هل يمكن أن تعمل تقنية مفاعل المادة المضادة؟

المركبة الفضائية, مألوفة لمحبي سلسلة "ستار تريك" ، من المفترض أن تستخدم تقنية رائعة تسمى محرك الاعوجاج، مصدر طاقة معقد يحتوي على المادة المضادة في قلبه. يُفترض أن المادة المضادة تنتج كل الطاقة التي يحتاجها طاقم السفينة لتشق طريقها حول المجرة ولديها مغامرات. بطبيعة الحال ، مثل هذه المحطة هي عمل الخيال العلمي.

ومع ذلك ، يبدو من المفيد جدًا أن يتساءل الناس غالبًا ما إذا كان من الممكن استخدام مفهوم يتضمن المادة المضادة لتشغيل المركبة الفضائية بين النجوم. اتضح أن العلم سليم تمامًا ، لكن بعض العقبات تقف بالتأكيد في طريق تحويل مصدر طاقة الأحلام هذا إلى حقيقة قابلة للاستخدام.

مصدر قوة المؤسسة هو رد فعل بسيط تنبأ به الفيزياء. المادة هي "أشياء" النجوم والكواكب ونحن. تتكون من الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات.

المادة المضادة هي عكس المادة ، نوع من المادة "المرآة". يتكون من جزيئات ، بشكل فردي ، جسيمات مضادة من لبنات البناء المختلفة شيء، مثل البوزيترونات (الجسيمات المضادة للإلكترونات) والبروتونات المضادة (الجسيمات المضادة للبروتونات). هذه الجسيمات المضادة متطابقة في معظم الطرق مع نظيراتها من المواد العادية ، باستثناء أن لديهم الشحنة المعاكسة. إذا كان من الممكن جمعها مع جزيئات المادة العادية في نوع من الحجرات ، فستكون النتيجة إطلاقًا ضخمًا للطاقة. يمكن لهذه الطاقة ، نظريًا ، أن تشغل مركبة فضائية.

تخلق الطبيعة جسيمات مضادة ، ليس فقط بكميات كبيرة. يتم إنشاء الجسيمات المضادة في العمليات التي تحدث بشكل طبيعي وكذلك من خلال الوسائل التجريبية مثل معجلات الجسيمات الكبيرة في التصادمات عالية الطاقة. وجدت الأبحاث الحديثة أن المادة المضادة يتم إنشاؤها بشكل طبيعي فوق غيوم العاصفة ، وهي الوسيلة الأولى التي يتم من خلالها إنتاجها بشكل طبيعي على الأرض وفي الغلاف الجوي.

خلاف ذلك ، فإنه يأخذ كميات هائلة من الحرارة والطاقة لخلق المادة المضادة ، مثل أثناء السوبرنوفا أو بالداخل النجوم التسلسل الرئيسيمثل الشمس. نحن في أي مكان قريب من قدرتنا على محاكاة تلك الأنواع الضخمة من مصانع الانصهار.

من الناحية النظرية ، يتم تجميع المادة ومكافئها المضاد معًا وعلى الفور ، كما يوحي الاسم ، يدمر كل منهما الآخر ، ويطلق الطاقة. كيف يمكن بناء محطة الطاقة هذه؟

أولاً ، يجب أن يتم بناؤه بعناية شديدة نظرًا لكميات الطاقة الضخمة التي ينطوي عليها. سيتم احتواء المادة المضادة بشكل منفصل عن المادة العادية بواسطة المجالات المغناطيسية حتى لا تحدث تفاعلات غير مقصودة. سيتم بعد ذلك استخراج الطاقة بنفس الطريقة التي تلتقط بها المفاعلات النووية الحرارة المستهلكة والطاقة الخفيفة من تفاعلات الانشطار.

ستكون مفاعلات المادة المضادة للمادة ذات كفاءة أكبر في إنتاج الطاقة من الاندماج ، وهي أفضل آلية رد فعل تالية. ومع ذلك ، لا يزال من غير الممكن التقاط الطاقة المحررة بالكامل من حدث المادة المضادة. يتم نقل كمية كبيرة من الناتج عن طريق النيوترينوات ، وهي جزيئات بلا كتلة تتفاعل تقريبًا ضعيفة مع المادة التي يكاد يكون من المستحيل التقاطها ، على الأقل لأغراض الاستخراج الطاقة.

