¿Cómo producir suficiente energía para crear un par de protones-antiprotones?

Recientemente descubrí algo genial: el efecto Schwinger. Dice que si concentra suficiente energía gracias al láser en un solo punto en el espacio, generará un par de protones y antiprotones. ¡Entonces podríamos crear fácilmente antimateria para viajes interestelares, producción de electricidad y más!

Pero hay un problema: necesitas entregar 4.3e+29 watt. Imaginemos que tenemos los láseres que pueden entregar esta energía, ¿cómo podemos producirla? ¿Cuántas centrales nucleares serían necesarias?

Pero como los pares de antimateria son peligrosos porque su aniquilación es poderosa, deberíamos construir la "fábrica de antimateria" en órbita en el espacio (¿o deberíamos?), no podemos confiar solo en los reactores nucleares, ya que sería muy costoso enviarlos. espacio. He leído que para alimentar estos láseres necesitaríamos 2.000 kilómetros cuadrados (20 veces la superficie de París) de paneles fotovoltaicos.

Es una solución, pero ¿tenemos suficientes materiales en la Tierra para producir estos gigantescos y débiles paneles solares? ¿La solución no sería combinar reactores nucleares Y paneles solares, o confiar en posibles fuentes de energía futuras como la fusión fría?

tienes una solución? gracias por su tiempo y espero por sus respuestas.

4.3 × 10 29 vatios es un número bastante sin sentido si no especifica la duración. entregando 10 29 W por un nanosegundo probablemente no sea tan difícil (pero probablemente llevará más tiempo generarlo). entregando 10 29 W por un segundo o más es una tetera completamente diferente. Conectar " 4.3e29 vatios por 1 segundo" en Wolfram Alpha lo compara con aproximadamente 1/28,200 de la cantidad total de energía liberada por el Sol en un año, o 11 veces la energía cinética de la Luna en su órbita alrededor de la Tierra.
Además, es posible que desee considerar que la aniquilación de materia y antimateria, si bien es poderosa, no es exactamente el fin del mundo. Una unidad de antimateria aniquila exactamente una unidad de materia. Al hacerlo, arrojará un montón de radiación por todas partes con la que tendrás que lidiar, pero no es como si una pequeña cantidad de antimateria fuera a destruir un planeta de la forma en que a veces se representa en la ficción. También me atrevo a decir que la antimateria, a los efectos de la generación de energía, no es tan diferente de, por ejemplo, la gasolina; si puede mantenerlo contenido de forma segura, es una buena reserva de energía, pero no mucho más.
En cuanto a los materiales para las células solares, las células solares de a-Si están hechas básicamente de arena. Los reactores de fisión nuclear pronto se quedarán sin combustible. La cantidad de uranio disponible es limitada. Creo que leí en alguna parte que si tratáramos de impulsar al mundo con reactores de fisión nuclear, el uranio se agotará en 10 años. La solución obvia a esto es, por supuesto, usar un reactor de fusión que es enorme, hidrógeno o litio. ITER está trabajando en un mecanismo de litio autogenerado dentro de su reactor de fusión.
Aniquilar una cantidad de antimateria con la cantidad correspondiente de materia normal libera como máximo la misma cantidad de energía que se usó para producir los pares de partículas materia-antimateria en primer lugar. La antimateria puede ser una buena batería , pero no es una fuente de energía. Para responder a tu pregunta directamente: no puedes sacar más energía de la que pones.
@DJ Klomp: No creas todo lo que lees. Un reactor bien diseñado (llamado reactor reproductor) puede producir más combustible del que consume.
@jamesqf, gracias por la referencia, mi punto parece válido solo para los diseños de reactores utilizados actualmente.
Agregando a mi nota anterior: la densidad de energía solar, o insolación (potencia sobre el área) en la órbita de la Tierra es de alrededor de 1500 W/m². 2000 km² es (2000k x 2000k)m² o (2M x 2M)m² o 4e12 m². A 1500 W/m² y una eficiencia razonable del 30 %, eso le da una salida de alrededor de 1,8 a 15 W, menos las pérdidas de transmisión de los paneles solares a lo que sea que esté alimentando, así como cualquier otra pérdida intermedia en el sistema. Te faltan unos 14 órdenes de magnitud. O, dicho de otra manera, necesitaría recolectar energía durante aproximadamente 67 horas para tener la potencia requerida para una ráfaga de un nanosegundo, luego entregar todo eso en 1 ns.
Michael, tu comentario es realmente interesante, pero me pregunto, si se necesitan 67 horas para la explosión de un nanosegundo, ¿cómo podemos almacenar la electricidad creada por los paneles solares? Además, ¿es suficiente una ráfaga de un nanosegundo para causar la producción de un par protón-antiprotón?
Debe estipular si desea la creación de antimateria a partir del vacío, el efecto Schwinger tal como lo entiendo, o también aceptar la creación de antimateria debido a colisiones de alta energía. Son dos efectos totalmente diferentes. Además de eso, creo que para responder a su pregunta con algún sentido, debe ser un profesor en ese campo respectivo y espero que pueda entender la respuesta. Ya la pregunta de qué hará el enfoque de los láseres en lugar de la onda EM plana que utiliza Schwinger en el cálculo puede marcar una gran diferencia.
@AlexP, parece que te refieres a la conservación de la energía. Sin embargo, esto no está probado teóricamente para la mecánica cuántica. La energía de punto cero y el efecto Casmir ya medido experimentalmente indican que la energía se puede crear/presentar en el vacío. Si se puede cosechar es otra cuestión.

