimien yhteydessä suurienergiallisissa törmäyksissä. Viimeaikaisessa työssä on havaittu, että antimateria syntyy luonnollisesti myrskypilvien yläpuolelle, mikä on ensimmäinen keino, jolla se syntyy luonnollisesti maan päällä ja ilmakehässä.

Muutoin antimaterian luominen vie valtavia määriä lämpöä ja energiaa, kuten aikana supernovat tai sisällä pääsekvenssin tähdet, kuten aurinko. Emme missään vaiheessa pysty jäljittelemään näitä massiivisia fuusiolaitoksia.

Teoriassa aine ja sen antimateriaaliekvivalentti yhdistetään toisiinsa ja, kuten nimestä voi päätellä, tuhoavat välittömästi toisiaan vapauttaen energiaa. Kuinka tällainen voimalaitos rakennettaisiin?

Ensinnäkin se olisi rakennettava erittäin huolellisesti, koska siihen liittyy valtavia määriä energiaa. Antimateriaali sijoitettaisiin erillään normaalista aineesta magneettikenttiä siten, että tahattomia reaktioita ei tapahdu. Energia uutettaisiin tällöin samalla tavalla kuin ydinreaktorit tarttuisivat halkeamiseen lämpö- ja valoenergiaan fissioreaktioista.

Materiaalinvastaiset reaktorit olisivat suuruusluokkia tehokkaampia energian tuottamiseksi kuin fuusio, seuraavaksi paras reaktiomekanismi. Aine-antimateria-tapahtumasta vapautunutta energiaa ei kuitenkaan ole vieläkään mahdollista kaappaa täysin. Neutriinot, melkein massattomat hiukkaset, jotka ovat vuorovaikutuksessa, kuluttavat merkittävän osan tuotosta heikosti sen suhteen, että niitä on lähes mahdotonta vangita, ainakin uuttamiseen energiaa.

Huolet energian sieppaamisesta eivät ole yhtä tärkeitä kuin tehtävä saada tarpeeksi antimateriaa työn suorittamiseksi. Ensinnäkin meillä on oltava tarpeeksi antimateriaa. Se on suurin vaikeus: saada huomattava määrä antimateriaa reaktorin ylläpitämiseksi. Vaikka tutkijat ovat luoneet pieniä määriä antimateriaa, aina positroneista, antiprotoneista ja anti-vedystä atomit ja jopa muutamat anti-heliumiatomit, ne eivät ole olleet riittävän merkittäviä määriä voimaan mitä tahansa.

Jos insinöörit kerääisivät kaikki antimateriaalit, jotka on koskaan luotu keinotekoisesti, kun ne yhdistetään normaalilla aineella tuskin riittää valaista tavallinen hehkulamppu yli muutaman pöytäkirja.

Lisäksi kustannukset olisivat uskomattoman korkeat. Hiukkaskiihdyttimet ovat kallista ajaa, jopa pienen määrän antimaterian tuottamiseksi törmäyksissä. Parhaassa tapauksessa yhden gramman positronien tuottaminen maksaa noin 25 miljardia dollaria. CERNin tutkijat huomauttavat, että yhden gramman antimaterian tuottaminen vie 100 miljardia dollaria ja 100 miljardia vuotta niiden kiihdyttimen käyttämiseen.

On selvää, että ainakin tällä hetkellä käytettävissä olevan tekniikan avulla antimateriaalin säännöllinen valmistus ei näytä lupaavalta, mikä saattaa tähtialukset poistumaan hetkeksi. NASA etsii kuitenkin tapoja kaapata luonnollisesti luotu antimateria, mikä voisi olla lupaava tapa saada avaruusaluksia, kun ne matkustavat galaksin läpi.

Mistä tutkijat etsisivät tarpeeksi antimateriaalia tempun tekemiseksi? Van Allensäteily vyöt - donitsin muotoiset, varautuneiden hiukkasten alueet, jotka ympäröivät maata - sisältävät merkittäviä määriä hiukkasia. Ne luodaan niin, että auringon erittäin energiaa varaavat hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa maan magneettikentän kanssa. Joten voi olla mahdollista vangita tämä antimateria ja säilyttää se magneettikentän "pulloissa", kunnes alus voi käyttää sitä työntövoimaan.

Lisäksi äskettäin havaittujen antimateriaalien muodostuminen myrskypilvien yläpuolelle voi olla mahdollista vangita joitain näistä hiukkasista käyttötarkoituksiamme varten. Koska reaktiot tapahtuvat ilmakehässämme, antimateria on kuitenkin väistämättä vuorovaikutuksessa normaalin aineen kanssa ja tuhoaa todennäköisesti ennen kuin meillä on mahdollisuus kaapata se.

Joten vaikka se olisi edelleen melko kallista ja sieppaustekniikoita tutkitaan edelleen, se saattaa olla mahdollista joskus kehittää tekniikka, joka voisi kerätä antimateriaa ympäröivästä tilasta vähemmän kustannuksilla kuin keinotekoinen luominen Maan.

Kun tekniikka kehittyy ja alamme ymmärtää paremmin, miten antimateria syntyy, tutkijat voivat alkaa kehittää tapoja kaapata luonnossa syntyneitä vaikeita hiukkasia. Joten, ei ole mahdotonta, että meillä voisi olla jonain päivänä energialähteitä kuten tieteiskirjallisuudessa kuvatut.

- Muokannut ja päivittänyt Carolyn Collins Petersen