إذا كنت تتطلع إلى بناء سفينة فضائية قوية ، فلا شيء أفضل من المادة المضادة. يمول معهد NASA للمفاهيم المتقدمة فريقًا من الباحثين لمحاولة تصميم مركبة فضائية تعمل بالطاقة المضادة للمادة يمكن أن تتجنب بعض هذه المشاكل.
تستخدم معظم سفن الفضاء التي تحترم نفسها في قصص الخيال العلمي المادة المضادة كوقود لسبب وجيه - إنها أقوى وقود معروف. في حين أن هناك حاجة إلى أطنان من الوقود الكيميائي لدفع مهمة بشرية إلى المريخ ، فإن عشرات المليجرامات فقط من المادة المضادة ستفعل (المليجرام يساوي حوالي جزء من الألف من قطعة حلوى M&M الأصلية).
ومع ذلك ، في الواقع ، هذه القوة لها ثمن. تنتج بعض التفاعلات المضادة للمادة انفجارات لأشعة جاما عالية الطاقة. أشعة جاما تشبه الأشعة السينية على المنشطات. إنها تخترق المادة وتفكك الجزيئات في الخلايا ، لذا فهي ليست صحية في التواجد. يمكن لأشعة جاما عالية الطاقة أيضًا أن تجعل المحركات مشعة عن طريق تفتيت ذرات مادة المحرك.
يمول معهد ناسا للمفاهيم المتقدمة (NIAC) فريقًا من الباحثين الذين يعملون على تصميم جديد لسفينة فضائية تعمل بالمواد المضادة التي تتجنب هذا التأثير الجانبي السيئ عن طريق إنتاج أشعة غاما بطاقة أقل بكثير.
يُطلق على المادة المضادة أحيانًا صورة طبق الأصل للمادة الطبيعية لأنه في حين أنها تبدو مثل المادة العادية ، فإن بعض الخصائص معكوسة. على سبيل المثال ، تحتوي الإلكترونات العادية ، وهي الجزيئات المألوفة التي تحمل التيار الكهربائي في كل شيء من الهواتف المحمولة إلى تلفزيونات البلازما ، على شحنة كهربائية سالبة. تمتلك الإلكترونات شحنة موجبة ، لذلك أطلق عليها العلماء اسم "البوزيترونات".
عندما تلتقي المادة المضادة مع المادة ، كلاهما يهلكان في ومضة من الطاقة. هذا التحول الكامل للطاقة هو ما يجعل المادة المضادة قوية جدًا. حتى التفاعلات النووية التي تشغلها القنابل الذرية تأتي في ثانية بعيدة ، حيث يتم تحويل حوالي ثلاثة بالمائة فقط من كتلتها إلى طاقة.
استخدمت التصميمات السابقة لسفينة الفضاء التي تعمل بالطاقة المضادة للبروتونات ، والتي تنتج أشعة جاما عالية الطاقة عندما تموت. سيستخدم التصميم الجديد البوزيترونات ، مما يجعل أشعة جاما بطاقة أقل بحوالي 400 مرة.
بحث NIAC هو دراسة أولية لمعرفة ما إذا كانت الفكرة مجدية. إذا كانت تبدو واعدة ، وكانت الأموال متاحة لتطوير التكنولوجيا بنجاح ، فإن سفينة الفضاء التي تعمل بالطاقة البوزيترونية سيكون لها مزايا على الخطط الحالية لمهمة بشرية إلى المريخ ، تسمى بعثة المريخ المرجعية.
قال الدكتور جيرالد سميث من Positronics Research، LLC في سانتا في ، نيومكسيكو: "الميزة الأكثر أهمية هي المزيد من السلامة". تدعو البعثة المرجعية الحالية إلى مفاعل نووي لدفع سفينة الفضاء إلى المريخ. هذا أمر مرغوب فيه لأن الدفع النووي يقلل من وقت السفر إلى المريخ ، مما يزيد من سلامة الطاقم عن طريق تقليل تعرضهم للأشعة الكونية. أيضا ، تزن المركبة الفضائية التي تعمل بالطاقة الكيميائية أكثر بكثير وتكلف إطلاقها أكثر بكثير. يوفر المفاعل أيضًا طاقة كافية للمهمة التي تستغرق ثلاث سنوات. لكن المفاعلات النووية معقدة ، لذلك من المحتمل أن تسير الأمور بشكل خاطئ أثناء المهمة. قال سميث ، الباحث الرئيسي في دراسة NIAC: "ومع ذلك ، فإن مفاعل البوزيترون يقدم نفس المزايا ولكنه بسيط نسبيًا".
