Antimadde roketi

Antimadde roketi, güç kaynağı olarak antimadde kullanması önerilen bir roket sınıfıdır. Bu hedefi gerçekleştirmeye kalkışan birçok tasarım vardır. Bu tür roketlerin yararı madde-antimadde karışımının değişmez kütlesinin büyük bir kısmının antimadde roketlerinin diğer önerilen roket sınıflarından çok daha fazla enerji yoğunluğunun ve özgül itici kuvvetinin olmasını sağlayan enerjiye dönüşebilmesidir.

Antimadde roketleri üç uygulama biçimine bölünebilir: itici güç için antimaddenin imhasının ürününü direkt olarak kullananlar, çalışan sıvıyı ya da daha sonra itici güç için kullanılacak aracı sıvıyı ısıtanlar ve çalışan sıvıyı ya da aracı materyali bazı elektrik itki sistemli uzay araçları için elektriğe çevirenler. Bu mekanizmaları kullanan itki sistemleri genellikle dört kategoriye bölünür: katı çekirdek, gaz çekirdek, plazma çekirdek ve ışın demetli çekirdek yapılarıdır. Direkt antimadde imhası itici gücüne alternatifler uygulanabilir bazı durumlarda çok küçük miktarlarda antimaddeden fakat daha fazla maddeden oluşan uzay gemisi yakıtı gerektiren araçların olasılığını sunar.^[1] Ayrıca antimaddeleri itki gücü için fisyon füzyon reaksiyonlarını katalize etmekte kullanmak gibi melez çözümler vardır.

Antiproton yıkım reaksiyonu nötrinolara ve gama ışınına ek olarak yüklü ve yüksüz pionlar üretir. Yüklü pionlar manyetik uçlar tarafından itki üretmeye yönlendirilebilir. Bu tip antimadde roketleri pion roketi ya da ışın demetli çekirdek yapısıdır. Bu mükemmel verimlilikte değildir; enerji yüklü (%22.3) ve yüksüz (%14.38), pionların değişmez kütlesi olarak kaybedilir. Ayrıca, enerji yüksüz pionun itki gücüne çevrilemeyen kinetik enerjisi olarak, gama ışınları ve nötrinolar olarak kaybedilir.^[2]

Pozitron yıkımı da roket bilimi için önerildi. Pozitronların yıkımı yalnızca gama ışını üretir. Bu tip roketler için Eugen Sänger tarafından geliştirilen bazı ilkel önermeler, uzay yelkenlileri ya da yıkım tepkimesinden itki sağlayabilecek, parabolik kalkan olarak kullanılabilecek ve gama ışınını yansıtabilecek bazı materyallerin kullanımını varsaydı. Fakat bilinen hiçbir madde formu (atomlar ve iyonlar da dahil) gama ışınları ile görece yansıtım durumlarında etkileşime girmez. Gama ışınının momentumu kısmen maddeye Compton olayı ile transfer edilebilir.^[3][4] Yeni yaklaşımlar pozitron üretiminin altın gibi yüksek atomik sayıda hedefe çarparken ki ultra yoğun lazer kabiliyetinden yararlanmaktır.

Bu tip antimadde roketi termal antimadde roketi olarak isimlendirilmiştir çünkü yıkımda açığa çıkan enerji ya da ısı harici olmayan materyalden ya da yakıttan çıkan egzozu yaratmakla ilişkilendirilmiştir.