Respuestas (4)

Pero como los pares de antimateria son peligrosos porque su aniquilación es poderosa, deberíamos construir la "fábrica de antimateria" en órbita en el espacio (¿o deberíamos?), no podemos confiar solo en los reactores nucleares, ya que sería muy costoso enviarlos. espacio. He leído que para alimentar estos láseres necesitaríamos 2.000 kilómetros cuadrados (20 veces la superficie de París) de paneles fotovoltaicos.

No comprobaré los números y, como ya te han dicho otros, tus necesidades energéticas son demasiado altas. Si se controla adecuadamente, ahí está la dificultad, solo necesita alrededor de 8 kWh por par. Dado que un panel solar producirá alrededor de 200 W por metro cuadrado, eso es 40 metros cuadrados por hora: con 4 metros cuadrados necesitarás diez horas, con 400 metros cuadrados estarás listo en 1/10 de hora, o seis minutos.

Pero esa es la energía mínima, sin considerar pérdidas, sin considerar nada . La eficiencia de la producción de materia-antimateria depende de su tecnología. Con las bobinas de captura magnética listas para arrebatar el antiprotón, sus necesidades de energía podrían aumentar hasta unos 4000 m 2 h.

El problema ahora es que a densidades de energía muy por debajo de las requeridas para la formación de pares protón-antiprotón, se formarán muchos otros pares partícula-antipartícula . Entonces, el método de "creación espontánea" es inviable o requiere una forma de separar y eliminar todas esas partículas no deseadas y, si es posible, reciclar su energía, mientras captura esos pares de protones/antiprotones que aparecen de vez en cuando.

En cambio, lo que necesita es una forma de duplicar el mecanismo de destrucción de rayos cósmicos: acelere los protones a velocidades tremendas usando campos eléctricos masivos, bombardeando núcleos más grandes para que suficientes protones creen las condiciones para la creación de una partícula/antipartícula, y encuentre una manera de capturar los antiprotones . . Se puede hacer, por un costo .

Entonces tienes otra dificultad, la de almacenar esos antiprotones. Están cargados negativamente y se repelen fuertemente unos a otros; por supuesto, tienen tanta energía que necesitas muy pocos de ellos, pero como dijo ℏe ...

