Als je een krachtig ruimteschip wilt bouwen, is niets beter dan antimaterie. Het is lichtgewicht, extreem krachtig en kan een enorme snelheid genereren. Het is echter enorm duur om te maken, vluchtig en geeft stortvloeden van destructieve gammastraling vrij. NASA's Institute for Advanced Concepts financiert een team van onderzoekers om te proberen een door antimaterie aangedreven ruimtevaartuig te ontwerpen dat sommige van die problemen zou kunnen vermijden.
De meeste zichzelf respecterende ruimteschepen in sciencefictionverhalen gebruiken anti materie als brandstof voor een goede reden - het is de meest krachtige brandstof die bekend is. Hoewel er tonnen chemische brandstof nodig zijn om een menselijke missie naar Mars voort te stuwen, zijn slechts tientallen milligrammen antimaterie voldoende (een milligram is ongeveer een duizendste van het gewicht van een stuk van het originele M&M-snoepgoed).
In werkelijkheid komt deze kracht echter met een prijs. Sommige antimateriereacties produceren explosies van hoogenergetische gammastraling. Gammastralen zijn als röntgenstralen op steroïden. Ze dringen materie binnen en breken moleculen in cellen af, dus ze zijn niet gezond om in de buurt te zijn. Hoogenergetische gammastralen kunnen de motoren ook radioactief maken door atomen van het motormateriaal te fragmenteren.
Het NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) financiert een team van onderzoekers die werken aan een nieuw ontwerp voor een door antimaterie aangedreven ruimteschip dat deze vervelende bijwerking vermijdt door gammastraling te produceren met veel lagere energie.
Antimaterie wordt soms het spiegelbeeld van normale materie genoemd, omdat het er net zo uitziet als gewone materie, maar sommige eigenschappen zijn omgekeerd. Normale elektronen, de bekende deeltjes die elektrische stroom vervoeren in alles, van mobiele telefoons tot plasma-tv's, hebben bijvoorbeeld een negatieve elektrische lading. Anti-elektronen hebben een positieve lading, dus wetenschappers noemden ze 'positronen'.
Wanneer antimaterie materie ontmoet, vernietigen beide in een flits van energie. Deze volledige omzetting in energie maakt antimaterie zo krachtig. Zelfs de kernreacties die atoombommen aandrijven, komen op een verre seconde, met slechts ongeveer drie procent van hun massa omgezet in energie.
Eerdere ontwerpen van door antimaterie aangedreven ruimteschepen gebruikten antiprotonen, die hoogenergetische gammastraling produceren wanneer ze vernietigen. Het nieuwe ontwerp maakt gebruik van positronen, die gammastraling maken met ongeveer 400 keer minder energie.
Het NIAC-onderzoek is een vooronderzoek om te kijken of het idee haalbaar is. Als het er veelbelovend uitziet en er geld beschikbaar is om de technologie met succes te ontwikkelen, zou een door positronen aangedreven ruimteschip een aantal voordelen hebben ten opzichte van de bestaande plannen voor een menselijke missie naar Mars, de Mars Reference Mission.
'Het belangrijkste voordeel is meer veiligheid', zegt Dr. Gerald Smith van Positronics Research, LLC in Santa Fe, New Mexico. De huidige referentiemissie vraagt om een kernreactor om het ruimteschip naar Mars te stuwen. Dit is wenselijk omdat nucleaire voortstuwing de reistijd naar Mars verkort en de veiligheid van de bemanning vergroot door hun blootstelling aan kosmische straling te verminderen. Ook weegt een chemisch aangedreven ruimtevaartuig veel meer en kost het veel meer om te lanceren. De reactor levert ook voldoende vermogen voor de driejarige missie. Maar kernreactoren zijn complex, dus er kunnen mogelijk meer dingen mis gaan tijdens de missie. 'De positronreactor biedt echter dezelfde voordelen, maar is relatief eenvoudig', zegt Smith, hoofdonderzoeker van het NIAC-onderzoek.
Ook zijn kernreactoren radioactief, zelfs nadat hun brandstof is opgebruikt. Nadat het schip bij Mars is aangekomen, zijn de plannen van de Reference Mission om de reactor in een baan om de aarde te brengen die de aarde gedurende ten minste een miljoen jaar niet zal ontmoeten, wanneer de resterende straling zal worden teruggebracht tot veilige niveaus. Er is echter geen overgebleven straling in een positronreactor nadat de brandstof is opgebruikt, dus er is geen veiligheidsrisico als de gebruikte positronreactor per ongeluk opnieuw in de atmosfeer van de aarde terechtkomt, aldus het team.
Het zal ook veiliger zijn om te starten. Als een raket met een kernreactor explodeert, kan deze radioactieve deeltjes in de atmosfeer vrijgeven. 'Ons positron-ruimtevaartuig zou een flits van gammastralen afgeven als het zou exploderen, maar de gammastralen zouden in een oogwenk verdwenen zijn. Er zouden geen radioactieve deeltjes op de wind meedrijven. De flits zou ook worden beperkt tot een relatief klein gebied. De gevarenzone zou ongeveer een kilometer (ongeveer een halve mijl) rond het ruimtevaartuig zijn. Een gewone grote chemisch aangedreven raket heeft een gevarenzone van ongeveer dezelfde grootte, vanwege de grote vuurbal die het gevolg zou zijn van de explosie, 'zei Smith.
Een ander belangrijk voordeel is de snelheid. Het ruimtevaartuig Reference Mission zou astronauten in ongeveer 180 dagen naar Mars brengen. 'Onze geavanceerde ontwerpen, zoals de gaskern en de ablatieve motorconcepten, zouden astronauten in de helft van die tijd en misschien zelfs in slechts 45 dagen naar Mars kunnen brengen', zegt Kirby Meyer, een ingenieur bij Positronics Research over het onderzoek.
Geavanceerde motoren doen dit door warm te lopen, wat hun efficiëntie of “specifieke impuls” (Isp) verhoogt. Isp is de 'mijl per gallon' van raketten: hoe hoger de Isp, hoe sneller je kunt gaan voordat je je brandstofvoorraad opgebruikt. De beste chemische raketten, zoals de hoofdmotor van NASA's Space Shuttle, halen het maximum uit ongeveer 450 seconden, wat betekent dat een pond brandstof 450 seconden lang een pond stuwkracht zal produceren. Een kern- of positronreactor kan meer dan 900 seconden maken. De ablatieve motor, die zichzelf langzaam verdampt om stuwkracht te produceren, kan oplopen tot 5000 seconden.
Een technische uitdaging om een positron-ruimtevaartuig te realiseren, zijn de kosten om de positronen te produceren. Vanwege het spectaculaire effect op normale materie, zit er niet veel antimaterie rond. In de ruimte ontstaat het door botsingen van hogesnelheidsdeeltjes die kosmische straling worden genoemd. Op aarde moet het worden gemaakt in deeltjesversnellers, immense machines die atomen tegen elkaar slaan. De machines worden normaal gesproken gebruikt om te ontdekken hoe het universum werkt op een diep, fundamenteel niveau, maar ze kunnen worden gebruikt als antimateriefabrieken.
'Een ruwe schatting om de 10 milligram positronen te produceren die nodig zijn voor een menselijke Mars-missie is ongeveer 250 miljoen dollar met behulp van technologie die momenteel in ontwikkeling is', zei Smith. Deze kosten lijken misschien hoog, maar het moet worden afgewogen tegen de extra kosten om een zwaardere chemische raket te lanceren (de huidige lanceringskosten bedragen ongeveer $ 10.000 per pond) of de kosten om een kernreactor van brandstof te voorzien en te beveiligen. 'Op basis van de ervaring met nucleaire technologie lijkt het redelijk om te verwachten dat de productiekosten van positronen zullen dalen met meer onderzoek', voegde Smith eraan toe.
Een andere uitdaging is het opslaan van voldoende positronen in een kleine ruimte. Omdat ze normale materie vernietigen, kun je ze niet zomaar in een fles stoppen. In plaats daarvan moeten ze worden omsloten door elektrische en magnetische velden. 'We zijn ervan overtuigd dat deze uitdagingen kunnen worden overwonnen met een toegewijd onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma', aldus Smith.
Als dit zo is, zullen misschien de eerste mensen die Mars bereiken aankomen in ruimteschepen die worden aangedreven door dezelfde bron die ruimteschepen heeft afgevuurd door de universums van onze sciencefictiondromen.
Originele bron: NASA-nieuwsbericht