Wetenschap
"Engineering, stand-by voor warp-aandrijving ." Met dat commando, de "Star Trek" bemanning van de U.S.S. Enterprise bereidde zich voor om het ruimteschip met superluminale snelheden door de kosmos te slingeren. Warp drive is nog zo'n sciencefictiontechnologie, zoals teleportatie en tijdreizen, die een wetenschappelijke basis hebben. Het is alleen nog niet bereikt. Echter, wetenschappers werken aan de ontwikkeling van een interstellaire ruimtevaartuigmotor die vergelijkbaar is met de materie-antimateriemotor van de Enterprise.
Geen enkele motor zal waarschijnlijk superluminale snelheden genereren; de wetten van de fysica verhinderen ons dat te doen, maar we zullen vele malen sneller kunnen gaan dan onze huidige voortstuwingsmethoden toelaten. Een materie-antimaterie-motor zal ons ver buiten ons zonnestelsel brengen en ons in staat stellen nabije sterren te bereiken in een fractie van de tijd die nodig is voor een ruimtevaartuig dat wordt aangedreven door een motor met vloeibare waterstof, zoals die gebruikt in de space shuttle. Het is als het verschil tussen het besturen van een Indy-raceauto en een Ford Pinto uit 1971. In de Pinto, uiteindelijk kom je bij de finish, maar het duurt 10 keer langer dan in de Indy-auto.
In dit artikel, we zullen een paar decennia in de toekomst van de ruimtevaart kijken om naar een antimaterie ruimtevaartuig , en ontdek wat antimaterie eigenlijk is en hoe het zal worden gebruikt voor een geavanceerd voortstuwingssysteem.
Dit is geen strikvraag. Antimaterie is precies wat je zou denken dat het is -- het tegenovergestelde van normale materie, waarvan het grootste deel van ons universum is gemaakt. Tot voor kort, de aanwezigheid van antimaterie in ons universum werd als slechts theoretisch beschouwd. 1928, Britse natuurkundige Paul AM Dirac herziene Einsteins beroemde vergelijking E=mc² . Dirac zei dat Einstein niet van mening was dat de "m" in de vergelijking - massa - zowel negatieve als positieve eigenschappen kon hebben. De vergelijking van Dirac (E =+ of - mc 2 ) toegestaan voor het bestaan van anti-deeltjes in ons universum. Wetenschappers hebben sindsdien bewezen dat er verschillende antideeltjes bestaan.
Deze antideeltjes zijn, letterlijk, spiegelbeelden van normale materie. Elk antideeltje heeft dezelfde massa als het corresponderende deeltje, maar de elektrische ladingen zijn omgekeerd. Hier zijn enkele antimaterie-ontdekkingen van de 20e eeuw:
Wanneer antimaterie in contact komt met normale materie, deze gelijke maar tegengestelde deeltjes botsen om een explosie te produceren die zuivere straling uitzendt, die met de snelheid van het licht het punt van de explosie verlaat. Beide deeltjes die de explosie hebben veroorzaakt, zijn volledig vernietigd, andere subatomaire deeltjes achterlatend. De explosie die optreedt wanneer antimaterie en materie op elkaar inwerken, zet de volledige massa van beide objecten om in energie. Wetenschappers zijn van mening dat deze energie krachtiger is dan welke energie dan ook die kan worden gegenereerd door andere voortstuwingsmethoden.
Dus, waarom hebben we geen materie-antimaterie reactiemotor gebouwd? Het probleem met het ontwikkelen van antimaterie-voortstuwing is dat er een gebrek is aan antimaterie in het universum. Als er gelijke hoeveelheden materie en antimaterie zouden zijn, we zouden deze reacties waarschijnlijk om ons heen zien. Aangezien antimaterie niet om ons heen bestaat, we zien het licht niet dat het gevolg zou zijn van een botsing met materie.
