Viabilidad de la antimateria como combustible

Ahora, quitando el costo de producirlo/recolectarlo, supongamos que de alguna manera perfeccionamos una fórmula o encontramos una fuente natural (porque actualmente es muy prohibitivo), ¿qué tan factible sería usar antimateria como fuente de combustible principalmente para viajes espaciales/exploración? ? Además de eso, ¿cuánto necesitarías para impulsar una nave estelar, digamos, una clase FireFly?

¿Podría almacenarse de forma segura en una gran cantidad? No es como si tuvieras una pequeña fuga y pudieras repararla rápidamente.

De Wikipedia :

La reacción de 1 kg de antimateria con 1 kg de materia produciría 1,8 × 10 17 J (180 petajoules) de energía (según la fórmula de equivalencia masa-energía, E = mc 2 ), o el equivalente aproximado de 43 megatones de TNT, un poco menos que el rendimiento de la bomba Tsar de 27 000 kg, el arma termonuclear más grande alguna vez detonado.

Solo para hacerle saber, ahora tenemos MathJax

Respuestas (7)

El principal problema de la antimateria sería la contención. No puedes ponerlo simplemente en un contenedor normal, porque el contenedor normal estaría hecho de materia y la antimateria se aniquilaría con él. Por lo tanto, debe encontrar una manera de mantener la antimateria a salvo lejos de cualquier materia en su nave. Al mismo tiempo, también debe permitir que se transporte de manera segura al lugar de reacción donde ocurriría una aniquilación controlada con materia.

La única forma de contener y manipular la antimateria sería usando campos. Asumiendo que no tienes un campo de fuerza especial como Star Trek, eso significaría campos electromagnéticos. Probablemente, la antimateria se mantendría magnéticamente como un plasma, de manera bastante similar al hidrógeno en un reactor de fusión (el gas de hidrógeno caliente en el reactor de fusión también debe mantenerse alejado de las paredes, aunque allí está debido a su alta temperatura).

El consumo mundial anual de energía está entre 100 y 200 petavatios-hora. Usando su número citado (un petavatio-hora es 3600 petajoules), para producir esa energía, se necesitarían entre 4 y 8 toneladas métricas de antimateria para satisfacer las necesidades energéticas mundiales actuales durante todo un año. La cantidad de energía que necesitaría un barco, por supuesto, depende de qué tan rápido necesita ir, con qué frecuencia necesita acelerar/desacelerar (el vuelo no acelerado es gratis), qué tan eficientes son sus motores y con qué frecuencia puede reabastecerse de combustible. pero creo que es seguro asumir que será significativamente menor que la actual producción mundial anual de energía. Por lo tanto, creo que incluso un solo gramo de antimateria debería ser más que suficiente; probablemente necesitaría solo unos pocos miligramos.