كما أن المفاعلات النووية مشعة حتى بعد استهلاك وقودها. بعد وصول السفينة إلى كوكب المريخ ، تهدف خطط المهمة المرجعية إلى توجيه المفاعل إلى مدار لن يواجه الأرض لمدة مليون سنة على الأقل ، عندما يتم تقليل الإشعاع المتبقي إلى مستويات آمنة. ومع ذلك ، لا يوجد إشعاع متبقي في مفاعل بوزيترون بعد استهلاك الوقود ، لذلك لا يوجد قلق بشأن السلامة إذا كان يجب أن يدخل مفاعل البوزيترون المستنفد عن طريق الخطأ الغلاف الجوي للأرض ، وفقًا للفريق.
سيكون إطلاقه أكثر أمانًا أيضًا. إذا انفجر صاروخ يحمل مفاعلًا نوويًا ، فقد يطلق جزيئات مشعة في الغلاف الجوي. "ستطلق مركبتنا الفضائية البوزيترونية وميضًا من أشعة غاما إذا انفجرت ، لكن أشعة غاما ستختفي في لحظة. لن تكون هناك جزيئات مشعة تنجرف على الرياح. سيقتصر الفلاش أيضًا على منطقة صغيرة نسبيًا. ستكون منطقة الخطر حوالي كيلومتر (حوالي نصف ميل) حول المركبة الفضائية. وقال سميث إن صاروخًا عاديًا كبيرًا يعمل بالطاقة الكيميائية لديه منطقة خطرة من نفس الحجم تقريبًا ، بسبب الكرات النارية الكبيرة التي قد تنجم عن انفجاره.
ميزة أخرى مهمة هي السرعة. ستأخذ مركبة الفضاء المرجعية المهمة رواد الفضاء إلى المريخ في حوالي 180 يومًا. قال كيربي ماير ، مهندس من Positronics Research في الدراسة: "تصميماتنا المتطورة ، مثل مفاهيم الغاز الأساسية والمحرك الاستئصالي ، يمكن أن تأخذ رواد الفضاء إلى المريخ في نصف ذلك الوقت ، وربما حتى في أقل من 45 يومًا".
تقوم المحركات المتقدمة بذلك عن طريق الجري الساخن ، مما يزيد من كفاءتها أو "الدافع المحدد" (Isp). Isp هو "ميل لكل جالون" من الصواريخ: كلما ارتفع Isp ، كان بإمكانك الذهاب بشكل أسرع قبل أن تستهلك إمدادات الوقود الخاصة بك. أفضل الصواريخ الكيميائية ، مثل المحرك الرئيسي للمكوك الفضائي التابع لناسا ، تصل إلى حوالي 450 ثانية ، مما يعني أن رطلًا من الوقود سينتج رطلًا لمدة 450 ثانية. يمكن أن يستغرق مفاعل نووي أو بوزيترون أكثر من 900 ثانية. يمكن للمحرك الاستئصالي ، الذي يتبخر ببطء لإنتاج الدفع ، أن يصل إلى 5000 ثانية.
يتمثل أحد التحديات التقنية في جعل مركبة فضائية بوزيترون حقيقة واقعة في تكلفة إنتاج البوزيترونات. بسبب تأثيرها المذهل على المادة الطبيعية ، لا يوجد الكثير من المادة المضادة. في الفضاء ، يتم إنشاؤه في تصادمات الجسيمات عالية السرعة تسمى الأشعة الكونية. على الأرض ، يجب أن يتم إنشاؤه في مسرعات الجسيمات ، آلات ضخمة تحطم الذرات معًا. تُستخدم الآلات عادةً لاكتشاف كيفية عمل الكون على مستوى أساسي عميق ، ولكن يمكن تسخيرها كمصانع مضادة للمادة.
قال سميث: "إن التقدير التقريبي لإنتاج 10 ملليغرامات من البوزيترونات اللازمة لمهمة المريخ البشري هو حوالي 250 مليون دولار باستخدام التكنولوجيا قيد التطوير حاليًا". قد تبدو هذه التكلفة مرتفعة ، ولكن يجب أخذها في الاعتبار مقابل التكلفة الإضافية لإطلاق صاروخ كيميائي أثقل (تبلغ تكاليف الإطلاق الحالية حوالي 10000 دولار للرطل الواحد) أو تكلفة الوقود وجعل المفاعل النووي آمنًا. وأضاف سميث: "بناءً على الخبرة في مجال التكنولوجيا النووية ، يبدو من المعقول توقع انخفاض تكلفة إنتاج البوزيترون مع مزيد من البحث".
التحدي الآخر هو تخزين ما يكفي من البوزيترونات في مساحة صغيرة. لأنها تقضي على المواد الطبيعية ، لا يمكنك حشوها في زجاجة. بدلاً من ذلك ، يجب احتواؤها بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية. قال سميث: "نحن على ثقة من أنه من خلال برنامج مخصص للبحث والتطوير ، يمكن التغلب على هذه التحديات".
إذا كان الأمر كذلك ، فربما يصل أول البشر الذين يصلون إلى المريخ في سفن فضائية مدعومة من نفس المصدر الذي أطلق سفن فضائية عبر أكوان أحلامنا الخيالية العلمية.
المصدر الأصلي: بيان صحفي لوكالة ناسا
