Анихилация и нейното приложение в двигателите
Анихилацията е може би най-впечатляващя реакционен процес в света на елементарните частици.За да се запознаем от близо с възможностите за нейното приложение трябва първо да придобием обща представа за участващите елементарните частици.
За всяка позната частица има огледална частица, която има заряд, спин (моментът на въртене на електрона извън неговото орбитално движение) и квантово състояние обратно на това на нормалните частици. Както е показано на фиг.1 стабилните частици, които образуват атомите- електрон- е-, протон- p+, неутрон- no имат огледални близнаци, наречени съответно позитрон- e+, антипротон- p- и антинеутрон- no. Тези частици могат да се комбинират, за да създадат антиматерията.
Когато една частица се доближи до своята античастица, двете се привличат и се анихилиат, като тотално превръщат остатъчната си маса в енергия. Когато позитроните и електроните анихилират(ф. 1)те създават гама лъчи (два фотона с енергия от по 0,5 MeV), които трудно се прилагат практически.
е- + е+ → γ + γ ф. 1
За разлика от тях, когато анти протон анихилира(ф. 2) с протон, не се получават веднага гама лъчи. Вместо това продуктите от анихилацията са от 3 до 7 частици, наречени пиони(πo, π -, π+). Обикновено това са 3 заредени пиона и 2 неутрални.
p- + p+ → mπo + nπ+ + nπ - m = 2 n = 1,5 ф. 2
Последните имат къс живот ( 84х10-18 секунди)и почти веднага се преобразуват(ф. 3) в два високо енергийни гама лъча (всеки с енергия от по 200 MeV).
πo → γ + γ ф. 3
Заредените пиони имат нормален полуразпад от 28 ns. Тъй като те се движат с 94% от скоростта на светлината, техният живот е удължен до 70 ns (следствие от теорията на относителността). Така те изминават средно 21 m преди да загинат. Тези заредени пиони съдържат 60% от енергията на анихилацията.
Приложение кото движеща сила.
Поради дългия живот и дългото време на заимодействие на заредените пиони,при този резултат от анихилацията на антипротон с протон, е относително лесно да се съберат в магнитна клетка(фиг. 2) и да се използват за създаване на тяга.
Дори и след като заредените пиони се разрушат(ф.4; ф.5) до енергетично заредени мюони ( µ+, µ- ), които имат дори по- дълъг живот, могат да се използват за създаване на тяга.
π+ → µ+ + vµ ф. 4
π - → µ- + vµ ф. 5
Времето за полуразпад на мюоните е 6,2х10-6 sec, след което те се разпадат до електрони, позитрони и неутрино(ф.6, ф.7).
µ+ → е+ + ve + vµ ф. 6
µ- → е- + ve + vµ ф. 7
Така се получава, че крайните продукти от анихилацията на протони с антипротони са практически неизползваеми, тъй като 50% от получената енергия бива безвъзвратно отнесена от неутриното в пространството.
Поради споменатите загуби на енергия, важен аспект за всеки двигател с антиматери е да използва продуктите колкото се може по-рано след първичната протон-антипротон реакция, когато повечето от енеаргията на продуктите има заряд. Единият начин е като се използват продуктите за нагряване на работен флуид чрез сблъсък на флуида с продуктите или с материал посредник. Вторият начин е като високоенергийни пиони и мюони се насочват от магнитна дюза, за да създадат тяга. Проектите за двигатели, които използват тези концепции се делят главно на четири категории: (1) твърдо ядро, (2) газово ядро, (3) плазмово ядро и (4) лъчево ядро.
Концептът "твърдо ядро" използва антипротони, за да нагрее ядро от тежък огнеупорен метал. Горивото се помпа в горещото ядро и експандира през дюза, създавайки тяга. КПД-то на този концепт е сравнително еквивалентно на този на ядрено-термална ракета (където твърдото ядро се нагрява от ядрена реакция). Обаче температурните граници, поставени от металното ядро, намаляват КПД-то. Както и да е, голяма част от енергията на антиматерията се превръща в топлина, поради късото време за сблъсък между металното ядро и антиматирията (не се позволява анихилацията да протече до карай).
