Naves espaciales de propulsión de antimateria

Un problema secundario es la extracción de energía o momento útil de los productos de la aniquilación de antimateria, que se presentan principalmente en forma de radiación ionizante extremadamente energética. Los mecanismos de antimateria propuestos hasta la fecha han proporcionado en su mayor parte mecanismos plausibles para aprovechar la energía de estos productos de aniquilación. La ecuación clásica del cohete con su masa "húmeda" (${\displaystyle M_{0}}$)(con fracción de masa de propulsor ) a masa "seca" (${\displaystyle M_{1}}$)(con carga útil ) fracción (${\displaystyle {\frac {M_{0}}{M_{1}}}}$), el cambio de velocidad (${\displaystyle \Delta v}$) y el impulso específico (${\displaystyle I_{\text{sp}}}$) ya no se cumple debido a las pérdidas de masa que ocurren en la aniquilación de antimateria. ^{[ 5 ]}

Otro problema general de la propulsión de alta potencia es el exceso de calor o calor residual , que, al igual que en la aniquilación antimateria-materia, también incluye radiación extrema. Un sistema de propulsión por aniquilación protón-antiprotón transforma el 39 % de la masa del propulsor en un flujo intenso de radiación gamma de alta energía. Los rayos gamma y los piones cargados de alta energía causarán calentamiento y daños por radiación si no se protegen. A diferencia de los neutrones, no harán que el material expuesto se vuelva radiactivo por transmutación de los núcleos. Los componentes que necesitan protección son la tripulación, la electrónica, los tanques criogénicos y las bobinas magnéticas para cohetes asistidos magnéticamente. Se necesitan dos tipos de protección: protección contra la radiación y protección térmica (diferente del escudo térmico o aislamiento térmico ). ^{[ 5 ] [ 10 ]}

El costo de cantidades factibles (propulsoras nucleares) de antimateria disponible se estimó en 1999 en 60 millones de dólares por misión ^{[ 18 ]} y 6,4 millones de dólares (máx.). ^{[ 19 ] [ c ]}

El requerimiento de antimateria para una fuente de energía de núcleo direccional para el tránsito a la estrella más cercana ^{[ 16 ]} —Proxima Centuri (a 4,2 años luz de distancia) ^{[ 21 ]} — es de aproximadamente 40 toneladas métricas. ^{[ 16 ] [ d ]}

Los piones cargados pueden ser canalizados mediante una boquilla magnética , produciendo empuje. Este tipo de cohete de antimateria es un cohete de piones o configuración de núcleo direccional . ^{[ 5 ]}

La aniquilación de positrones también se ha propuesto para la cohetería. La aniquilación de positrones produce únicamente rayos gamma. Las primeras propuestas para este tipo de cohete, como las desarrolladas por Eugen Sänger , asumían el uso de algún material que pudiera reflejar los rayos gamma, utilizado como vela solar o escudo parabólico para obtener el empuje de la reacción de aniquilación, pero ninguna forma conocida de materia (compuesta por átomos o iones) interactúa con los rayos gamma de manera que permita la reflexión especular. Sin embargo, el momento de los rayos gamma puede transferirse parcialmente a la materia mediante la dispersión Compton . ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Un método para alcanzar velocidades relativistas utiliza un cohete de fotones láser de rayos gamma de GeV materia-antimateria, posible gracias a una descarga de pinzamiento protón-antiprotón relativista, donde el retroceso del haz láser se transmite a la nave espacial mediante el efecto Mössbauer . ^{[ 30 ]}

Supuestamente, investigadores de la Universidad de Gotemburgo, Suecia, han desarrollado un nuevo proceso de aniquilación. En los últimos años se han construido varios reactores de aniquilación que intentaban convertir hidrógeno o deuterio en partículas relativistas mediante aniquilación láser. La tecnología fue explorada por grupos de investigación liderados por el profesor Leif Holmlid y Sindre Zeiner-Gundersen, y actualmente se está construyendo un tercer reactor de partículas relativistas en la Universidad de Islandia. En teoría, las partículas emitidas por los procesos de aniquilación de hidrógeno podrían alcanzar 0,94c y utilizarse en la propulsión espacial. ^{[ 31 ]} Sin embargo, la veracidad de la investigación de Holmlid está en entredicho y no se han realizado implementaciones exitosas que hayan sido revisadas por pares ni replicadas. ^{[ 32 ]}

Se trata de un enfoque híbrido en el que se utilizan antiprotones para catalizar una reacción de fisión/fusión o para potenciar la propulsión de un cohete de fusión o cualquier aplicación similar.

El concepto de cohete de fusión por confinamiento inercial (FCI) impulsado por antiprotones utiliza pastillas para la reacción DT . La pastilla consiste en un hemisferio de material fisionable, como el U ²³⁵ , con un orificio a través del cual se inyecta un pulso de antiprotones y positrones. Está rodeada por un hemisferio de combustible de fusión, por ejemplo, deuterio-tritio o deuteruro de litio. La aniquilación de antiprotones ocurre en la superficie del hemisferio, lo que ioniza el combustible. Estos iones calientan el núcleo de la pastilla a temperaturas de fusión. ^{[ 33 ]}

El concepto de propulsión por fusión por confinamiento inercial con aislamiento magnético (MICF) impulsada por antiprotones se basa en un campo magnético autogenerado que aísla el plasma de la capa metálica que lo contiene durante la combustión. Se estimó que la vida útil del plasma era dos órdenes de magnitud mayor que la de la fusión inercial por implosión, lo que corresponde a un tiempo de combustión más prolongado y, por lo tanto, a una mayor ganancia. ^{[ 33 ]}