Katı çekirdek kavramı katıyı ısıtmak için antiprotonları kullanır. Yakıt sıcak çekirdeğin içine pompalanırdı ve itki gücü oluşturmak için uca doğru genişler. Bu kavramın performansı katıların sıcaklık kısıtlamasından dolayı yaklaşık olarak nükleer termal roketlerininkine eşittir. Bununla birlikte, antimadde enerji korunumu ve ısıtma verimliliği atom çekirdeği ve çarpışmalar arasındaki kısa ortalama serbest yoldan dolayı genellikle yüksektir (verimlilik ${\displaystyle \eta _{e}}$ ~ 85%).^[1] Sıvı yakıtlı termal antimadde motorunun birkaç uygulaması antiproton ya da tasarlanan pozitron yıkımı tarafından üretilen gama ışınını kullanmaktır.^[5][6] Bu yöntemler nükleer termal roketler için bu önerileri andırır. Önerilen bir yöntem pozitron yıkımı gama ışını katı motor çekirdeğini ısıtmak için kullanmasıdır. Hidrojen gazı bu ısıtılmış ve roket ucundan de çekirdeğe doğru kanallıdır. Bir diğer önerilen motor tipi katı kurşun içinde pozitron ya da etrafını saran hidrojen gazı tabakasını ısıtan sıcak gaz bulutu oluşturmak için sıkıştırılmış ksenon gazı yıkımını kullanır. Gama ışını kullanarak hidrojenin doğrudan ısıtılması, motorun içine yeterli makul miktarlarda gama ışını emmesi ile birlikte sıkıştırılmasının zorluğundan dolayı elverişsiz olarak kabul edilir. Son önerilen motor tipi ortaya çıkıp itki gücü sağlayan yelkenden çıkan ısı için gama ışını yıkımını kullanır. Nükleer termal roketlerde olduğu gibi bu yöntemler aracılığı ile ulaşılabilen özgül itici kuvvet genel olarak 1000 - 2000 saniye aralığında aralığı olan materyalin göz önünde bulundurulması ile kısıtlanmıştır. ^[]

Gaz çekirdek sistemi yüksek sıcaklıktaki gaz ile düşük erime noktalı katının (örnek olarak tungsten gaz/plazma) yerine geçer ve böylece işlevsel sıcaklıklara ve performansa izin verir (${\displaystyle I_{\text{sp}}}$ ~ 2 × 10³ saniye). Bununla birlikte, termalizasyon için daha uzun ortalama serbest yol ve özümsemenin sonucu çok daha az enerji korunumu verimliliğidir (${\displaystyle \eta _{e}}$ ~ 35%).^[1]

Plazma çekirdeği gazların iyonlaşmasına ve yüksek etkili sıcaklıklarda bile işlemeye izin verir. Isı kaybı reaksiyon çemberi ve manyetik uç içindeki manyetik sınırlama baskılanmıştır.  Performansın çok fazla yüksek olmasına rağmen (${\displaystyle I_{\text{sp}}}$ ~ 10⁴-10⁵ saniye, uzun ortalama serbest yol çok fazla düşük enerji kullanım oranına sebep olur. (${\displaystyle \eta _{e}}$ ~ 10%)^[1]

Elektrikli uzay aracının çalıştırılmasını sağlayan enerji için antimadde kullanma düşüncesi de ileri sürüldü. İleri sürülen bu dizaynlar genellikle önerilen nükleer elektrik roketlerine benzerdir. Antimadde yıkımı nükleer termal roketlerde olduğu gibi çalışan sıvıyı doğruca ya da dolaylı yoldan ısıtmak için kullanılır fakat sıvı daha sonra elektrikli itki sistemlerine enerji verecek elektriği üretmek için kullanılır. Sonuçta oluşan sistem diğer yüklü parçacık ya da elektrik itki gücü önermeleri ile benzer özelliklere sahiptir (özellikle yüksek özgül itici kuvvet ve düşük itki).^[7][8]

Bu antiprotonların füzyon ve fisyon reaksiyonlarını ya dikenli füzyon roketi itkisini buna benzer uygulamaları kataliz etmek için kullanılan melez bir yaklaşımdır.

