Kunnen materie-antimaterie-reactoren werken?

Het ruimteschip Enterprise, bekend bij fans van de "Star Trek" -serie, wordt verondersteld een ongelooflijke technologie te gebruiken die warp drive wordt genoemd, een geavanceerde krachtbron die antimaterie in het hart heeft. Antimaterie produceert vermoedelijk alle energie die de bemanning van het schip nodig heeft om zich een weg te banen in de Melkweg en avonturen te beleven. Natuurlijk is een dergelijke energiecentrale het werk van science fiction.

Het lijkt echter zo nuttig dat mensen zich vaak afvragen of een concept met antimaterie kan worden gebruikt om interstellaire ruimtevaartuigen van stroom te voorzien. Het blijkt dat de wetenschap behoorlijk gezond is, maar sommige hindernissen staan ​​absoluut in de weg om van zo'n droomkrachtbron een bruikbare realiteit te maken.

Wat is antimaterie?

De bron van de kracht van de onderneming is een eenvoudige reactie die door de fysica wordt voorspeld. Materie is het 'spul' van sterren, planeten en wij. Het bestaat uit elektronen, protonen en neutronen.

Antimaterie is het tegenovergestelde van materie, een soort "spiegel" materie. Het bestaat uit deeltjes die, individueel, deeltjes zijn van de verschillende bouwstenen van materie, zoals positronen (antipartikels van elektronen) en antiprotonen (antipartikels van protonen). Deze antideeltjes zijn in de meeste opzichten identiek aan hun reguliere tegenhangers, behalve dat ze de tegenovergestelde lading hebben. Als ze samen met gewone materiedeeltjes in een soort kamer zouden kunnen worden samengebracht, zou het resultaat een gigantische afgifte van energie zijn. Die energie zou in theorie een ruimteschip kunnen aandrijven.

Hoe wordt antimaterie gemaakt?

De natuur creëert antipartikels, alleen niet in grote hoeveelheden. Antideeltjes worden gecreëerd in natuurlijk voorkomende processen en door experimentele middelen zoals in grote deeltjesversnellers in botsingen met hoge energie. Uit recent werk is gebleken dat antimaterie op natuurlijke wijze boven stormwolken wordt gecreëerd, het eerste middel waarmee het op natuurlijke wijze op aarde en in zijn atmosfeer wordt geproduceerd.

Anders is er enorme hoeveelheden warmte en energie nodig om antimaterie te maken, zoals tijdens supernovae of in hoofdreekssterren, zoals de zon. We zijn lang niet in staat om die enorme soorten fusie-installaties na te bootsen.

Hoe antimateriecentrales zouden kunnen werken

In theorie worden materie en het antimaterie-equivalent ervan samengebracht en onmiddellijk, zoals de naam al doet vermoeden, elkaar vernietigen en energie vrijmaken. Hoe zou zo'n energiecentrale gestructureerd zijn??

Ten eerste zou het zeer zorgvuldig moeten worden gebouwd vanwege de enorme hoeveelheden energie die ermee gemoeid zijn. De antimaterie zou gescheiden zijn van de normale materie door magnetische velden zodat er geen onbedoelde reacties plaatsvinden. De energie zou dan op dezelfde manier worden onttrokken als nucleaire reactoren de verbruikte warmte en lichtenergie van splijtingsreacties opvangen.

Materie-antimaterie reactoren zouden ordes van grootte efficiënter zijn in het produceren van energie dan fusie, het volgende beste reactiemechanisme. Het is echter nog steeds niet mogelijk om de vrijgekomen energie van een kwestie van materie-antimaterie volledig vast te leggen. Een aanzienlijk deel van de output wordt meegevoerd door neutrino's, bijna massaloze deeltjes die zo zwak interageren met materie dat ze bijna onmogelijk te vangen zijn, tenminste voor het winnen van energie.

Problemen met antimaterie technologie

Zorgen over het vastleggen van energie zijn niet zo belangrijk als de taak om voldoende antimaterie te krijgen om het werk te doen. Eerst moeten we voldoende antimaterie hebben. Dat is het grootste probleem: het verkrijgen van een aanzienlijke hoeveelheid antimaterie om een ​​reactor in stand te houden. Hoewel wetenschappers kleine hoeveelheden antimaterie hebben gemaakt, variërend van positronen, antiprotonen, anti-waterstofatomen en zelfs een paar anti-heliumatomen, zijn ze niet in voldoende hoeveelheden aanwezig om veel van alles te voeden.

Als ingenieurs alle antimaterie zouden verzamelen die ooit kunstmatig is gemaakt, zou het in combinatie met normale materie nauwelijks genoeg zijn om een ​​standaard gloeilamp meer dan een paar minuten aan te steken.

Bovendien zouden de kosten ongelooflijk hoog zijn. Deeltjesversnellers zijn duur om uit te voeren, zelfs om een ​​kleine hoeveelheid antimaterie in hun botsingen te produceren. In het beste geval zou het ongeveer $ 25 miljard kosten om één gram positronen te produceren. Onderzoekers van CERN wijzen erop dat het 100 miljard dollar en 100 miljard jaar draaien van hun gaspedaal zou kosten om een ​​enkele gram antimaterie te produceren. 

Het is duidelijk dat, althans met de momenteel beschikbare technologie, de reguliere vervaardiging van antimaterie niet veelbelovend lijkt, waardoor sterrenschepen een tijdje buiten bereik blijven. NASA is echter op zoek naar manieren om natuurlijk gecreëerde antimaterie vast te leggen, wat een veelbelovende manier kan zijn om ruimteschepen van stroom te voorzien terwijl ze door de Melkweg reizen. 

Antimaterie zoeken

Waar zouden wetenschappers op zoek zijn naar voldoende antimaterie om het lukken? De Van Allen-stralingsgordels-donutvormige gebieden van geladen deeltjes die de aarde omringen, bevatten aanzienlijke hoeveelheden antipartikels. Deze worden gemaakt als zeer energierijke geladen deeltjes van de zon interageren met het magnetische veld van de aarde. Het is dus mogelijk om deze antimaterie te vangen en in magnetische "flessen" te bewaren totdat een schip het voor voortstuwing kan gebruiken.