Wie erzeugt man genug Energie, um ein Proton-Antiproton-Paar zu erzeugen?

Ich habe kürzlich etwas Großartiges entdeckt: den Schwinger-Effekt. Es besagt, dass, wenn Sie dank des Lasers genügend Energie auf einen einzigen Punkt im Raum konzentrieren, ein Paar aus Proton und Antiproton entstehen wird. Wir könnten dann leicht Antimaterie für interstellare Reisen, Stromerzeugung und mehr erzeugen!

Aber es gibt ein Problem: Sie müssen 4,3e+29 Watt liefern. Stellen wir uns vor, wir haben Laser, die diese Energie liefern können, wie können wir sie erzeugen? Wie viele Atomkraftwerke wären nötig?

Aber da Antimaterie-Paare gefährlich sind, weil ihre Vernichtung stark ist, sollten wir die "Antimaterie-Fabrik" im Orbit im Weltraum bauen (oder sollten wir?), Wir können uns nicht nur auf Kernreaktoren verlassen, da deren Einsendung zu kostspielig wäre Raum. Ich habe gelesen, dass wir, um diese Laser mit Strom zu versorgen, 2.000 Quadratkilometer (das 20-fache der Fläche von Paris) an Photovoltaikmodulen benötigen würden.

Es ist eine Lösung, aber haben wir auf der Erde genug Materialien, um diese gigantischen und schwachen Solarmodule herzustellen? Wäre die Lösung nicht, Kernreaktoren UND Sonnenkollektoren zu kombinieren oder auf mögliche zukünftige Energiequellen wie Kalte Fusion zu setzen?

Haben Sie eine Lösung? vielen Dank für Ihre Zeit und hoffentlich für Ihre Antworten.

