Antimaterie-aandrijving met huidige techniek te bouwen

Share Button

Eigenlijk is er op dit moment maar één echt realistische optie om de sterren te bereiken: antimaterie. Antimaterie produceren is nog steeds extreem moeilijk, maar er is nu wel een motorontwerp waarmee snelheden tot zeventig procent van de lichtsnelheid zijn te bereiken. Dus als een uitvinder een efficiënte methode bedenkt om antimaterie te maken en er ook nog even een overvloedige energiebron bij bedenkt, kunnen we op weg…

Het wordt nooit wat met reizen naar de sterren zonder goede raketmotor. Goed nieuws: de motor hebben we nu, nu de brandstof nog...

Het wordt nooit wat met reizen naar de sterren zonder goede raketmotor. Goed nieuws: de motor hebben we nu, nu de brandstof nog... (bron/(c): startrek.com)

Ideale raketbrandstof
Antimaterie is volledig in energie om te zetten, door deze met dezelfde hoeveelheid materie samen te voegen. Een gram antimaterie levert hiermee 25 miljoen kilowattuur op, voldoende energie om in een elektrische auto naar de zon te rijden en weer terug (of, wellicht praktischer, met een ruwweg vergelijkbare auto 6000 maal de wereld rond).

Geen wonder dat ruimtevaartvisionairen serieus aandacht besteden aan  antimaterie als aandrijving. Antimaterie is de enige bekende brandstof waarmee snelheden in de buurt van de lichtsnelheid zijn te bereiken. Helaas (of gelukkig, want antimaterie is een uitermate explosief goedje), is antimaterie schaars en wordt met atomen tegelijk gemaakt. In een gram waterstof zitten alleen al 3,1 * 10^23 atomen, dus alle sterren in het heelal zijn allang tot doffe sintels afgekoeld tegen de tijd dat je op die manier genoeg antimaterie hebt gemaakt voor een reis naar de sterren.

Eindelijk een goede motor
Maar toch, sommige natuurkundigen (doorgaans grote science fiction fans), laten zich daardoor niet weerhouden. Want stel, we vinden wel een overvloedige antimateriebron uit.  Ronan Keane van Western Reserve Academy en Wei-Ming Zhang van Kent State University, beide in de Amerikaanse staat Ohio, hebben dan alvast een bruikbare antimaterie-motor op de plank liggen.

De maximumsnelheid van een raket hangt af van de snelheid waarmee het gas of andere deeltjes uit worden gestoten, het deel van de raketmassa dat wordt besteed aan brandstof  en de strategie waarmee de brandstof wordt opgestookt. Het tweetal besloot zich toe te leggen op het maximaliseren van de uitstroomsnelheid. Immers: we kennen niet de overwegingen van raketbouwers in de (verre) toekomst, aldus het tweetal. Wel weten we dat een hoge uitstroomsnelheid in elke raket handig is. In dit geval: de uitstroomsnelheid van de deeltjes die ontstaan bij de vernietiging van materie en antimaterie.

Deze impuls wordt voornamelijk opgewekt door het gebruik van een magnetisch veld dat geladen deeltjes afbuigt in de annihilatie. Dit tweetal richt zich op de wederzijdse vernietiging van protonen en antiprotonen waarbij geladen pionen (instabiele quarkparen) ontstaan. Hoe efficiënter het magneetveld alle impuls de juiste richting op kan sturen, hoe efficiënter de aantimaterieaandrijving. In deze opzet hangt de uitlaatsnelheid van de pionen af van twee factoren: hun gemiddelde beginsnelheid als ze ontstaan en de efficiëntie van de magnetische sproeikop.

Motor efficiënt en binnen bereik
In het verleden berekenden diverse natuurkundigen dat de pionen met 90%  van de lichtsnelheid zouden reizen maar dat de sproeikop slechts 36% efficiënt zou zijn: met elkaar vermenigvuldigd, rond de 0,32 c. Teleurstellend langzaam.  In het nieuwe ontwerp van Keane en Zhang, waarbij ze gebruik maakten van de   GEANT4 (short for Geometry and Tracking 4) software die het CERN gebruikt om het gedrag van botsende bundels protonen en antiprotonen te berekenen, blijkt echter zowel goed als slecht nieuws. Slecht nieuws is dat de pionen die op deze manier worden geproduceerd, geen 90% maar slechts 80% van de lichtsnelheid bereiken. Het goede nieuws is dat uit de simulaties blijkt dat een magnetische sproeikop veel efficiënter kan zijn dan tot nu toe gedacht: tot de 85% efficiënt. Samen betekent dit dat tot maar liefst 70% van de lichtsnelheid bereikt kan worden. Althans in theorie. Bij 0,7 c vertraagt de tijd merkbaar.