Antiproton tarafından çalışan eylemsizlik sınırlama füzyonu roketi kavramı D-T reaksiyonu topağı kullanır. Topak pozitron ve antiptroton enjeksiyon atımının deliği ile U235 gibi parçalanabilir yarı küre materyal içerir. Bu yarı kürenin füzyon yakıtı örnek olarak döteryum, trityum ya da lityum döyterür ile çevrilmiştir. Antiproton yıkımı yakıtı iyonize eden yarı kürenin yüzeyinde gerçekleşir. Bu iyonlar topağın çekirdeğini füzyon sıcaklığına ısıtır.^[9]

Antiproton ile çalışan manyetik olarak izole edilmiş eylemsizlik sınırlama füzyon itkisi (MICF) kavramı plazmaları manyetik alan içeren metalik kabuktan yanma sırasında izole eden kendi kendine manyetik alan üretmeye dayalıdır. Plazmanın yaşam süresi uzun yanma süresine karşılık gelen büyüklüğü başlangıç füzyon iç patlamasından daha fazla olan ve bu yüzden daha fazla kazanç sağlayan iki mertebede tahmin edilmiştir.^[9]

Antimadde ile çalışan P-B¹¹ kavramı antiprotonları antiproton ile çalışan manyetik olarak izole edilmiş eylemsizlik sınırlama füzyon itkisi projesi içinde P-B11 reaksiyonunu ateşlemek için kullanır. Fazlalık radyasyon kaybı ateşlenmenin en büyük engelidir. Fazlalık radyasyon ayrıca parçacığın kütlesini ve kazancı artırmak için plazma sıcaklığını değiştirmeyi gerektirir. Bundan dolayı, bu sistem I_sp~10⁵s' e tamamı ile ulaşabilecek uygulanabilirlikte olduğu sonucuna varıldı.^[10]

Farklı bir yaklaşım küçük füzyon yakıtı damlacığının çok küçük bir hacimde ki penning tuzağında ki tepkimeye hapsedilmiş antiproton bulutuna enjekte edildiği AIMStar için öngörülmüştür. Yıkım antiproton bulutunun yüzeyinde gerçekleşir.^[11]

ICAN- II projesi 9:1 D-T:U235 molar kütle oranlı topakları kullanan nükleer atım itkisi için antiproton katalizli mikro fisyon kavramını çalıştırır.^[12]

Antimadde roketlerinin ana uygulama zorluğu antimaddenin yaratılmasında ve depolanmasında ki problemlerdir. Antimaddenin yaratılması en azından anti parçacık ve parçacık çifti üretebilecek kadar değişmez kütleden genellikle on üzeri bin milyon kadar çok çok daha büyük miktarlarda enerji harcanmasını gerektirir.^[13][14] Çoğu depolama tasarımları yıldızlar arası araçlar için donmuş antihidrojen topakları önerir. Bu pozitronları antiprotonlara bağlayarak antiprotonların soğutulmasını ve 2010 dan bu yana yalnızca çok az sayıda tek atoma uygulanabilen sonuçta oluşan antihidrojen atomlarının yakalanması gerektirir. Antimaddenin depolanması genellikle elektriksel olarak yüklenmiş donmuş hidrojen topaklarının Penning ya da Paul tuzaklarında hapsedilmesiyle olur. Bu antimadde yakıtlı roket tasarısının gerçekleşmesini engelleyen teorik bir engel yoktur. Bununla birlikte, bugünkü üretim teknolojisinin yalnızca çok az sayıda atoma izin vermesinden dolayı çok pahalı olmaları beklenir.

Genellikle, antiproton yıkımdan elde edilen enerji nükleer kapsülleri çalıştırmak için verimli olmayan çok büyük alanlar üzerinde depolanır. Antiproton indüklenmiş füzyonu ve kendi kendini üretebilen manyetik alan enerji lokalleştirmeyi ve yıkım enerjisinin etkili kullanımını geliştirir.^[15][16]

İkinci bir problem işe yarayan enerjinin ya da momentumun aslında son derece enerjili iyonlaşmış radyasyon olan antimadde yıkımının ürününden çıkarılmasıdır. Nemli kütlesi ile klasik roket denklemi (${\displaystyle M_{0}}$)(yakıt kütle oranı ile) kuru kütleye (${\displaystyle M_{1}}$) oranı (${\displaystyle {\frac {M_{0}}{M_{1}}}}$),hızdaki değişim (${\displaystyle \Delta v}$) ve özgül itki (${\displaystyle I_{\text{sp}}}$) antimadde yıkımından dolayı kaybeden kütle nedeniyle geçerli değildir.^[2]

