مركبة فضائية تعمل بدفع المادة المضادة

تتمثل إحدى المشكلات الثانوية في استخلاص الطاقة أو الزخم المفيد من نواتج إفناء المادة المضادة، والتي تكون في المقام الأول على شكل إشعاع مؤين عالي الطاقة. وقد وفرت آليات المادة المضادة المقترحة حتى الآن، في معظمها، آليات معقولة لتسخير الطاقة من نواتج الإفناء هذه. معادلة الصاروخ الكلاسيكية بكتلتها "الرطبة" (${\displaystyle M_{0}}$)(مع نسبة كتلة الوقود الدافعة ) إلى الكتلة "الجافة" (${\displaystyle M_{1}}$)(مع الحمولة ) جزء (${\displaystyle {\frac {M_{0}}{M_{1}}}}$)، تغير السرعة (${\displaystyle \Delta v}$) والدفع النوعي (${\displaystyle I_{\text{sp}}}$لم يعد هذا صحيحاً بسبب فقدان الكتلة الذي يحدث في إفناء المادة المضادة. ^{[ 5 ]}

معادلة الصاروخ النسبية المعدلة

إن فقدان الكتلة الخاص بفناء المادة المضادة يتطلب تعديل معادلة الصاروخ النسبية المعطاة على النحو التالي ^{[ 9 ].}

${\displaystyle {\frac {M_{0}}{M_{1}}}=\left({\frac {1+{\frac {\Delta v}{c}}}{1-{\frac {\Delta v}{c}}}}\right)^{\frac {c}{2I_{\text{sp}}}}}$

أنا

أين${\displaystyle c}$هي سرعة الضوء، و${\displaystyle I_{\text{sp}}}$هو الدفع النوعي (أي${\displaystyle I_{\text{sp}}}$=0.69${\displaystyle c}$).

الصيغة المشتقة للمعادلة هي ^{[ 5 ]}

${\displaystyle {\frac {dM_{\text{ship}}}{M_{\text{ship}}}}={\frac {-dv(1-I_{\text{sp}}{\frac {v}{c^{2}}})}{(1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}})(-{\frac {I_{\text{sp}}v^{2}}{c^{2}}}+(1-a)v+aI_{\text{sp}})}}}$

٢

أين${\displaystyle M_{\text{ship}}}$هي الكتلة غير النسبية (الساكنة) للمركبة الفضائية، و${\displaystyle a}$هي نسبة كتلة الوقود الأصلية (الموجودة على متن المركبة) (غير النسبية) المتبقية بعد الفناء (أي،${\displaystyle a}$=0.22 للبيونات المشحونة).

يصعب تكامل المعادلة الثانية تحليليًا. إذا افترضنا أن${\displaystyle v\sim I_{\text{sp}}}$بحيث${\displaystyle (1-{\frac {I_{\text{sp}}v}{c^{2}}})\sim (1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}})}$ثم تكون المعادلة الناتجة هي

${\displaystyle {\frac {dM_{\text{ship}}}{M_{\text{ship}}}}={\frac {-dv}{(-{\frac {I_{\text{sp}}v^{2}}{c^{2}}}+(1-a)v+aI_{\text{sp}})}}}$

3

يمكن إجراء التكامل للمعادلة الثالثة وحساب قيمة التكامل لـ${\displaystyle M_{0}}$و${\displaystyle M_{1}}$، والسرعات الابتدائية والنهائية (${\displaystyle v_{i}=0}$و${\displaystyle v_{f}=\Delta v}$). معادلة الصاروخ النسبية الناتجة مع فقدان الوقود هي ^{[ 5 ] [ 9 ]}

${\displaystyle {\frac {M_{0}}{M_{1}}}=\left({\frac {(-2I_{\text{sp}}\Delta v/c^{2}+1-a-{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}})(1-a+{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}})}{(-2I_{\text{sp}}\Delta v/c^{2}+1-a+{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}})(1-a-{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}})}}\right)^{\frac {1}{\sqrt {(1-a)^{2}+4aI_{\text{sp}}^{2}/c^{2}}}}}$

