Kann man Energie prinzipiell effizienter (pro kg) speichern als als Antimaterie?

Ich bin kein Physiker, aber ich werde versuchen zu antworten. Meistens werde ich viele Ihrer Fragen wiederholen und versuchen zu zeigen, warum Antimaterie am effizientesten ist.

Wie Sie wissen, kann eine 1-kg-Mischung aus Materie und Antimaterie reagieren, um Energie zu erzeugen$e=mc^2$Wo$m=$1 kg. Das Prinzip der Masse-Energie-Äquivalenz besagt, dass die freigesetzte Energie ebenfalls 1 kg wiegt .

Wenden wir dies nun auf ein theoretisches Schwungrad an, das eine stationäre Masse von 1 kg hat. Wenn wir dieses Schwungrad schnell genug drehen könnten, um eine Energie zu haben, die 1 kg Materie/Antimaterie entspricht, dann würde das sich drehende Schwungrad 2 kg wiegen (1 kg Ruhemasse + 1 kg kinetische Energie). Ich denke, diese 2 kg nennt man die relativistische Masse .

Nun ist leicht zu erkennen, dass jede Batterie, um einen besseren Wirkungsgrad als Materie / Antimaterie zu haben, eine negative Masse haben müsste, bevor die (1 kg) Energie hinzugefügt wird. Mit anderen Worten, die Materie/Antimaterie-„Batterie“ hatte eine Masse von Null, bevor die „Energie“ hinzugefügt wurde.

Daher kann es keine Batterie geben, die die Energiespeicherung von Materie/Antimaterie übersteigt.

Selbst wenn Sie Schwungräder aus Materie / Antimaterie erstellen und sie hochdrehen würden, würden ihre Massen mit zunehmender Drehung zunehmen, was zu der gleichen Effizienz wie die nicht drehenden Schwungräder führen würde.

Relativistische Energie ist$E = \sqrt{p^2c^2 + m^2 c^4}$, während stationäre Objekte ohne bewegliche Teile eine Obergrenze von haben$E=mc^2$(z. B. durch Materie-Antimaterie-Wechselwirkung) wird die Energie eines sich bewegenden Objekts nur durch den Impuls begrenzt,$p$. Relativistisches Momentum,$p$, Ist$\frac{m v c}{\sqrt{c^2-v^2}}$. Dies hat keine obere Grenze. Sobald sich ein Objekt schneller bewegt als$\frac{c}{\sqrt{2}}$, hat es mehr kinetische Energie als Massenenergie. Eine extrem starke ringförmige Bahn könnte einen Ring relativistischer Teilchen halten, während sie herumrasen, und diese Teilchen könnten eine Energiedichte ohne theoretische Grenze haben. Es gibt natürlich praktische Überlegungen, die dies so praktisch undurchführbar machen wie Antimaterie.

Zeitgenössische Autoren vermeiden meist das Konzept der relativistischen Masse, weil es verwirrend ist und zu Missverständnissen führt. Diese aufzuklären würde eine lange, langweilige Diskussion über Frames und Beobachter erfordern. Für diese Zwecke ist die relativistische Masse eine mathematische Buchhaltung, die Sie ignorieren können.

Das Ehrenfest-Paradoxon gilt für feste, sich drehende Scheiben. Es ist nicht erforderlich, dass ein rotierendes Objekt oder eine Sammlung von Objekten fest oder scheibenförmig ist.

Es gibt Hunderte von Formen der Energiespeicherung. Sie alle zu untersuchen, um zu sehen, was die verschiedenen Massenkosten (sowohl für die Speicherung als auch für die Konvertierung) ewig dauern würden. Fragen Sie nach jedem einzeln.

Wie bei den meisten Fragen ist eine prägnantere Antwort erforderlich als eine detailliertere , also hier ist sie:

Gespeicherte Energie entspricht Masse.

Wir können also nie mehr Energie als Masse speichern , wie das OP schon vermutete. Dies ist nur eine sehr grundlegende Tatsache über die Natur. Um es zu verstehen und zu akzeptieren, kann man etwas Spezielle Relativitätstheorie studieren.

Um weitere Verbindungen zur ursprünglichen Frage herzustellen, beachten Sie Folgendes:

1. Jede Batterie, jedes Schwungrad oder andere Gerät hat eine anfängliche „leere“ Masse$M_0$. Eine Energie pumpen$E$in das Gerät wird die Masse aufsteigen lassen$M = M_0 + E/c^2$. Für jedes praktische Gerät,$E/c^2$ist um Größenordnungen kleiner als$M_0$.
2. Für ein perfektes/idealisiertes Gerät, Schwungrad oder eine Batterie wird die Grenze sein$E=Mc^2$, wie von OP vermutet. Beachten Sie, dass$M$ist die totale, ‚relativistische‘ Masse. Die Anfangsmasse$M_0$hat keinen Einfluss auf das Limit.
3. Antimaterie ist nichts Besonderes. In jedem Stück gewöhnlicher Materie steckt gleich viel Energie (dh die Masse). Das Besondere ist jedoch, dass die Kombination aus beidem potentiell all diese Energie als Photonen „freisetzt“. Dies kontrolliert zu nutzen, ist wahrscheinlich ziemlich schwierig.
4. Jede respektable Theorie wird die Spezielle Relativitätstheorie respektieren, also gibt es keine Schlupflöcher in Strings, Supersymmetrie, höheren Dimensionen usw.