No querría mantener la antimateria como plasma, aunque la contención es lo suficientemente buena para la fusión, todavía filtra algunas partículas neutras que luego se aniquilan con el contenedor físico y probablemente producen mucho calor. Sería más fácil mantener un sólido en posición electromagnéticamente en una cámara de vacío. Pero incluso el vacío debe ser bastante bueno.
Bueno, afortunadamente lo único que es fácil de conseguir en el espacio es una muy buena aspiradora. No sé cuán fácil/difícil es mantener un sólido en posición electromagnéticamente (bueno, probablemente depende del sólido; esperaría que la antimateria generada sea antihidrógeno, lo que probablemente no sea lo mejor para controlar) electromagnéticamente), pero incluso si logra eso, creo que será difícil eliminar solo un poco para operar su unidad.
El almacenamiento principal debe tener combustible en forma de un líquido simple, en un tanque hecho de antimateria sólida (para no aniquilarse con el combustible de antimateria). Ese tanque es su sólido para mantenerlo en suspensión más fácilmente. entonces debe preocuparse por las partes complicadas solo para el combustible que se está manejando actualmente para su uso; el tanque principal puede ser bastante estable incluso contra cosas como la pérdida de potencia, al menos a baja aceleración, con imanes permanentes que respaldan los electroimanes.
@MatthewNajmon: OK, esa es una posibilidad. Sin embargo, no solo necesitaría una fuente de antimateria, necesitaría la disponibilidad o la capacidad de crear un conjunto completo de materiales de antimateria, que es varias magnitudes más difícil que simplemente generar algo de antimateria (como ya escribí, esperaría que la antimateria generada ser anti-hidrógeno). De hecho, creo que encontraría todos los problemas que intenta resolver de esa manera en la creación de los materiales (más algunos más, ya que esencialmente necesitaría tener un reactor de fusión de antimateria para producir átomos de antimateria más pesados).
Encontrar esos problemas en las instalaciones de la fábrica donde se producen los tanques de combustible, que bien puede ser una instalación orbital o del lado del planeta, parece mucho menos prohibitivo que enfrentar esos mismos problemas a bordo de una nave estelar, donde el espacio, la energía, la mano de obra, las instalaciones similares a las de un laboratorio caliente y cualquier otro recurso potencialmente relevante sería mucho más difícil de conseguir. En cuanto al reactor de fusión de antimateria para producir átomos más pesados, la necesidad depende completamente de la fuente de antimateria. Las fuentes recopiladas son casi en su totalidad especulativas, por lo que no hay una forma real de evaluar la probabilidad de ciertos tipos.
En cuanto a las fuentes generadas, en lugar de las recolectadas, me parece que estamos mucho más cerca de la tecnología para construir un reactor reproductor que podría evitar la aniquilación con combustible de antimateria, que de construir un generador de antimateria capaz de niveles de producción factibles para uso como combustible para naves espaciales. Por lo tanto, es totalmente razonable, al especular sobre un futuro en el que este último es un supuesto básico del experimento mental, proponer que el primero también estaría disponible.
Un reactor reproductor no te ayudaría sin tener antiátomos aún más pesados . Necesitaría tecnología de fusión mucho más allá de nuestra capacidad actual. Podemos fusionar deuterio con helio; No estoy seguro de si aún podemos fusionar hidrógeno normal con helio. Ciertamente estamos lejos de poder fusionar helio en átomos más grandes. Pero eso es lo que necesitaríamos para producir materiales de antimateria desde cero. Más importante aún, la fusión necesita la misma contención de plasma que sugerí para el almacenamiento de antimateria, por lo que si logró la fusión de antimateria, ciertamente también logró la contención de plasma de antimateria.
Si alguien disparó un reactor de antimateria, ahora tenemos una gran explosión (porque entraría en contacto con la materia). Bueno para naves espaciales que no sean de guerra.

Abordaré el almacenamiento de antimateria, porque eso es lo único en su pregunta que los humanos han hecho con éxito hasta ahora. Si bien es posible que algún día construyamos un dispositivo de propulsión basado en antimateria, está muy lejos. Afortunadamente, almacenar antimateria es mucho más fácil de hacer.

Actualmente, la mejor manera de almacenar antimateria es una trampa de Penning . Utiliza un campo magnético y un campo eléctrico para almacenar partículas cargadas. La razón por la que necesitamos ambos es que un campo magnético o un campo eléctrico no pueden mantener una partícula en una posición estable por sí solos gracias a un resultado matemático conocido como el teorema de Earnshaw . Usar ambos tipos de campos acaba dándonos la estabilidad requerida. Este enfoque, por supuesto, nos restringe al uso de partículas cargadas, por ejemplo, protones y electrones, pero esto no es un problema importante, ya que estos son los tipos de antimateria que son más fáciles de producir.

Desafortunadamente, las trampas Penning se utilizan principalmente para almacenar antimateria, no para proporcionar una cámara de aniquilación. Cuando pones la antimateria en contacto con la materia, no puedes simplemente tenerla en el área de almacenamiento. Si está en un área de almacenamiento pequeña, la energía liberada puede destruir la trampa Penning (o cualquier otra cosa que esté usando). Si está en un área de almacenamiento grande, la explosión probablemente no estará cerca del extremo de la nave que designes en la parte trasera. De cualquier manera, la explosión no se dirigirá hacia atrás, como ocurre con un cohete típico.

La solución como esta podría ser acelerar la antimateria y sacar la materia al final de la nave espacial. Los aceleradores de partículas hacen esto a través de imanes superconductores. El problema es que estos aceleradores son increíblemente grandes: ¡el Gran Colisionador de Hadrones tiene una circunferencia de 27 kilómetros! Quizás eso sería difícil de hacer en una pequeña nave espacial. Para resolver ese problema, sugeriría usar un pequeño motor de iones para acelerar la materia y la antimateria. Haz que aceleren perpendiculares entre sí y lejos de la nave, y podrías dirigir la explosión hacia la parte trasera.