Y toda la materia es una mezcla de protones positivos y electrones negativos que se atraen y repelen con esta gran fuerza. Tan perfecto es el equilibrio, sin embargo, que cuando te paras cerca de otra persona no sientes ninguna fuerza en absoluto. Si hubiera incluso un poco de desequilibrio, lo sabrías. Si estuvieras parado a la distancia de un brazo de alguien y cada uno de ustedes tuviera un uno por ciento más de electrones que de protones, la fuerza de repulsión sería increíble. ¿Que asombroso? ¿Suficiente para levantar el Empire State Building? ¡No! ¿Para levantar el Monte Everest? ¡No! ¡La repulsión sería suficiente para levantar un “peso” igual al de toda la Tierra!

... así que realmente quieres producir también muchos antielectrones (positrones) y hacer antihidrógeno. Excepto que el hidrógeno es neutro y no puede ser retenido por campos electromagnéticos ordinarios. Y necesita mantenerlo en el vacío, pero ¿cómo mantiene un gas en el vacío ? Entonces necesitas sobreenfriarlo y comprimirlo débilmente usando diamagnetismo.

Todo esto afectará sus demandas de energía, a menos que encuentre algún otro medio para contener antiprotones que también permita que los antiprotones se extraigan y aniquilen fácilmente (recuerde, cada par solo produce alrededor de 8 kWh). Hay formas , pero no tan económicas.

Bien, si la producción de un par de protones y antiprotones requiere alrededor de 8 k/h, ¿cuánta electricidad requiere la producción de un par de electrones de positrones?
La energía está relacionada con la masa y la relación de masa entre protones y electrones es μ = mp/me = 1836 (Wikipedia). Entonces, eso es un mísero 4.35 Wh, o el equivalente a una batería de teléfono LiIon de 1180 mAh y 3.7 V. (Eso es lo que puede obtener de la aniquilación del par ae/p, con la suposición muy poco realista de poder convertirlo con una eficiencia general del 100%).
De acuerdo, pero no entiendo algo: ¿qué me estás diciendo si es la energía requerida para causar la producción de un par o cuánta energía liberamos de una aniquilación de materia de antimateria?

El efecto Schwinger del que estás hablando es donde la solución de dos ecuaciones de Maxwell superpuestas es otra ecuación de Maxwell. Estas son sus partículas virtuales. Esta solución solo es posible en el régimen no lineal con intensidades de campo eléctrico muy altas. El régimen no lineal comienza con una intensidad de campo superior a 1x10^18 V/m, por lo que deberá estar por encima de este límite. Entonces, esto realmente está hablando de crear partículas de la nada que crear partículas a partir de otra partícula con colisiones. Según la literatura, las partículas serán un par de electrones y positrones, no un par de protones y antiprotones.

Entonces, no es realmente una cuestión de energía, sino la fuerza del campo eléctrico. Puede crear este campo eléctrico con un láser y amplificar la fuerza enfocando el láser. Algunos de los láseres más potentes de la actualidad están llegando al límite, como el L3-HAPLS de ELI o el proyecto HYPER.

Entonces, si tienes esta partícula, ¿cuánta energía obtienes? Un positrón y un electrón se aniquilarán entre sí transformando su masa en energía en forma de dos fotones. Estos tendrán una energía de 2x0.511 MeV o alrededor de 1.64x10^-13 J, muy poca energía. Entonces, la pregunta será a qué tasa se producen estos elementos, esto se calcula en el artículo original de Schwinger .

Más práctico, en realidad dudo que obtengas una fracción de la energía que necesitas poner.

Realmente creo que estás reinventando la rueda. La naturaleza ha estado haciendo esto durante mucho, mucho tiempo y sin su enorme gasto de energía.

Perfectamente seguro hacerlo en la tierra.