4.3 × 10 29 Watt ist eine ziemlich bedeutungslose Zahl, wenn Sie die Dauer nicht angeben. Liefern 10 29 W für eine Nanosekunde ist wahrscheinlich nicht so schwierig (wird aber wahrscheinlich länger dauern). Liefern 10 29 W für eine Sekunde oder länger ist eine ganz andere Sache. Das Einstecken von „ 4,3e29 Watt für 1 Sekunde“ in Wolfram Alpha vergleicht es mit etwa 1/28.200 der Gesamtenergiemenge, die von der Sonne in einem Jahr freigesetzt wird, oder dem 11-fachen der kinetischen Energie des Mondes in seiner Umlaufbahn um die Erde.
Außerdem sollten Sie bedenken, dass die Vernichtung von Materie und Antimaterie zwar mächtig ist, aber nicht gerade das Ende der Welt bedeutet. Eine Einheit Antimaterie vernichtet genau eine Einheit Materie. Dabei wird es überall eine Menge Strahlung ausspucken, mit der Sie fertig werden müssen, aber es ist nicht so, als würde eine kleine Menge Antimaterie einen Planeten zerstören, wie es manchmal in der Fiktion dargestellt wird. Ich wage auch zu behaupten, dass sich Antimaterie für Zwecke der Energieerzeugung nicht so sehr von zB Benzin unterscheidet; Wenn Sie es sicher aufbewahren können, ist es ein guter Energiespeicher, aber nicht viel mehr.
Die Materialien für Solarzellen, für a-Si-Solarzellen, bestehen im Wesentlichen aus Sand. Kernspaltungsreaktoren wird tatsächlich bald der Brennstoff ausgehen. Die Menge an verfügbarem Uran ist begrenzt. Ich glaube, ich habe irgendwo gelesen, dass, wenn wir versuchen würden, die Welt mit Kernspaltungsreaktoren mit Energie zu versorgen, das Uran innerhalb von 10 Jahren erschöpft wäre. Die offensichtliche Lösung dafür ist natürlich, einen Fusionsreaktor zu verwenden, der riesigen Wasserstoff oder Lithium enthält. ITER arbeitet an einem selbsterzeugenden Lithiummechanismus in seinem Fusionsreaktor.
Die Vernichtung einer Menge Antimaterie mit der entsprechenden Menge normaler Materie setzt höchstens die gleiche Energiemenge frei, mit der die Materie-Antimaterie-Teilchenpaare überhaupt erst erzeugt wurden. Antimaterie mag eine gute Batterie sein , aber sie ist keine Energiequelle . Um Ihre Frage direkt zu beantworten: Sie können nicht mehr Energie herausholen, als Sie hineingesteckt haben.
@DJ Klomp: Glauben Sie nicht alles, was Sie lesen. Ein richtig ausgelegter Reaktor (Brutreaktor genannt) kann mehr Brennstoff produzieren als er verbraucht.
@jamesqf, danke für den Hinweis, mein Punkt scheint tatsächlich nur für die derzeit verwendeten Reaktordesigns gültig zu sein.
Ergänzend zu meiner vorherigen Anmerkung: Die Sonnenenergiedichte oder Sonneneinstrahlung (Leistung über Fläche) in der Erdumlaufbahn beträgt etwa 1500 W/m². 2000 km² sind (2000k x 2000k)m² oder (2M x 2M)m² oder 4e12 m². Bei 1500 W/m² und einem angemessenen Wirkungsgrad von 30 % erhalten Sie eine Ausgangsleistung von etwa 1,8 bis 15 W, abzüglich Übertragungsverluste von den Solarmodulen zu dem, was Sie mit Strom versorgen, sowie alle anderen Zwischenverluste im System. Ihnen fehlen etwa 14 Größenordnungen. Oder anders gesagt, Sie müssten etwa 67 Stunden lang Energie sammeln, um die für einen Burst von einer Nanosekunde erforderliche Leistung zu haben, und dann alles in 1 ns liefern.
Ihr Kommentar ist wirklich interessant, Michael, aber ich frage mich, wenn es 67 Stunden für den Burst von einer Nanosekunde dauert, wie können wir den von den Solarmodulen erzeugten Strom speichern? Ist ein Burst von einer Nanosekunde lang genug, um eine Proton-Antiproton-Paarproduktion zu verursachen?
Sie müssen festlegen, ob Sie die Erzeugung von Antimaterie aus dem Vakuum wollen, den Schwinger-Effekt, wie ich ihn verstehe, oder auch die Erzeugung von Antimaterie aufgrund von Kollisionen mit hoher Energie akzeptieren. Das sind zwei völlig unterschiedliche Effekte. Abgesehen davon denke ich, dass Sie, um Ihre Frage vernünftig zu beantworten, ein Professor auf diesem Gebiet sein müssen und dann hoffen, dass Sie die Antwort verstehen können. Schon die Frage, was die Fokussierung der Laser im Gegensatz zu der flachen EM-Welle bewirkt, die in der Berechnung von Schwinger verwendet wird, kann einen großen Unterschied machen.
@AlexP, Sie scheinen sich auf die Energieeinsparung zu beziehen. Dies ist jedoch für die Quantenmechanik nicht theoretisch bewiesen. Nullpunktsenergie und der bereits experimentell gemessene Casmir-Effekt weisen darauf hin, dass Energie im Vakuum erzeugt/vorhanden sein kann. Ob es geerntet werden kann, ist eine andere Frage.

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Aber da Antimaterie-Paare gefährlich sind, weil ihre Vernichtung stark ist, sollten wir die "Antimaterie-Fabrik" im Orbit im Weltraum bauen (oder sollten wir?), Wir können uns nicht nur auf Kernreaktoren verlassen, da deren Einsendung zu kostspielig wäre Raum. Ich habe gelesen, dass wir, um diese Laser mit Strom zu versorgen, 2.000 Quadratkilometer (das 20-fache der Fläche von Paris) an Photovoltaikmodulen benötigen würden.

Ich werde die Zahlen nicht überprüfen, und wie andere Ihnen bereits gesagt haben, ist Ihr Energiebedarf viel zu hoch. Bei richtiger Ansteuerung - da ist die Schwierigkeit - braucht man nur ca. 8 kWh pro Paar. Da ein Solarpanel rund 200 W pro Quadratmeter abgibt, sind das 40 Quadratmeter pro Stunde: Bei 4 Quadratmetern brauchen Sie zehn Stunden, bei 400 Quadratmetern sind Sie in 1/10 Stunde oder sechs Minuten fertig.

Aber das ist die minimale Energie, ohne Berücksichtigung von Verlusten, ohne Berücksichtigung von irgendetwas . Wie effizient die Materie-Antimaterie-Produktion ist , hängt von Ihrer Technologie ab. Mit magnetischen Einfangspulen, die bereit sind, das Antiproton einzufangen, könnte sich Ihr Energiebedarf auf etwa 4000 m 2 h erhöhen.

Das Problem wird nun, dass sich bei Energiedichten weit unter denen, die für die Bildung von Proton-Antiproton-Paaren erforderlich sind, viele andere Teilchen-Antiteilchen-Paare bilden werden . Daher ist die Methode der "spontanen Erzeugung" entweder nicht durchführbar oder erfordert eine Möglichkeit, all diese unerwünschten Partikel zu trennen und zu entfernen und wenn möglich ihre Energie zu recyceln, währenddessen die ab und zu auftauchenden Proton / Antiproton-Paare eingefangen werden.

Was Sie stattdessen brauchen, ist eine Möglichkeit, den Zertrümmerungsmechanismus der kosmischen Strahlung zu duplizieren - beschleunigen Sie Protonen mit enormen Geschwindigkeiten mit massiven elektrischen Feldern, bombardieren Sie größere Kerne, damit genügend Protonen die Bedingungen für die Erzeugung von Teilchen / Antiteilchen schaffen, und finden Sie einen Weg, um die Antiprotonen einzufangen . Es kann gegen eine Gebühr durchgeführt werden .

Dann haben Sie eine weitere Schwierigkeit, nämlich die, diese Antiprotonen zu speichern . Sie sind negativ geladen und stoßen sich gegenseitig stark ab - zugegeben, sie haben so viel Energie, dass man sehr wenig davon braucht, aber wie gesagt ...

Und alle Materie ist eine Mischung aus positiven Protonen und negativen Elektronen, die sich mit dieser großen Kraft anziehen und abstoßen. Die Balance ist jedoch so perfekt, dass Sie, wenn Sie neben jemand anderem stehen, überhaupt keine Kraft spüren. Wenn es auch nur ein kleines Ungleichgewicht gäbe, würden Sie es wissen. Wenn Sie auf Armeslänge von jemandem stünden und jeder von Ihnen ein Prozent mehr Elektronen als Protonen hätte, wäre die abstoßende Kraft unglaublich. Wie toll? Genug, um das Empire State Building anzuheben? Nein! Den Mount Everest anheben? Nein! Die Abstoßung würde ausreichen, um ein „Gewicht“ zu heben, das dem der gesamten Erde entspricht!

... also willst du wirklich auch viele Antielektronen (Positronen) produzieren und Antiwasserstoff machen. Abgesehen davon, dass Wasserstoff neutral ist und nicht durch gewöhnliche elektromagnetische Felder an Ort und Stelle gehalten werden kann. Und Sie müssen es im Vakuum halten, aber wie halten Sie ein Gas im Vakuum ? Sie müssen es also mit Diamagnetismus unterkühlen und schwach komprimieren.

All dies wirkt sich auf Ihren Energiebedarf aus, es sei denn, Sie finden ein anderes Mittel zur Eindämmung von Antiprotonen, mit dem Antiprotonen auch leicht extrahiert und vernichtet werden können (denken Sie daran, dass jedes Paar nur etwa 8 kWh abgibt). Es gibt Möglichkeiten , aber nicht so wirtschaftlich.

