Computerillustratie van een potentiële antimateriedrijving. Afbeelding tegoed: Positronics Research LLC. Klik om te vergroten.
We speelden allemaal het spel als kinderen - "haasje-over" betrof een kind dat op handen en voeten hurkte, terwijl een seconde hun handen op de schouders van de eerste legde. Het staande kind zet zich schrap tegen de zwaartekracht en buigt diep naar de benen en duwt dan omhoog en over de bovenkant van de eerste. Het resultaat? Het tweede kind hurkt nu en de andere kikkerachtige sprong volgt op zijn beurt. Niet de meest efficiënte manier om bij de schommel te komen, maar wel heel leuk in het juiste gezelschap!
Leapfrogging is echter niet hetzelfde als ‘bootstrapping’. Tijdens het bootstrappen buigt een enkele speler en grijpt de leren lussen aan de buitenkant van beide laarzen. De speler doet dan een enorme inspanning opwaarts met de armen. Leapfrogging werkt - bootstrapping niet, het kan gewoon niet zonder hoppen - iets heel anders.
Het NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) gelooft in haasje-springen - niet niet op de speelplaats maar in de ruimtevaart. Van de eigen website van het instituut: "NIAC moedigt indieners aan om decennia in de toekomst na te denken op zoek naar concepten die de evolutie van de huidige lucht- en ruimtevaartsystemen zullen overslaan." NIAC is op zoek naar een paar goede ideeën en is bereid om hen te steunen met zes maanden durende zaadbeurzen om de haalbaarheid te testen voordat serieuze onderzoeks- en ontwikkelingsfondsen - beschikbaar bij NASA en elders - worden toegewezen. Hopelijk mogen dergelijke zaden ontkiemen en zullen toekomstige investeringen ze tot volwassenheid brengen.
NIAC wil echter sprongkikkers scheiden van bootstrapping. Het ene werkt en het andere slaat helemaal nergens op. Volgens NIAC kan de positronaandrijving leiden tot een enorme sprong voorwaarts in de manier waarop we door het zonnestelsel en daarbuiten reizen. Er is waarschijnlijk geen bootstrapping over.
Beschouw de positron - spiegel-tweeling van het elektron - als een menselijke tweeling, een zeer zeldzaam iets. In tegenstelling tot een menselijke tweeling, is het onwaarschijnlijk dat een positron het geboorteproces overleeft. Waarom? Omdat positronen en hun broers en zussen - elektronen - elkaar onweerstaanbaar vinden en snel vernietigen in een uitbarsting van zachte gammastralen. Maar die uitbarsting kan onder gecontroleerde omstandigheden worden omgezet in elke vorm van ‘werk’ die u misschien wilt doen.
Licht nodig? Meng een positron en een elektron en bestraal vervolgens een gas om te gloeien. Elektriciteit nodig? Meng nog een paar en bestraal een metalen strip. Stuwkracht nodig? Schiet die gammastralen in een drijfgas, verwarm het tot buitengewoon hoge temperaturen en duw het drijfgas uit de achterkant van de raket. Of schiet die gammastralen in wolfraamplaten in een luchtstroom, verwarm die lucht en gooi het uit de achterkant van een vliegtuig.
Stel je voor dat je een voorraad positronen hebt - wat zou je ermee kunnen doen? Volgens Gerald A. Smith, Principle Investigator for Positronics Research, LLC van Sante Fe, New Mexico, kun je bijna overal heen, 'de energiedichtheid van antimaterie is tien ordes van grootte groter dan chemisch en drie ordes van grootte groter dan kernsplijting of fusie-energie. '
En wat betekent dit in termen van voortstuwing? "Minder gewicht, veel, veel, veel minder gewicht."
Met behulp van chemisch aangedreven voortstuwingssystemen werd 55 procent van het gewicht van de Huygens-Cassini-sonde die werd gestuurd om Saturnus te verkennen, gevonden in de brandstof- en oxidatietanks van de sonde. Ondertussen, om de sondes 5650 kg gewicht buiten de aarde te werpen, was een lanceervoertuig nodig dat ongeveer 180 keer zo zwaar was als de volledig gevulde Cassini-Huygens zelf (1.032.350 kg).
