反物质发动机

 

星际旅行的发动机
三、反物质发动机

萧楠


　　1928年英国物理学家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)首先从理论上提出了存在反物质的假说，认为存在和构成普通物质的基本粒子质量相等但电荷相反的基本粒子，并有由这样的基本粒子构成的反物质。仅仅4年后，这个假说就得到验证，加州理工的安德森(Carl David Anderson)发现了正电子，即电荷为正的电子的存在；1955年在美国伯克利高能质子稳相加速器上，研究人员制造出了第一个反质子，即电荷为负的质子；欧洲原子核研究委员会的研究人员又制造出了第一个反原子，他们造出了9个反氢原子，存在了40纳秒(也称毫微秒)；到1998年他们一小时已经能生产2000个反氢原子了。现在，反物质正在医学领域发挥效用，用在正子放射断层扫描仪(PET scanner)中。不过制造反物质代价昂贵，在1999年如果想制造1克反物质的话，需要花费625亿美元。
　　
　　需要说明的是，反物质的基本粒子不仅仅包括正电子和反质子，而是多种多样的，例如反μ介子、反π介子等等，它们是和对应的正基本粒子电荷相反的基本粒子，但它们的寿命太短暂，比如正反μ介子只能存在百万分之几秒钟，而正反π介子大约只能存在一亿分之二点五秒，寿命如此短暂的物质显然无法作为燃料。除了带电的之外，还有不带电的，如反中子、反中微子之类，以反中子为例，它虽然和普通中子一样都不带电荷，但一个反中子经过β衰变后就变成一个反质子，而不是一个带正电的质子，我们可以据此区分它们，不过这样不带电的粒子以目前的手段无法有效储存(甚至更糟糕，以我们目前的手段都无法直接观测到它们，而是通过湮灭间接观测)，所以同样也不适合作为燃料。最后能够候选的还是反质子和反电子。
　　
　　由于反物质和物质如果相遇，将会湮灭，正反物质的质量将全部转化为能量，按照爱因斯坦的质能公式E=mc²释放巨大的能量，就目前所知道的所有物理反应而言，这是效率最高的燃料。我们可以比较一下每公斤星际飞船发动机燃料的效果，很理想的化学反应可以产生1×10⁷焦耳的能量，核裂变产生8×10¹³焦耳，核聚变产生3×10¹⁴焦耳，而反物质的湮灭能产生9×10¹⁶焦耳，是氢氧化学反应的1百亿倍，太阳核心热核反应的300倍。这种飞船的比冲量将是最高的，而推重比也可能是最高的，一片阿司匹林那么大的反物质同物质湮灭产生的能量足以让一艘飞船巡弋数百光年，而航天飞机那么巨大的燃料箱和推进器中的燃料完全可以用100毫克的反物质代替。
　　
　　此外，反物质发动机的一个好处是反物质的湮灭可以自发产生，不需要象核发动机中的核反应那样需要许多条件，所以就不需要很大的反应堆，可以减轻飞船重量。因此，早在1953年德国火箭科学家Eugen Sanger就提出可以用反物质推进宇宙飞船，而以反物质为燃料的飞船其后也成为科幻小说作家喜爱的星际运输工具。
　　
　　不过，若想把理想变为现实，还有许多困难要克服。首先是制造它太消耗能量了，因为我们目前还没有其他制造反物质的办法，所以只能把湮灭过程反过来，使用粒子加速器，根据爱因斯坦的质能转换公式从能量中制造出反物质(以基本粒子的形态产生)。由于这个原因，现在全球每年才能制造出1百亿分之一克的反物质，这点反物质还不够加热一杯咖啡。
　　
　　另外一个障碍是储存，因为反物质只要遇到正物质立刻就会湮灭爆炸，所以我们无法使用任何正物质制作的容器来存放它，现在都是通过磁场来保存这些反物质基本粒子。使用最多的是超冷真空的彭宁离子阱(Penning trap)，这是种可以便携运输的反质子存放装置，利用迭加电磁场来存放质子，但正电子难以用这种方式存放。
　　

离子阱

　　如果我们能在上述两方面取得突破性进展，就可以使用以反物质作为燃料的发动机来进行星际旅行了。我们并不需要达到原子级别的反物质，只要将基本粒子(亚原子)级别的反物质注入发动机让它同正物质反应一同湮灭就可以了。因此，我们就有两个选择，是用正电子还是反质子作燃料？
　　
　　这倒不难选择，因为正电子和负电子湮灭只产生高能γ射线，这种高能γ射线是无法控制发射方向的，所以不适合作飞船燃料。而质子和反质子湮灭时，并不立即产生γ射线，而是产生3到7个介子，通常情况是3个带电介子和2个中性介子，其中中性介子几乎立刻转化成高能γ射线，而带电介子是有一定寿命的，正常半衰期是28纳秒，但由于它们以光速94%的速度移动，所以半衰期延长到70纳秒，并在衰变完毕前平均前进24米。是带电的就好办，我们就可以使用磁场控制它们的方向，让它们同推进剂发生作用。这些带电介子包含了湮灭的60%的能量，而这就是我们可以利用的能量。
　　
　　反物质发动机的设计方案主要有四种，我在这里按照比冲量从低到高列出：
　　
　　1) 固体核心：湮灭在一个固体核心的热交换装置内进行，产生的热量将氢推进剂加到高热，然后从喷口喷出，效率和推力都比较高，但由于原材料的原因，比冲量最多只能达到1,000秒；
　　2) 气体核心：让反物质同氢推进剂直接反应湮灭，产生的带电介子以磁场控制并将氢推进剂加到高热，但这样会产生一些无法控制的γ射线，比冲量能达到2,500秒；
　　3) 离子浆核心：以比较多的反物质注入氢推进剂并湮灭产生高热的离子浆，并以磁场来容纳它们，然后将离子浆喷出产生推力，这样同样会产生一些无法控制的γ射线，但这种方式不受原材料的限制，比冲量可以很高，大约在5,000秒到10万秒之间；
　　4) 粒子束核心(Beam Core)：直接一对一地湮灭，然后以磁场控制带电介子并把它们直接从喷口喷射出去，由于这些介子的运动速度接近光速，发动机比冲量可能要超过1千万秒。因为湮灭产生的带电介子在衰变后变成半衰期更长的带电μ介子，所以这个办法完全可行。而且这个方式只需要反物质燃料，不需要推进剂，可以极大地减少飞船的负载。
　　
　　由于湮灭的产物是以接近光速运动的，所以飞船必须造得很长，下图就是典型的反物质引擎飞船的想象图：
　　