Ander goed nieuws is dat hiervoor niet eens een extreem sterk magnetisch veld nodig is. 12 Tesla is een veldsterkte die nu al in MRI-scanners en in het CERN wordt gebruikt. Kortom: we kunnen nu al een dergelijke antimateriemotor bouwen.

Nu de brandstof nog….
Volgens sommige schattingen duurt het ongeveer duizend jaar om met een installatie als van het CERN een miljoenste gram antimaterie te maken. Daarmee kom je uiteraard niet erg ver. Keane en Zhang hebben hiervoor een oplossing: het oogsten van antiprotonen uit een dunne ring antimaterierijk materiaal die de aarde omringt. PAMELA, de satelliet die de metingen deed, oogstte echter slechts 28 antiprotonen in twee jaar. Het CERN produceert er  meer per dag. Het is vermoedelijk slimmer om met een enorm magnetisch schepveld bundels antimaterie uit de kosmische straling te oogsten of, nog beter, deze met behulp van zonne-energie te produceren. De zon zet per seconde bijna duizend ton massa om in energie. Deze energie is weer in materie om te zetten. Als je de gehele zon zou aftappen, zou je in ongeveer een seconde de antimaterie kunnen produceren voor een ruimtereis. Dus wie weet,komt het nog eens zover…

Bron:
Beamed Core Antimatter Propulsion: Engine Design and Optimisation, Arxiv.org, 2012

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

22 reacties

  1. Zebbie schreef:

    Reizen aan snelheden die dicht bij de lichtsnelheid aan leunen is gewoon niet praktisch.Als de mens echt het heelal wil verkenner zal dat moeten gebeuren via wormgaten en/of andere dimensies met een aandrijving die de energie uit zijn omgeving haalt.

  2. Lukas schreef:

    Tja, dan heb je theoretisch een motor die je op die snelheid kan brengen. Wat je echter niet hebt is voldoende kracht om het enorme ruimtevaartuig noemenswaardig te versnellen. Het is alsof je een babypijltje achter je auto bindt en zegt dat het pijltje in principe je auto met 50km/h kan voortstuwen: gegeven genoeg tijd en in een wrijvingsloze omgeving is dat waar, maar niet erg spectaculair.

    Tevens is de productie van antimaterie alsnog een probleem. Dat de energie af te tappen is van de zon maakt verder niet uit: het proces om van die energie antimaterie te maken (via een deeltjesversneller) is alsnog immens veel werk.

    Een zonnezeil lijkt mij de makkelijkste techniek, desnoods met een andere soort aandrijving om op snelheid te komen.

    • Alex schreef:

      Volgens mij ben je behoorlijk in de war met de VASIMR. Met Genoeg antimaterie kun je alles, dus ook schepen van een miljoen kilo, met tientallen G’s versnellen. Niet dat de bemanning dat dan zou overleven.

      • Lukas schreef:

        Natuurlijk, met een groot genoege motor en genoeg brandstof krijg je het wel voor elkaar, maar dat is niet realistisch. Daarnaast zijn “tientallen G’s” lang niet genoeg als je wilt versnellen tot 0,7c:

        t is de tijd die verstrijkt voor buitenstaanders
        T is de tijd die verstrijkt voor de reizigers
        c is de lichtsnelheid
        a is de versnelling
        d is de afstand
        γ is de lorentzfactor

        Indien we willen weten hoe lang het duurt om met een constante versnelling een bepaalde afstand te reizen, dan moeten we eerst vaststellen hoe lang het duurt om op snelheid te komen (0.7c):

        v = c tanh(aT/c)
        werken we dit uit krijgen we:
        v = at / (sqrt(1 + (at/c)^2)

