Будет ли двигатель на антиматерии опасен для людей?

Некоторые события в начале серии «Известное пространство» Ларри Нивена включают в себя то, что известно как «Урок Кзинти», урок, преподанный пацифистом и демилитаризованным человечеством вторгшимся Кзинам. Урок состоит в том, что «эффективность реактивного двигателя как оружия прямо пропорциональна его эффективности как двигателя».

В «Уроке кзинтов» упоминались гигантские лазерные двигательные установки и фотонные двигатели. Ракета на антиматерии с лучевым сердечником, в значительной степени (теоретически) практический подход к созданию ракеты на антиматерии, которая работает так, как вы описываете, была бы почти такой же эффективной, как эти. Один с достаточной тягой, чтобы его можно было использовать для запуска с планеты, окажет разрушительное воздействие на окружающую среду. Атмосфера на самом деле довольно непрозрачна для гамма-излучения, поэтому радиационная опасность будет ограничена, но при поглощении радиации она превратится в нечто, напоминающее ядерный огненный шар.

Вам нужен двигатель с гораздо более низкой производительностью, который нагревается и выбрасывает топливо для таких целей. Помимо менее смертоносного выхлопа, это также имеет то преимущество, что потребляет гораздо меньше антивещества и не требует от корабля такой же мощности. Возможно, вы могли бы использовать антиматерию для нагрева ракетного топлива, но удачи вам в эффективном поглощении гамма-излучения и заряженных частиц.

Ответ, конечно, зависит .

Очень грубо можно разделить ракетные двигатели на три типа:

• высокая тяга, низкая скорость истечения, малое время работы, подходит для взлета с планеты
• малая тяга, высокая скорость истечения, большое время работы, подходит для эффективного путешествия в космосе
• высокая тяга, высокая скорость истечения «факельных приводов».

Двигатели на антиматерии могут быть любыми из вышеперечисленных.

Примером современного двигателя взлетного типа может быть буквально любой ракетный двигатель, который мы использовали за последние сто или более лет. Распространенным типом будет ракета на жидком топливе , например, используемая SpaceX.

Примером второго типа может быть электрическая двигательная установка, такая как ионный двигатель или, возможно, VASIMR . Тяга настолько мала, что ее нельзя использовать для запуска ракет даже со всех, кроме самых крошечных лун, но двигатель может работать годами, что делает их идеальными для исследований в дальнем космосе.

Третий тип так и не был реализован, но ближе всего к нему подошел проект «Орион» , который использовал бы ядерные взрывы для приведения в движение космического корабля.

Теперь обратите внимание, что выше я упомянул скорость выхлопа. Чем выше скорость истечения, тем эффективнее ракета обеспечивает тягу в течение длительного периода времени.

Предлагаемая вами ракета на антиматерии может быть известна как ракета с лучевым сердечником , а иногда и пионный двигатель. Его скорость истечения равна скорости продуктов аннигиляции, которые, в свою очередь, зависят от того, как именно работает ваш двигатель и кого вы спрашиваете. Раннее моделирование предполагает скорость истечения ~ 0,3с, более поздние статьи предполагают, что 0,69с может быть практичным, а другие даже предполагают, что может быть достижимо > 0,9с.

Однако давайте возьмем самую низкую оценку 0,3c. Это использовалось Forward и Frisbee , среди прочих, и происходит благодаря взаимодействию заряженных пионов и магнитного сопла вашей ракеты. Это дает нам самую консервативную оценку того, насколько разрушительна ваша ракета.

Сила реактивного двигателя может быть описана следующим уравнением :

где$\dot{m}$- масса, вытекающая из сопла, и$v_e$это скорость выхлопа. Допустим, у вас есть стотонный космический корабль... это цифра из воздуха, но она немного превышает максимальную массу аэробуса A321 и немного меньше массы загруженного космического корабля. Вы не указали вес космического корабля, но я уверен, что вы можете повторить приведенные ниже простые расчеты, если почувствуете необходимость.

В любом случае, чтобы просто оторваться вертикально от земного притяжения на 100-тонном корабле, нужно создать тягу не менее меганьютона.

При скорости истечения 0,3с это дает массовый поток ~11 г пионов в секунду.

Это уже должно быть тревожным звоночком!

Заряженные пионы нестабильны и быстро распадаются на пары мюон/антимюон, а иногда и электрон/позитон. Эти мюоны также нестабильны и распадаются на пары электрон/позитрон. Эти позитроны довольно быстро встретятся с дружественным электроном, а затем быстро аннигилируют, выпустив пару гамма-лучей с энергией 511 кэВ.

Это означает, что почти вся масса-энергия выхлопа вашей ракеты превратится в гамма-лучи. Используя старый добрый$E = MC^2$вы можете видеть, что это создаст гамма-светимость порядка 1 петаватт, что примерно эквивалентно 250-килотонному ядерному заряду, взрывающемуся каждую секунду .

Вы можете использовать массовые коэффициенты затухания NIST, чтобы определить, насколько проникает это излучение, или вместо этого использовать этот удобный калькулятор . Вы увидите, что яркость рентгеновского излучения будет уменьшена примерно на 99,5% в радиусе 500 м. Это создаст яркий плазменный огненный шар, напоминающий раннюю фазу ядерного взрыва. Гамма-лучи, конечно, будут распространяться дальше от эпицентра… через 1 км 99,9975% излучения будут поглощены воздухом и преобразованы в тепло, но это все равно оставит 25 ГВт гамма-лучей. Я не буду вычислять здесь безопасное расстояние для незащищенного человека в воздухе, но это будет довольно далеко!

Это городские уровни стерилизации плохого .