رابعاً

من المشاكل العامة الأخرى لأنظمة الدفع عالية الطاقة الحرارة الزائدة أو الحرارة المهدرة ، وكما هو الحال مع إفناء المادة المضادة، يشمل ذلك أيضًا إشعاعًا شديدًا. يحوّل نظام دفع إفناء البروتون-مضاد البروتون 39% من كتلة الوقود إلى تدفق مكثف عالي الطاقة من أشعة غاما. ستتسبب أشعة غاما والبيونات المشحونة عالية الطاقة في حدوث تسخين وأضرار إشعاعية إذا لم يتم توفير دروع واقية لها. على عكس النيوترونات، لن تتسبب هذه الأشعة في تحويل المادة المعرضة لها إلى مادة مشعة عن طريق تحويل النوى. تشمل المكونات التي تحتاج إلى دروع واقية: الطاقم، والإلكترونيات، وخزانات التبريد، والملفات المغناطيسية للصواريخ ذات المساعدة المغناطيسية. هناك نوعان من الدروع الواقية مطلوبان: الحماية من الإشعاع والحماية الحرارية (وهي تختلف عن الدرع الحراري أو العزل الحراري ). ^{[ 5 ] [ 10 ]}

قُدِّرت تكلفة الكميات الممكنة (للدفع النووي) من المادة المضادة المتاحة في عام 1999 بمبلغ 60 مليون دولار لكل مهمة ^{[ 18 ]} و6.4 مليون دولار (كحد أقصى). ^{[ 19 ] [ ج ]}

تبلغ كمية المادة المضادة اللازمة لمصدر طاقة ذي نواة موجهة للعبور إلى أقرب نجم ^{[ 16 ]} - بروكسيما سنتوري (على بُعد 4.2 سنة ضوئية ) ^{[ 21 ]} - حوالي 40 طنًا متريًا. ^{[ 16 ] [ د ]}

يمكن توجيه البيونات المشحونة بواسطة فوهة مغناطيسية ، مما ينتج عنه قوة دفع. هذا النوع من صواريخ المادة المضادة هو صاروخ بيوني أو ذو بنية نواة موجهة . ^{[ 5 ]}

تم اقتراح إفناء البوزيترونات أيضًا في مجال الصواريخ. ينتج عن إفناء البوزيترونات أشعة غاما فقط. افترضت المقترحات المبكرة لهذا النوع من الصواريخ، كتلك التي طورها يوجين سانجر ، استخدام مادة ما قادرة على عكس أشعة غاما، تُستخدم كشراع ضوئي أو درع مكافئ لتوليد قوة الدفع من تفاعل الإفناء، ولكن لا يوجد شكل معروف من المادة (المكونة من ذرات أو أيونات) يتفاعل مع أشعة غاما بطريقة تُمكّن من الانعكاس المنتظم. مع ذلك، يمكن نقل جزء من زخم أشعة غاما إلى المادة عن طريق تشتت كومبتون . ^{[ 28 ] [ 29 ]}

إحدى طرق الوصول إلى السرعات النسبية تستخدم صاروخًا ضوئيًا ليزريًا يعمل بأشعة غاما ذات طاقة جيجا إلكترون فولت، وهو ما أصبح ممكنًا بفضل تفريغ الضغط النسبي بين البروتون والبروتون المضاد، حيث يتم نقل ارتداد شعاع الليزر بواسطة تأثير موسباور إلى المركبة الفضائية. ^{[ 30 ]}

زعم باحثون من جامعة غوتنبرغ في السويد تطوير عملية إفناء جديدة. وقد شُيِّدت عدة مفاعلات إفناء خلال السنوات الماضية، سعت إلى تحويل الهيدروجين أو الديوتيريوم إلى جسيمات نسبية باستخدام الإفناء الليزري. وقد استكشفت هذه التقنية مجموعات بحثية بقيادة البروفيسور ليف هولمليد وسيندر زينر-غونديرسن، ويجري حاليًا بناء مفاعل ثالث للجسيمات النسبية في جامعة آيسلندا. نظريًا، يمكن أن تصل سرعة الجسيمات المنبعثة من عمليات إفناء الهيدروجين إلى 0.94 من سرعة الضوء، ويمكن استخدامها في دفع المركبات الفضائية. ^{[ 31 ]} ومع ذلك، فإن صحة بحث هولمليد محل جدل، ولم تخضع أي تطبيقات ناجحة منه لمراجعة الأقران أو التكرار. ^{[ 32 ]}

هذا نهج هجين يتم فيه استخدام البروتونات المضادة لتحفيز تفاعل الانشطار/الاندماج أو "زيادة" قوة دفع صاروخ الاندماج أو أي تطبيقات مماثلة.