Ich werde versuchen zu klären. Um die Formeln zu vereinfachen, setze ich die Lichtgeschwindigkeit gleich Eins,$c=1$, so dass, wenn die Zeit Sekunden ist, die Entfernung in Lichtsekunden ist und etwas, das sich mit halber Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, hat$v=1/2$. Energie-Impuls kann als 4-Vektor geschrieben werden$(E, \mathbf p)$. Die Größe des Energie-Impulses ist Masse,$m$, und gehorcht der Beziehung

Dies ist genau die gleiche Gleichung wie in anderen Antworten, aber mit$c=1$, wodurch es einfacher aussieht. Masse,$m$, in dieser Beziehung ist eine relativistische invariante Größe, die in allen Referenzrahmen gleich ist. Sie wird auch als Ruhemasse bezeichnet. In alten Behandlungen, Energie,$E$, wird manchmal als relativistische Masse bezeichnet. Diese Terminologie wird heute allgemein missbilligt, da sie Verwirrung stiftet und es bereits ein vollkommen gutes Wort gibt, nämlich Energie.

Energie-Impuls ist eine Erhaltungsgröße. Wenn man die Energie-Impulse für alle Teilchen eines Systems zusammenzählt, dann kommt man immer zum gleichen Ergebnis, solange nichts das System verlässt oder hineingelangt.

Das einfachste Beispiel, das mir einfällt, um die Umwandlung zwischen Masse und Energie zu zeigen, hat zwei identische Körper mit gleichen entgegengesetzten Impulsen$( E, \pm \mathbf p )$fliegen zusammen und verschmelzen zu einem einzigen Körper. Dann sagt uns die Energie-Impuls-Erhaltung, dass der Energie-Impuls des Endkörpers gegeben ist durch

Genau dasselbe passiert bei allen Interaktionen, die Energie beinhalten. Wenn Sie einen zusammengesetzten Körper haben, besteht die Gesamtmasse des Körpers aus der Summe der Energie aller Teilchen, aus denen der Körper besteht. Das ist die Energie des Körpers im Ruhesystem.

Dasselbe gilt für das Schwungrad, betrachtet von einem Trägheitssystem , in dem sich das Schwungrad dreht, aber sein Massenmittelpunkt sich nicht bewegt (rotierende Rahmen sind in der speziellen Relativitätstheorie schwer richtig zu denken). Die Impulse aller Materieteilchen, aus denen das Schwungrad besteht, summieren sich zu Null, was bedeutet, dass es zu einer Massenzunahme kommt.

Es gilt auch für jede Art von gespeicherter Energie, wie zum Beispiel die in chemischen Bindungen in einer elektrischen Batterie gespeicherte Energie.

Mit anderen Worten, es ist ein absolutes Gesetz, dass die in einer Batterie gespeicherte Energie gleich der Massenreduktion ist, wenn diese Energie freigesetzt wird.

Der einzige Unterschied zu einer Antimaterie-Batterie besteht darin, dass die gesamte Masse der Antimaterie zusammen mit einer genau gleichen Masse an Materie in Energie umgewandelt wird. Dies setzt zwar eine absolute Grenze für die Energiemenge, die aus einer gegebenen Masse abgeleitet werden kann, berücksichtigt jedoch nicht die gesamte Masse der Batterie.

Bei Fragen der Effizienz gibt es andere Dinge zu beachten. Die aus einer Materie-Antimaterie-Reaktion freigesetzte Energie ist schwer effizient zu nutzen (insbesondere wenn Sie versuchen, ein Raumschiff zu steuern).

Und wenn man an die Masse der Batterie denkt, können wir im Moment nur winzige Mengen Antimaterie (ein paar Atome Anti-Wasserstoff) für wenige Minuten speichern, und die Speicherung erfordert eine außerordentlich ausgeklügelte (und massive) Ausrüstung. Das Problem besteht darin, dass jede Antimaterie, die den Lagerbehälter berührt, sofort zerstört wird, zusammen mit der Zerstörung einer gleichen Menge des Behälters. Ich bezweifle ernsthaft, ob es jemals möglich sein würde, Antimaterie für die Verwendung in einer Batterie zu speichern.

Zunächst einmal sollte klargestellt werden, dass mit zunehmender Geschwindigkeit die Masse nicht zunimmt. Wenn also ein Objekt (in diesem Fall das Schwungrad) mehr kinetische Energie gewinnt, erhöht sich nicht seine Masse, sondern seine Trägheit. Das heißt, es wird schwieriger, das Schwungrad zu beschleunigen, wenn die kinetische Energie ansteigt. Wenn Sie also einem Schwungrad mit einer Masse von 1 kg Energie hinzufügen, ändert sich die Masse des Schwungrads nicht, aber stattdessen wird es schwieriger, das Schwungrad stärker zu beschleunigen.