И это всего лишь масса выхлопа из вашей ракетной системы... помните, что эти продукты выхлопа обладают большой кинетической энергией (что делает стрелу больше), и только часть массы, подаваемой в реакционную камеру, выйдет в виде заряженных частиц, так что есть также летает гораздо больше гамма-излучения. Работа Фрисби над ракетами с пучковым сердечником включает анализ продуктов аннигиляции... ключевыми из них являются ранние гамма-излучения с энергией 200 МэВ. Данные NIST об ослаблении не достигают таких высоких значений, но гамма-лучи с энергией 100 МэВ могут достичь примерно 2,65 км воздуха на уровне моря до того, как будет поглощено 99,5% светимости, что делает их значительно большей радиационной опасностью, чем более длинноволновые. выхлопные гамма-лучи. На самом деле это могут быть страны-уровни стерилизации плохие, но еще раз: я не буду вдаваться в точные детали, потому что ситуация однозначно плохая.

Это цена, которую вы платите за ракету с большой тягой и высокой скоростью выхлопа. Факельные двигатели невероятно опасны даже при скромных уровнях тяги, а ракета, способная взлететь с планеты, не будет иметь скромной тяги!

И для тех, кто пытается уйти от проблем, которые я только что обрисовал:

• Не думайте, что вы сможете убежать, выполнив горизонтальный взлет... Airbus A321 имеет сравнимую массу и максимальную тягу ~150 кН, и для этой тяги все равно потребуется более полутора граммов пионов в секунду от луча- ядерная ракета!
• В условиях низкой гравитации уровень радиации по-прежнему ужасающе высок. В гравитационном поле в миллиджи вы выбрасываете только 10 мг пионов в секунду, чтобы просто взлететь, но это все еще светимость только по массе ~ 980 ГВт жестких гамма-лучей. Вы действительно не хотите ничего близкого к этому, и, конечно же, никаких людей.
• Вероятно, запускать эту ракету на уровне миллиджи даже на низкой орбите над похожей на Землю планетой — не очень хорошая идея. Гамма-излучение может вызвать ЭМИ на большой высоте , и оно может быть достаточно ярким, чтобы вызвать повреждение зрения на поверхности внизу (хотя я не уверен в этом на 100%, я почти уверен, что смотреть на это было бы плохо) .
• Даже крошечная пионная ракета 1N, достаточная для ускорения 100 кг на миллиджи, является источником гамма-излучения гигаватт. Незащищенный человек на расстоянии 10 км в вакууме (скажем, кто-то в обычном скафандре на одном конце Фобоса, наблюдающий, как вы уходите с другого конца) подвергается воздействию гамма-излучения ~0,8 Вт/м 2 ^от выхлопных газов. Если бы они имели площадь поперечного сечения 0,6 м ² и массу 60 кг, это доза 8 миллигрей в секунду, что эквивалентно 8 мЗв ( эквивалентно КТ грудной клетки ) в секунду. Незащищенный человек, находящийся всего в 1 км от него в вакууме, получает достаточное количество гамма-лучей, чтобы за одну секунду у него развилась лучевая болезнь, а смертельная доза — за 10 секунд.

Вы можете видеть, что на самом деле нет безопасного способа управлять пионной ракетой где-либо рядом с чем-либо, что действительно не очень хорошо защищено (и подробности этой защиты относятся к другому вопросу / ответу).

Конечно, ваши проблемы на этом не заканчиваются... у пионных ракет есть много других проблем, в том числе худшая дельта-V, чем вы могли бы ожидать, из-за распада реактивной массы (см. скорректированное уравнение релятивистской ракеты в статье Фрисби) и тот факт, что реакция сечения аннигиляции частица-античастица на самом деле довольно низкие ( релятивистская ракета: мечта и реальность ).

Некоторые из них преодолимы. Для взлета с обитаемого мира с разумной гравитацией, такой как Земля или Марс, можно использовать ракету с твердой сердцевиной из антивещества. В предыдущем редактировании этого ответа были некоторые подробности об этом (все еще присутствующие в истории редактирования), но я удалил их для краткости. Не стесняйтесь задавать отдельный вопрос о том, как лучше всего безопасно покинуть земные миры с мощными двигателями!

Я почти уверен, что если вы использовали аннигиляцию материи и антиматерии в качестве источника энергии, вы, скорее всего, НЕ использовали двигатель реактивной массы. Я бы предположил, что это какое-то искривление пространства/времени или сжатие вдоль линий привода Алькубьерре. Или, может быть, какой-то гравитационный привод. Что-то, что требует очень больших энергий, но не для приведения в движение реакционной массы, а для питания какого-то другого физического механизма. Это было бы похоже на попытку понять, как использовать энергию термоядерного реактора для управления кораблем.

Как это будет производить полезную энергию, как предположил AlexP, в лучшем случае спекулятивно. Будет ли он полностью в каком-то защитном сосуде? Похоже на то, как мы сегодня вырабатываем ядерную энергию? С очень тщательно сдерживаемым и экранированным излучением? В дальнем космосе, конечно, можно не беспокоиться о радиационном отравлении окружающей среды, пока не налажены проторенные космические трассы.

Использование активной зоны в системе определенно потребует какой-то защиты, но, как и в случае с сегодняшними ядерными реакторами, не будет необходимости выбрасывать радиацию в окружающую среду. Приводы будут иметь своего рода промежуточную систему передачи энергии, подобно тому, как мы используем воду/пар для передачи энергии от ядерных энергетических реакторов.

Я бы ожидал, что внутрисистемные приводы будут использовать какую-то форму накопленной энергии или использовать эту энергию, возможно, для питания плазменного реактивного двигателя, но это будет совершенно другая забота об окружающей среде.