反物質和核聚變驅動可能為未來宇宙飛船提供動力

高能反應的原材料難以製造且成本高昂,但50年後生產可能可行

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研究人員表示,由反物質束引發的核聚變反應可能在本世紀末之前推動超高速宇宙飛船進行長途旅行。

根據美國宇航局 2010 年的一份報告,一艘核聚變動力宇宙飛船可以在四個月內到達木星,有可能向載人探索開放外太陽系的部分割槽域。

要使這項技術可行,必須克服許多障礙,特別是在反物質的生產和儲存方面,但一些專家認為它可能在半個世紀左右準備就緒。


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“這可能不是 40 年的技術,而是 50 年、60 年?很有可能,並且會透過改變規劃時的質量-功率-財務計算,對探索產生重大影響,”諮詢公司 The Tauri Group 的高階航空航天技術分析師傑森·海(Jason Hay)在 8 月 29 日與美國宇航局的未來太空行動工作組的演示中表示。[人類太空飛行的未來願景]

核聚變的力量

這種核聚變驅動宇宙飛船的燃料可能由許多包含氘和氚的小顆粒組成,它們是氫的重同位素,分別在其原子核中含有 1 個或 2 箇中子。(普通氫原子沒有中子。)

在每個顆粒內部,這種燃料將被另一種材料(可能是鈾)包圍。一束反質子——反物質,相當於質子,帶負 1 而不是正 1 的淨電荷——將指向這些顆粒。

當反質子撞擊鈾核時,它們會湮滅,產生高能裂變產物,從而在燃料中引發核聚變反應。

這種反應——例如,氘核和氚核合併形成一個氦 4 原子和一箇中子——會釋放出大量的能量,這些能量可以以多種不同的方式用於推動宇宙飛船。

2010 年的報告《技術前沿:太空探索的突破效能力》中指出:“這些反應產生的能量可以用來加熱推進劑,或透過磁約束和磁噴嘴提供推力。”這份報告是美國宇航局在 The Tauri Group 和其他專家的幫助下製作的。

基本想法並不新鮮:英國星際學會於 1970 年代進行的專案“代達羅斯”建議使用核聚變火箭為星際飛船提供動力。然而,“代達羅斯”的核聚變反應將由電子束而不是反質子束引發。

尚未實現

海伊說,雖然反質子驅動的核聚變是一項有前途的技術,但要使其可行,必須克服幾個障礙。

也許最大的挑戰是獲得足夠的反質子(可以在粒子加速器中產生)並將其儲存足夠長的時間,以使長途太空旅行可行。

根據《技術前沿》報告,前往木星的旅程需要大約 1.16 克反質子。這聽起來可能不多,但目前的產量是以十億分之一克來衡量的。

“反質子非常昂貴;幾克的成本將達到數萬億美元,”海伊說。“我相信自 1950 年代以來的總產量約為 10 納克。”

但他補充說,反質子的產量正在以相當快的速度增長。因此,也許這項技術可能成為 2060 年左右太空推進系統中的下一個重大突破。

《技術前沿》報告指出:“有了穩定的反質子和核燃料供應,反質子驅動的核聚變可以為大型空間站、前哨基地和擴充套件的探索任務提供充足的能量,而動力系統相對較小。”

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Mike Wall has been writing for Space.com since 2010. His book about the search for alien life, “Out There,” was published on Nov. 13, 2018. Before becoming a science writer, Michael worked as a herpetologist and wildlife biologist. He has a Ph.D. in evolutionary biology from the University of Sydney, Australia, a bachelor’s degree from the University of Arizona, and a graduate certificate in science writing from the University of California, Santa Cruz.

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