Si el rayo hubiera generado directamente pares de electrones y positrones, uno esperaría detectar rayos gamma de los positrones aniquilados inmediatamente después del rayo, no 35 segundos después, dijo Enoto. En cambio, los positrones aniquilados que vieron los investigadores probablemente provenían de reacciones nucleares provocadas por rayos.

Simplemente imite el propio laboratorio CERN de la naturaleza. usa relámpagos .

El truco no está en la producción, el truco está en la captura y contención. La naturaleza, aparentemente, produce todas las "cosas" que podríamos necesitar, de forma continua. Simplemente no sabemos CÓMO, exactamente.

Así que 'todo lo que tenemos que hacer es' imitar y/o aprovechar los rayos.

no se donde te metes 10 29 W

El proceso de creación de un par partícula-antipartícula se denomina producción de pares . Para producir este par, necesitas un bosón con suficiente energía. La Masa-Energía tanto de un protón como de un antiprotón es de unos 938 Mev/c 2 . Traducido a julios, esto significa que necesita alrededor de 27 MJ para hacerlo. No sé cómo llegas de aquí a 10 29 w

Entiendo que esto generalmente se hace chocando dos fotones de energía extremadamente alta o en una colisión de un par de electrones y positrones. Un láser no es realmente el camino. Un láser genera luz a una determinada longitud de onda. La longitud de onda está directamente relacionada con la energía por

mi = h C λ .
Para un fotón de 27 MJ, la longitud de onda tendría que ser inimaginablemente pequeña; bien fuera del alcance de cualquier láser producido actualmente, algo así como 7 × 10 − 33 metros

Solo considerando que cada fotón emitido por el láser necesitaría una energía mayor a la potencia de salida total de los láseres más potentes que existen en la actualidad. No necesitas todo un láser de fotones de esta potencia, solo necesitas uno.

solo para poner eso 7 × 10 − 33 metros en perspectiva, Wikipedia pone la parte de los rayos gamma del espectro EM hacia abajo con una longitud de onda más corta de 1 pm, o 10 − 12 metros, igual a 1,24 MeV. Incluso la afirmación de 10 TeV de fuentes astronómicas, si no me equivoco, daría como resultado una longitud de onda de algunos 10 − 19 metros; todavía mucho más de lo que estamos tratando aquí.
Gracias por tu respuesta, kingledon, pero pensé que la producción de un par de protones y antiprotones solo podría ser causada por la concentración de al menos dos fotones energéticos juntos, ¿cómo puede solo un fotón energético causar la producción de un par, sin interactuar con otra partícula?
Además, ¿cuáles serían los fotones menos energéticos (longitud de onda) capaces de causar la producción de un par protón-antiprotón (¿y cuánto?)? si fueran disparados por láseres, ¿cuánta electricidad necesitarían los láseres?
Creo que quisiste decir "generalmente hecho al romper dos protones de energía extremadamente alta "
@Aaron Tienes razón sobre los dos, pero según la lectura que estaba haciendo, esto se ha hecho experimentalmente con fotones, no con protones, a menos que me equivoque.
@Mathis Respondí eso en la pregunta. Un fotón necesita 27 MJ para provocar esta interacción. Esa es una cantidad increíblemente alta de energía para un fotón.
Para la pregunta específica en cuestión, se trata de usar fotones, sí. Sin embargo, los pares protón/anti-protón generalmente se crean al romper protones. Así funcionan los aceleradores de partículas como el CERN o el LHC. Aceleran los protones hasta casi la velocidad de la luz y luego los aplastan contra otros protones.
En cuanto al uso de fotones, pensé que la pregunta era teórica. ¿Hay algún laboratorio donde se creen rutinariamente pares de partículas de materia/antimateria con fotones? Supongo que es posible, pero si es así no lo sabía. Aún así, el método convencional es romper protones juntos. Este método fotónico en OP no es la forma en que se hace normalmente, sino que es un método alternativo.
¿Cómo producir suficiente energía para crear un par de protones-antiprotones?
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