Концептът "газово ядро" замества ниската температура на топене на метала с високата температура на газа. Този метод позволява по-високи температури и два пъти по-голям КПД.Тъй като времето за нагряване на газа е по-голямо от това на метала, анихилацията протица до край и 50% се губи с неутриното.
Една крачка напред е концепта "плазмено ядро", където се позволява на газа да се йонизира и да действа при дори по-висока температура. Загубата на топлина се ограничава от магнитни полета, които държат плазмата на страна от стените на реакционната камера и дюзата. Въпреки че ефективността е изключително висока, поради още по-дългото време на затопляне, само 10% от енергията на антиматерията се оползотворяват.
Оптималната система е концептът "лъчево ядро", който избягва проблемите на работен флуид. Тук заредените продукти от протон-антипротон анихилацията директно се изстрелват от двигателя с магнитно поле. Тук цели 60% от енергията на антиматерията се използва. Скоростите на тези частици доближават тази на светлината. Тъй като големината на тягата на реактивен двигател е правопропорционална на скоростта на излизащите през дюзата газове ( в случея заредени частици), то това повишава много ефектовността. Но тягата е зависима и от масата на газовете, в случея частици с миниятюрна големина. Затова тук тягата е доста малка.
Ако достатъчно количество от антипротони се създаде, бъде затворено и запазено, то тогава би могло да се използва като гориво с голям КПД. Тъй като антиматерията не съществува в природата, тя трябва да се произведе частица по частица. Тя е изкувствено гориво, затова винаги ще се нуждаем от много повече (~10 000) енергия за да се произведе, отколкото тази получена при анихилацията й. Главното й предимство е, че е много концентрирана форма на съхранена енергия. 1/10 от mg, колкото кристалче сол, съдържа енергията на 2 тна от най-доброто ракетно гориво (течен кислород с течен водород). Изследването, което сравнило химичните двигатели с анихилационния двигател открило, че той би бил най-ефективен като система за задвижване на космически кораби. По-важното е, че е способен да осъществи мисии, които в основата си са невъзможни с химични горива.
Направата на антипротони
Антиматерията под форма на антипротони днес се добива в много малки количества (фиг. 3). Антипротоните се генерират, като се изпрати високо енергиен лъч от протони в мишена от метал. Когато протоните ударят плътното метално ядро, тяхната кинетична енергия, която е с пъти по-голяма от енергията на тяхната остатъчна маса, се получава струя от частици, някои от които са антипротони. Магнитно поле фокусира и отделя антипротоните от получените остатъци и ги насочва към съхраняващ пръстен. Събиращите пръстени съхраняват 1012 антипротони за един ден работа. За да дадем мярка за това, каква работа е била извършена, ще поясним, че това количество антипротони има маса 1,7 пико грама.Когато това количество от антиматерия се анихилира със съответното количество материя, ще се отделят 300 J енергия. Ако я сравним с масата на горивото, ще се окаже, че това е едно огромно количество.
Съхраняване на антиматерия
В скорошен експеримент група учени взела нискоенергийните антипротони от един от тези пръстени и ги забавила до почти нулева скорост. След това заловили няколко стотин антипротона в малък електромагнитен капан за йони. Други експерименти планувани за 1987 г. възнамерявали да заловят много милиони антипротони в капан не по-голям от термос. Електромагнитният капантрябвало да бъде транспортируем, така че антипротните да могат да бъдат пренесени в други лаборатории за експерименти. За да се използват антипротоните като гориво, ще се наложи да бъде намерен по-компактен метод за тяхното съхранение от един йонен капан, който е ограничен да носи гориво с относително малка плътност. Друга програма, спонсорирана от ВВС на САЩ поглежда към прибавянетона позитрони към антипротоните в йонния капан и по този начин бавно се получават "групни йони" на антиводорода. Тези групни йони са големи струпванияна неутрални атоми на антиводорода, които са групирани около един единствен антипротонен йон. Крайният отрицателен заряд на тези групни йони позволява антиматерията да бъде съхранена в йонния капан. Но масата на всеки йон може да бъде увеличена, докато получим леден кристал с достатъчен заряд, който да може електростатически да бъде издигнат, за да не докосва стените на изкуствено охладения капан.
