Wäre es gefährlich, eine Antimaterie-Engine in der Nähe von Menschen zu verwenden?

Bestimmte Ereignisse zu Beginn von Larry Nivens Known Space-Serie beinhalten die sogenannte „Kzinti-Lektion“, eine Lektion, die von einem Pazifisten und einer entmilitarisierten Menschheit den einfallenden Kzinti erteilt wird. Die Lektion lautet: "Die Effizienz eines Reaktionsantriebs als Waffe steht in direktem Verhältnis zu seiner Effizienz als Antrieb".

Die Kzinti-Lektion bezog sich auf riesige Laserantriebsstationen und Photonenantriebe. Eine Strahlkern-Antimaterie-Rakete, so ziemlich der (theoretisch) praktische Ansatz zum Bau einer Antimaterie-Rakete, die so funktioniert, wie Sie es beschreiben, wäre fast so effizient wie diese. Eine mit genügend Schub, um von einem Planeten aus gestartet zu werden, hätte eine verheerende Wirkung auf die Umgebung. Die Atmosphäre ist eigentlich ziemlich undurchlässig für Gammastrahlung, so dass die Strahlungsgefahr begrenzt wäre, aber beim Absorbieren der Strahlung würde sie sich in etwas verwandeln, das einem nuklearen Feuerball nahe kommt.

Sie würden ein Laufwerk mit viel geringerer Leistung wünschen, das Treibmittel für solche Anwendungen erwärmt und ausstößt. Abgesehen von dem weniger tödlichen Auspuff hat dies auch den Vorteil, dass viel weniger Antimaterie verbraucht wird und das Schiff nicht annähernd so viel Energie bewältigen muss. Möglicherweise könnten Sie Antimaterie verwenden, um das Treibmittel zu erhitzen, aber viel Glück dabei, das Gamma und die geladenen Teilchen effizient zu absorbieren.

Die Antwort ist natürlich, dass es darauf ankommt .

Sie können Raketentriebwerke grob in drei Typen unterteilen:

• hoher Schub, niedrige Abgasgeschwindigkeit, geringe Laufzeit, gut für den Start auf einem Planeten
• geringer Schub, hohe Abgasgeschwindigkeit, hohe Laufzeit, gut für effizientes Reisen im Weltraum
• hoher Schub, hohe Abgasgeschwindigkeit "Fackelantriebe".

Antimaterie-Motoren könnten eine der oben genannten sein.

Ein Beispiel für einen modernen Startmotor wäre buchstäblich jeder Raketenmotor, den wir in den letzten hundert Jahren oder mehr verwendet haben. Ein üblicher Typ wäre eine Flüssigtreibstoffrakete , wie sie beispielsweise von SpaceX verwendet wird.

Ein Beispiel des zweiten Typs wäre ein elektrisches Antriebssystem wie etwa ein Ionentriebwerk oder vielleicht ein VASIMR . Der Schub ist so gering, dass er nicht einmal zum Abheben einer Rakete von allen außer den kleinsten Monden verwendet werden könnte, aber der Motor kann jahrelang am Stück laufen, was sie ideal für Weltraumsonden macht.

Der dritte Typ wurde nie verwirklicht, aber am nächsten kam ihm das Projekt Orion , das nukleare Explosionen verwendet hätte, um ein Raumschiff anzutreiben.

Beachten Sie nun, dass ich oben die Abgasgeschwindigkeiten erwähnt habe. Je höher die Abgasgeschwindigkeit, desto effizienter ist die Rakete bei der Bereitstellung von Schub über einen langen Zeitraum.

Ihre vorgeschlagene Antimaterie-Rakete ist eine sogenannte Strahlkernrakete oder manchmal ein Pion-Antrieb. Seine Abgasgeschwindigkeit ist die der Vernichtungsprodukte, die wiederum davon abhängen, wie Ihr Motor genau funktioniert und wen Sie fragen. Frühe Simulationen deuten auf eine Abgasgeschwindigkeit von ~ 0,3 c hin, neuere Arbeiten deuten darauf hin, dass 0,69 c praktikabel sein könnten, und andere schlagen sogar vor, dass > 0,9 c erreichbar sein könnten.

Nehmen wir jedoch die niedrigste Schätzung von 0,3c. Dies wurde unter anderem von Forward und Frisbee genutzt und entsteht durch das Zusammenspiel von geladenen Pionen und der magnetischen Düse Ihrer Rakete. Es gibt uns die konservativste Schätzung dafür, wie zerstörerisch Ihre Rakete ist.

Die von einem Reaktionsmotor ausgeübte Kraft kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden :

Wo$\dot{m}$ist die aus der Düse ausströmende Masse und$v_e$ist die Abgasgeschwindigkeit. Nehmen wir an, Sie haben ein hundert Tonnen schweres Raumschiff ... das ist eine Figur aus der Luft, aber etwas über der maximalen Masse eines Airbus A321 und etwas unter der Masse eines beladenen Space Shuttles. Sie haben kein Raumfahrzeuggewicht angegeben, aber ich bin sicher, Sie können die folgenden einfachen Berechnungen wiederholen, wenn Sie es für nötig halten.

