NASA開發僅需數十毫克燃料的反物質飛船

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�媕x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�痚眾]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