Computerabbildung eines potenziellen Antimaterie-Laufwerks. Bildnachweis: Positronics Research LLC. Klicken um zu vergrößern.
Wir alle haben das Spiel als Kinder gespielt - bei einem „Sprung“ hockte ein Kind auf allen Vieren, während ein zweites Kind seine Hände auf die Schultern des ersten legte. Gegen die Schwerkraft gestützt, beugt sich das stehende Kind tief an den Beinen und stößt dann nach oben und über die Oberseite des ersten. Das Ergebnis? Das zweite Kind hockt jetzt und der weitere froschartige Sprung folgt der Reihe nach. Nicht der effizienteste Weg zum Schaukelset - aber viel Spaß in der richtigen Gesellschaft!
Das Überspringen ist jedoch nicht dasselbe wie das Bootstrapping. Beim Bootstrapping biegt sich ein Einzelspieler und greift nach den Lederschlaufen an der Außenseite beider Stiefel. Der Spieler macht dann eine enorme Anstrengung mit den Armen nach oben. Das Überspringen funktioniert - Bootstrapping funktioniert nicht, es kann nur nicht ohne Hüpfen durchgeführt werden - eine ganz andere Sache.
Das NASA-Institut für fortgeschrittene Konzepte (NIAC) glaubt an das Überspringen - nicht auf dem Spielplatz, sondern in der Luft- und Raumfahrt. Auf der Website des Instituts heißt es: „NIAC ermutigt Antragsteller, Jahrzehnte in die Zukunft zu denken, um Konzepte zu verfolgen, die die Entwicklung aktueller Luft- und Raumfahrtsysteme„ überspringen “.“ NIAC sucht nach ein paar guten Ideen und ist bereit, sie mit sechsmonatigen Startkapitalzuschüssen zu unterstützen, um die Machbarkeit zu testen, bevor ernsthafte Forschungs- und Entwicklungsgelder - erhältlich von der NASA und anderswo - vergeben werden. Hoffentlich dürfen solche Samen keimen und werden durch zukünftige Investitionen zur Reife gebracht.
NIAC möchte jedoch das Überspringen vom Bootstrapping trennen. Das eine funktioniert und das andere macht überhaupt keinen Sinn. Laut NIAC könnte der Positronenantrieb zu einem riesigen Sprung nach vorne führen, wenn wir uns durch das Sonnensystem und darüber hinaus bewegen. Es gibt wahrscheinlich kein Bootstrapping.
Betrachten Sie den Positronenspiegel-Zwilling der elektronenähnlichen menschlichen Zwillinge, eine sehr seltene Sache. Im Gegensatz zu menschlichen Zwillingen ist es unwahrscheinlich, dass ein Positron den Geburtsprozess überlebt. Warum? Weil Positronen und ihre Geschwister - Elektronen - sich unwiderstehlich finden und sich in einem Ausbruch weicher Gammastrahlen schnell vernichten. Dieser Ausbruch kann jedoch unter kontrollierten Umständen in jede Form von „Arbeit“ umgewandelt werden, die Sie möglicherweise ausführen möchten.
Benötigen Sie Licht? Mischen Sie ein Positron und ein Elektron und bestrahlen Sie dann ein Gas bis zur Glühbirne. Benötigen Sie Strom? Mischen Sie ein weiteres Paar und bestrahlen Sie einen Metallstreifen. Benötigen Sie Schub? Schießen Sie diese Gammastrahlen in ein Treibmittel, erhitzen Sie es auf ungewöhnlich hohe Temperaturen und drücken Sie das Treibmittel aus der Rückseite der Rakete. Oder schießen Sie diese Gammastrahlen in einem Luftstrom in Wolframplatten, erhitzen Sie diese Luft und werfen Sie sie aus dem Heck eines Flugzeugs.
Stellen Sie sich vor, Sie hätten einen Vorrat an Positronen - was könnten Sie damit machen? Laut Gerald A. Smith, Principle Investigator für Positronics Research, LLC in Sante Fe, New Mexico, kann man fast überall hingehen: „Die Energiedichte von Antimaterie ist zehn Größenordnungen größer als die chemische und drei Größenordnungen größer als die Kernspaltung oder Fusionsenergie. "
Und was bedeutet das für den Antrieb? "Weniger Gewicht, weit, weit, weit weniger Gewicht."
Unter Verwendung chemischer Antriebssysteme wurden 55 Prozent des Gewichts der Huygens-Cassini-Sonde, die zur Erforschung des Saturn geschickt wurde, in den Kraftstoff- und Oxidationsmitteltanks der Sonde gefunden. Um die Sonden mit einem Gewicht von 5650 kg über die Erde hinaus zu schleudern, war eine Trägerrakete erforderlich, die etwa das 180-fache des Gewichts von Cassini-Huygens (1.032.350 kg) betrug.