يستخدم مفهوم صاروخ الاندماج بالقصور الذاتي (ICF) المدفوع بالبروتونات المضادة كرياتٍ لتفاعل الديوتيريوم-التريتيوم . تتكون الكرية من نصف كرة من مادة قابلة للانشطار، مثل اليورانيوم ^-235، مع وجود ثقب يُحقن من خلاله نبضة من البروتونات المضادة والبوزيترونات. ويُحيط بها نصف كرة من وقود الاندماج، مثل الديوتيريوم-التريتيوم، أو ديوتيريد الليثيوم. يحدث فناء البروتونات المضادة على سطح نصف الكرة، مما يؤدي إلى تأيين الوقود. تُسخّن هذه الأيونات لبّ الكرية إلى درجات حرارة الاندماج. ^{[ 33 ]}

يعتمد مفهوم الدفع الاندماجي بالقصور الذاتي المعزول مغناطيسيًا (MICF) المُشغَّل بمضادات البروتونات على مجال مغناطيسي ذاتي التوليد يعزل البلازما عن الغلاف المعدني الذي يحتويها أثناء الاحتراق. وقد قُدِّر عمر البلازما بأنه أكبر بمرتبتين من حيث الحجم من عمر الاندماج بالقصور الذاتي الناتج عن الانفجار الداخلي، وهو ما يتوافق مع زمن احتراق أطول، وبالتالي، مكسب أكبر. ^{[ 33 ]}

يعتمد مفهوم PB ¹¹ المُحفَّز بالمادة المضادة على استخدام البروتونات المضادة لإشعال تفاعلات PB ¹¹ في مخطط MICF. تُعدّ الخسائر الإشعاعية المفرطة عائقًا رئيسيًا أمام الإشعال، وتتطلب تعديل كثافة الجسيمات ودرجة حرارة البلازما لزيادة الكسب. وقد خُلص إلى أنه من الممكن تمامًا أن يحقق هذا النظام I _sp ~10 ⁵ s. ^{[ 34 ]}

تم تصور نهج مختلف لمشروع AIMStar، حيث يتم حقن قطرات صغيرة من وقود الاندماج في سحابة من البروتونات المضادة المحصورة في حجم صغير جدًا داخل مصيدة بنينغ التفاعلية . يحدث الإفناء على سطح سحابة البروتونات المضادة، مما يؤدي إلى إزالة 0.5% منها. كثافة الطاقة المنبعثة تُقارب كثافة طاقة ليزر بقوة 1 كيلوجول ومدة 1 نانوثانية، يُرسب طاقته على  هدف اندماج بالقصور الذاتي (ICF) بسمك 200 ميكرومتر. ^{[ 35 ]}

يستخدم مشروع ICAN -II مفهوم الانشطار الدقيق المحفز بالبروتون المضاد (ACMF) والذي يستخدم كريات بنسبة مولية 9:1 من DT:U ²³⁵ للدفع النبضي النووي . ^{[ 36 ]}

يُطلق على هذا النوع من صواريخ المادة المضادة اسم صاروخ المادة المضادة الحراري حيث يتم تسخير الطاقة أو الحرارة الناتجة عن الإبادة لإنشاء عادم من مادة أو وقود غير غريب.