Het is mogelijk dat er ten tijde van de oerknal meer deeltjes dan antideeltjes waren. Zoals hierboven vermeld, de botsing van deeltjes en antideeltjes vernietigt beide. En omdat er misschien meer deeltjes in het universum waren om mee te beginnen, dat is alles wat er nog over is. Er zijn tegenwoordig misschien geen van nature bestaande antideeltjes in ons universum. Echter, wetenschappers ontdekten in 1977 een mogelijke afzetting van antimaterie nabij het centrum van de melkweg. Als die bestaat, het zou betekenen dat antimaterie van nature bestaat, en de noodzaak om onze eigen antimaterie te maken zou worden geëlimineerd.
Voor nu, we zullen onze eigen antimaterie moeten creëren. Gelukkig, er is technologie beschikbaar om antimaterie te creëren door het gebruik van hoogenergetische deeltjesversnellers, ook wel "atoombrekers" genoemd. Atoomvernietigers, zoals CERN, zijn grote tunnels met krachtige supermagneten die rondcirkelen om atomen met snelheden die bijna het licht zijn voort te stuwen. Wanneer een atoom door deze versneller wordt gestuurd, het botst op een doel, deeltjes creëren. Sommige van deze deeltjes zijn antideeltjes die worden gescheiden door het magnetische veld. Deze hoogenergetische deeltjesversnellers produceren slechts één of twee picogrammen antiprotonen per jaar. Een picogram is een biljoenste van een gram. Alle antiprotonen die in één jaar bij CERN worden geproduceerd, zouden voldoende zijn om een elektrische gloeilamp van 100 watt drie seconden lang te laten branden. Er zijn tonnen antiprotonen nodig om naar interstellaire bestemmingen te reizen.
NASA is mogelijk nog maar een paar decennia verwijderd van de ontwikkeling van een antimaterie-ruimtevaartuig dat de brandstofkosten zou verlagen tot een fractie van wat ze nu zijn. In oktober 2000, NASA-wetenschappers hebben vroege ontwerpen aangekondigd voor een antimateriemotor die een enorme stuwkracht zou kunnen genereren met slechts kleine hoeveelheden antimaterie. De hoeveelheid antimaterie die nodig is om de motor te leveren voor een reis van een jaar naar Mars kan slechts een miljoenste gram zijn, volgens een rapport in de uitgave van Journal of Propulsion and Power van die maand.
Materie-antimaterie voortstuwing zal de meest efficiënte voortstuwing zijn die ooit is ontwikkeld, omdat 100 procent van de massa van de materie en antimaterie wordt omgezet in energie. Wanneer materie en antimaterie botsen, de energie die vrijkomt bij hun vernietiging geeft ongeveer 10 miljard keer meer energie vrij dan chemische energie zoals waterstof- en zuurstofverbranding, het soort gebruikt door de space shuttle, releases. Materie-antimaterie reacties zijn 1, 000 keer krachtiger dan de kernsplijting geproduceerd in kerncentrales en 300 keer krachtiger dan kernfusie-energie. Dus, materie-antimaterie-motoren hebben het potentieel om ons verder te brengen met minder brandstof. Het probleem is het creëren en opslaan van de antimaterie. Er zijn drie hoofdcomponenten voor een materie-antimaterie-engine:
Ongeveer 10 gram antiprotonen zou genoeg brandstof zijn om een bemand ruimtevaartuig in één maand naar Mars te sturen. Vandaag, het duurt bijna een jaar voordat een onbemand ruimtevaartuig Mars bereikt. 1996, de Mars Global Surveyor duurde 11 maanden om bij Mars aan te komen. Wetenschappers geloven dat de snelheid van een door materie en antimaterie aangedreven ruimtevaartuig de mens in staat zou stellen te gaan waar geen mens ooit eerder in de ruimte is geweest. Het zou mogelijk zijn om reizen naar Jupiter te maken en zelfs voorbij de heliopauze, het punt waarop de straling van de zon eindigt. Maar het zal nog lang duren voordat astronauten de stuurman van hun ruimteschip vragen om ze op warpsnelheid te brengen.
Biologen en biologiestudenten gebruiken verschillende instrumenten in hun werk om kennis over levende wezens te verzamelen. Deze instrumenten en hulpmiddelen worden elk jaar gedetailleerder en hightech, evenals
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com