Reden wir also über Momentum. Nun hält der übliche klassische Impuls bei hohen Geschwindigkeiten nicht an. Also eher Schwung als$p = mv$, ist stattdessen$p = \gamma mv$, Wo$\gamma$ist der Lorentzfaktor. Bei niedrigen Geschwindigkeiten$\gamma$entspricht ungefähr 1 Geben$p = mv$

In Anbetracht dieser Tatsachen ist dies die Antwort auf Ihre Frage: Antimaterie ist der effizienteste Weg, Energie zu speichern, aber es gibt eine effizientere Methode, um mehr Energie zu gewinnen.

Stellen Sie sich zwei Schwungräder vor, eines aus Materie und eines aus Antimaterie, beide aus Masse$\frac{1}{2}$kg. Lassen Sie sie sich nun zunächst mit großem Abstand gegenüber stehen. Jetzt beschleunigen wir sie mit einer externen Kraft (z. B. Magnetfeldern) auf beliebige Geschwindigkeiten, z. B. 0,5 c bzw. -0,7 c (wobei die zweite negativ ist, wenn sie sich in die entgegengesetzte Richtung der ersten bewegt). Stellen Sie sich nun vor, Sie bewegen sich mit dem ersten Rad. Ich werde das Drehen des Rads nicht einbeziehen, da es das Bild verkompliziert, was zu Ehrenfests Paradoxon und einer allgemeinen Relativitätstheorie führt, aber vom Rahmen von Rad 1 aus gesehen steht es still und bewegt sich überhaupt nicht. so ist die Geschwindigkeit des zweiten Rades (von der ersten Welt aus gesehen).

Als Antwort auf die erste Antwort von James hatten Sie Recht in dem Zusammenhang, dass Materie / Antimaterie-Batterien am effizientesten sind, aber das Drehen (oder nur das Bewegen in einer geraden Linie) erhöht die Masse nicht, also mehr Effizienz der Batterie Energie/kg erhält man, wenn man ein System aus zwei Rädern mit einer Gesamtmasse von 1 kg verwendet, die sich aufeinander zu bewegen. Mehr Effizienz lässt sich nicht durch unterschiedliche Apparaturen, sondern durch unterschiedliche Methoden erzielen. Ich habe eine solche Methode erwähnt. Vielleicht gibt es Hunderte mehr, die dieselbe Materie/Antimaterie-Konfiguration verwenden. Aber im Allgemeinen funktioniert die Materie/Antimaterie-Batterie am besten.

Hinweis: Die relativistische Masse wurde als Vereinfachung erfunden$p = \gamma mv$. Relativistische Masse wurde definiert als$m_{rel} = \gamma m_0$so dass sich der Impulsausdruck als ergibt$p = m_{rel} v$, was dem klassischen Ausdruck ähnlicher ist. Sogar Einstein missbilligte es. Wenn wir sagen „Kein Objekt bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, weil die kinetische Energie mit zunehmender Geschwindigkeit Masse hinzufügt und mit Lichtgeschwindigkeit unendliche Masse erhält“ , sollte es eher heißen „Kein Objekt bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, weil mit zunehmender Geschwindigkeit die kinetische Energie zunimmt die Trägheit des Objekts, was es schwieriger macht, es auf höhere Geschwindigkeiten zu beschleunigen."

In Bezug auf eine Grenze zum Erhalten von Energie: Nun, die Grenze für die Energie, die Sie von einem stationären Objekt erhalten können, ist$E = mc^2$und für sich bewegende Objekte ist es

Ich denke, eine einfache Antwort darauf ist, dass man zusätzlich zu Materie + Antimaterie einfach einen anderen Energiespeichermechanismus in das System einbaut. Das resultierende System speichert mehr Energie als das Materie+Antimaterie-System allein. Wir könnten zum Beispiel unsere 0,5 kg Materie und 0,5 kg Antimaterie nehmen, diese in Schwarze Löcher quetschen und sie dann durch eine große Entfernung voneinander trennen. Das Gravitationspotential eines solchen Systems ist ziemlich einfach zu berechnen. Wir könnten Energie nur so lange vernünftig nutzen, bis die Schwarzen Löcher "kollidieren", was bedeutet, dass sie in den Ereignishorizont des anderen fallen. Der Radius des Ereignishorizonts eines 0,5 kg schweren Schwarzen Lochs beträgt etwa 7,42 e-28 m. Das Gravitationspotential des Systemsim Unendlichen (was sich nicht wesentlich vom Potenzial bei einem Millimeter unterscheidet) beträgt etwa 2,25 e + 16 J. Vergleichen,$e=mc^2$für das System ergibt etwa 8,99e+16J. Die im System gespeicherte Gesamtenergie beträgt also etwa 25 % mehr.