17.07.2012

Процесс извлечения антивещества из вакуума может решить проблему межзвёздных перелётов

Недавно в рамках проекта Icarus Interstellar, ставящего своей целью создание к 2012 году реализуемого концепта межзвёздного корабля, появилось несколько публикаций, касающихся возможности разработки аппарата, развивающего субсветовую скорость на основе реактивного импульса, получаемого при аннигиляции антивещества, пишет Journal of the British Interplanetary Society.

Причём впервые был предложен относительно реалистичный и эффективный способ генерации антивещества прямо на борту корабля с использованием одного лишь вакуума, а точнее, его поляризации.

Как известно, дальше всех улетевший от Земли предмет, сделанный человеком, — это «Вояджер-1», запущенный в 1977 году и удаляющийся от нас со скоростью 16 км/с. Такой неспешной поступью он добрался бы до ближайшей звезды через 70 тыс. лет. Несколько непрактично, не находите? Но каковы альтернативы?

НАСА, например, разрабатывает Solar Probe («Солнечный зонд»), который после серии гравитационных манёвров направится к звезде с рекордной скоростью чуть более 200 км/с. Такой зонд мог бы долететь до ближайшей звезды всего за 6 450 лет. В общем, уравнение Циолковского в действии, то есть космические путешествия на нужной скорости не только недостижимы, но и непредставимы?

Не совсем так. Теоретически выходом из проблемы могло бы стать использование сaмого энергоёмкого из известных человечеству энергоносителей — антиматерии. Именно её Icarus Interstellar и предлагает использовать в «Межзвёздной исследовательской ракетной системе на основе получения антиматерии из вакуума» (Vacuum to Antimatter-Rocket Interstellar Explorer System, VARIES). Проблема лишь в том, что во всём мире за год вырабатывается всего 10 нг антивещества, и о налаженной технологии такого производства пока говорить не приходится (антиматерия получается как побочный продукт работы крупных ускорителей). Впрочем, создание ловушек для удержания антивещества идёт весьма успешно: в 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать атомы антивещества в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе—Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 мс. А уже в мае 2011-го результаты удалось значительно улучшить, захватив 309 антипротонов, которые удерживались 1 000 с.

Несмотря на проблемы с производством антивещества, надежда на использование такого вида топлива для межзвёздного корабля пока жива. Ведь есть ещё рождение электрон-позитронных пар, предсказанное Дж. С. Швингером около полувека назад, и оно действительно соблазняет нас мыслью о том, что дело межзвёздных перелётов не так безнадёжно. Поясним: при достижении определённой плотности электрического поля наступает так называемая швингеровская интенсивность — состояние, при котором швингеровский лимит превышен и электрон-позитронные пары появляются непосредственно из вакуума, самого доступного ресурса открытого космоса.

Короткое отступление. В отличие от теоретического вакуума — абсолютной пустоты, — реальный вакуум пуст лишь условно. Сколько ни откачивай атомы и прочее из замкнутого пространства, в силу принципа неопределённости Гейзенберга в нём всегда смогут существовать виртуальные частицы, в том числе заряженные частицы в паре со своей античастицей (петля на диаграмме Фейнмана). Такая петля (и пара частица—античастицы) может существовать лишь исчезающе короткое время, в пределах квантовой неопределённости. Но если на вакуум воздействует внешнее поле, то за счёт его (такого поля) энергии возможно рождение реальных пар частиц—античастиц. При их аннигиляции может выделяться существенное количество энергии, предположительно, не превосходящее энергию, затраченную на приложение внешнего поля к вакууму. Именно этот процесс разработчики концепции VARIES и называют Vacuum to Antimatter (получение антиматерии из вакуума).

Для достижения такой интенсивности нужны относительно мощные аттосекундные (одна квинтиллионная доля секунды) лазерные импульсы, очень близкие по своим параметрам к тем, что мы имеем сегодня. А ведь показатели лазерных сверхкоротких импульсов сейчас постоянно растут. Как обоснованно предполагают авторы соответствующего исследования, работающие по проекту Icarus Interstellar, достижение швингеровской интенсивности — вопрос буквально ближайших лет.

Такое рождение реальных частиц из вакуума не нарушает закона сохранения энергии, поскольку происходит за счёт энергии электрического поля, то есть антиматерия всё равно потребует для своего производства энергии, и много (хотя и куда меньше, чем сегодня). При получении антивещества при помощи такого энергетического поля затраты должны примерно равняться энергоёмкости добываемого антивещества, что значительно лучше сегодняшних показателей (1 г позитронов теоретически стоит около $25 млрд).

Смысл такого подхода к снабжению топливом космического корабля ясен: масса возимого топлива мала, ведь оно добывается в ходе полёта. Учитывая, что в любом другом проекте (кроме солнечного/микроволнового паруса) масса топлива будет составлять более 90% общей массы корабля, подобный подход даст радикальную экономию ресурсов. Другой момент: высочайшая плотность энергии в антивеществе (при аннигиляции одного килограмма выделяется энергии, как при сорокамегатонном термоядерном взрыве) позволяет разогнать космический корабль до субсветовых скоростей, в то время как все расчёты по термоядерному двигателю, например, показывают, что даже для достижения несущим его космическим кораблём 12% от скорости света масса последнего из-за огромной потребности в расходуемом топливе должна превысить 50 тыс. тонн.

Но, спросит читатель, ведь и VARIES придётся нести с собой топливо, иначе откуда взяться энергии для электрического поля швингеровской интенсивности? Вообще говоря, это не обязательно. Снабжение энергией при разгоне VARIES возможно за счёт лазерных импульсов со спутников на околоземной орбите, ну а при торможении у звезды-цели (и разгоне от неё к Земле, если он понадобится) энергия может быть получена за счёт развёртывания огромных солнечных батарей. Однако более эффективным вариантом представляется накопление на корабле частиц антиматерии ещё при отправке из Солнечной системы, пока энергоснабжение от лазерных импульсов не потеряно: это позволит оставить дома тяжёлые солнечные батареи километровых размеров.

Разумеется, реализация проекта столкнётся с массой технических трудностей, и тем не менее нельзя не отметить, что перед нами первая (и теоретически вполне здравая) инициатива такого рода, не имеющая принципиально непреодолимых проблем.

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА