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蓝星科技畅想(9)上:反物质发动机基本原理的去伪存真
作者:高歌
2009-12-28 03:18

在十九世纪末,法国作家儒勒.凡尔纳的脍炙人口的科幻小说,至今仍历久不衰,像“格兰特船长的女儿”、“海底两万里”、“八十天环绕地球”、“神秘岛”、“环绕月球”等作品仍然激励着当代各国青少年的科幻热情最令人叹为观止的是,凡尔纳作品中预言的未来科技,许许多多(据说有百分之八十之多!)都变成了我们现代人类生活的现实。凡尔纳预言的准确性更是令人深感不可思议,例如他在“环绕月球”一书中的登月火箭竟然是从佛罗里达起飞的!相比之下,十九世纪末和二十世纪初的科学家们的的预言却相形见绌,成功率仅仅只有百分之十。如今,二十一世纪初的科学家的预言或科学实践正在重复着同样的故事,上一期文章中提到的惯性约束实现受控热核反应的研究就是典型的痴人说梦;而如今在科普网站和科普文章中喧嚣一时的“反物质发动机”更是荒诞之极,美国航空航天局(NASA)散布出来的一些研究设想变成了一些人云亦云、鹦鹉学舌者的愚人金。他们被崇洋媚外的习惯势力蒙蔽了双眼,不知道揭破反物质发动机真的稀世之宝就在中国!就先让我们来看看反物质动力系统的研究现状吧:

1928年英国物理学家狄拉克首先从理论上提出了存在反物质的假说,认为存在着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,并存在着由这样的基本粒子构成的反物质。1932年加州理工的安德森发现了正电子,1955年在美国伯克利高能质子稳相加速器上制造出了第一个反质子;欧洲核子研究中心的研究人员则制出了反氢原子,并在1998年具备了一小时生产2000个反氢原子的能力;2002年他们制造了5万个反氢原子。但是,制造反物质的代价极为昂贵,目前在实验室条件下制造1克反物质的花费高达1000亿美元!目前,NASA的科学家们正致力于研究使用反物质发动机的太空飞船,所有的能量都将按爱因斯质能互换方程E=mc (m是粒子质量,c是光速)由正反物质湮灭提供,质能转化效率是100%。就目前所知的所有物理化学反应而言,这是效率最高的燃料。正反物质湮灭的质能转化效率是目前太空飞船常用的氢氧燃烧的100亿倍,是聚变核能的1400多倍。在二十一世纪,反物质动力系统将提供比冲和推重比最高的发动机,成为最为有效的能量获得方式之一。2000年10月NASA的研究人员宣布,反物质发动机只需140毫微克(1毫微克等于10亿分之1克)的反物质,就可供给飞船绕火星环绕一周所需的能量。航天火箭巨大的燃料箱和数百吨的燃料完全可以用0.1克的反物质代替!反物质在军事上有许多潜在的用途,是目前正在研制的新一代核武器中最重要的一种,美国费米实验室、欧洲核子中心以及俄罗斯的高能物理研究所,都在进行反物质的生产和研究。

但是,如果只使用人类目前所拥有的材料和技术手段,在研制反物质发动机的前进路途上横亘着几个几乎不可逾越的难题。首先是目前制造反物质的技术手段太原始落后了,地球人类对蓝星科技制造反物质的先进技术一无所知,他们目前没有任何其它制造反物质的办法,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以消耗巨额能量的代价来制造反物质(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,这点反物质大约只能够加热半杯咖啡!
  
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,根本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隔离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的磁环存储,考虑到正反质子二者带电性的不同,磁区能将反物质限制在磁环内。利用迭加电磁场来存放反质子可以构成便于携带运输的反质子存放装置,但正电子仍难以用这种方式存放。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个反质子达一个星期,下一阶段是进展到1012个。可是要满足反物质推进的需要,估计需要存放1020个反质子;也就是说,储存能力还需要再提高一百亿倍才有实用价值!


离子阱原理图

   上述两个障碍意味着目前有关反物质的研究和惯性约束实现受控热核反应的研究一样,原理上貌似成立,而实际上却绝无可能循已有技术路线获得成功。这些研究就像镜中花、水中月,可望而不可及。NASA提出的反物质发动机的设计方案主要有固体核心、气体核心、离子浆核心以及粒子束核心(Beam Core)四种。其中前三种都需要使用氢作为推进剂来承纳湮灭放出的热量并作为喷射物质以获取动量反冲推力,这三种方案都将大大增加宇宙飞船的推进剂重量而不可取。粒子束核心中正反粒子直接一对一地湮灭,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,发动机比冲有可能超过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,这些带电介子包含了湮灭产生的60%以上的能量,可以使用磁场控制它们的方向。这个方案只需要反物质燃料,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NASA典型的反物质引擎飞船的想象图:


NASA使用反物质发动机的宇宙飞船想象图 

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