Antimedžiagos variklis – vienu žingsniu arčiau realybės

Western Reserve akademijos mokslininkas Ronanas Keane'as, bendradarbiaudamas su Kent State universiteto fiziku Wei-Mingu Zhangu skelbia, kad naujausio jų atlikto kompiuterinio modeliavimo rezultatai rodo, kad bent vienas esminis komponentas, būtinas veikiančiam antimedžiagos varikliui pagaminti – didelio efektyvumo magnetiniai išmetimo kūgiai – turėtų būti kur kas efektyvesni nei manyta anksčiau. Ir tokius kūgius jau galima pasigaminti naudojant šiandien egzistuojančias technologijas. Bet prieš pradedant krykštauti iš džiaugsmo reikia aptarti kelis svarbius dalykus.

Visų pirma, tai tiesa – medžiagos ir antimedžiagos reakcijų stūma nėra vien mokslinė fantastika. Kaip ir daugeliu atvejų kuriant serialą „Star Trek“, jo pagrindinis kūrėjas Gene'as Roddenberry, galvodamas kokius variklius įtaisyti erdvėlaiviui „Enterprise“, įkvėpimo sėmėsi iš mokslo.

Antimedžiaga yra įprastinės medžiagos veidrodinis atspindys. Taigi, antidalelių masė yra lygiai tokia pati, kaip ir jų įprastinių atitikmenų, tačiau elektriniai krūviai priešingi. Antielektronas turėtų teigiamą krūvį, o antiprotonas – neigiamą.

Kuomet antimedžiaga susiduria su medžiaga, įvyksta sprogimas. Abi dalelės sprogimo metu anihiliuojasi, o jų masių suma paverčiama grynąja energija – elektromagnetine spinduliuote, kuri šviesos greičiu plinta tolyn nuo sprogimo taško.

Gal dar prisimenate „Star Trek III: The Search for Spock“? Toje dalyje Kirkas sabotuoja laivą „Enterprise“ po to, kai jis perduodamas klingonams. Kirkas kompiuterį užprogramuoja taip, kad medžiaga ir antimedžiaga maišytųsi netrukdomai. Ir tuomet BUM. Kosminis laivas sunaikintas.

Nepaisant anihiliacijos baimės, dar 2000 metų spalį NASA mokslininkai pradėjo kurti pirmuosius antimedžiagos variklio modelius, kuriuos buvo tikimasi panaudoti kelionėms į Marsą.

Antimedžiaga yra idealus raketinis kuras, nes visa masė medžiagai susidūrus su antimedžiaga virsta energija. Medžiagos ir antimedžiagos reakcijų metu sukuriama 10 milijonų kartų daugiau energijos nei vykstant įprastinėms cheminėms reakcijoms – pavyzdžiui, deguonies ir vandenilio degimui dabartiniuose raketų varikliuose.

Kalbama apie reakcijas, kurios išskirtų 1000 kartų daugiau energijos, nei branduolių skilimas atominėse elektrinėse ar sprogus atominėms bomboms. Tos reakcijos būtų 300 kartų galingesnės, nei termobranduolinės, kuomet lengvi branduoliai jungiasi į sunkesnius.

Deja, vienintelis būdas pagaminti antimedžiagą – naudotis tokiais dideliais dalelių greitintuvais, kaip LHC. Netgi galingiausi atomų greitintuvai kasmet pagamina labai menkus antiprotonų kiekius – trilijoninę gramo dalį, kurios vargiai pakaktų, kad 100 vatų elektros lemputė degtų tris sekundes.

Kelionėms į žvaigždes reikėtų tonų antimedžiagos. Tuo tarpu vienas mikrogramas antimedžiagos LHC greitintuve turėtų būti gaminamas maždaug 1000 metų.

Jeigu tik būtų aptiktas geresnis antimedžiagos šaltinis, reikėtų sugalvoti kaip ją saugoti: antimedžiagą reikia laikyti taip, kad ji nekontaktuotų su medžiaga tol, kol jos neprireikia energijos gamybai. Medžiagos ir antimedžiagos kontaktas neturi vykti atsitiktinai, nes jei jos pradėtų anihiliuotis nekontroliuojamai, nebūtų galimybių išsiskiriančią energiją kontroliuoti ir panaudoti.

Ir visgi tai, R. Keane'o bei W. Zhango manymu, tik menki inžineriniai uždaviniai. Šie du mokslininkai mano išsprendę ne ką mažiau svarbų uždavinį. Bet kurios raketos maksimalus greitis priklauso nuo raketos pakopų, nuo to, kokia bendros masės dalis yra skiriama kurui ir nuo mažos smulkmenėlės, vadinamos išmetimo greičiu, kuri ir lemia stūmą.

R. Keane'as ir W. Zhangas visą savo dėmesį paskutiniame moksliniame darbe skyrė būtent išmetimo greičiui, t. y., greičiui, kuriuo dalelės, susidarančios (hipotetinės) medžiagos ir antimedžiagos anihiliacijos metu, išlekia iš išmetimo kūgio. Mokslininkų darbo pagrindas – krūvį turintys pionai, susidarantys protonų ir antiprotonų susidūrimo metu. Išmetimo kūgis, skleidžiantis stiprų magnetinį lauką, krūvį turinčias daleles galėtų nukreipti siauru srautu, taip padidindamas jų greitį ir sustiprindamas stūmą.

Bet tai – senos naujienos. Naujienos pagrindinė prielaida yra ta, jog pionų išmetimo greitis iš dalies priklauso nuo to, kokiu greičiu jie išlekia iš anihiliacijos židinio ir iš dalies – nuo išmetimo kūgio projekto efektyvus.

Ankstesni skaičiavimai rodė, kad pradinis pionų greitis būtų daugiau nei 90 proc. šviesos greičio, tačiau magnetinio išmetimo kūgio efektyvumas būtų tik 36 proc., taigi, maksimalus tokiais varikliais pasiekiamas greitis būtų vos varganas trečdalis šviesos greičio.

Žmonės nedaug ką gali padaryti su pionų pradiniu greičiu, taigi, vienintelis akivaizdus būdas spręsti problemą – tobulinti išmetimo kūgių dizainą. Būtent tai ir padarė R. Keane'as su W. Zhangu – tam jie pasinaudojo CERN laboratorijos programine įranga, kurios paskirtis – modeliuoti sudėtingas dalelių, medžiagų ir laukų sąveikas, kad fizikai geriau suprastų protonų priešpriešinių srautų susidūrimo metu susidarančių dalelių elgesį.

Modeliavimas parodė, kad ankstesni magnetinio išmetimo kūgio efektyvumo vertinimai buvo prastesni nei turėtų – panaudojant jau šiandien egzistuojančias technologijas turėtų būti įmanoma sukurti tokį magnetinį kūgį, kuris veiktų 85 proc. efektyvumu.

Tiesa, mokslininkai taip pat nustatė, kad pradinis pionų greitis būtų mažesnis, nei tikėtasi anksčiau – vos 80 proc. šviesos greičio. Visgi galutinis rezultatas būtų visai neprastas – galutinis dalelių išmetimo greitis būtų maždaug 70 proc. šviesos greičio.

Nors variklių efektyvumo klausimas (teoriškai) išspręstas patenkinamai, kol kas neatsakyta į klausimą, kur gausime antimedžiagos visam kosminiam laivui. R. Keane'as ir W. Zhangas iškėlė hipotezę, kad vietoj antimedžiagos gamybos pačiame laive, kaip tai daro „Eterprise“, apie kurio statybų perspektyvas per artimiausius 20 metų rašėme prieš keletą dienų, ekonomiškai naudingiau būtų antimedžiagos išteklių ieškoti kosmose.

Praėjusiais metais PAMELA misijos metu nustatyta, kad Žemę supa antiprotonai. Deja, per dvejų metų trukmės misiją zondas aptiko vos 28 antiprotonus – mažiau, nei CERN pagamina per dieną.

Na gerai, tenka pripažinti – tikriausiai dar nesame pasirengę kurti antimedžiagos variklius. Bet juk įdomu patyrinėti įvairiausias idėjas. Galbūt vieną dieną koks nors beprotiškas planas bus realizuotas ir ateities astronautų karta galės drąsiai keliauti ten, kur iki šiol buvo tik kultinė „Enterprise“ erdvėlaivio įgula.