Okay, wenn also eine Proton-Antiproton-Paar-Produktion etwa 8k/h benötigt, wie viel Strom benötigt eine Positron-Elektronen-Paar-Produktion?
Energie hängt mit Masse zusammen und das Massenverhältnis zwischen Protonen und Elektronen ist μ = mp/me = 1836 (Wikipedia). Das sind also magere 4,35 Wh – oder das Äquivalent eines 1180 mAh 3,7 V LiIon-Telefonakkus. (Das ist es, was man aus der ae/p-Paarvernichtung herausholen kann, mit der sehr unrealistischen Annahme, es mit 100 % Gesamteffizienz umwandeln zu können).
Okay, aber ich verstehe etwas nicht: Was sagen Sie mir, ist es die Energie, die erforderlich ist, um eine Paarproduktion zu verursachen, oder wie viel Energie wir durch eine Antimaterie-Materie-Vernichtung freisetzen?

Der Schwinger-Effekt, von dem Sie sprechen, ist, wo die Lösung von zwei überlappenden Maxwell-Gleichungen eine andere Maxwell-Gleichung ist. Das sind Sie virtuelle Teilchen. Diese Lösung ist nur im nichtlinearen Bereich bei sehr hohen elektrischen Feldstärken möglich. Das nichtlineare Regime beginnt bei einer Feldstärke über 1x10^18 V/m, also müssten Sie über dieser Grenze liegen. Hier geht es also wirklich darum, Partikel aus dem Nichts zu erschaffen, als Partikel aus einem anderen Partikel mit Kollisionen zu erschaffen. Aus der Literatur werden die Teilchen ein Elektron- und Positron-Paar sein, kein Proton-Anti-Proton-Paar.

Es ist also nicht wirklich eine Frage der Energie, sondern der elektrischen Feldstärke. Sie können dieses elektrische Feld mit einem Laser erzeugen und die Stärke verstärken, indem Sie den Laser fokussieren. Einige der leistungsstärksten Laser von heute kommen an ihre Grenzen, wie der L3-HAPLS bei ELI oder das HYPER-Projekt.

Wenn Sie also dieses Teilchen haben, wie viel Energie bekommen Sie? Ein Positron und ein Elektron vernichten sich gegenseitig und wandeln ihre Masse in Energie in Form von zwei Photonen um. Diese haben eine Energie von 2x0,511 MeV oder etwa 1,64x10^-13 J, also sehr wenig Energie. Die Frage wird also sein, mit welcher Rate Sie diese Elemente produzieren, dies wird in der Originalarbeit von Schwinger berechnet .

Praktischer gesagt bezweifle ich tatsächlich, ob Sie überhaupt einen Bruchteil der Energie herausbekommen würden, die Sie einsetzen müssen.

Ich glaube wirklich, du erfindest das Rad neu. Die Natur macht das schon sehr, sehr lange und ohne Ihren enormen Energieaufwand.

Es ist absolut sicher, es auf der Erde zu tun.

Wenn der Blitz direkt Paare von Elektronen und Positronen erzeugt hätte, würde man erwarten, Gammastrahlen von vernichteten Positronen unmittelbar nach dem Blitz zu erkennen, nicht 35 Sekunden danach, sagte Enoto. Stattdessen stammten die vernichteten Positronen, die die Forscher sahen, wahrscheinlich von durch Blitze ausgelösten Kernreaktionen.

Imitieren Sie einfach das CERN-Labor der Natur. Blitz verwenden .

Der Trick liegt nicht in der Produktion, der Trick liegt in der Erfassung und Eindämmung. Die Natur produziert anscheinend ständig all das „Zeug“, das wir jemals brauchen könnten. Wir wissen nur nicht genau WIE.

Alles, was wir also tun müssen, ist, Blitze nachzuahmen und/oder zu nutzen.