        Dit kunnen we oplossen voor t:
        t = (icv)/(a*sqrt(v^2-c^2))

        nemen we voor a=30m/s^2 en voor v=0.7c:

        t = (i*(3*10^8)*(2.1*10^8))/(a*sqrt((2.1*10^8)^2-(3*10^8)^2))
        t = 9.8*10^6 seconden (0.31 jaar)

        Dan kunnen we kijken hoeveel van de afstand al afgelegd is tijdens het versnellen:

        d = (c^2/a) (cosh(aT/c) – 1)
        d = (c^2/a) (sqrt(1 + (at/c)^2) – 1)
        d = ((3*10^8)^2/30) (sqrt(1 + ((30*(9.8*10^6))/(3*10^8))^2) – 1)
        d = 1.2*10^15 m (0.13 lichtjaar)

        nemen we x voor de nog af te leggen afstand:
        x = 4 – 0.13 = 3.87 ly = 3.7*10^16 m

        Nu wordt de wiskunde meteen een stuk makkelijker, omdat de versnelling weg is:

        t = x/v
        x = 3.7*10^16 m
        v = 2.1*10^8 m/s

        t = (3.7*10^8)/(2.1) = 1.7*10^8 s (5.4 jaar)

        De totale tijd is dus zo rond de 6 jaar, waarvan een gedeelte op een oncomfortabele versnelling van ongeveer 3g…

        Nu de energie die daarvoor nodig is. Laten we ervan uitgaan dat alleen de versnelling energie kost:

        m is de massa van het schip
        M is de benodigde massa aan antimaterie
        n is de efficientie

        (M+m)c^2 – γmc^2 = γmvc
        M/m  = γ(1 + v/c) – 1
        M/m  = cosh(aT/c)(1 + tanh(aT/c)) – 1
        M/m  = e^(aT/c) – 1

        Hiervoor moeten we de relativistische tijd T hebben (let op: alleen voor de versnelling!):

        T = (c/a)*arcsinh(at/c) = (c/a)*arccosh(ad/c^2 + 1)
        T = ((3*10^8)/30)*arccosh((30*(1.2*10^15))/(3*10^8)^2 + 1)
        T = 8.7*10^6 s (0.27 jaar)

        Laten we stellen dat je inderdaad een schip hebt van een miljoen kilogram:

        M/m  = e^(aT/c) – 1
        M  = m(e^(aT/c) – 1)
        M = (10^6)(e^(30(8.7*10^6)/(3*10^8)) – 1)
        M = 1.4*10^6 kg

        Maar de efficiëntie moet nog meegerekend worden. Die was 85%, dus moeten we 15% extra brandstof gebruiken:
        M = 1.15*1.4*10^6 = 1.61*10^6 kg

        Voor je reisje moet je dus meer antimaterie hebben dan normale materie!! En dan heb ik nog niet eens meegerekend dat die materie ook weer voortgedreven moet worden enzo, dit is echt het meest ideale plaatje.

        • Ast schreef:

          Mooi ondersteund Jasper, maar antimaterie werkt net iets anders dan materie ook in propulsie, en E=MC² geld alleen als de materie in de minste weerstand zit, of beter in beweging word niet alle materie tot energie omgezet, dit is zelfs niet in een kernreactor, waar per lading kernbrandstof maar een 30% word omgezet in energie van de massa en daarna wel de brandstof kan herwerkt of verrijkt worden.
          BIj antimaterie zou de anhilatie veel groter zijn, niet te min heb je op heel veel punten gelijk hoor, het is niet zomaar evident van een ruimteschip of object in een versnelling te brengen, een constante houden wel in de snelheid, maar meer versnellen dan de constante vraagt hoeveelheden energie al naar gelang de massa van het object.
          In versnelling moet je steeds indachtig zijn dat er conservatie van energie is, maar in klassieke wijze we nog steeds op F T-U moeten berusten, de weg van minste weerstand in conservatie van energie, is potentiele energie min kinetische, wat er nodig is om de versnelling op te bouwen gaat eigenlijk inderdaad verloren, omdat ze niet blijvend nu kan benut worden om meer energie te geven in de versnelling, of het klopt dat massa bij lichtsnelheid zich ontbind wel daar heeft men dikke twijfels over kan zijn dat ze overgata naar een energetische vorm, uiteindelijk weten we heel veel maar nog steeds niet wat er gebeurt als een schip met grote massa en eventueel mensen de lichtsnelheid bereikt, we weten het alleen van deeltjes,

        • Lukas schreef:

          Mijn naam is niet Jasper. Maar dat terzijde heb ik werkelijk geen idee waar je het over hebt. Leg het eens wat beter uit, dan kan ik tenminste ad rem reageren.

