Wenn Sie ein mächtiges Raumschiff bauen möchten, ist nichts besser als Antimaterie. Das NASA Institute for Advanced Concepts finanziert ein Forscherteam, um zu versuchen, ein Raumschiff mit Antimaterie-Antrieb zu entwickeln, mit dem einige dieser Probleme vermieden werden können.
Die meisten Raumschiffe mit Selbstachtung in Science-Fiction-Geschichten verwenden aus gutem Grund Antimaterie als Treibstoff - es ist der stärkste bekannte Treibstoff. Während Tonnen chemischen Treibstoffs benötigt werden, um eine menschliche Mission zum Mars voranzutreiben, reichen nur zehn Milligramm Antimaterie aus (ein Milligramm entspricht etwa einem Tausendstel des Gewichts eines Stücks der ursprünglichen M & M-Süßigkeiten).
In Wirklichkeit ist diese Leistung jedoch mit einem Preis verbunden. Einige Antimaterie-Reaktionen erzeugen Explosionen von hochenergetischen Gammastrahlen. Gammastrahlen sind wie Röntgenstrahlen auf Steroiden. Sie dringen in Materie ein und brechen Moleküle in Zellen auseinander, so dass es nicht gesund ist, in der Nähe zu sein. Hochenergetische Gammastrahlen können die Motoren auch radioaktiv machen, indem sie Atome des Motormaterials fragmentieren.
Das NASA-Institut für fortgeschrittene Konzepte (NIAC) finanziert ein Forscherteam, das an einem neuen Design für ein Raumschiff mit Antimaterie-Antrieb arbeitet, das diese unangenehmen Nebenwirkungen vermeidet, indem es Gammastrahlen mit viel geringerer Energie erzeugt.
Antimaterie wird manchmal als Spiegelbild normaler Materie bezeichnet, da einige Eigenschaften umgekehrt sind, obwohl sie wie gewöhnliche Materie aussehen. Beispielsweise haben normale Elektronen, die bekannten Teilchen, die elektrischen Strom in Mobiltelefonen und Plasmafernsehern transportieren, eine negative elektrische Ladung. Anti-Elektronen sind positiv geladen, daher nannten Wissenschaftler sie „Positronen“.
Wenn Antimaterie auf Materie trifft, vernichten sich beide blitzschnell. Diese vollständige Umwandlung in Energie macht Antimaterie so mächtig. Sogar die Kernreaktionen, die Atombomben antreiben, kommen in einer fernen Sekunde, wobei nur etwa drei Prozent ihrer Masse in Energie umgewandelt werden.
Frühere Raumschiffdesigns mit Antimaterie-Antrieb verwendeten Antiprotonen, die bei ihrer Vernichtung energiereiche Gammastrahlen erzeugen. Das neue Design wird Positronen verwenden, die Gammastrahlen mit etwa 400-mal weniger Energie erzeugen.
Die NIAC-Forschung ist eine vorläufige Studie, um festzustellen, ob die Idee realisierbar ist. Wenn es vielversprechend aussieht und Mittel für die erfolgreiche Entwicklung der Technologie zur Verfügung stehen, hätte ein Raumschiff mit Positronenantrieb einige Vorteile gegenüber den bestehenden Plänen für eine menschliche Mission zum Mars, die als Mars-Referenzmission bezeichnet wird.
"Der wichtigste Vorteil ist mehr Sicherheit", sagte Dr. Gerald Smith von Positronics Research, LLC in Santa Fe, New Mexico. Die aktuelle Referenzmission fordert einen Kernreaktor, um das Raumschiff zum Mars zu befördern. Dies ist wünschenswert, da der nukleare Antrieb die Reisezeit zum Mars verkürzt und die Sicherheit für die Besatzung erhöht, indem sie weniger kosmischen Strahlen ausgesetzt wird. Außerdem wiegt ein chemisch angetriebenes Raumschiff viel mehr und kostet viel mehr für den Start. Der Reaktor liefert auch ausreichend Strom für die dreijährige Mission. Kernreaktoren sind jedoch komplex, sodass während der Mission möglicherweise mehr Dinge schief gehen können. "Der Positronenreaktor bietet jedoch die gleichen Vorteile, ist jedoch relativ einfach", sagte Smith, leitender Forscher für die NIAC-Studie.
Kernreaktoren sind auch nach Verbrauch ihres Brennstoffs radioaktiv. Nachdem das Schiff auf dem Mars angekommen ist, soll der Reaktor in eine Umlaufbahn gebracht werden, die mindestens eine Million Jahre lang nicht auf die Erde trifft, wenn die Reststrahlung auf ein sicheres Niveau reduziert wird. Es gibt jedoch keine übrig gebliebene Strahlung in einem Positronenreaktor, nachdem der Brennstoff aufgebraucht ist. Daher gibt es keine Sicherheitsbedenken, wenn der verbrauchte Positronenreaktor nach Angaben des Teams versehentlich wieder in die Erdatmosphäre gelangen sollte.
