Als je een krachtig ruimteschip wilt bouwen, is er niets beter dan antimaterie. NASA's Institute for Advanced Concepts financiert een team van onderzoekers om te proberen een door antimaterie aangedreven ruimtevaartuig te ontwerpen dat sommige van die problemen zou kunnen voorkomen.
De meeste zichzelf respecterende sterrenschepen in sciencefictionverhalen gebruiken om een goede reden antimaterie als brandstof - het is de krachtigste brandstof die we kennen. Hoewel tonnen chemische brandstof nodig zijn om een menselijke missie naar Mars te stuwen, volstaan slechts tientallen milligram antimaterie (een milligram is ongeveer een duizendste van het gewicht van een stuk van het originele M & M-snoepje).
In werkelijkheid heeft deze kracht echter een prijs. Sommige antimaterie-reacties produceren explosies van gammastralen met hoge energie. Gammastralen zijn als röntgenstralen op steroïden. Ze dringen materie binnen en breken moleculen in cellen uit elkaar, dus ze zijn niet gezond om in de buurt te zijn. Hoogenergetische gammastralen kunnen de motoren ook radioactief maken door atomen van het motormateriaal te versnipperen.
Het NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) financiert een team van onderzoekers dat werkt aan een nieuw ontwerp voor een door antimaterie aangedreven ruimteschip dat deze nare bijwerking vermijdt door gammastraling met veel lagere energie te produceren.
Antimaterie wordt soms het spiegelbeeld van normale materie genoemd, omdat sommige eigenschappen, hoewel het er net zo uitziet als gewone materie, worden omgekeerd. Zo hebben normale elektronen, de bekende deeltjes die overal stroom in voeren, van mobiele telefoons tot plasma-tv's, een negatieve elektrische lading. Anti-elektronen hebben een positieve lading, dus wetenschappers noemden ze 'positronen'.
Wanneer antimaterie de materie ontmoet, vernietigen beide in een flits van energie. Deze volledige conversie naar energie maakt antimaterie zo krachtig. Zelfs de nucleaire reacties die atoombommen aandrijven, komen in een verre seconde, met slechts ongeveer drie procent van hun massa omgezet in energie.
Eerdere door antimaterie aangedreven ruimteschipontwerpen maakten gebruik van antiprotonen, die hoogenergetische gammastraling produceren wanneer ze vernietigd worden. Het nieuwe ontwerp zal positronen gebruiken, die gammastraling maken met ongeveer 400 keer minder energie.
Het NIAC-onderzoek is een voorstudie om te zien of het idee haalbaar is. Als het er veelbelovend uitziet en er geld beschikbaar is om de technologie met succes te ontwikkelen, zou een positronaangedreven ruimteschip een aantal voordelen hebben ten opzichte van de bestaande plannen voor een menselijke missie naar Mars, de Mars Reference Mission.
"Het belangrijkste voordeel is meer veiligheid", zegt Dr. Gerald Smith van Positronics Research, LLC in Santa Fe, New Mexico. De huidige referentiemissie vraagt om een kernreactor om het ruimteschip naar Mars te stuwen. Dit is wenselijk omdat nucleaire voortstuwing de reistijd naar Mars verkort en de veiligheid voor de bemanning vergroot door hun blootstelling aan kosmische straling te verminderen. Bovendien weegt een chemisch aangedreven ruimtevaartuig veel meer en kost het veel meer om te lanceren. De reactor levert ook voldoende stroom voor de driejarige missie. Maar kernreactoren zijn complex, dus tijdens de missie kunnen er mogelijk meer dingen fout gaan. "De positronreactor biedt echter dezelfde voordelen, maar is relatief eenvoudig", zegt Smith, hoofdonderzoeker voor de NIAC-studie.
Ook zijn kernreactoren radioactief, zelfs nadat hun brandstof is opgebruikt. Nadat het schip op Mars is aangekomen, is het de bedoeling van de Reference Mission om de reactor in een baan te leiden die de aarde minstens een miljoen jaar niet zal tegenkomen, wanneer de resterende straling tot een veilig niveau zal worden teruggebracht. Er is echter geen overgebleven straling in een positronreactor nadat de brandstof is opgebruikt, dus er is geen veiligheidsprobleem als de gebruikte positronreactor per ongeluk de atmosfeer van de aarde opnieuw zou binnendringen, aldus het team.
Het zal ook veiliger zijn om te starten. Als een raket met een kernreactor explodeert, kan deze radioactieve deeltjes in de atmosfeer afgeven. “Ons positron-ruimtevaartuig zou een flits van gammastralen afgeven als het explodeerde, maar de gammastralen zouden in een oogwenk verdwijnen. Er zouden geen radioactieve deeltjes op de wind drijven. De flitser zou ook beperkt zijn tot een relatief klein gebied. De gevarenzone zou ongeveer een kilometer (ongeveer een halve mijl) rond het ruimtevaartuig zijn. Een gewone grote chemisch aangedreven raket heeft een gevarenzone van ongeveer dezelfde grootte, vanwege de grote vuurbal die het gevolg zou zijn van zijn explosie, 'zei Smith.
Een ander belangrijk voordeel is snelheid. Het ruimtevaartuig Reference Mission zou astronauten in ongeveer 180 dagen naar Mars brengen. "Onze geavanceerde ontwerpen, zoals de gaskern en de ablatieve motorconcepten, zouden astronauten in de helft van die tijd en misschien zelfs in slechts 45 dagen naar Mars kunnen brengen", zegt Kirby Meyer, een ingenieur bij Positronics Research over het onderzoek.
Geavanceerde motoren doen dit door warm te lopen, wat hun efficiëntie of "specifieke impuls" (Isp) verhoogt. Isp is de "mijl per gallon" van raketwerk: hoe hoger de Isp, hoe sneller je kunt gaan voordat je je brandstofvoorraad opgebruikt. De beste chemische raketten, zoals NASA's Space Shuttle-hoofdmotor, halen een maximum van ongeveer 450 seconden, wat betekent dat een pond brandstof gedurende 450 seconden een pond stuwkracht produceert. Een nucleaire of positronreactor kan meer dan 900 seconden maken. De ablatieve motor, die zichzelf langzaam verdampt om stuwkracht te produceren, kan oplopen tot 5.000 seconden.
Een technische uitdaging om van een positron-ruimtevaartuig een realiteit te maken, zijn de kosten om de positronen te produceren. Vanwege het spectaculaire effect op de normale materie zit er niet veel antimaterie rond. In de ruimte ontstaat het bij botsingen van hogesnelheidsdeeltjes die kosmische straling worden genoemd. Op aarde moet het worden gemaakt in deeltjesversnellers, enorme machines die atomen tegen elkaar slaan. De machines worden normaal gesproken gebruikt om te ontdekken hoe het universum werkt op een diep, fundamenteel niveau, maar ze kunnen worden aangewend als antimateriefabrieken.
"Een ruwe schatting om de 10 milligram positronen te produceren die nodig zijn voor een menselijke Mars-missie is ongeveer 250 miljoen dollar met behulp van technologie die momenteel in ontwikkeling is", aldus Smith. Deze kosten lijken misschien hoog, maar het moet worden afgewogen tegen de extra kosten om een zwaardere chemische raket te lanceren (de huidige lanceringskosten zijn ongeveer $ 10.000 per pond) of de kosten om te tanken en een kernreactor veilig te stellen. "Op basis van de ervaring met nucleaire technologie lijkt het redelijk om te verwachten dat de productiekosten van positron zullen dalen met meer onderzoek", voegt Smith toe.
Een andere uitdaging is het opslaan van voldoende positronen in een kleine ruimte. Omdat ze normale materie vernietigen, kun je ze niet zomaar in een fles stoppen. In plaats daarvan moeten ze worden ingesloten door elektrische en magnetische velden. "We zijn ervan overtuigd dat deze uitdagingen met een speciaal onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma kunnen worden overwonnen", aldus Smith.
Als dit zo is, zullen misschien de eerste mensen die Mars bereiken, in ruimteschepen aankomen die worden aangedreven door dezelfde bron die ruimteschepen afvuurde in de universa van onze sciencefictiondromen.
Oorspronkelijke bron: NASA News Release