Wie auch immer, um mit einem 100-Tonnen-Flugzeug einfach vertikal von der Schwerkraft der Erde abzuheben, müssen Sie mindestens einen Meganewton Schub erzeugen.

Bei einer Abgasgeschwindigkeit von 0,3 c ergibt sich ein Massenstrom von ~ 11 g Pionen pro Sekunde.

Da sollten schon die Alarmglocken schrillen!

Geladene Pionen sind instabil und zerfallen schnell in Myon/Antimyon- und manchmal Elektron/Positions-Paare. Diese Myonen sind ebenfalls instabil und zerfallen in Elektron/Positron-Paare. Diese Positronen treffen in ziemlich kurzer Zeit auf ein freundliches Elektron und vernichten sich dann sofort, indem sie ein Paar 511-keV-Gammastrahlen freisetzen.

Das bedeutet, dass fast die gesamte Massenenergie Ihres Raketenabgases in Gammastrahlen umgewandelt wird. Gutes altes verwenden$E = MC^2$Sie können sehen, dass dies eine Gamma-Leuchtkraft in der Größenordnung von etwa 1 Petawatt erzeugt, was ungefähr der Detonation einer 250-kt-Atomwaffe pro Sekunde entspricht .

Sie können die NIST-Massenschwächungskoeffizienten verwenden , um herauszufinden, wie durchdringend diese Strahlung ist, oder stattdessen diesen praktischen Rechner verwenden . Sie werden sehen, dass die Röntgenleuchtkraft über einen Radius von 500 m um etwa 99,5 % reduziert wird. Dadurch entsteht ein heller Plasma-Feuerball, der an die frühe Phase einer nuklearen Explosion erinnert. Gammastrahlen werden sich natürlich weiter vom Nullpunkt aus erstrecken ... nach 1 km sind 99,9975 % der Strahlung in der Luft absorbiert und in Wärme umgewandelt worden, aber das lässt immer noch 25 GW an Gammastrahlen übrig. Ich werde hier nicht den Sicherheitsabstand für einen ungeschützten Menschen in der Luft berechnen, aber es wird ein ziemlicher Ausweg sein!

Dies ist ein stadtsterilisierendes Maß an schlechtem .

Und das ist nur die Abgasmasse aus Ihrem Raketensystem ... Denken Sie daran, dass diese Abgasprodukte viel kinetische Energie haben (die einen größeren Knall erzeugen) und nur ein Teil der in die Reaktionskammer eingeführten Masse als geladene Teilchen herauskommt, also gibt es viel mehr Gammastrahlung fliegt auch herum. Frisbees Arbeit an Strahlkernraketen beinhaltet eine Aufschlüsselung von Vernichtungsprodukten ... die wichtigsten sind die frühen 200-MeV-Gammastrahlen. Die NIST-Dämpfungsdaten gehen nicht so hoch, aber 100-MeV-Gammastrahlen können ~2,65 km Luft auf Meereshöhe erreichen, bevor 99,5 % der Leuchtkraft absorbiert wurden, was sie zu einer wesentlich größeren Strahlungsgefahr macht als die längerwellige Gammastrahlen ausstoßen. Diese können in der Tat Land sein-sterilisierende Ebenen von schlecht, aber noch einmal: Ich werde die genauen Details nicht ausarbeiten, weil die Situation eindeutig schlecht ist.

Das ist der Preis, den Sie für eine Rakete mit hohem Schub und hoher Ausstoßgeschwindigkeit zahlen. Fackelantriebe sind unglaublich gefährlich, selbst bei bescheidenem Schub, und eine Rakete, die von einem Planeten abheben kann, wird keinen bescheidenen Schub haben!

Und für diejenigen, die versuchen, sich aus den Problemen zu winden, die ich gerade skizziert habe:

• Glauben Sie nicht, dass Sie durch einen horizontalen Start entkommen können ... ein Airbus A321 hat eine vergleichbare Masse und einen maximalen Schub von ~ 150 kN, und dieser Schub würde immer noch über anderthalb Gramm Pionen pro Sekunde von einem Strahl erfordern. Kernrakete!
• In einer Umgebung mit geringer Schwerkraft ist das Strahlungsniveau immer noch erschreckend hoch. In einem Milligee-Gravitationsfeld spucken Sie nur 10 mg/s Pionen aus, um einfach abzuheben, aber das ist immer noch eine rein massebezogene Leuchtkraft von ~ 980 GW harter Gammastrahlen. Sie wollen wirklich nichts in der Nähe und schon gar keine Menschen.
• Es ist wahrscheinlich nicht einmal eine gute Idee, diese Rakete auf Milligee-Niveau zu zünden, selbst in einer niedrigen Umlaufbahn über einem erdähnlichen Planeten. Die Leuchtkraft der Gammastrahlen könnte EMP in großer Höhe verursachen und möglicherweise hell genug sein, um Sehschäden auf der darunter liegenden Oberfläche zu verursachen (obwohl ich mir dessen nicht 100% sicher bin, bin ich mir ziemlich sicher, dass es eine schlechte Sache wäre, es anzusehen) .
• Selbst eine winzige 1-N-Pion-Rakete, die ausreicht, um 100 kg auf ein Milligee zu beschleunigen, ist eine Gigawatt-Gammaquelle. Ein nicht abgeschirmter Mensch in 10 km Entfernung in einem Vakuum (z. B. jemand, der einen normalen Raumanzug an einem Ende von Phobos trägt und Sie vom anderen Ende aus beobachtet) ist ~0,8 W/m ² Gammastrahlen aus dem Auspuff ausgesetzt. Wenn sie eine Querschnittsfläche von 0,6 m ² und eine Masse von 60 kg hätten, wäre das eine Dosis von 8 Milligray pro Sekunde, was 8 mSv ( entspricht einem Brust-CT ) pro Sekunde entspricht. Ein ungeschützter Mensch in nur 1 km Entfernung im Vakuum erhält genug Gammastrahlen, um in nur einer Sekunde eine Strahlenkrankheit und in 10 Sekunden eine tödliche Dosis zu entwickeln.

Sie können sehen, dass es wirklich keine sichere Möglichkeit gibt, eine Pion-Rakete in der Nähe von etwas zu betreiben, das tatsächlich nicht sehr gut geschützt ist (und Details dieses Schutzes gehören in eine andere Frage / Antwort).

Ihre Probleme enden natürlich nicht dort ... Pion-Raketen haben viele andere Probleme, einschließlich eines schlechteren Delta-V, als Sie aufgrund des Zerfalls der Reaktionsmasse erwarten könnten (siehe die angepasste relativistische Raketengleichung in Frisbees Artikel) und der Tatsache, dass die Reaktion Die Wirkungsquerschnitte für die Teilchen-Antiteilchen-Vernichtung sind tatsächlich ziemlich gering ( Relativistische Rakete: Traum und Realität ).

Einige davon sind überwindbar. Für den Start von einer bewohnten Welt mit angemessener Schwerkraft wie der Erde oder dem Mars könnte man eine Antimaterie-Rakete mit festem Kern verwenden. Es gab einige Details dazu in einer früheren Bearbeitung dieser Antwort (immer noch im Bearbeitungsverlauf vorhanden), aber ich habe sie der Kürze halber entfernt. Fühlen Sie sich jedoch frei, eine separate Frage zu den besten Möglichkeiten zu stellen, erdähnliche Welten mit Hochleistungsmotoren sicher zu verlassen!

Ich bin mir ziemlich sicher, dass Sie, wenn Sie die Materie-Antimaterie-Vernichtung als Energiequelle verwenden, höchstwahrscheinlich KEINEN Reaktionsmassenantrieb verwenden. Ich würde vermuten, dass es sich um eine Art Raum- / Zeitverzerrung handelt oder um ein Einklemmen entlang der Linien eines Alcubierre-Laufwerks. Oder vielleicht eine Art Gravitationskanalisierungsantrieb. Etwas, das sehr hohe Energien erfordert, aber nicht um eine Reaktionsmasse anzutreiben, sondern um einen anderen physikalischen Mechanismus anzutreiben. Es wäre vergleichbar mit dem Versuch, herauszufinden, wie man die Energie eines Fusionsreaktors nutzt, um ein Schiff anzutreiben.

Wie es nutzbare Energie erzeugen würde, wie AlexP vorgeschlagen hat, ist bestenfalls spekulativ. Würde es vollständig in einem Sicherheitsbehälter sein? Ähnlich wie wir heute Atomstrom erzeugen? Mit der Strahlung sehr sorgfältig eingedämmt und abgeschirmt? Im Weltraum muss man sich natürlich keine Sorgen über eine Strahlenvergiftung der Umwelt machen, bis gut befahrene Weltraumspuren eingerichtet sind.

Die Verwendung des Energiekerns im System würde definitiv eine Art Abschirmung erfordern, aber genau wie bei Kernspaltungsreaktoren heute wäre es nicht erforderlich, Strahlung an die Umgebung abzugeben. Die Antriebe hätten eine Art zwischengeschaltetes Energieübertragungssystem, so wie wir Wasser/Dampf verwenden, um Energie aus Kernkraftwerksreaktoren zu übertragen.

Ich würde erwarten, dass systeminterne Laufwerke irgendeine Form gespeicherter Energie verwenden, oder diese Energie verwenden würde, um vielleicht einen Plasmareaktionsantrieb anzutreiben, aber das wäre ein ganz anderes Umweltproblem.