Анихилационен двигател
Използването на антиводород за захранването на анихилационен двигател е честно казано крачка напред. Микрокристалчетата от антиводорода, всяко от което тежи около 1 µg и съдържа енергията на 20 kg течен кислород с водород, се измъкват чрез електромагнит от съхраняващия ги капан. Насочват се с електрични полета надолу по вакуумна тръба с капак (за да се запази вакуума в капана), след това пак с електростатични полета се впръсква внимателно с подбрана скорост в реакционната камера. Там антипротоните ще анихилират с работен флуид, нагрявайки го, за да се получи висока тяга при висок специфичен импулс. Зоната на анихилацията се увеличава при относително малки скорости, така че анихилационният процес се проявява в по-голямата си част по средата на камерата.
Разработките на ракетни двигатели, които използват антиматерия, вървят добре в някои инженерни лабортории. Един прост дизайн се базира на ядрената ракета "NERVA", при която ядреният реактор е заменен с волфрамов топлообменник. Продуктите от реакцията (гама лъчите и пионите)биват спирани от волфрама и енергията им бива използвана за нагряване на водороден газ, който минава през топлообменника. Този двигател би използвал 13µg/s антипротонно гориво, за да даде спицифичен импулс от 1100 s при тяга от порядъка на 4,4x105 N със ниво на мощността 2,7 GW. Подобен двигател би могъл да пренесе 100 тона товар до Марс и обратно за 6 месеца (по 3 месеца на курс) и ще тежи четири пъти повече. За сравнение, система с течен кислород и водород ще се нуждае от 12 месеца да отиде до там и 9 месеца да се върне, а двигателят ще тежи 18 пъти повече от товара.
Започнали са изследвания по магнитна реакторна камера, с формата на шише, която има потенциала да постигне по-голям специфичен импулс от двигатели ограничени от термалните характеристики на материята. Анализ на коефицентите при движение на плазма е идентифицирал 2 параметрични режима на действие, при които практически без загуби на енергия чиста водородна плазма се използва от магнитна дюза за създаване на тяга. Режимът, който е от значение за ускорител, работещ с водородна плазма, ньгрята от антиматерия, има сравнително плътен поток от йони( с плътност 3xl019 йона/cm3), температура 2 eV(23,000K), магнитно поле от 5 тона, с дължина на трабата 1 m и налягане 65 atm.
Примевни въпроси за проверка на знанията по темата.
1.Кои са античастиците на: е-p+no ?
2.Обяснете процеса анихилация спримери1.
3. Какво се получава при анихилацшята на е- с е+ , на p- с p+ ?
4.Къде и как намира приложение анихилацията?
5.Обяснете фигура 3.
6.По какъв начин се създават p-. Защо?
7.Опишете примерен двигател, работещ с антиматерия.
Темата анихилация и нейното приложенше в двигателите може да се използва при изучаването на темата "Елементарни частици" в 10 клас. След кото учениците са се запознали със свойствата и характеристиките на елементарните частици:
характеристиките на частиците- маси, елктричен заряд,средно време на живот, спин и др.
стабилни и нестабилни частици
частици и античастици- анихилация; антивещество
Може да се постави на учениците въпроса:
Какво е антиматерия? Може ли да съществува в природата? Може ли да се използва енергията, получена при процеса анихилация?