反物质引擎飞船想象图

　　预计使用粒子束核心反物质发动机的飞船从地球飞到火星只需要24个小时到2个星期(取决于地球和火星在公转中的相对位置)，而要让目前的使用化学火箭发动机，则需要1到2年。
　　
　　我们回到制造和储存反物质的问题上，如果使用粒子束核心反物质发动机的话，需要几毫克反物质来在太阳系内旅行，如果要去比邻星的话则需要几公斤，这远远超过了我们的制造能力。但在存放方面我们倒取得不少进展，美国宇航局和宾州州立大学的科学家们已经能用彭宁离子阱来存放10¹⁰个反质子一个星期，下一阶段是进展到10¹²个，可要满足反物质推进的需要，估计需要存放10²⁰个反质子。
　　
　　不过，科技进步的路子从来都不只一条，如果我们一时不能在制造和储存方面取得进展的话，也可以想办法减少反物质燃料的使用量。这种方式就是将反物质的湮灭和核反应结合，我前面介绍星际冲压发动机的时候，在结尾也提到了这种方式。
　　
　　这种方式可以相互取长补短，由于反物质昂贵而且难以储存，所以少用反物质，多用核燃料；而由于核反应，尤其是进行热核反应的要求条件太高，所以用能够自然发生的反物质湮灭来触发核反应。这种结合的方式虽然比纯粹的反物质发动机产生的功率小，但毕竟更接近实际，从而容易实现。
　　
　　需要注意的是，下面介绍的方法是不能用来发电的，因为输入的电量远大于输出的电量。但在宇航方面关心的是推力，而不是输入输出能量的经济性，所以不要紧。
　　
　　1) ICAN-II
　　
　　ICAN-II(ion compressed antimatter nuclear II)是由宾州州立大学的反物质太空推进小组(Antimatter Space Propulsion team)设计的，这种方式使用了反物质和核裂变的结合，用反物质来引发裂变。方法是让反质子撞击裂变物质的原子核，并同原子核里面的质子湮灭，产生的能量将使原子核分裂，其最终产生的能量要比普通的核裂变要大，估计去火星旅行一番需要140毫微克(1毫微克等于10亿分之1克)的反物质，远远少于粒子束核心反物质发动机的消耗量。
　　

ICAN-II飞船结构图，点击图片放大


ICAN-II上的反物质储存环

　　2) AIM之星
　　
　　AIM是反质子触发微裂变/聚变的缩写(Antiproton Initiated Microfission/fusion)，按照宾州州立大学的设想，如果有了比ICAN-II中能得到的稍微多一点的反物质，就可以朝粒子束核心反物质发动机的方向前进一步，用反物质来加强裂变，从而加热聚变燃料引发聚变。这种发动机对反物质的需要量增加了，但需要的裂变物质比较少，而且有比ICAN-II更高的比冲量，大约在61,000秒左右。他们把按这种方式设计的飞船称为AIM之星(AIMStar)，如果能有30-130微克(1微克等于1/1000毫克)的反物质，AIM之星探测飞船能在50年内飞到欧特云。
　　

AIM飞船想象图

　　3) 聚变和反物质的结合
　　
　　同样，这是把反物质在比较近的时期投入使用的尝试，不过需要比AIM方式再多一些的反物质。只有有足够的反物质，我们就可以完全抛弃裂变过程，直接用反物质湮灭产生的能量来触发惯性约束聚变，而不必象前面介绍惯性约束聚变时那样使用激光。估计使用这种发动机，我们能在1个月以内到达火星。
　　
　　美国宇航局马歇尔飞行中心(Marshall Flight Centre)的研究人员期望，上述技术能在30-40年之内成熟并获得应用。
　　
　　此外，同样有人设想将反物质湮灭同核反应结合，并用类似猎户座的爆炸的方式来推进，正在美国航空航天局下属的NIAC资助下研究反物质发动机的Hbar Technologies公司就设计了如下图所示的飞船。
　　

Hbar公司的反物质飞船象图

　　显然，Hbar公司设计的飞船和猎户座一样有个推进盘，不过这个推进盘是在前方，而且直径只有15英尺(5米)，这种反物质飞船结构相当紧密。飞船向推进盘喷出反物质，反物质粒子和推进盘碰撞产生爆炸，而物质和反物质湮灭时将和帆上薄薄的铀235涂层作用，产生少量的核裂变。这两个反应组合起来能产生最大的爆炸，用这种方法加速，Hbar公司设计的飞船在四个月里能达到每秒116公里。
　　
　　这项研究的目的就是设计出一个小型飞船用以携带探测器，初步计划是在发送一个探测器并使之在10年内到达柯伊伯带。而这个公司到目前为止的成就显示，可以利用30毫克的反氢在10年内将一个载有小质量仪器的探测飞船送到距离太阳250天文单位远的地方；而根据初步测算，使用几克反物质则可以把同样大小的探测器在40年内送到比邻星。