來源：國際在線
2006年4月19日
美國宇航局正電子飛船概念圖
美國宇航局正在開發的正電子發動機藝術概念圖
國際在線消息：據美國宇航局網站14日報道，科幻故事中大多數飛 船都是用反物質作為燃料，原因就是反物質是已知最有效的燃料。 若要實現人類載人火星探索的偉大夢想，我們需要數噸化學燃料， 相反，若使用反物質，則僅需數十毫克。然而，事實上，這種動力 的誕生也伴隨著代價。有些反物質的反應會生成大量高能伽馬射線 。伽馬射線就如同照射在類固醇上的X光一樣，它們能穿透物質， 分解細胞內分子，因此，它們會對人體有害。另外，高能伽馬射線 由於會使製造發動機材料的原子破裂，會讓發動機本身也具有放射 性。 美國正在開發反物質飛船 美宇航局(NASA)先進概念研究所(NIAC)正在資助一個研究小組從 事將反物質作為未來飛船燃料的開發工作，這種飛船會生成低能伽 馬射線，從而避免了射線產生的副作用。 反物質有時也被稱為常規物質的鏡像，因為雖然它們看上去與普通 物質沒什麼區別，但反物質的一些特性是顛倒的。例如，正常電子 (攜帶有從手機到等離子電視等所有物體上電流的常見粒子)有負電 荷。正電子(Anti-electron)則具有正電荷，所以，科學家稱其為 “正電子”。當反物質同物質相遇時，二者會以瞬間能量湮滅。這 種能量轉化過程也正是反物質如此強大的奧秘所在。即便是為原子 彈提供動力的核反應也比這種能量轉化慢，且只有其品質的3%轉 化成能量。 此前的反物質動力飛船設計所採用的是反質子，反質子在湮滅時能 產生高能伽馬射線。新設計將採用正電子，這將使伽馬射線的能量 是原來的四百分之一。先進概念研究所目前展開的工作只是初步研 究，旨在證實上述方案是否具有可行性。倘若前景廣闊，先進概念 研究所就可以吸收足夠資金成功開發該技術，正電子動力飛船將比 現有載人火星探索計劃(稱為“火星意義任務”)具有更多優勢。 反物質飛船優勢多多 美國新墨西哥州聖大菲正電子研究公司(Positronics Research)傑 拉爾德·史密斯博士說：“最為顯著的優勢是正電子動力飛船具有 更高的安全性”。目前的火星參數任務(Mars Reference Mission) 要求核反應爐將飛船推進至火星。這種方式之所以值得期待，是因 為核動力推進可以減少飛船到達火星的時間，這樣一來，由於宇航 員暴露於宇宙射線的時間減少，從而提高了安全性。此外，化學動 力飛船要重得多，且發射成本也更為昂貴。核反應爐也需提供夠執 行三年探測任務的充足動力。但是，核反應爐性質複雜，所以在執 行任務過程中更有可能發生一些潛在危險。作為領導先進概念研究 所反物質飛船研究的科學家，史密斯博士說：“正電子反應堆在能 提供相同優勢的前提下，運作起來也要相對簡單。” 同時，核反應爐即使在燃料用盡後仍帶有放射性。當飛船到達火星 後，“火星意義任務”的計劃是指引反應堆進入百萬年都不會與地 球相遇的一條軌道，那時，殘留輻射將降低至安全水準。相反，據 反物質飛船設計小組介紹，正電子反應堆在燃料用盡之後也不具有 任何殘留輻射，因而，即便是廢棄的正電子反應堆意外落到地球， 人們也不必擔心存在安全隱患。 同樣，正電子動力飛船的發射也更為安全。倘若攜帶核反應爐的火 箭發生爆炸，它將向大氣層中釋放大量放射性粒子。