Yüksek enerjili itki ile ilgili diğer bir sorun antimadde madde yıkımının çok fazla radyasyon içermesi gibi aşırı ısı ya da atık ısıdır. Proton antiproton yıkımı itki sistemi yakıtın kütlesinin yüzde otuz sekizini yoğun yüksek enerjili gama ışınına çevirir. Gama ışınları ve yüksek enerjili yüklü pionlar ısı ve radyasyon hasarına neden olur eğer onlara karşı koruma yok ise. Nötronlardan farklı olarak, gama ışınları ve pionlar fazlalık materyalin çekirdeğinin radyo aktif hale gelmesine neden olmaz. Gereken korumanın bileşenleri mürettebat, elektronik, kriyojenik depolama ve manyetik olarak desteklenmiş roketlerin manyetik bobindir.  İki tür koruma radyasyon korumasına ve termal korumaya ihtiyacı vardır.^[2][17]

Sonunda, göreceli değerlendirmeler hesaba katılmalıdır. Ürünün yıkımının göreceli hızı gibi durağan kütle de göreceli kütle enerjiden dolayı değişir. Örnek olarak doğal pionun toplam kütle enerji içeriği sadece durağan kütleye değil aynı zamanda gama ışınlarına da dönüştürülebilir. Göreceli roket denkleminin kullanımı araçların ve ışık hızına yakın hareket eden yakıt atığının göreceli etkilerinin hesaba katılması için gereklidir. İki roket denkleminde ki bu iki değişiklik verilen hızdaki değişim ve özgül itki için göreceli antimadde roketleri için klasik ya da göreceli geleneksel roketlere göre çok daha büyük olan kütle oranına (${\displaystyle {\frac {M_{0}}{M_{1}}}}$) sebep olur.^[2]

Antimadde yıkımına özgün kütle kaybı c nin ışık hızı ve ^[18]

${\displaystyle I_{\text{sp}}}$ nin özgül itki olduğu göreceli roket denkleminde değişiklik gerektirir. (i.e. ${\displaystyle I_{\text{sp}}}$=0.69${\displaystyle c}$).

Denklemin türevlenmiş ^[2]

${\displaystyle M_{\text{ship}}}$ in  roket gemisinin göreceli olmayan kütlesi ve ${\displaystyle a}$ nın orijinal uzay gemisi yakıtının yıkımdan arta kalan kütleye oranı olduğu formudur. (örnek olarak ${\displaystyle a}$=0.22 yüklü pionlar için).

İkinci Denkler analitic olarak türevlenemez.^[] Eğer ${\displaystyle v\sim I_{\text{sp}}}$ olduğu varsayılırsa, öyle ki ${\displaystyle (1-{\frac {I_{\text{sp}}v}{c^{2}}})\sim (1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}})}$ ayrıca sonuç denklemi

Üçüncü denklem türevlenebilir ve türev M_0 ve M_1 için hesaplanabilir. Başlangıç ve bitiş hızı (v_i = 0 ve v_f = \Delta v). Uzay aracı yakıtının kaybı ile sonuçta oluşan göreceli roket denklemi ^[2][18]

Kozmik arka plan iyonlaşmış radyasyonu roketin gövdesini zamanla iyonize eder ve sağlık sorunu yaratır. Ayrıca, gaz plazması etkileşimi uzay yüküne neden olur. Ana etkileşime ait uzay aracının farklı parçalarının yüklü türevi büyük elektrik alanlarına ve uzay araçları arasında kavis çizmeye neden olur. Bu sorun iyi yerleştirilmiş plazma kontaktörleri ile çözülebilir. Bununla birlikte, uzay gemisinin gövdesinde bakım yapılacağı zaman plazma kontaktörü için bir çözüm yoktur. Yıldızlar arası hızlarda uzun süreli uzay uçuşları uzay mekiğinin gövdesinde gaz, toz ve mikro meteoroitlerle çarpışan parçacıklardan dolayı aşınmaya neden olur. Işık hızının beşte birindeki aşınma 30 kg/m² de 1 cm alüminyum kaplama olduğu tahmin edilmektedir.^[19][20]

• Füzyon roketi