Allein unter Verwendung von Dr. Smiths Zahlen - und nur unter Berücksichtigung des Manövrierschubs, der für Cassini-Huygens unter Verwendung der Positronenelektronenvernichtung erforderlich ist - könnten die 3100 kg chemisches Treibmittel, die die ursprüngliche Sonde von 1997 belasten, auf nur 310 Mikrogramm Elektronen und Positronen reduziert werden - weniger Materie als das, was in einem einzelnen zerstäubten Tropfen Morgennebel gefunden wurde. Und mit dieser Massenreduzierung könnte das Gesamtstartgewicht von Canaveral bis Saturn leicht um den Faktor zwei reduziert werden.
Aber die Vernichtung von Positronenelektronen ist wie viel Luft, aber absolut kein Benzin? Ihr Auto kommt mit Sauerstoff allein nicht weit. Elektronen sind überall, während Positronen auf der Erde natürlich nicht verfügbar sind. Tatsächlich finden sie dort, wo sie auftreten - in der Nähe von Ereignishorizonten des Schwarzen Lochs oder für kurze Zeit, nachdem hochenergetische Partikel in die Erdatmosphäre eingedrungen sind - bald eines dieser allgegenwärtigen Elektronen und werden photonisch. Aus diesem Grund müssen Sie Ihre eigenen machen.
Geben Sie den Teilchenbeschleuniger ein
Unternehmen wie Positronics Research unter der Leitung von Dr. Smith arbeiten an Technologien für die Verwendung von Teilchenbeschleunigern - wie dem Stanford Linear Accelerator (SLAC) im kalifornischen Menlo Park. Teilchenbeschleuniger erzeugen Positronen unter Verwendung von Elektronen-Positronenpaar-Produktionstechniken. Dies geschieht durch Zerschlagen eines relativistisch beschleunigten Elektronenstrahls in ein dichtes Wolframtarget. Der Elektronenstrahl wird dann in hochenergetische Photonen umgewandelt, die sich durch das Wolfram bewegen und sich in angepasste Sätze von Elektronen und Positronen verwandeln. Das Problem, bevor Dr. Smith und andere Positronen herstellen, ist einfacher als sie effektiv einzufangen, zu lagern, zu transportieren und effektiv zu verwenden.
Während der Paarproduktion ist alles, was Sie wirklich getan haben, eine Menge erdgebundener Energie in extrem kleine Mengen hochflüchtigen - aber extrem leichten - Kraftstoffs zu packen. Dieser Prozess selbst ist äußerst ineffizient und bringt große technische Herausforderungen mit sich, die mit der Ansammlung von genügend Antiteilchen verbunden sind, um ein Raumschiff anzutreiben, das in der Lage ist, mit Geschwindigkeiten ins Große Jenseits zu reisen, was eine große Raumsonde - und eine menschliche Raumfahrt - ermöglicht. Wie wird sich das alles voraussichtlich entwickeln?
Dr. Smith zufolge „haben Physiker seit vielen Jahren Positronen aus den Wolframtargets herausgedrückt, indem sie die Positronen mit Materie kollidierten und sie um etwa tausend verlangsamten, um sie in hochauflösenden Mikroskopen zu verwenden. Dieser Prozess ist schrecklich ineffizient; Nur ein Millionstel der Positronen überlebt. Für die Raumfahrt müssen wir die Effizienz der Verlangsamung um mindestens den Faktor tausend erhöhen. Nach vier Jahren harter Arbeit mit elektromagnetischen Fallen in unseren Labors bereiten wir uns darauf vor, in den nächsten Jahren fünf Billionen Positronen pro Sekunde einzufangen und abzukühlen. Unsere langfristigen Ziele sind fünf Billiarden Positronen pro Sekunde. Mit dieser Geschwindigkeit könnten wir innerhalb weniger Stunden unseren ersten Flug mit Positronen in den Weltraum tanken. “
Zwar benötigt ein Positronenvernichtungsmotor auch Treibmittel (typischerweise in Form von komprimiertem Wasserstoffgas), doch wird die Treibmittelmenge selbst auf fast 10 Prozent der Menge reduziert, die eine herkömmliche Rakete benötigt - da für die Reaktion kein Oxidationsmittel benötigt wird mit dem Kraftstoff. In der Zwischenzeit können zukünftige Fahrzeuge möglicherweise tatsächlich Treibmittel aus dem Sonnenwind und dem interstellaren Medium schöpfen. Dies sollte auch zu einer signifikanten Verringerung des Startgewichts eines solchen Raumfahrzeugs führen.
Geschrieben von Jeff Barbour