Es wird auch sicherer sein, zu starten. Wenn eine Rakete mit einem Kernreaktor explodiert, können radioaktive Partikel in die Atmosphäre freigesetzt werden. „Unser Positronen-Raumschiff würde einen Blitz von Gammastrahlen auslösen, wenn es explodieren würde, aber die Gammastrahlen würden sofort verschwunden sein. Es würde keine radioaktiven Partikel geben, die im Wind treiben könnten. Der Blitz wäre auch auf einen relativ kleinen Bereich beschränkt. Die Gefahrenzone würde ungefähr einen Kilometer (ungefähr eine halbe Meile) um das Raumschiff herum sein. Eine gewöhnliche große Rakete mit chemischem Antrieb hat aufgrund des großen Feuerballs, der durch ihre Explosion entstehen würde, eine ungefähr gleich große Gefahrenzone “, sagte Smith.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Geschwindigkeit. Das Raumschiff der Referenzmission würde Astronauten in etwa 180 Tagen zum Mars bringen. "Unsere fortschrittlichen Konstruktionen, wie der Gaskern und die ablativen Triebwerkskonzepte, könnten Astronauten in der Hälfte dieser Zeit und vielleicht sogar in nur 45 Tagen zum Mars bringen", sagte Kirby Meyer, Ingenieur bei Positronics Research, über die Studie.
Fortgeschrittene Motoren laufen dazu heiß, was ihre Effizienz oder ihren „spezifischen Impuls“ (Isp) erhöht. Isp ist die "Meilen pro Gallone" Raketentechnik: Je höher der Isp, desto schneller können Sie fahren, bevor Sie Ihre Kraftstoffversorgung aufbrauchen. Die besten chemischen Raketen, wie das Space Shuttle-Haupttriebwerk der NASA, erreichen eine maximale Geschwindigkeit von etwa 450 Sekunden, was bedeutet, dass ein Pfund Kraftstoff 450 Sekunden lang ein Pfund Schub erzeugt. Ein Kern- oder Positronenreaktor kann über 900 Sekunden lang arbeiten. Der ablative Motor, der sich langsam verdampft, um Schub zu erzeugen, kann bis zu 5.000 Sekunden lang laufen.
Eine technische Herausforderung bei der Verwirklichung eines Positronen-Raumfahrzeugs sind die Kosten für die Herstellung der Positronen. Aufgrund seiner spektakulären Wirkung auf normale Materie sitzt nicht viel Antimaterie herum. Im Weltraum entsteht es bei Kollisionen von Hochgeschwindigkeitsteilchen, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden. Auf der Erde muss es in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, riesigen Maschinen, die Atome zusammenschlagen. Die Maschinen werden normalerweise verwendet, um herauszufinden, wie das Universum auf einer tiefen, fundamentalen Ebene funktioniert, aber sie können als Antimateriefabriken genutzt werden.
"Eine grobe Schätzung für die Produktion der 10 Milligramm Positronen, die für eine menschliche Marsmission benötigt werden, liegt bei etwa 250 Millionen Dollar unter Verwendung der derzeit in der Entwicklung befindlichen Technologie", sagte Smith. Diese Kosten mögen hoch erscheinen, aber sie müssen gegen die zusätzlichen Kosten für den Start einer schwereren chemischen Rakete (die aktuellen Startkosten betragen etwa 10.000 USD pro Pfund) oder die Kosten für den Brennstoff und die Sicherheit eines Kernreaktors abgewogen werden. "Aufgrund der Erfahrungen mit der Nukleartechnologie ist es vernünftig zu erwarten, dass die Produktionskosten für Positronen mit mehr Forschung sinken", fügte Smith hinzu.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, genügend Positronen auf kleinem Raum zu speichern. Da sie normale Materie vernichten, können Sie sie nicht einfach in eine Flasche füllen. Stattdessen müssen sie mit elektrischen und magnetischen Feldern enthalten sein. "Wir sind zuversichtlich, dass diese Herausforderungen mit einem speziellen Forschungs- und Entwicklungsprogramm bewältigt werden können", sagte Smith.
Wenn dem so ist, werden vielleicht die ersten Menschen, die den Mars erreichen, in Raumschiffen ankommen, die von derselben Quelle angetrieben werden, die Raumschiffe über die Universen unserer Science-Fiction-Träume abgefeuert hat.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