          Wat punten die ik alvast kan maken:

          – efficiëntie heb ik al meegerekend, maar wel als laatst (voor het overzicht)
          – de massa van het object is zeker meegenomen in de versnelling.
          – energie is behouden in mijn berekeningen

          Maar misschien dat ik beter kan reageren als jij het beter uitlegt. Het liefst met formules graag, om onduidelijkheden te vermijden.

  3. frank schreef:

    Onze kennis van de natuurkunde is gewoon nog niet ver genoeg.

    Er zijn wel mogelijkheden geopperd die gebaseerd zijn op het manipuleren van de ruimte-tijd rond het ruimteschip. Hiermee kun je zelfs sneller dan het licht, door de ruimte zélf sneller dan het licht te laten krimpen (vóór het schip) en weer uitzetten (achter het schip). Zie bijvoorbeeld: http://en.wikipedia.org/wiki/Alcubierre_drive .

    Tot nu toe zijn dit erg grofstoffelijke oplossingen waar het ruimteschip in een soort ‘bubble’ reist, waarbij enorme hoeveelheden energie nodig zijn en ook zoiets als ‘exotic matter’ waarvan we niet eens zeker weten of het bestaat. Wellicht zijn er ook verfijdere varianten mogelijk waarbij de ruimte-tijd slechts in een dunne schil om het schip heen is ‘vervormd’. (Beetje analoog aan het manipuleren van luchtdruk rond vliegtuigvleugels, ook dat gebeurd slechts in een dunne schil rond de vleugel.)

    Intrigerend is dat een NASA ingenieur in de jaren 70 een wetenschappelijke studie heeft gedaan naar het UFO fenomeen en tot de conclusie is gekomen dat zij zich vermoedelijk voortbewegen door een veld te genereren wat op massa inwerkt. Met deze ene aanname kon hij het complete vlieggedrag van UFO’s met berekeningen onderbouwen. Dit is zo intrigerend omdat een veld wat op massa inwerkt analoog is aan een mechanisme wat de ruimte-tijd kromming kan manipuleren. Het boek is zeker de moeite waard (maar vereist wel een flinke portie natuurkunde kennis): http://www.amazon.com/Unconventional-Flying-Objects-Scientific-Analysis/dp/1571740279

  4. antares schreef:

    Ik had ook wat antigeld op zak toen ik van middag naar de winkel ging, pffoei wat was dat er snel doorgejaagd.. :)

  5. Jasper schreef:

    Als het Higgsveld wordt aangetoond zijn er misschien ook wel manieren om dit te manipuleren. Als de traagheid van een schip met inhoud kan worden verlaagd, is de benodigde energie voor voortstuwing ook verlaagd.
     

  6. quark schreef:

    Je hoeft met dergelijke snelheden maar een stofje te raken en Poef!
    Het klinkt verleidelijk maar mij krijg je niet aan boord, ik wacht wel op de echte Warpdrive…
     

  7. Picobyte schreef:

    De denkwijze moet om als we naar de sterren willen.
    De enige goede manier is teleportatie of ruimte vouwende techniek.
    Zelf denk ik dat teleportatie een goede kanshebber is zolang de techniek een ruimte ongeacht wat zich daarbinnen bevindt wegknipt en omwisselt voor andere ruimte.
    Voorbeeld: Ik sta in een cabine van twee m3 en ik wordt niet afgebroken in deeltjes maar gewoon heel de inhoud van mijn plek in ruimte/tijd wordt gewisseld met twee m3 aan ruimte elders.
    Als een lift waarbij de omhoog gaande cabine net zo zwaar is als de neergaande cabine.
    Per cabine zit daar veel potentiële energie in die verplaatst wordt maar de motor hoeft alleen de kracht voor verplaatsing te leveren omdat die potentiële energie ook net zo hard in de tegengestelde richting gaat.
    Dat dit zo werkt blijkt wel uit de diverse experimenten in het verleden,en het feit dat we nog nooit tijdreizigers uit de toekomst hebben ontmoet.
    Waarnemingen zijn niet achteraf te veranderen dus tijd ligt vast zodra het door een waarnemer is waargenomen.