La idea no es perfecta; por ejemplo, liberar cualquier partícula de la trampa provocará distorsiones en la forma de los campos, lo que podría romper la estructura requerida para la estabilidad. Dado que se necesitará combustible de forma esencialmente continua, esto podría ser un problema importante, ya que incluso pequeñas desviaciones de la configuración deseada pueden crecer con el tiempo. Afortunadamente, solo es necesario desviar pequeñas cantidades a la vez, ya que la respuesta de celtschk demuestra que las tasas de consumo de combustible son bajas .

¡Sí! Una respuesta muy agradable y limpia. ¡Y bienvenido!
Robert L Forward describió las trampas de antimateria de estado sólido Camelot 30K . Los detalles de la propulsión de antimateria se pueden leer en The Starflight Handbook .
La investigación de vanguardia sobre la sustitución de microondas con frecuencia óptica en un chip de silicio reduciría el tamaño del acelerador en órdenes de magnitud, al igual que la aceleración del campo de estela plazma.

La aniquilación a menudo produce partículas ligeras de alta energía (cuantos gamma, electrones, positrones y neutrinos) que pueden no ser muy triviales de usar. Si desea propulsar una nave espacial, debe dirigirlas de la misma manera hacia el escape. Si quieres cocinar tu cena, estas partículas de alta energía deben pasar su energía a los átomos circundantes de alguna manera en lugar de simplemente volar.

Esto puede funcionar con algún dispositivo especialmente diseñado, pero puede no ser fácil y probablemente se pierda algo de energía durante la conversión.

El potencial del almacenamiento de antimateria está más allá de nuestro alcance, debido al hecho de que los científicos del CERN han descubierto una 'trampa' electromagnética para contener antimateria, sin embargo, como se dijo en comentarios anteriores, sería difícil impulsar una nave de cualquier tipo. usándolo

Esto se debe a que la teoría de Einstens (E = mc^) establece que la energía de la aniquilación de materia y antimateria se liberaría de dos maneras con fotones, por lo que parte de la energía golpearía la nave, lo que podría causar daños y el resto de la energía sería ineficiente. Sin embargo, si pudieras manipular la antimateria para enviar la energía en explosiones concentradas a la nave usando algún tipo de escudo deflector, entonces posiblemente podría impulsar la nave.

También existe la posibilidad de diseñar un colisionador de hadrones 100% eficiente que dirija el producto final de antimateria hacia la parte trasera de la nave, resolviendo así la cuestión de almacenarlo como combustible. Nunca se sabe: a principios de 1900, nadie pensó que sería posible ir a la luna, y lo hicieron debido a los avances tecnológicos en 1969.

También existe la posibilidad de usar antimateria para reemplazar los combustibles fósiles, ya que en 2008 solo se necesitaban 368 kg de antimateria para alimentar el mundo hasta el hecho de que cuando se aniquila libera 1.8x10^17j de energía y, por lo tanto, podría reemplazar la energía del mundo. problema, si, por supuesto, construye un colisionador 100% eficiente y luego no se desperdiciaría electricidad en el proceso, ya que es muy costoso; también si se podrían producir mayores cantidades de antimateria en la colisión de partículas. ¡Espero que mi respuesta haya sido estándar y detallada!

Hola, Ben, ¡bienvenido a Worldbuilding! Es posible que desee dividir esto; la pared de texto no facilita la lectura.
¡Muchas gracias por sus comentarios, estaba preocupado porque el fragmento de texto era demasiado grande y también demasiado detallado!

Imagina un anillo donde las partículas vuelan a alta velocidad en círculos, contenidas magnéticamente, como un acelerador de partículas... pero con tres modos: acelerando/estable/apagado.

Las partículas corren continuamente en una rotación. Cuando necesitas usar energía, desvías una sola partícula o más a través de una puerta hacia el motor donde golpea un objetivo hecho de materia ordinaria... Esto generará fotones que calentarán un motor de ciclo rankine... Simple y efectivo. ..