المخاوف بشأن الحصول على الطاقة ليست مهمة مثل مهمة الحصول على ما يكفي من المادة المضادة للقيام بهذه المهمة. أولاً ، نحتاج إلى كمية كافية من المادة المضادة. هذه هي الصعوبة الرئيسية: الحصول على كمية كبيرة من المادة المضادة للحفاظ على المفاعل. بينما ابتكر العلماء كميات صغيرة من المادة المضادة ، تتراوح بين البوزيترونات ، والبروتونات المضادة ، ومضاد الهيدروجين الذرات ، وحتى عدد قليل من ذرات الهيليوم ، لم تكن بكميات كبيرة بما يكفي لتشغيل الكثير منها اى شى.

إذا كان على المهندسين أن يجمعوا كل المادة المضادة التي تم إنشاؤها بشكل مصطنع ، عندما يتم دمجها مع المواد الطبيعية ، لن يكون كافياً لإضاءة مصباح قياسي لأكثر من عدد قليل الدقائق.

علاوة على ذلك ، ستكون التكلفة عالية بشكل لا يصدق. مسرعات الجسيمات باهظة الثمن للتشغيل ، حتى لإنتاج كمية صغيرة من المادة المضادة في تصادماتها. في أفضل سيناريو ، سيكلف الأمر حوالي 25 مليار دولار لإنتاج جرام واحد من البوزيترونات. ويشير الباحثون في CERN إلى أن تشغيل معجلهم 100 كوادريليون و 100 مليار سنة لإنتاج جرام واحد من المادة المضادة.

من الواضح ، على الأقل مع التكنولوجيا المتاحة حاليًا ، أن التصنيع المنتظم للمادة المضادة لا يبدو واعدًا ، مما يجعل سفن الفضاء بعيدة المنال لفترة من الوقت. ومع ذلك ، تبحث وكالة ناسا عن طرق لالتقاط المادة المضادة التي تم إنشاؤها بشكل طبيعي ، والتي يمكن أن تكون طريقة واعدة لتشغيل سفن الفضاء أثناء انتقالها عبر المجرة.

أين سيبحث العلماء عن مادة مضادة كافية للقيام بالحيلة؟ ال فان ألينإشعاع تحتوي الأحزمة - مناطق على شكل دونات من الجسيمات المشحونة التي تحيط بالأرض - على كميات كبيرة من الجسيمات المضادة. يتم إنشاء هذه كجسيمات مشحونة ذات طاقة عالية جدًا من الشمس تتفاعل مع المجال المغناطيسي للأرض. لذلك قد يكون من الممكن التقاط هذه المادة المضادة وحفظها في "زجاجات" المجال المغناطيسي حتى يمكن للسفينة استخدامها للدفع.

أيضًا ، مع الاكتشاف الأخير لتكوين المادة المضادة فوق غيوم العاصفة ، قد يكون من الممكن التقاط بعض هذه الجسيمات لاستخداماتنا. ومع ذلك ، لأن التفاعلات تحدث في غلافنا الجوي ، فإن المادة المضادة سوف تتفاعل حتمًا مع المادة الطبيعية وتبيد ، على الأرجح قبل أن تتاح لنا الفرصة لالتقاطها.

لذا ، في حين أنها ستظل مكلفة للغاية ولا تزال تقنيات الالتقاط قيد الدراسة ، فقد يكون من الممكن يومًا ما لتطوير تقنية يمكنها جمع المادة المضادة من الفضاء من حولنا بتكلفة أقل من الإبداع الاصطناعي أرض.

مع تقدم التكنولوجيا ونبدأ في فهم كيفية إنشاء المادة المضادة بشكل أفضل ، يمكن للعلماء البدء في تطوير طرق لالتقاط الجسيمات المراوغة التي يتم إنشاؤها بشكل طبيعي. لذا ، ليس من المستحيل أن نتمكن يومًا ما من الحصول على مصادر طاقة مثل تلك التي تم تصويرها في الخيال العلمي.

-تحرير وتحديث بواسطة كارولين كولينز بيترسن