El concepto PB ¹¹ impulsado por antimateria utiliza antiprotones para iniciar las reacciones PB ¹¹ en un esquema MICF. Las pérdidas excesivas por radiación constituyen un obstáculo importante para la ignición y requieren modificar la densidad de partículas y la temperatura del plasma para aumentar la ganancia. Se concluyó que es totalmente factible que este sistema pueda alcanzar I _sp ~10 ⁵ s. ^{[ 34 ]}

Para AIMStar se concibió un enfoque diferente en el que se inyectarían pequeñas gotas de combustible de fusión en una nube de antiprotones confinada en un volumen muy pequeño dentro de una trampa de Penning de reacción . La aniquilación tiene lugar en la superficie de la nube de antiprotones, desprendiendo el 0,5 % de la misma. La densidad de potencia liberada es aproximadamente comparable a la de un láser de 1 kJ y 1 ns que deposita su energía sobre un  blanco de fusión por confinamiento inercial (ICF) de 200 μm. ^{[ 35 ]}

El proyecto ICAN-II emplea el concepto de microfisión catalizada por antiprotones (ACMF), que utiliza pastillas con una relación molar de 9:1 de DT:U ²³⁵ para la propulsión por pulsos nucleares . ^{[ 36 ]}

Este tipo de cohete de antimateria se denomina cohete térmico de antimateria, ya que la energía o el calor de la aniquilación se aprovecha para crear un escape a partir de material o propulsor no exótico.

El concepto de núcleo sólido utiliza antiprotones para calentar un núcleo sólido de metal refractario de alto peso atómico ( Z ). El propulsor se bombea al núcleo caliente y se expande a través de una boquilla para generar empuje. El rendimiento de este concepto es aproximadamente equivalente al del cohete termonuclear (${\displaystyle I_{\text{sp}}}$~ 10 ³ seg) debido a las limitaciones de temperatura del sólido. Sin embargo, las eficiencias de conversión de energía y calentamiento de la antimateria suelen ser altas debido a la corta trayectoria media entre colisiones con los átomos del núcleo ( eficiencia${\displaystyle \eta _{e}}$~ 85%). ^{[ 27 ]} Se han propuesto varios métodos para el motor térmico de antimateria de propulsor líquido que utilizan los rayos gamma producidos por la aniquilación de antiprotones o positrones. ^{[ 37 ] [ 38 ]} Estos métodos se asemejan a los propuestos para cohetes térmicos nucleares . Un método propuesto es utilizar rayos gamma de aniquilación de positrones para calentar un núcleo de motor sólido. El gas hidrógeno se canaliza a través de este núcleo, se calienta y se expulsa por una tobera de cohete . Un segundo tipo de motor propuesto utiliza la aniquilación de positrones dentro de una pastilla de plomo sólido o dentro de gas xenón comprimido para producir una nube de gas caliente, que calienta una capa circundante de hidrógeno gaseoso. El calentamiento directo del hidrógeno por rayos gamma se consideró poco práctico, debido a la dificultad de comprimir suficiente hidrógeno dentro de un motor de tamaño razonable para absorber los rayos gamma. Un tercer tipo de motor propuesto utiliza rayos gamma de aniquilación para calentar una vela ablativa, con el material ablacionado proporcionando empuje. Al igual que con los cohetes térmicos nucleares, el impulso específico que se puede lograr con estos métodos está limitado por consideraciones de materiales, y suele estar en el rango de 1000 a 2000 segundos. ^{[ 39 ]}

El sistema de núcleo gaseoso sustituye el sólido de bajo punto de fusión por un gas de alta temperatura (es decir, gas/plasma de tungsteno), lo que permite temperaturas operativas y rendimiento más elevados.${\displaystyle I_{\text{sp}}}$~ 2 × 10 ³ seg). Sin embargo, el camino libre medio más largo para la termalización y la absorción da como resultado eficiencias de conversión de energía mucho menores (${\displaystyle \eta _{e}}$~ 35%). ^{[ 27 ]}

El núcleo de plasma permite que el gas se ionice y funcione a temperaturas efectivas aún más altas. La pérdida de calor se suprime mediante el confinamiento magnético en la cámara de reacción y la boquilla. Aunque el rendimiento es extremadamente alto (${\displaystyle I_{\text{sp}}}$~ 10 ⁴ -10 ⁵ seg), el largo camino libre medio da como resultado una utilización de energía muy baja (${\displaystyle \eta _{e}}$~ 10%). ^{[ 27 ]}

Haz : 100% masa=energía aunque se estima que el 70% está disponible. ^{[ 42 ]} Aniquilación protón - antiprotón ( aniquilación p p ) energía de producto utilizable estimada por etapa de tres tipos de producto: pión , el 40% de la energía causada por la aniquilación inicial en esta etapa de producto es utilizable, muón 31%, positrón - electrón 16% ^{[ 43 ]} No es perfectamente eficiente; la energía se pierde como masa en reposo de los piones cargados (22,3%) y sin carga (14,38%), se pierde como energía cinética de los piones sin carga (que no se puede desviar para empuje); y se pierde como neutrinos y rayos gamma (ver antimateria como combustible ). ^{[ 5 ]}

Fisión : (usando uranio ) 0,1% de la masa después de la reacción produce energía. ^{[ 44 ]} La producción de neutrones antiprotónicos catalizados es un rango de seis veces la potencia del proceso convencional. ^{[ 25 ]}

Haz

Keane et al 2012: Simulación de Monte Carlo usando Geant4 : v _e ~ 0,69 c . ^{[ 45 ]} I _sp ^{[ g ]} es 2,8 × 10 ⁷ segundos (s) ^{[ 43 ] [ h ]}

Pulso nuclear ^{[ 47 ]}

Schmidt et al 1999: ^{[ 18 ] [ 47 ]} 13600 - 67000s I _sp ^{[ 47 ]}