No es tan simple. A medida que la antimateria sale del acelerador, reaccionará instantáneamente porque encontrará materia en ese mismo momento. Pero probablemente quieras que la antimateria golpee una materia específica, no la primera en su camino. Entonces, básicamente, necesita otro acelerador (que es mucho más simple porque no tiene que mantener un campo activo cuando no es necesario). Ambos aceleradores tienen que disparar sus partículas (la materia y la antimateria) simultáneamente una hacia la otra en el vacío en su mejor momento.
Si no hace esto, tendrá dos problemas: #1: Es posible que Energygain no esté en su punto óptimo. #2: La antimateria "comerá" tu motor con el tiempo, porque simplemente reacciona con la primera partícula que encuentra, que podría ser parte de tu motor.

Hay un problema con la antimateria que hace que esto sea un problema para mis juegos y ficción: YMMV.

La antimateria es extremadamente útil para el almacenamiento de energía. Si estuviera disponible, no tengo ninguna duda de que impulsaría naves espaciales y estelares de todo tipo.

El problema es que la humanidad parece dispuesta a armar todo lo que pueda tener en sus manos. Y la antimateria es muy fácil de convertir en un arma. Dado que la única forma de contener antimateria (con nuestras teorías actuales) involucra campos magnéticos y eléctricos activos, todo lo que tenemos que hacer es apagar los campos, y la antimateria reacciona con la materia con la que entra en contacto, ¡y puf!

Estoy seguro de que si los ingenieros trabajan en ello, se podría construir una bomba de materia-antimateria que sería un poco más peligrosa (y más pequeña) que romper una unidad de contención estándar, pero eso no es necesario.

Otros problemas incluyen la radiación incidental cuando la materia/antimateria se juntan en pequeñas cantidades (en grandes cantidades, la explosión es probablemente más preocupante).

En una historia, usaron antimateria en cantidades visibles como fuente de energía. No recuerdo el nombre, pero en esta historia la posibilidad de una gran explosión era baja. Cada vez que la materia chocaba con la antimateria, provocaba una pequeña explosión que se llevaba la mayor parte de la materia. Entonces fue como si la antimateria se evaporara lentamente, por lo que no hubo una gran explosión. Sin embargo, en realidad, incluso con esta "ebullición" lenta, creo que la radiación mataría a todos los que la rodean.

Por eso evito tener grandes cantidades de antimateria en mis ficciones. Lo siento.

Las bombas antimateria son prácticamente un fracaso. El problema es 'mezclar'. Si tienes, digamos, un kilo de materia y un kilo de antimateria Y de alguna manera descubres cómo mezclar ambos para que cada átomo de materia "normal" interactúe simultáneamente con su contraparte de antimateria, entonces sí, obtienes una explosión espectacularmente grande. . El problema es ¿cómo? Tan pronto como comienza el 'proceso de mezcla', los átomos interactúan y se destruyen entre sí, produciendo calor y rayos gamma que interrumpen la mezcla en curso. Lo que obtienes actuando cuando lo intentas es materia/antimateria FIZING hasta que ambos se gastan.
Y una gran fuente de rayos gamma sin duda perturbará cualquier ciudad en la que la actives accidentalmente. A menos que se trate de Marvel Comics, en cuyo caso tendrás un par de nuevos personajes parecidos a Hulk. :)
Los átomos no tienen que interactuar inmediatamente. Si se libera una cantidad de antimateria, lo único seguro es que cada átomo de antimateria se destruirá a sí mismo con la materia normal. Puede que no suceda instantáneamente, pero sucederá. Incluso si las pequeñas fuerzas liberadas cuando comienzan las reacciones tienden a mantener separadas la materia y la antimateria, se unirán. Sin algún tipo de escudo activo, la antimateria finalmente interactuará con la materia circundante. Dependiendo de cuánto tiempo tome esto, podría ser más un punto de calor extremo y radiación, o podría explotar.
En ese caso, está mirando la fusión iniciada por antimateria según mi respuesta a continuación, donde la antimateria se usa como la 'chispa' para encender una reacción de fusión y no es la 'fuente' de combustible a granel (que es materia normal). Además, si puede generar antimateria en un 'flujo' continuo cuando sea necesario, entonces no necesita almacenarlo a granel. Calcule producir positrones a pedido y puede dirigirlos como 'haces' al igual que los electrones normales en un objetivo específico, por ejemplo, enfocado en un punto específico donde se ha inyectado materia normal para encender una reacción de fusión (preferiblemente externa a la nave).

No utilizable como 'combustible' en un futuro previsible, pero eminentemente utilizable en la fusión iniciada por antimateria.