史密斯博士說 ：“我們的正電子動力飛船即便爆炸，只會釋放一道伽馬射線光， 但伽馬射線會在瞬間消失，不會有任何放射性顆粒隨風漂移。而那 道光也會限制在相對小的區域內，飛船周圍約一公里的範圍會是危 險區。一枚普通的大型化學火箭爆炸後會形成一個火球，其危險區 域同樣也是一公里左右。” 正電子動力飛船的另一個顯著優點是速度。“火星意義任務”飛船 到達火星將需要180天左右。正電子研究公司工程師科比·邁耶說： “諸如氣核和燒蝕發動機等先進設計將令飛船在90天、甚至45天內 將宇航員送上火星。”先進的燒蝕發動機通過熱行(運轉用熱)實現 上述目標，這種推進方式可增加發動機功效或“比衝量”(Isp)， 比衝量是指火箭發動機單位品質推進劑所產生的衝量：比衝量越高 ，飛船在耗盡燃料前行進的速度越快。像美宇航局穿梭機主發動機 等最為先進的化學燃料火箭發動機，每磅燃料能產生一磅推動力， 持續450秒。核反應爐或正電子反應堆的這一數據則會達到900秒。 燒蝕發動機通過自身緩慢蒸發產生推力，其比衝量更高。 仍然面臨巨大的技術挑戰 科學家成功研製正電子動力飛船所面臨的第一個技術挑戰是，製造 正電子的成本過高。由於會對正常物質產生令人難以想像的影響， 反物質數量並不多。在太空，反物質是由稱為宇宙射線的高速粒子 碰撞所產生的。而在地球上，反物質則是在高能粒子對撞機中生成 的，這種機器能將原子碾碎。高能粒子對撞機通常用於發現宇宙基 本運作方式，但它們也可用作“反物質加工廠”。史密斯博士說： “據粗略估計，利用目前正在開發的技術生產10毫克用於載人火星 探測任務的正電子，大約需要投入2.5億美元。” 上述成本似乎看上去比較高昂，但我們必須考慮到發射一枚更重的 化學火箭所花費的額外成本(目前火箭發射成本為每磅1萬美元)以 及為核反應爐提供燃料及維護其安全的成本。史密斯博士說：“鑒 於發展核技術所取得的經驗，我們估計通過更多研究，正電子生產 成本完全可以降下來，這種估計合情合理。” 科學家面臨的另一挑戰是如何在狹小的空間裏儲存足夠多的正電子 。因為正電子能湮滅普通物質，科學家不能將它們存放在瓶中。相 反，它們必須借助電場和磁場加以保存。史密斯博士說：“我們確 信，隨著研發項目的不斷深入，這些挑戰將會一一被克服。”如果 一切如願的話，我們也許會看到，首批登上火星宇航員所乘飛船的 燃料與科幻小說中為星際飛船周遊太空所用的燃料相同。 (楊孝文 任秋淩) 名詞解釋：什麼是反物質 反物質就是由反粒子組成的物質。所有的粒子都有反粒子，這些反 粒子的特點是其品質、壽命、自旋、同位旋與相應的粒子相同，但 電荷、重子數、輕子數、奇異數等量子數與之相反。 例如，氫原子由一個帶負電的電子和一個帶正電的質子構成，反氫 原子則與它正好相反，由一個帶正電的電子和一個帶負電的反質子 構成。物質和反物質相遇後會湮滅，釋放出大量能量。 科學家認為，製造出大量反氫原子，有助於驗證CPT守恒假設的正 確性和宇宙標準模型的普適性。如果發現反氫原子與氫原子在物理 規律上並不完全對等，將給物理學和宇宙學的一些基礎問題帶來非 常重要的新啟發。例如宇宙大爆炸理論認為，宇宙誕生時，從虛無 中產生了相等數量的物質和反物質。但人們觀察到的宇宙中，物質 顯然佔絕對的主導地位。對反氫原子的研究，可能有助於解開這個 疑點。 來源：新浪科技/科技日報 編輯： 於希 稿源： 國際在線 |