Kan materia-antimaterala reaktorer fungera?

Rymdskeppet Enterprise, känd för fans av "Star Trek" -serien, är tänkt att använda en otrolig teknik som kallas varp drive, en sofistikerad kraftkälla som har antimateria i sitt hjärta. Antimatter producerar förmodligen all den energi som fartygets besättare behöver för att vrida sig runt galaxen och ha äventyr. Ett sådant kraftverk är naturligtvis science-fictionarbete.

Det verkar emellertid så användbart att människor ofta undrar om ett koncept som inbegriper antimateriel kan användas för att driva interstellär rymdskepp. Det visar sig att vetenskapen är ganska sund, men vissa hinder står definitivt i vägen för att göra en sådan drömkraftkälla till en användbar verklighet.

Vad är antimatter?

Källan till företagets kraft är en enkel reaktion som förutses av fysik. Matter är "saker" av stjärnor, planeter och oss. Den består av elektroner, protoner och neutroner.

Antimateria är motsatsen till materien, en slags "spegel" materia. Den består av partiklar som individuellt är antipartiklar av de olika byggstenarna av materia, såsom positroner (antipartiklar av elektroner) och antiprotoner (antipartiklar av protoner). Dessa partiklar är på de flesta sätt identiska med deras vanliga material motsvarigheter, förutom att de har motsatt laddning. Om de kunde föras med regelbundna materialpartiklar i någon sorts kammare skulle resultatet bli en jättefrigöring av energi. Den energin skulle teoretiskt kunna driva ett rymdskepp.

Hur skapas antimateria?

Naturen skapar partiklar, bara inte i stora mängder. Antipartiklar skapas i naturligt förekommande processer såväl som genom experimentella medel såsom i stora partikelacceleratorer i högenergikollisioner. Det senaste arbetet har funnit att antimateria skapas naturligt ovanför stormmoln, det första sättet med vilket det produceras naturligt på jorden och i dess atmosfär.

Annars tar det enorma mängder värme och energi för att skapa antimateria, till exempel under supernovaer eller inne i huvudsekvensstjärnor, som solen. Vi är ingenstans nära att kunna efterlikna de massiva typerna av fusionsväxter.

Hur antimateria kraftverk kan fungera

I teorin sammanförs materien och dess antimateriella ekvivalent och omedelbart, som namnet antyder, förintas varandra och släpper energi. Hur skulle ett sådant kraftverk vara strukturerat?

Först måste det byggas mycket noggrant på grund av de enorma mängder energi som är inblandade. Antimaterialet skulle innehålla separat från det normala ämnet med magnetfält så att inga oavsiktliga reaktioner äger rum. Energin skulle sedan utvinnas på ungefär samma sätt som kärnreaktorer fångar ut den utsatta värmen och ljusenergin från klyvningsreaktioner.

Matter-antimaterrereaktorer skulle vara storleksordningar mer effektiva att producera energi än fusion, den näst bästa reaktionsmekanismen. Det är emellertid fortfarande inte möjligt att fullt ut fånga den frisatta energin från en materia-antimateriell händelse. En betydande mängd utsignal transporteras bort av neutrino, nästan masslösa partiklar som samverkar så svagt med materie att de är nästan omöjliga att fånga, åtminstone för att utvinna energi.

Problem med antimatterteknologi

Oro för att fånga energi är inte lika viktigt som uppgiften att få tillräckligt med antimateria för att göra jobbet. Först måste vi ha tillräckligt med antimateria. Det är den största svårigheten: att få en betydande mängd antimateria för att upprätthålla en reaktor. Medan forskare har skapat små mängder antimateria, allt från positroner, antiprotoner, väteatomer och till och med några få heliumatomer, har de inte varit i tillräckligt stora mängder för att driva mycket av någonting.

Om ingenjörerna skulle samla alla antimaterier som någonsin har skapats konstgjordt, när det kombineras med normal materia, skulle det knappt vara tillräckligt för att tända en standard glödlampa i mer än några minuter.

Dessutom skulle kostnaden vara oerhört hög. Partikelacceleratorer är dyr att köra, även för att producera en liten mängd antimateria i deras kollisioner. I bästa fall skulle det kosta cirka 25 miljarder dollar att producera ett gram positroner. Forskare vid CERN påpekade att det skulle ta 100 $ fjärdedel och 100 miljarder år att köra sin accelerator för att producera ett enda gram antimateria. 

Det är uppenbart att den normala tillverkningen av antimateria, åtminstone med den teknik som för närvarande finns, inte lovande, vilket sätter rymdskepp utom räckhåll för ett tag. Men NASA letar efter sätt att fånga naturligt skapade antimateria, vilket kan vara ett lovande sätt att driva rymdskepp när de reser genom galaxen. 

Sök efter Antimatter

Var skulle forskare leta efter tillräckligt antimateria för att göra tricket? Van Allen-strålningsbanden-munkformade regioner av laddade partiklar som omger jorden innehåller betydande mängder antipartiklar. Dessa skapas som mycket laddade partiklar från solen som samverkar med jordens magnetfält. Så det kan vara möjligt att fånga detta antimateria och bevara det i magnetfält "flaskor" tills ett fartyg kan använda det för framdrivning.