Door alleen de cijfers van Dr. Smith te gebruiken - en alleen rekening houdend met de manoeuvreerstuwkracht die vereist is voor Cassini-Huygens die positron-elektronenvernietiging gebruikt, zou de 3100 kg chemisch drijfgas dat de oorspronkelijke sonde van 1997 belastte, kunnen worden teruggebracht tot slechts 310 microgram elektronen en positronen - minder materie dan die in een enkele verstoven druppel ochtendmist. En met deze massavermindering zou het totale lanceergewicht van Canaveral tot Saturnus gemakkelijk met een factor twee kunnen worden verlaagd.
Maar positron-elektronenvernietiging is alsof je veel lucht hebt, maar absoluut geen benzine? uw auto komt niet ver met alleen zuurstof. Elektronen zijn overal, terwijl positronen niet van nature beschikbaar zijn op aarde. Waar ze zich ook voordoen - in de buurt van de horizon van een zwart gat of voor korte tijd nadat hoogenergetische deeltjes de atmosfeer van de aarde zijn binnengekomen - vinden ze al snel een van die alomtegenwoordige elektronen en worden fotonisch. Om deze reden moet je er zelf een maken.
Ga de deeltjesversneller binnen
Bedrijven zoals Positronics Research, onder leiding van Dr. Smith, werken aan technologieën die inherent zijn aan het gebruik van deeltjesversnellers - zoals de Stanford Linear Accelerator (SLAC) in Menlo Park, Californië. Deeltjesversnellers creëren positronen met behulp van elektron-positronpaarproductietechnieken. Dit wordt gedaan door een relativistisch versnelde elektronenbundel in een dicht wolfraamdoel te slaan. De elektronenbundel wordt vervolgens omgezet in fotonen met hoge energie die door het wolfraam bewegen en veranderen in bij elkaar passende sets elektronen en positronen. Het probleem voordat Dr. Smith en anderen positronen creëren, is gemakkelijker dan ze op te vangen, op te slaan, te vervoeren en effectief te gebruiken.
Ondertussen, tijdens de paarproductie, is alles wat je echt hebt gedaan een heleboel aardgebonden energie verpakt in extreem kleine hoeveelheden zeer vluchtige - maar extreem lichte - brandstof. Dat proces zelf is buitengewoon inefficiënt en brengt grote technische uitdagingen met zich mee die verband houden met het verzamelen van voldoende anti-deeltjes om een ruimtevaartuig aan te drijven dat in staat is om met grote snelheden de Grote Beyond in te reizen, waardoor een grote ruimtesonde - en menselijke ruimtevaart - mogelijk wordt. Hoe gaat dit allemaal spelen?
Dr. Smith zegt: “Fysici hebben jarenlang positronen uit de wolfraamdoelen geperst door de positronen met materie in botsing te brengen, waardoor ze met ongeveer een duizendtal vertragen om te gebruiken in microscopen met een hoge resolutie. Dit proces is vreselijk inefficiënt; slechts een miljoenste van de positronen overleeft. Voor ruimtevaart moeten we de vertragingsrendement met minstens een factor duizend verhogen. Na vier jaar hard werken met elektromagnetische vallen in onze laboratoria, bereiden we ons voor om de komende jaren vijf biljoen positronen per seconde vast te leggen en te koelen. Onze langetermijndoelen zijn vijf quad-biljoen positronen per seconde. In dit tempo zouden we binnen een paar uur tijd kunnen tanken voor onze eerste door positron aangedreven vlucht de ruimte in. ”
Hoewel het waar is dat een positron-vernietigingsmotor ook drijfgas nodig heeft (meestal in de vorm van gecomprimeerd waterstofgas), wordt de hoeveelheid drijfgas zelf teruggebracht tot bijna 10 procent van die vereist door een conventionele raket - aangezien er geen oxidator nodig is om te reageren met de brandstof. Ondertussen kunnen toekomstige vaartuigen daadwerkelijk drijfgas opscheppen uit de zonnewind en het interstellaire medium. Dit zou ook moeten leiden tot een aanzienlijke vermindering van het lanceergewicht van dergelijke ruimtevaartuigen.
Geschreven door Jeff Barbour