  8. Picobyte schreef:

    Oh en dan nog iets,als de waarnemer deel is van de vergelijking kan de waarnemer ook binnen die vergelijking zich zelf invullen als heel grote of juist kleine factor.
    En daarmee zijn we dus zonder dat we het zelf beseffen super energie centrales waarnaast iedere vorm van aardse energieopwekking verbleekt.
    /me moet toch es effe gaan informeren bij TENNET voor minimaal inzet@20MW aan stroom te gaan leveren ;)
    Theorie is erg leuk ;)

  9. dodo schreef:

    waarom laat je je niet afschieten langs een zwart gat en er weer uit schieten, zoals je een satelliet om de maan slingert…uiteraard ja mensen op veilige afstand om niet in het gat gezogen te worden…maar dat moet je bij de maan ook…
    ik denk dat je dan ook een heel eind komt en als je dan de motor ook ontsteekt…och 99% lichtsnelheid wellicht?

  10. Ast schreef:

    Wat me wil beogen met aandrijving van Antimaterie is krachtige voortstuwing door inhialatie van twee kernen, gewoon gezegd een protonkern die plus geladen is heeft een deeltje proton die dus negatief geladen is en andersom dat is materie en antimaterie,je hebt evengoed negatieve elektronen en dus tegengesteld positieve elektronen, en nog andere deeltjes dus, alle met tegengestelde kern, verder is er niet veel aan, maar als deze twee tegen elkaar slaan verkrijg je een totale ontbinding van de deeltjes tot energie, tenminste er is minstens één andder onder het gras, als er perfecte symetrie is tussen de deeltjes, wat blijkt en dit ontdekte men al, de deeltjes die tegengesteld zijn, hebben beide net een iets ander gedrag in hoe ze bewegen, niet te min is de energie die men wint en kan benutten groter dan wat we nu kennen zoals onder nucleare energie, fusie en antimaterie is verwant maar zijn verschillende dingen.
    Stap voor stap dus, en mogelijk best eerst fusie ontwikkelen dan hebben we reeds genoeg energie om anti deeltjes te maken.
    Wat daarna is omtrent propulsie om een schip aan te drijven staat nog open, daarvoor is de mens gewoon nog niet ver genoeg gevordert, al keur ik dingen van anderen zoals tijd ruimte vervorming niet af, er zit waarheid in die kan onderzocht worden.
    Het is maybe mogelijk dat als je tegen lichtsnelheid reist me dus mogelijk niet sneller dan dit moet gaan, om toch via een kromming die het schip volgt op zijn pad grotere delen heelal af te leggen tegen net lichtsnelheid, de snelste weg immers van een particle zelfs op zijn tocht is niet een rechte lijn in het vacuum, hoe vreemd dit ook kan klinken, het is niet, klein beetje klassieke fysica leren, echt niet veel, en je begrijpt het.
    Deeltjes volgen liever een gekromde baan op en pad dat lijkt op een golfbeweging van licht, en dat binding heeft aan wat lijkt een string, strings zijn cht niet moielijk hoor, gewoon de Q van het particle bij elkaar brengen in een symetrie, lijkt allemaal niet evident maar iedereen kan er basis in leren, en dan mogen we zelf verder ontwikkelen, of je nu er voor geleerd hebt of niet, doe het gewoon, in versnelling van ruimtevaartuigen en wat er zich in bevind omtrent G op de objecten zijn er ook al ontdekkingen en eigenlijk vind e dat terug in relativiteitstheorie, ze bewegen zich mee al naar gelang de snelheid in dezelfde richting en verhouding tot de massa van de versnelling maar bij bepaalde snelheid beginnen ze zich naar voren te bewegen ten opzichtte van het schip, net andersom dan bij versnelling in bvb een auto, dit en nog een paar leuke andere dingen, principieel is G zoals we op aarde kennen geen G in de ruimte tegen hoge snelheid, al zal er wel andere problematiek opduiken, zoals dat je lichaam of massa in andere vorm word geduwd als je versneld, naar het midden toe en naar boven en onder gerekt, ook de waarneming word zo buiten je schip, alles buiten je vertraagd inderdaad, als je een meteoor ziet inslaan op een andere zie je dit in slowmotion, wel is dit dan weer verschilend als wat er zich buiten je schip beweegt trager dan jezelf reist in een elliptische baan, of een ronde, bhah wie weet vinden we mogelijk binnenkort weer net een stapje meer, 