تعتمد فكرة القلب الصلب على استخدام مضادات البروتونات لتسخين قلب معدني صلب عالي الوزن الذري ( Z ) ومقاوم للحرارة. يُضخ الوقود إلى القلب الساخن ويتمدد عبر فوهة لتوليد قوة الدفع. ويُعادل أداء هذه الفكرة تقريبًا أداء الصاروخ الحراري النووي (${\displaystyle I_{\text{sp}}}$(حوالي ^10³ ثانية) بسبب قيود درجة حرارة المادة الصلبة. ومع ذلك، فإن كفاءة تحويل طاقة المادة المضادة وكفاءة التسخين عالية عادةً بسبب قصر متوسط ​​المسار بين التصادمات مع ذرات النواة ( الكفاءة).${\displaystyle \eta _{e}}$(حوالي 85%). ^{[ 27 ]} اقتُرحت عدة طرق لمحرك المادة المضادة الحراري ذي الوقود السائل باستخدام أشعة غاما الناتجة عن إفناء البروتونات المضادة أو البوزيترونات. ^{[ 37 ] [ 38 ]} تشبه هذه الطرق تلك المقترحة للصواريخ الحرارية النووية . إحدى الطرق المقترحة هي استخدام أشعة غاما الناتجة عن إفناء البوزيترونات لتسخين قلب المحرك الصلب. يُمرر غاز الهيدروجين عبر هذا القلب، ويُسخن، ثم يُطرد من فوهة الصاروخ . يستخدم نوع ثانٍ من المحركات المقترحة إفناء البوزيترونات داخل كريات الرصاص الصلبة أو داخل غاز الزينون المضغوط لإنتاج سحابة من الغاز الساخن، والتي بدورها تُسخن طبقة محيطة من غاز الهيدروجين. اعتُبر التسخين المباشر للهيدروجين بواسطة أشعة غاما غير عملي، نظرًا لصعوبة ضغط كمية كافية منه داخل محرك ذي حجم معقول لامتصاص أشعة غاما. يستخدم نوع ثالث من المحركات المقترحة أشعة غاما الناتجة عن الإفناء لتسخين شراع قابل للتآكل، حيث توفر المادة المتآكلة قوة الدفع. كما هو الحال مع الصواريخ الحرارية النووية، فإن الدفع النوعي الذي يمكن تحقيقه بهذه الطرق محدود باعتبارات المواد، وعادة ما يكون في نطاق 1000-2000 ثانية. ^{[ 39 ]}

يستبدل نظام اللب الغازي المادة الصلبة ذات نقطة الانصهار المنخفضة بغاز ذي درجة حرارة عالية (مثل غاز/بلازما التنجستن)، مما يسمح بدرجات حرارة تشغيل وأداء أعلى.${\displaystyle I_{\text{sp}}}$(حوالي 2 × 10³ ^ثانية ). ومع ذلك، فإن طول المسار الحر المتوسط ​​اللازم للتوازن الحراري والامتصاص يؤدي إلى انخفاض كبير في كفاءة تحويل الطاقة (${\displaystyle \eta _{e}}$(حوالي 35%). ^{[ 27 ]}

يسمح لب البلازما بتأين الغاز والعمل عند درجات حرارة فعالة أعلى. ويتم كبح فقدان الحرارة عن طريق الحصر المغناطيسي في غرفة التفاعل والفوهة. على الرغم من أن الأداء عالٍ للغاية (${\displaystyle I_{\text{sp}}}$(حوالي ^10⁴ - ^10⁵ ثانية)، يؤدي متوسط ​​المسار الحر الطويل إلى انخفاض كبير في استهلاك الطاقة (${\displaystyle \eta _{e}}$~ 10%). ^{[ 27 ]}

الحزمة : 100% من الكتلة = طاقة، مع تقدير أن 70% فقط متاحة. ^{[ 42 ]} إفناء البروتون - البروتون المضاد ( إفناء p p ): الطاقة المُقدَّرة القابلة للاستخدام لكل مرحلة من مراحل الإنتاج هي ثلاثة أنواع من المنتجات: البيون ، 40% من الطاقة الناتجة عن الإفناء الأولي في هذه المرحلة قابلة للاستخدام، الميون 31%، البوزيترون - الإلكترون 16% . ^{[ 43 ]} ليست هذه العملية فعالة تمامًا؛ إذ تُفقد الطاقة على شكل كتلة سكون للبيونات المشحونة (22.3%) وغير المشحونة (14.38%)، وتُفقد أيضًا على شكل طاقة حركية للبيونات غير المشحونة (التي لا يمكن تحويل مسارها لتوليد الدفع)، وتُفقد كذلك على شكل نيوترينوات وأشعة غاما (انظر المادة المضادة كوقود ). ^{[ 5 ]}

الانشطار النووي : (باستخدام اليورانيوم ) ينتج عن التفاعل طاقة بنسبة 0.1% من الكتلة. ^{[ 44 ]} ويبلغ إنتاج النيوترونات المضادة للبروتونات المحفزة ستة أضعاف إنتاج العملية التقليدية. ^{[ 25 ]}

شعاع

كين وآخرون 2012: محاكاة مونت كارلو باستخدام Geant4 : v _e ~ 0.69 c . ^{[ 45 ]} I _sp ^{[ g ]} هو 2.8 × 10 ⁷ ثانية (ث) ^{[ 43 ] [ h ]}

النبضة النووية ^{[ 47 ]}

شميدت وآخرون 1999: ^{[ 18 ] [ 47 ]} 13600 - 67000 ثانية I _sp ^{[ 47 ]}