 |
 |
So štvrtou časťou prichádza aj celkom zaujímavá téma – a tou sú pohony využívajúce anihiláciu resp. antihmotu. Že to nemusí byť len témou hard SF diel, svedčia aj nasledujúce riadky…
Anihilační pohon
Anihilace hmoty a antihmoty je nejenergičtější reakce, která existuje. Při srážce antičástice s normální částicí stejného druhu dojde okamžitě k jejich spontánní anihilaci, při které obě částice zaniknou a uvolní se nesmírné množství energie – veškerá hmota těchto dvou částic (tedy částice a antičástice) je přeměněna na energii. Antihmota je svým způsobem zrcadlovým obrazem hmoty. Každá antičástice, ať už antiproton, positron (tzn. antielektron), či antineutron, má stejnou hmotnost, spin a dobu života jako její „normální“ sourozenec, ale opačný elektrický náboj a některé další kvantové vlastnosti. Při chemických reakcích se může z jednoho kilogramu hmoty uvolnit maximálně 107 J, při štěpných jaderných reakcích maximálně 8×1013 J a při termonukleární fůzi maximálně 3×1014 J. Naproti tomu při anihilaci dojde k uvolnění veškeré energie z hmoty – tedy 9E16 (9×1016) J z jednoho kilogramu (dáno Einsteinovou rovnicí E=mc2), což je nesrovnatelně více i v porovnání s termonukleární fůzí. Navíc k „zapálení“ a udržení řízené termonukleární fůze je potřeba nesmírně složitých a rozměrných reaktorů, kdyžto anihilace probíhá sama od sebe – stačí smíchat hmotu s antihmotou a okamžitě dojde k jejich anihilaci. Vzhledem k těmto nesporným výhodám mají pohonné koncepty založené na anihilaci hmoty a antihmoty potenciál stát se nejlepším řešením pro budoucnost.
Proč tedy není anihilace využíváno všude, kde by to bylo i třeba jen trochu možné – od elektráren až po vesmírné pohonné systémy, když by to přinášelo takové výhody? Největším problémem je, že výroba antihmoty je nesmírně technologicky náročná, neefektivní, pomalá a drahá. Antihmota může být vyráběna jen v obrovských urychlovačích (jako např. v CERNu v Ženevě nebo ve FermiLabu v USA). Přitom k vyrobení antihmoty (antiprotonů) v takovém množství, aby se z nich anihilací uvolnila 1 jednotka energie, je výrobním procesem spotřebováno 109 jednotek energie. To je nesmírně neefektivní proces, který je k praktickému využívání antihmoty zcela nevhodný. Dalším problémem je rychlost výroby – v CERNu, kde jsou pro výrobu antihmoty nejlépe vybavení, je produkováno množství antiprotonů v řádu pouhých nanogramů za rok. Přitom k pohonu vesmírných lodí by bylo potřeba nesrovnatelně větší množství – pro mise v rámci Sluneční soustavy v řádu gramů a pro misi k nejbližší hvězdě Proximě Centauri dokonce v řádu kilogramů.
Dalším velkým problémem je skladování vyrobené antihmoty, jelikož antihmota při styku s normální hmotou okamžitě anihiluje. K tomu se dnes používají tzv. Penningovi pasti, kde jsou samotné antiprotony udržovány pomocí magnetických polí uprostřed nádoby, v které bylo předtím vytvořeno co nejdokonalejší vakuum. Nádoba musí být chlazena kapalným heliem, aby antiprotony neměly dostatek kinetické energie k úniku z magnetických polí a nemohly se tak dostat do styku se stěnou nádoby. Jenže Penningovi pasti mají jednu zásadní nevýhodu – nejenže jsou velmi těžké a neskladné, ale hlavně nejsou schopny skladovat antihmotu v množství vyšším než 1010 antiprotonů na cm3. To je strašně malé množství, což znamená velmi neefektivní využití volného prostoru (pro srovnání – 1g antihmoty obsahuje 1021 antiprotonů). K využití antihmoty jako paliva by tedy bylo potřeba přijít na lepší způsob jejího skladování – nejlépe v podobě nějakého materiálu s vysokou hustotou (na rozdíl od extrémně řídké antiprotonové plasmy v Penningových pastích). Navrhovaných konceptů je hned několik, nicméně jako nejlepší řešení vypadá přetvoření antiprotonů na atomy antivodíku (anti-H), jejich následné přetvoření v molekuly plynného anti-H2 a z něj utvoření tuhých (zmražených) mikrokuliček. Ty by pak mohly být skladovány v určitém typu magnetické nádoby v téměř neomezeném množství. Bohužel je tento postup nesmírně technicky obtížný a zatím se povedlo vyrobit jen několik atomů antivodíku.
Až jednou budou vyřešeny problémy výroby a skladování antihmoty, přijde na řadu problém jejího využití. Bohužel, jako paliva nelze použít positrony, jelikož produktem při jejich anihilaci s elektrony je vysokoenergetické gama záření, které je nesmírně pronikavé a k pohonu se tedy nedá využít (nedá se nijak usměrňovat a nepředává účinně svou energii pracovní látce). Naopak produktem anihilace protonů s antiprotony jsou subatomární částice zvané piony (p+, p-,p0). Ty už je možné elektromagneticky usměrňovat a tak je využít k pohonu – ať už přímo, nebo nepřímo (využít je k zahřátí pracovní látky). Bohužel zde vznikají určité ztráty, jelikož neutrální piony nelze nijak usměrňovat a navíc se prakticky okamžitě rozpadají na nevyužitelné vysokoenergetické gama záření. Zajímavé je, že nabité piony se poté, co uletí 21 metrů, také rozpadají, ale na miony (m+,m-) a mionová neutrina (nm). Miony poté uletí ještě 1,85km a rozpadnou se na už stabilní elektrony (e-) nebo positrony (e+), mionová neutrina (nm) a elektronová neutrina (ne). Nabité miony nebo v pozdější fázi i elektrony (respektive positrony) lze samozřejmě také elektromagneticky usměrňovat, takže jediné ztráty jsou zde způsobeny zcela nezachytitelnými neutriny, pro které je veškerá hmota prakticky průhledná. Z toho vyplývá, že vesmírné lodi pro mezihvězdné cesty, přímo využívající produkty anihilace, by pro potřebné efektivní využití energie musely mít magnetickou trysku nejméně 21m dlouhou (nebo ještě lépe 1,85km dlouhou, jenže to by přineslo více škody, než užitku).
A jak tedy fungují koncepty využívající anihilaci antiprotonů (nebo antivodíku) s normální hmotou? Obecně jsou zde 4 základní schémata. První možností je anihilační motor s pevným jádrem, který funguje obdobně jako štěpný jaderný motor s pevným jádrem. Do pevného jádra (tepelného výměníku z wolframu nebo grafitu), skrze které proudí pracovní látka (kapalný vodík), jsou vystřelovány antiprotony. Ty anihilují a vzniklá energie je jádrem pohlcována. Jádro se prudce zahřívá a od něj se zahřívá i pracovní látka, která expanduje a proudí ven klasickou tryskou. Tento koncept může poskytovat Isp ovšem „jen“ 8000 – 10000 N.s.kg-1, jelikož zde jsou, podobně jako u štěpného jaderného motoru s pevným jádrem, omezení daná teplotou tání použitých materiálů (hlavně pevného jádra). Zajímavostí je, že tento koncept dosahuje nejlepší účinnosti využití energie získané anihilací – dokonce přes 80%.
Dalším typem je anihilační motor s plynným jádrem. V něm jsou antiprotony vystřelovány přímo do pracovní látky (vodíku) ve spalovací komoře. Antiprotony anihilují s vodíkem a vzniklé nabité piony jsou pomocí přídavných magnetických polí usměrněny tak, aby svou energii pracovní látce předávaly co nejúčinněji (jsou uvedeny do spirálových drah). Zahřátá pracovní látka pak uniká ven skrze klasickou trysku. Předpokládané Isp u tohoto konceptu je max. 25000 N.s.kg-1 (zase dáno omezením teplotou tání materiálů – tentokrát hlavně trysky). To už je sice o dost lepší hodnota než u předešlého konceptu, ale pořád nedosahuje kvalit termonukleárních pohonných systémů. Tento koncept je navíc méně účinný než předešlý – využito je maximálně 60% energie získané anihilací.
Třetím typem je anihilační motor s plasmovým jádrem. V tomto případě je konstrukce motoru podobná jako u některých termonukleárních pohonných systémů. Do magneticky uzavřeného válce je vháněn kapalný vodík a do něj vystřelováno relativně velké množství antihmoty (antiprotonů). Vzniká tak velmi horká vodíková plasma (teplota v řádu milionů Kelvinů), která je udržována stlačená ve středu magnetické nádoby pomocí silných magnetických polí (tak aby se nemohla dotknout stěn válce). Na druhém konci válce je koncové magnetické pole oslabeno a plasma jím uniká do magnetické trysky a odtamtud ven. Magnetické pole samozřejmě neudržují jen horkou vodíkovou plasmu, ale usměrňuje i samotné nabité piony vzniklé anihilací (a tím zlepšuje účinnost pohonu). Tento koncept může podávat skutečně perfektní výkony – Isp od 50000 N.s.kg-1 do 1 mil. N.s.kg-1, což jsou hodnoty obdobné jako u termonukleárních pohonných systémů (a přitom by byl motor založený na tomto konceptu rozhodně jednodušší a méně technicky náročný na realizaci). Jedinou nevýhodou je trochu menší účinnost využití energie anihilace, která je jako v předešlém konceptu vždy nižší než 60%.
Posledním konceptem je anihilační pohon přímo využívající produktů anihilace – tzv. anihilační motor s paprskovým jádrem. Zde dochází k anihilaci antiprotonů s velmi řídkým vodíkem a silná magnetická pole usměrňují pouze samotné produkty anihilace – tedy vysokoenergetické nabité piony. Ty se pohybují obrovskými rychlostmi (velmi blízko rychlosti světla) a produkovaný specifický impuls může činit až 100 mil. N.s.kg-1. To je neuvěřitelná hodnota, které nelze dosáhnou žádným jiným reaktivním pohonným systémem. Jedinou nevýhodou je jako v předešlých dvou případech nižší účinnost (max. 60%) a velmi nízký tah. K dosažení vyšší účinnosti (potřebné pro mezihvězdné lety) by bylo, jak jsem již uvedl, potřeba magnetické trysky dlouhé alespoň 21 metrů (čímž by bylo využito i energie vzniklé rozpadem pionů na miony).
Mimo tyto čistě anihilační koncepty pohonu stojí ještě některé zajímavé kombinované (dalo by se říci hybridní) projekty. Nejzajímavějším z nich je koncept pohonu založený na antiprotony katalyzované mikro-štěpné/fůzní reakci. Prakticky je tento koncept velmi podobný jako impulsní laserový termonukleární pohon. Do „spalovací“ komory jsou vystřeleny miniaturní kapsle obsahující směs D-T (deuteria a tritia), která je obohacena o uran (v poměru 9 dílů směsy D-T ku 1 dílu uranu). Na kapsli jsou potom zaostřeny paprsky iontových děl (samozřejmě mohou být použita i laserová děla, ale iontová děla jsou méně rozměrná a méně energeticky náročná než laserová děla), které způsobí prudkou kompresi a zahřátí kapsle. V ten okamžik je na kapsli vystřeleno velmi malé množství antihmoty (108 až 1011 antiprotonů), které způsobí, že dojde k prudké katalýze štěpné reakce jader uranu (jen pro srovnání – z „normálně“ rozštěpeného jádra uranu se uvolní 2–3 neutrony, kdežto z antiprotony katalyzovaného rozštěpení uranu průměrně 16 neutronů). Energie uvolněná z rozštěpeného uranu potom způsobí „zapálení“ vysoce efektivní fůze D-T paliva, při které se uvolní velké množství energie (z každé mikro-kapsle se uvolní energie odpovídající zhruba 20 tunám TNT!) a vznikne horká plasma, která je poté magneticky (nebo i mechanicky – prostě se nechá odpařovat olověný blok za spalovací komorou) usměrněna tak, aby produkovala tah. Tento koncept podává prakticky stejné výkony jako koncepty čistě termonukleární (např. VISTA) ale s tou výhodou, že loď využívající tohoto pohonu může být znatelně menší a méně hmotná, než lodě využívající čistě termonukleárního impulsního pohonu. Je to dáno tím, že k zapálení kapslí není potřeba velmi rozměrných laserových děl a stačí jen malá iontová děla. Také nejsou potřeba obrovské zásoby paliva, jako je tomu u VISTY. Navíc na rozdíl od čistě anihilačních konceptů se v tomto konceptu spotřebovává velmi malé množství antiprotonů, které jsme schopni vyrábět a skladovat již nyní. To z tohoto pohonu činí velice atraktivní alternativu pro pravidelné meziplanetární mise v relativně blízké budoucnosti. Typickým příkladem toho je projekt vesmírné lodi ICAN-II.
Nebýt obrovských problémů spojených s výrobou a skladováním antihmoty, byly by koncepty pohonu využívající anihilaci (konkrétně koncepty s plasmovým a paprskovým jádrem) bezkonkurenčně nejlepším řešením budoucích reaktivních pohonných systémů. Osobně si ale myslím, že se tomu tak nestane (tedy až na antiprotony katalyzovanou mikro-štěpnou/fůzní reakci, která má slibnou budoucnost). Alespoň ne v nejbližší budoucnosti. Problém skladování antihmoty sice s největší pravděpodobností bude v blízké budoucnosti vyřešen, ale výroba antihmoty zůstane pořád nesmírně neefektivní. Jediné, co by situaci mohlo změnit, by mohl být snad jen průlom ve vědě – vynalezení zcela nového a hlavně efektivního způsobu výroby antihmoty. Ale to je spíše jen zbožné přání raketových fyziků a autorů science fiction, i když na druhou stranu nikdy nemůžete vědět, jestli se neobjeví nějaký novodobý Einstein, který přinese světu nové převratné myšlenky. A nemusí to být ani génius v jedné osobě, ale i usilovná práce mnoha vědeckých týmů, která může přinést své ovoce i v této oblasti vědy.
Nabudúce niečo o solárnych, laserových a mikrovlnných pohonoch.
Michal Křenek http://mikos.ic.cz m.krenek@volny.cz