¿Es posible, en principio, almacenar energía de manera más eficiente (por kg) que como antimateria?

No soy físico, pero intentaré responder. Principalmente, repetiré gran parte de su pregunta e intentaré mostrar por qué la antimateria es la más eficiente.

Como saben, una mezcla de 1 kg de materia y antimateria puede reaccionar para crear energía de$e=mc^2$dónde$m=$1 kg. El principio de equivalencia masa-energía dice que la energía liberada también pesa 1 kg .

Ahora apliquemos esto a un volante teórico que tiene una masa estacionaria de 1 kg. Si pudiéramos hacer girar este volante lo suficientemente rápido para tener una energía equivalente a 1 kg de materia/antimateria, entonces el volante giratorio pesaría 2 kg (1 kg de masa en reposo + 1 kg de energía cinética). Creo que estos 2 kg se llaman masa relativista .

Ahora es fácil ver que para que cualquier batería tenga una mejor eficiencia que la materia/antimateria, tendría que tener una masa negativa antes de que se le agregue la energía (1 kg). En otras palabras, la "batería" de materia/antimateria tenía una masa de cero antes de que se añadiera la "energía".

Por lo tanto, no puede haber batería que exceda el almacenamiento de energía de materia/antimateria.

Incluso si crearas volantes de materia/antimateria y los hicieras girar, sus masas aumentarían a medida que aumentaran sus giros, lo que daría como resultado la misma eficiencia que los volantes que no giran.

La energía relativista es$E = \sqrt{p^2c^2 + m^2 c^4}$, por lo que mientras que los objetos estacionarios sin partes móviles tienen un límite superior de$E=mc^2$(por, por ejemplo, la interacción materia-antimateria), la energía de un objeto en movimiento solo está limitada por el impulso,$p$. Momento relativista,$p$, es$\frac{m v c}{\sqrt{c^2-v^2}}$. Esto no tiene límite superior. Una vez que un objeto viaja más rápido que$\frac{c}{\sqrt{2}}$, tiene más energía cinética que masa-energía. Una pista en forma de rosquilla extremadamente poderosa podría contener un anillo de partículas relativistas mientras corren, y esas partículas podrían tener una densidad de energía sin límite teórico. Hay, por supuesto, consideraciones prácticas que hacen que esto sea tan impracticable como la antimateria.

Los autores contemporáneos en su mayoría evitan el concepto de masa relativista porque es confuso y conduce a conceptos erróneos. Aclararlos requeriría una discusión larga y aburrida de marcos y observadores. A estos efectos, la masa relativista es una contabilidad matemática que puede ignorar.

La paradoja de Ehrenfest se aplica a discos giratorios sólidos. No existe ningún requisito de que un objeto que gira o una colección de objetos sea sólido o tenga forma de disco.

Hay cientos de formas de almacenamiento de energía. Examinándolos todos para ver lo que los diversos gastos generales masivos (tanto para el almacenamiento como para la conversión) tomarían para siempre. Pregunte por cada uno individualmente.

En cuanto a la mayoría de las preguntas, se necesita una respuesta más sucinta , en lugar de una más detallada , así que aquí está:

La energía almacenada es equivalente a la masa.

Por lo tanto, nunca podremos almacenar más energía que masa , como ya sospechaba el OP. Esto es sólo un hecho muy fundamental acerca de la naturaleza. Para comprenderlo y aceptarlo, se puede estudiar algo de Relatividad Especial.

Para hacer más conexiones con la pregunta original, tenga en cuenta esto:

1. Cualquier batería, volante u otro dispositivo tendrá una masa inicial "vacía"$M_0$. Bombear una energía$E$en el dispositivo hará que la masa suba a$M = M_0 + E/c^2$. Para cada dispositivo práctico,$E/c^2$es órdenes de magnitud menor que$M_0$.
2. Para un dispositivo perfecto/idealizado, volante o batería, el límite será$E=Mc^2$, como sospecha OP. Tenga en cuenta que$M$es la masa total, 'relativista'. la masa inicial$M_0$no tiene efecto sobre el límite.
3. No hay nada especial en la antimateria. Hay una cantidad igual de energía (es decir, la masa) en cada pieza de materia ordinaria. Sin embargo, es bastante especial que la combinación de ambos libere potencialmente toda esta energía en forma de fotones. Usar esto de forma controlada es probablemente bastante difícil.
4. Toda teoría respetable respetará la Relatividad Especial, por lo que no se encontrarán lagunas en las cuerdas, la supersimetría, las dimensiones superiores, etc.

Intentaré aclarar. Para simplificar las fórmulas, pondré la velocidad de la luz igual a la unidad,$c=1$, de modo que si el tiempo es segundos, la distancia es en segundos luz y algo que viaja a la mitad de la velocidad de la luz tiene$v=1/2$. La energía-momento se puede escribir como un vector de 4$(E, \mathbf p)$. La magnitud de la energía-momento es la masa,$m$, y obedece a la relación

Esta es exactamente la misma ecuación que se usa en otras respuestas, pero con$c=1$, lo que hace que parezca más simple. Masa,$m$, en esta relación es una cantidad invariante relativista, la misma en todos los marcos de referencia. También se le llama masa en reposo. En tratamientos antiguos, energía,$E$, a veces se llama masa relativista. Esa terminología ahora está generalmente en desuso, ya que causa confusión y ya existe una palabra perfectamente buena, energía.

La energía-momento es una cantidad conservada. Si suma los momentos de energía de todas las partículas en un sistema, siempre llegará al mismo resultado siempre que nada entre o salga del sistema.

El ejemplo más simple que se me ocurre para mostrar la conversión entre masa y energía tiene dos cuerpos idénticos con momentos opuestos iguales$( E, \pm \mathbf p )$volando juntos y fusionándose en un solo cuerpo. Entonces la conservación de la energía-momento nos dice que la energía-momento del cuerpo final está dada por

Exactamente lo mismo sucede en todas las interacciones que involucran energía. Siempre que tenga un cuerpo compuesto, la masa total del cuerpo consiste en la suma de la energía de todas las partículas que forman el cuerpo. Esta es la energía del cuerpo en el marco de descanso.

Lo mismo ocurre con el volante, visto desde un marco inercial en el que el volante gira pero su centro de masa no se mueve (los marcos giratorios son difíciles de pensar correctamente en la relatividad especial). Los momentos de todas las partículas de materia que componen el volante suman cero, lo que significa que hay un aumento de masa.

Se aplica también a cualquier tipo de energía almacenada, como la energía almacenada en enlaces químicos en una batería eléctrica.

En otras palabras, es una ley absoluta que la energía almacenada en una batería, de cualquier tipo, es igual a la reducción de masa cuando se libera esa energía.

La única diferencia con una batería de antimateria es que toda la masa de la antimateria, junto con una masa exactamente igual de materia, se convertirá en energía. Eso pone un límite absoluto a la cantidad de energía que se puede derivar de una masa dada, pero no tiene en cuenta toda la masa de la batería.

Para cuestiones de eficiencia hay otras cosas a considerar. La energía liberada por una reacción de materia-antimateria es difícil de usar de manera eficiente (particularmente si buscas conducir una nave espacial).

Y si uno está pensando en la masa de la batería, por el momento solo podemos almacenar pequeñas cantidades de antimateria (unos pocos átomos de antihidrógeno) durante unos minutos, y almacenarla requiere un equipo extraordinariamente sofisticado (y masivo). El problema es que cualquier antimateria que toque el contenedor de almacenamiento se destruirá inmediatamente, junto con la destrucción de una cantidad igual del contenedor. Sinceramente, dudo que alguna vez sea posible almacenar antimateria para su uso en una batería.

Bueno, antes que nada, conviene aclarar que a medida que aumenta la velocidad no aumenta la masa. Entonces, cuando un objeto (en este caso el volante) gana más energía cinética, su masa no aumenta, sino que aumenta su inercia. es decir, se vuelve más difícil acelerar el volante a medida que aumenta la energía cinética. Entonces, cuando agrega energía a un volante de 1 kg de masa, la masa del volante no cambia, sino que se vuelve más difícil acelerar más el volante.

Entonces, hablemos del impulso. Ahora, el impulso clásico habitual no se mantiene a altas velocidades. Por lo tanto, el impulso en lugar de$p = mv$, es en cambio$p = \gamma mv$, dónde$\gamma$es el factor de Lorentz. a bajas velocidades$\gamma$se aproxima a 1 dando$p = mv$

Entonces, con esos hechos en mente, esta es la respuesta a su pregunta: la antimateria es la forma más eficiente de almacenar energía, pero existe un método más eficiente para obtener más energía.

Considere dos volantes, uno hecho de materia y otro de antimateria, ambos de masa$\frac{1}{2}$kg. Ahora déjelos inicialmente uno frente al otro con una gran distancia entre ellos. Ahora, usando alguna fuerza externa (tal vez digamos campos magnéticos), los aceleramos a algunas velocidades arbitrarias, digamos 0.5c y -0.7c respectivamente (tomando el segundo negativo a medida que se mueve en dirección opuesta al primero). Ahora imagine que se está moviendo con la primera rueda. No incluiré el giro de la rueda ya que complica la imagen, lo que lleva a la paradoja de Ehrenfest y algo de relatividad general, pero, desde el marco de la rueda 1, está quieto y sin moverse en absoluto. por lo que la velocidad de la segunda rueda (como se ve desde el primer mundo es

Respondiendo a la primera respuesta de James, tenía razón en el contexto de que las baterías de materia/antimateria son las más eficientes, pero girarlas (o simplemente moverlas en línea recta) no aumenta su masa, por lo que una mayor eficiencia de la batería en términos de energía/kg se pueden obtener utilizando un sistema de dos ruedas de masa total 1 kg, que se mueven una hacia la otra. No se puede obtener más eficiencia a través de diferentes aparatos, sino que se puede obtener mediante diferentes métodos. He mencionado uno de esos métodos. Tal vez haya cientos más que usen la misma configuración de materia/antimateria. Pero, en general, la batería de materia/antimateria funciona mejor.

Nota: La masa relativista se inventó como una simplificación para$p = \gamma mv$. La masa relativista se definió como$m_{rel} = \gamma m_0$de modo que la expresión del momento resulta ser$p = m_{rel} v$, que es más similar a la expresión clásica. Incluso Einstein lo desaprobó. Cuando decimos "Ningún objeto viaja a la velocidad de la luz porque a medida que aumenta la velocidad, la energía cinética agrega masa y a la velocidad de la luz se obtiene una masa infinita" , lo que debería significar es "Ningún objeto viaja a la velocidad de la luz porque a medida que aumenta la velocidad, aumenta la energía cinética". la inercia del objeto, lo que hace que sea más difícil acelerarlo a velocidades más altas".

Con respecto a un límite para obtener energía: Bueno, el límite de la energía que puedes obtener de un objeto estacionario es$E = mc^2$y para objetos en movimiento es

Creo que una respuesta fácil a esto es que uno simplemente incorpora algún otro mecanismo de almacenamiento de energía en el sistema además de tener materia + antimateria. El sistema resultante almacena más energía que el sistema de materia+antimateria solo. Podríamos, por ejemplo, tomar nuestros 0,5 kg de materia y 0,5 kg de antimateria, aplastarlos en agujeros negros y luego separarlos una gran distancia. El potencial gravitacional de tal sistema es bastante fácil de calcular. Solo podríamos usar energía razonablemente hasta que los agujeros negros "choquen", lo que significa que caen dentro del horizonte de eventos de los demás. El radio del horizonte de sucesos de un agujero negro de 0,5 kg es de unos 7,42e-28m. El potencial gravitacional del sistema.en inifinity (que no es significativamente diferente del potencial en un milímetro) es de aproximadamente 2.25e+16J. Comparar,$e=mc^2$para el sistema da alrededor de 8.99e+16J. Entonces, la energía total almacenada en el sistema es aproximadamente un 25% adicional.