Ich weiß nicht, wo du herkommst 10 29 W

Der Prozess der Erzeugung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares wird als Paarbildung bezeichnet . Um dieses Paar herzustellen, braucht man ein Boson mit ausreichender Energie. Die Massenenergie sowohl eines Protons als auch eines Antiprotons beträgt etwa 938 Mev/c 2 . In Joule umgerechnet bedeutet dies, dass Sie dafür etwa 27 MJ benötigen. Ich weiß nicht, wie Sie von hier bis hierher kommen 10 29 W.

Ich verstehe, dass dies im Allgemeinen entweder durch Zusammenschlagen von zwei extrem hochenergetischen Photonen oder durch eine Elektron-Positron-Paarkollision geschieht. Ein Laser ist nicht wirklich der Weg. Ein Laser erzeugt Licht mit einer bestimmten Wellenlänge. Die Wellenlänge steht in direktem Zusammenhang mit der Energie von

E = h c λ .
Für ein 27-MJ-Photon müsste die Wellenlänge unvorstellbar klein sein; weit außerhalb der Reichweite jedes derzeit hergestellten Lasers, so etwas wie 7 × 10 − 33 Meter.

Wenn man bedenkt, dass jedes vom Laser emittierte Photon eine Energie benötigen würde, die größer ist als die Gesamtausgangsleistung der leistungsstärksten Laser, die es heute gibt. Sie brauchen keinen ganzen Laser von Photonen dieser Leistung, Sie brauchen nur einen.

Nur um das auszudrücken 7 × 10 − 33 Meter ins rechte Licht rückt Wikipedia den Gammastrahlen-Teil des EM-Spektrums mit einer kürzesten Wellenlänge von 13 Uhr, oder 10 − 12 Meter, gleich 1,24 MeV. Selbst die Behauptung von 10 TeV aus astronomischen Quellen würde, wenn ich mich nicht irre, zu einer Wellenlänge von einigen führen 10 − 19 Meter; immer noch viel länger als das, womit wir es hier zu tun haben.
Vielen Dank für Ihre Antwort, Kingledon, aber ich dachte, eine Proton-Antiproton-Paarproduktion könnte nur durch die Konzentration von mindestens zwei energetischen Photonen verursacht werden. Wie kann nur ein energetisches Photon eine Paarproduktion verursachen, ohne mit einem anderen Teilchen zu interagieren?
Was wären auch die Photonen mit der geringsten Energie (Wellenlänge), die eine Proton-Antiproton-Paarproduktion verursachen können (und wie viel?)? Wenn sie von Lasern beschossen würden, wie viel Strom würden die Laser benötigen?
Ich denke, Sie meinten "im Allgemeinen, indem Sie entweder zwei extrem energiereiche Protonen zusammenschlagen"
@Aaron Sie haben Recht mit den beiden, aber nach meiner Lektüre wurde dies experimentell mit Photonen und nicht mit Protonen durchgeführt, sofern ich mich nicht irre.
@ Mathis Ich habe das in der Frage beantwortet. Ein Photon benötigt 27 MJ, um diese Wechselwirkung hervorzurufen. Das ist eine unglaublich hohe Energiemenge für ein Photon.
Bei der konkreten Fragestellung geht es um die Nutzung von Photonen, ja. Proton/Anti-Proton-Paare werden jedoch im Allgemeinen durch Zusammenschlagen von Protonen erzeugt. So funktionieren Teilchenbeschleuniger wie CERN oder LHC. Sie beschleunigen Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und stoßen sie dann mit anderen Protonen zusammen.
Was die Verwendung von Photonen angeht, hielt ich die Frage für theoretisch. Gibt es Labore, in denen Materie/Antimaterie-Partikelpaare routinemäßig mit Photonen erzeugt werden? Ich nehme an, das ist möglich, aber wenn ja, war ich mir dessen nicht bewusst. Die herkömmliche Methode besteht jedoch darin, Protonen zusammenzuschlagen. Diese photonische Methode im OP ist nicht die übliche Methode, sondern eine alternative Methode.
Wie erzeugt man genug Energie, um ein Proton-Antiproton-Paar zu erzeugen?
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