¿Sería peligroso usar un motor de antimateria cerca de personas?

Ciertos eventos tempranos en la serie Known Space de Larry Niven involucran lo que se conoce como la "Lección Kzinti", una lección enseñada por una humanidad pacifista y desmilitarizada a los invasores Kzinti. La lección es que "la eficiencia de un impulso de reacción como arma está en proporción directa a su eficiencia como impulso".

La Lección Kzinti se refería a estaciones gigantes de propulsión láser y unidades de fotones. Un cohete de antimateria con núcleo de haz, más o menos el enfoque (teóricamente) práctico para construir un cohete de antimateria que opere como usted describe, sería casi tan eficiente como estos. Uno con suficiente empuje para ser útil para el lanzamiento desde un planeta tendría un efecto devastador en los alrededores. La atmósfera es en realidad bastante opaca a la radiación gamma, por lo que el riesgo de radiación sería limitado, pero al absorber la radiación se convertiría en algo parecido a una bola de fuego nuclear.

Querría una unidad de rendimiento mucho menor que caliente y expulse propulsor para tales usos. Además del escape menos letal, esto también tiene la ventaja de consumir mucha menos antimateria y no requerir que la nave maneje tanta energía. Posiblemente podría usar antimateria para calentar el propulsor, pero buena suerte absorbiendo la gamma y las partículas cargadas de manera eficiente para hacerlo.

La respuesta es, por supuesto, que depende .

Puede, a grandes rasgos, dividir los motores de cohetes en tres tipos:

• alto empuje, baja velocidad de escape, bajo tiempo de funcionamiento, bueno para despegar en un planeta
• bajo empuje, alta velocidad de escape, alto tiempo de funcionamiento, bueno para un viaje eficiente en el espacio
• "impulsores de antorcha" de alto empuje y alta velocidad de escape.

Los motores de antimateria podrían ser cualquiera de los anteriores.

Un ejemplo de un motor de tipo despegue moderno sería, literalmente, cualquier motor de cohete que hayamos usado durante los últimos cien años o más. Un tipo común sería un cohete de propulsor líquido , como los que usa SpaceX.

Un ejemplo del segundo tipo sería un sistema de propulsión eléctrica como un propulsor de iones o quizás un VASIMR . El empuje es tan bajo que no podría usarse para despegar un cohete ni siquiera de las lunas más minúsculas, pero el motor puede seguir funcionando durante años, lo que los hace ideales para las sondas del espacio profundo.

El tercer tipo nunca se ha realizado, pero lo más cerca que alguien ha llegado a él sería el Proyecto Orión , que habría utilizado explosiones nucleares para impulsar una nave espacial.

Ahora, tenga en cuenta que mencioné las velocidades de escape anteriormente. Cuanto más rápida sea la velocidad de escape, más eficiente será el cohete para proporcionar empuje durante un largo período de tiempo.

Su cohete de antimateria sugerido es lo que podría conocerse como un cohete de núcleo de haz o, a veces, un impulsor de piones. Su velocidad de escape es la de los productos de aniquilación, que a su vez dependen exactamente de cómo funciona su motor y de a quién le pregunte. Las primeras simulaciones sugieren una velocidad de escape de ~.3c, los artículos más recientes sugieren que .69c puede ser práctico y otros incluso sugieren que >.9c podría lograrse.

Sin embargo, busquemos la estimación más baja de .3c. Esto ha sido utilizado por Forward y Frisbee , entre otros, y se produce a través de la interacción de los piones cargados y la tobera magnética de su cohete. Nos da la estimación más conservadora de cuán destructivo es su cohete.

La fuerza ejercida por un motor de reacción se puede describir mediante la siguiente ecuación :

dónde$\dot{m}$es la masa que sale de la boquilla y$v_e$es la velocidad de escape. Digamos que tiene una nave espacial de cien toneladas... esto es sacar una figura del aire, pero está un poco por encima de la masa máxima de un airbus A321 y un poco por debajo de la masa de un transbordador espacial cargado. No proporcionó un peso de la nave espacial, pero estoy seguro de que puede volver a ejecutar los cálculos simples a continuación si sintió la necesidad.

De todos modos, para despegar verticalmente desde la gravedad de la Tierra con una nave de 100 toneladas, necesitas generar al menos un meganewton de empuje.

Con una velocidad de escape de .3c, eso le da un flujo másico de ~11 g de piones por segundo.

¡Esto ya debería estar sonando las alarmas!

Los piones cargados son inestables y se descomponen rápidamente en pares muón/antimuón y, a veces, electrón/positón. Esos muones también son inestables y se descomponen en pares de electrones/positrones. Esos positrones se encontrarán en poco tiempo con un electrón amigo y luego se aniquilarán rápidamente liberando un par de rayos gamma de 511keV.

Eso significa que casi toda la masa-energía del escape de su cohete se convertirá en rayos gamma. Usando buenos viejos$E = MC^2$puede ver que esto producirá una luminosidad gamma del orden de aproximadamente 1 petavatio, que es aproximadamente el equivalente a la detonación de un arma nuclear de 250 kt cada segundo .

Puede usar los coeficientes de atenuación de masa del NIST para calcular qué tan penetrante es esta radiación, o usar esta práctica calculadora en su lugar . Verá que la luminosidad de los rayos X se reducirá en aproximadamente un 99,5 % en un radio de 500 m. Esto producirá una bola de fuego de plasma brillante que recordará la fase inicial de una explosión nuclear. Los rayos gamma, por supuesto, se extenderán más desde la zona cero... después de 1 km, el 99,9975 % de la radiación habrá sido absorbida por el aire y convertida en calor, pero aún quedan 25 GW de rayos gamma. No calcularé la distancia segura para un humano sin protección en el aire aquí, ¡pero será una gran salida!

Se trata de niveles de maldad que esterilizan la ciudad .

Y esta es solo la masa de escape de su sistema de cohetes... recuerde que esos productos de escape tienen mucha energía cinética (haciendo un boom más grande) y solo una proporción de la masa alimentada a la cámara de reacción saldrá como partículas cargadas, así que hay mucha más radiación gamma volando también. El trabajo de Frisbee en cohetes de núcleo de haz incluye un desglose de los productos de aniquilación... los clave allí son los gammas tempranos de 200MeV. Los datos de atenuación del NIST no son tan altos, pero los rayos gamma de 100 MeV pueden alcanzar ~2,65 km de aire a nivel del mar antes de que se haya absorbido el 99,5 % de la luminosidad, lo que los convierte en un peligro de radiación sustancialmente mayor que el de longitud de onda más larga. escape de rayos gamma. Estos pueden, de hecho, ser país-niveles esterilizantes de mal, pero de nuevo: no voy a trabajar en los detalles precisos porque la situación es inequívocamente mala.

Este es el precio que paga por un cohete de alto empuje y alta velocidad de escape. Los impulsores de antorcha son increíblemente peligrosos, incluso a niveles de empuje modestos, ¡y un cohete capaz de despegar de un planeta no tendrá un empuje modesto!

Y para aquellos que intentan zafarse de los problemas que acabo de describir:

• No crea que puede escapar haciendo un despegue horizontal... un Airbus A321 tiene una masa comparable y un empuje máximo de ~150kN, y ese empuje aún requeriría más de un gramo y medio de piones por segundo de un rayo. cohete central!
• En un entorno de baja gravedad, el nivel de radiación sigue siendo aterradoramente alto. En un campo gravitacional de miligios, solo estás escupiendo 10 mg/s de piones para despegar, pero sigue siendo una luminosidad de solo masa de ~ 980 GW de rayos gamma duros. Realmente no quieres nada parecido a eso, y ciertamente nadie.
• Probablemente ni siquiera sea una buena idea encender este cohete a niveles de miligramos incluso en órbita baja sobre un planeta similar a la Tierra. La luminosidad de los rayos gamma podría causar EMP a gran altura y podría ser lo suficientemente brillante como para causar daño a la vista en la superficie de abajo (aunque no estoy 100% seguro de eso, estoy bastante seguro de que sería algo malo mirarlo) .
• Incluso un diminuto cohete de piones de 1N, suficiente para acelerar 100 kg por miligee, es una fuente gamma de gigavatios. Un ser humano sin protección a 10 km de distancia en el vacío (por ejemplo, alguien que lleva un traje espacial normal en un extremo de Phobos y te ve salir por el otro extremo) está expuesto a ~0,8 W/m 2 ^de rayos gamma del escape. Si tuvieran un área transversal de 0,6 m ² y una masa de 60 kg, eso es una dosis de 8 miligrays por segundo, equivalente a 8 mSv ( equivalente a una tomografía computarizada de tórax ) por segundo. Un ser humano sin protección a solo 1 km de distancia en el vacío recibe suficientes rayos gamma para desarrollar la enfermedad por radiación en solo un segundo y una dosis fatal en 10 segundos.

Puede ver que realmente no hay una forma segura de operar un cohete pion en ningún lugar cerca de algo que no esté muy bien protegido (y los detalles de esa protección pertenecen a una pregunta/respuesta diferente).

Sus problemas no terminan ahí, por supuesto... los cohetes de piones tienen muchos otros problemas, incluido un delta-V peor de lo que cabría esperar debido a la disminución de la masa de reacción (consulte la ecuación relativista ajustada del cohete en el artículo de Frisbee) y el hecho de que la reacción las secciones transversales para la aniquilación de partículas y antipartículas son en realidad un poco bajas ( cohete relativista: sueño y realidad ).

Algunos de estos son superables. Para despegar de un mundo habitado con una gravedad razonable como la Tierra o Marte, se podría usar un cohete de antimateria de núcleo sólido. Hubo algunos detalles de esto en una edición anterior de esta respuesta (todavía presente en el historial de edición), pero los eliminé por brevedad. ¡Sin embargo, siéntase libre de hacer una pregunta por separado sobre las mejores formas de salir de manera segura de mundos similares a la Tierra con motores de alta potencia!

Estoy bastante seguro de que si estuviera utilizando la aniquilación de materia y antimateria como fuente de energía, lo más probable es que NO esté utilizando un impulsor de masa de reacción. Supongo que sería una especie de deformación del espacio/tiempo, o pellizco a lo largo de las líneas de un disco de Alcubierre. O tal vez algún tipo de unidad de canalización de la gravedad. Algo que requiere energías muy altas, pero no para impulsar una masa de reacción, para alimentar algún otro mecanismo físico. Sería como tratar de descubrir cómo usar la energía de un reactor de fusión para impulsar una nave.

Cómo produciría energía utilizable, como ha sugerido AlexP, es especulativo en el mejor de los casos. ¿Estaría completamente en algún recipiente de contención? ¿Semejante a cómo generamos energía nuclear hoy en día? ¿Con la radiación cuidadosamente contenida y protegida? En el espacio profundo, por supuesto, no hay preocupaciones sobre el envenenamiento por radiación del medio ambiente, hasta que se establezcan rutas espaciales muy transitadas.

El uso del núcleo de energía en el sistema definitivamente requeriría algún tipo de protección, pero al igual que los reactores de fisión nuclear de hoy, no habría necesidad de descargar radiación en el medio ambiente. Las unidades tendrían algún tipo de sistema de transferencia de energía intermedia de la misma manera que usamos agua/vapor para transferir energía de los reactores de energía nuclear.

Esperaría que las unidades en el sistema usaran alguna forma de energía almacenada, o utilizarían esta energía para quizás alimentar una unidad de reacción de plasma, pero eso sería una preocupación ambiental completamente diferente.