  11. D. Unfeldt schreef:

    Wegens opslagproblematiek zou het alle andere ongeluksrisico´s  in de schaduw zetten

    • Ast schreef:

      Yeps mogelijk wel, is lange weg in te gaan, theoretisch kan het in magneetvelden, bij Nasa word er al een vorm van antimaterie opgeslagen, al is deze dus niet zo renderende, in Cern kan men ze al voor enige miliseconden vasthouden, daar hebben ze een antiheliumkern die en nu bestudeert, natuurlijk dit gaan om erg kleine hoeveelheden, ik treed bij dat de oplsga een probleem is als het om grotere hoeveelheden draait, zelfs in plasmavelden vasthouden is nu nog niet te verwezenlijken, mogelijk beste produceren en meteen benutten, maar ook daar rijst het probleem dat men dus met grotere hoeveelheden zit, goed punt dat u dus aanhaalde, kan ik voorleggen aan een paar mensen die ik ken die erin werkzaam, wel eender dus in nucleare fusie zoals de zon, men vermeent dat er in de free bound electron proton transitions die mee het opacity effect bepalen, en dus lagen en velden conductief maken, ook antikernen zouden werkzaam kunnen zijn, onze zon produceert er en die worden meestal gegrepen in de van allen belt maar hoewel al gemeten via het ISS en de alpha magnetic spectrometer daar is het hier zelfs weinig, eender veel kosmische deeltjes die ze meten via dat systeem, heel goede tip thx

  12. Wolfjemidas schreef:

    Er wordt door een aantal mensen verkeerde interpretaties gebruikt. Ten eerste is de versnelling in G krachten niet relevant. Indien we het ruimteschip ver genoeg houden van zwaartekrachtbronnen zoals planeten en sterren tijdens acceleratie is er alleen het traagheidsprincipe. Indien het ruimteschip zelf een zwaartekrachtgenerator heeft is ook dit overwonnen en voelen wij in principe niets van de acceleratie, hoe groot die ook is.
    Daarnaast, bij het gebruik van warpvelden (google naar nasa warpaandrijving) waaruit blijkt dat dit mogelijk zou zijn mits voldoende energie voorhanden is, kun je sneller dan het licht reizen zonder Einsteins therorie geweld aan te doen. Door de tijd-ruimte te comprimeren kun je bij een compressie van bijv. Factor 3 bij een snelheid van 0,5 c t.o.v. Normale tijd-ruimte toch met 1,5 c reizen, omdat in principe de afstand met een factor 3 wordt verkleind.

    • lukas schreef:

      “Indien het ruimteschip zelf een zwaartekrachtgenerator heeft is ook dit overwonnen en voelen wij in principe niets van de acceleratie, hoe groot die ook is.”

      Oh? Leg uit.
      “Door de tijd-ruimte te comprimeren kun je bij een compressie van bijv. Factor 3 bij een snelheid van 0,5 c t.o.v. Normale tijd-ruimte toch met 1,5 c reizen, omdat in principe de afstand met een factor 3 wordt verkleind.”

      Nee zo werkt het niet. Als je al een warp-drive gebruikt dan verander je niet de afstand tussen A en B, maar de ruimte direct om je heen. Om het in tafelkleed-analogie te plaatsen: jij doet alsof het tafelkleed in zijn geheel gecomprimeerd wordt tussen A en B, terwijl in werkelijkheid het tafelkleed onder het ruimteschip doorgeschoven wordt. Voor de berekening van de snelheid en het afgelegde pad is dat een wereld van verschil: in jouw geval zou de afstand verkleind worden, terwijl in mijn geval het ruimteschip in het geheel niet beweegt.

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger