反物質推進器

反物質是一種和通常物質的質量完全相同、但電荷相反的物質。反物質原子由反質子、反中子和正電子(普通電子帶負電)組成。當反物質原子和通常物質的原子碰撞時，兩種原子會湮滅並釋放出巨大的能量。由於反物質和物質如果相遇，將會湮滅，正反物質的質量將全部轉化為能量，按照愛因斯坦的質能公式E=mc^2釋放巨大的能量。此外，反物質發動機的一個好處是反物質的湮滅可以自發產生，不需要像核發動機中的核反應那樣需要許多條件，所以就不需要很大的反應堆，可以減輕飛船重量。

基本介紹

• 中文名：反物質推進器
• 外文名：Antimatter propulsion
• 理論基礎：狄拉克提出了存在反物質的假說
• 優點：反物質的湮滅可以自發產生

理論基礎

1928年英國物理學家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)首先從理論上提出了存在反物質的假說，認為存在和構成普通物質的基本粒子質量相等但電荷相反的基本粒子，並有由這樣的基本粒子構成的反物質。僅僅4年後，這個假說就得到驗證，加州理工的安德森(Carl David Anderson)發現了正電子，即電荷為正的電子的存在；1955年在美國伯克利高能質子穩相加速器上，研究人員製造出了第一個反質子，即電荷為負的質子；歐洲原子核研究委員會的研究人員又製造出了第一個反原子，他們造出了9個反氫原子，存在了40納秒(也稱毫微秒)；到1998年他們一小時已經能生產2000個反氫原子了。現在，反物質正在醫學領域發揮效用，用在正子放射斷層掃瞄器(PET scanner)中。不過製造反物質代價昂貴，在1999年如果想製造1克反物質的話，需要花費625億美元。

需要說明的是，反物質的基本粒子不僅僅包括正電子和反質子，而是多種多樣的，例如反μ介子、反π介子等等，它們是和對應的正基本粒子電荷相反的基本粒子，但它們的壽命太短暫，比如正反μ介子只能存在百萬分之幾秒鐘，而正反π介子大約只能存在一億分之二點五秒，壽命如此短暫的物質顯然無法作為燃料。除了帶電的之外，還有不帶電的，如反中子、反中微子之類，以反中子為例，它雖然和普通中子一樣都不帶電荷，但一個反中子經過β衰變後就變成一個反質子，而不是一個帶正電的質子，我們可以據此區分它們，不過這樣不帶電的粒子以目前的手段無法有效儲存(甚至更糟糕，以我們目前的手段都無法直接觀測到它們，而是通過湮滅間接觀測)，所以同樣也不適合作為燃料。最後能夠候選的還是反質子和反電子。

由於反物質和物質如果相遇，將會湮滅，正反物質的質量將全部轉化為能量，按照愛因斯坦的質能公式E=mc^2釋放巨大的能量，就目前所知道的所有物理反應而言，這是效率最高的燃料。我們可以比較一下每公斤星際飛船發動機燃料的效果，很理想的化學反應可以產生1×10^7焦耳的能量，核裂變產生8×10^13焦耳，核聚變產生3×10^14焦耳，而反物質的湮滅能產生9×10^16焦耳，是氫氧化學反應的1百億倍，太陽核心熱核反應的300倍。這種飛船的比衝量將是最高的，而推重比也可能是最高的，一片阿司匹林那么大的反物質同物質湮滅產生的能量足以讓一艘飛船巡弋數百光年，而太空梭那么巨大的燃料箱和推進器中的燃料完全可以用100毫克的反物質代替。

優點

反物質發動機的一個好處是反物質的湮滅可以自發產生，不需要像核發動機中的核反應那樣需要許多條件，所以就不需要很大的反應堆，可以減輕飛船重量。因此，早在1953年德國火箭科學家Eugen Sanger就提出可以用反物質推進宇宙飛船，而以反物質為燃料的飛船其後也成為科幻小說作家喜愛的星際運輸工具。

主要困難

首先是製造它太消耗能量了，因為目前還沒有其他製造反物質的辦法，所以只能把湮滅過程反過來，使用粒子加速器，根據愛因斯坦的質能轉換公式從能量中製造出反物質(以基本粒子的形態產生)。由於這個原因，現在全球每年才能製造出1百億分之一克的反物質，這點反物質還不夠加熱一杯咖啡。

另外一個障礙是儲存，因為反物質只要遇到正物質立刻就會湮滅爆炸，所以無法使用任何正物質製作的容器來存放它，現在都是通過磁場來保存這些反物質基本粒子。使用最多的是超冷真空的彭寧離子阱(Penning trap)，這是種可以便攜運輸的反質子存放裝置，利用迭加電磁場來存放質子，但正電子難以用這種方式存放。

如果能在上述兩方面取得突破性進展，就可以使用以反物質作為燃料的發動機來進行星際旅行。只要將基本粒子(亞原子)級別的反物質注入發動機讓它同正物質反應一同湮滅即可。

因為正電子和負電子湮滅只產生高能γ射線，這種高能γ射線是無法控制發射方向的，所以不適合作飛船燃料。而質子和反質子湮滅時，並不立即產生γ射線，而是產生3到7個介子，通常情況是3個帶電介子和2箇中性介子，其中中性介子幾乎立刻轉化成高能γ射線，而帶電介子是有一定壽命的，正常半衰期是28納秒，但由於它們以光速94%的速度移動，所以半衰期延長到70納秒，並在衰變完畢前平均前進24米。使用磁場控制它們的方向，讓它們同推進劑發生作用。這些帶電介子包含了湮滅的60%的能量，而這就是可以利用的能量。

設計方案

反物質發動機的設計方案主要有四種，按照比衝量從低到高列出：

1) 固體核心：湮滅在一個固體核心的熱交換裝置內進行，產生的熱量將氫推進劑加到高熱，然後從噴口噴出，效率和推力都比較高，但由於原材料的原因，比衝量最多只能達到1,000秒；

2) 氣體核心：讓反物質同氫推進劑直接反應湮滅，產生的帶電介子以磁場控制並將氫推進劑加到高熱，但這樣會產生一些無法控制的γ射線，比衝量能達到2,500秒；

3) 離子漿核心：以比較多的反物質注入氫推進劑並湮滅產生高熱的離子漿，並以磁場來容納它們，然後將離子漿噴出產生推力，這樣同樣會產生一些無法控制的γ射線，但這種方式不受原材料的限制，比衝量可以很高，大約在5,000秒到10萬秒之間；

4) 粒子束核心(Beam Core)：直接一對一地湮滅，然後以磁場控制帶電介子並把它們直接從噴口噴射出去，由於這些介子的運動速度接近光速，發動機比衝量可能要超過1千萬秒。因為湮滅產生的帶電介子在衰變後變成半衰期更長的帶電μ介子，所以這個辦法完全可行。而且這個方式只需要反物質燃料，不需要推進劑，可以極大地減少飛船的負載。

由於湮滅的產物是以接近光速運動的，所以飛船必須造得很長。

預計使用粒子束核心反物質發動機的飛船從地球飛到火星只需要24個小時到2個星期(取決於地球和火星在公轉中的相對位置)，而要讓目前的使用化學火箭發動機，則需要1到2年。

在製造和儲存反物質的問題上，如果使用粒子束核心反物質發動機的話，需要幾毫克反物質來在太陽系內旅行，如果要去比鄰星則需要幾公斤，這遠遠超過了目前的製造能力。但在存放方面，美國宇航局和賓州州立大學的科學家們已經能用彭寧離子阱來存放10個反質子一個星期，下一階段是進展到10個，可要滿足反物質推進的需要，估計需要存放10個反質子。

如果目前不能在製造和儲存方面取得進展，也可以試圖減少反物質燃料的使用量。這種方式就是將反物質的湮滅和核反應結合。這種方式可以相互取長補短，由於反物質昂貴而且難以儲存，所以少用反物質，多用核燃料；而由於核反應，尤其是進行熱核反應的要求條件太高，所以用能夠自然發生的反物質湮滅來觸發核反應。這種結合的方式雖然比純粹的反物質發動機產生的功率小，但更接近實際，從而容易實現。

需要注意的是，下面介紹的方法是不能用來發電的，因為輸入的電量遠大於輸出的電量。但在宇航方面關心的是推力，而不是輸入輸出能量的經濟性，所以關係不大。

1) ICAN-II

ICAN-II(ion compressed antimatter nuclear II)是由賓州州立大學的反物質太空推進小組(Antimatter Space Propulsion team)設計的，這種方式使用了反物質和核裂變的結合，用反物質來引發裂變。方法是讓反質子撞擊裂變物質的原子核，並同原子核裡面的質子湮滅，產生的能量將使原子核分裂，其最終產生的能量要比普通的核裂變要大，估計去火星旅行一番需要140毫微克(1毫微克等於10億分之1克)的反物質，遠遠少於粒子束核心反物質發動機的消耗量。

2) AIM之星

AIM是反質子觸發微裂變/聚變的縮寫(Antiproton Initiated Microfission/fusion)，按照賓州州立大學的構想，如果有了比ICAN-II中能得到的稍微多一點的反物質，就可以朝粒子束核心反物質發動機的方向前進一步，用反物質來加強裂變，從而加熱聚變燃料引發聚變。這種發動機對反物質的需要量增加了，但需要的裂變物質比較少，而且有比ICAN-II更高的比衝量，大約在61,000秒左右。他們把按這種方式設計的飛船稱為AIM之星(AIMStar)，如果能有30-130微克(1微克等於1/1000毫克)的反物質，AIM之星探測飛船能在50年內飛到歐特雲。

3) 聚變和反物質的結合

同樣，這是把反物質在比較近的時期投入使用的嘗試，不過需要比AIM方式再多一些的反物質。只有有足夠的反物質，我們就可以完全拋棄裂變過程，直接用反物質湮滅產生的能量來觸發慣性約束聚變，而不必象前面介紹慣性約束聚變時那樣使用雷射。估計使用這種發動機，我們能在1個月以內到達火星。

美國宇航局馬歇爾飛行中心(Marshall Flight Centre)的研究人員期望，上述技術能在30-40年之內成熟並獲得套用。

此外，同樣有人構想將反物質湮滅同核反應結合，並用類似獵戶座的爆炸的方式來推進，正在美國航空航天局下屬的NIAC資助下研究反物質發動機的Hbar Technologies公司就設計了如下圖所示的飛船。

顯然，Hbar公司設計的飛船和獵戶座一樣有個推進盤，不過這個推進盤是在前方，而且直徑只有15英尺(5米)，這種反物質飛船結構相當緊密。飛船向推進盤噴出反物質，反物質粒子和推進盤碰撞產生爆炸，而物質和反物質湮滅時將和帆上薄薄的鈾235塗層作用，產生少量的核裂變。這兩個反應組合起來能產生最大的爆炸，用這種方法加速，Hbar公司設計的飛船在四個月里能達到每秒116公里。

這項研究的目的就是設計出一個小型飛船用以攜帶探測器，初步計畫是在傳送一個探測器並使之在10年內到達柯伊伯帶。而這個公司到目前為止的成就顯示，可以利用30毫克的反氫在10年內將一個載有小質量儀器的探測飛船送到距離太陽250天文單位遠的地方；而根據初步測算，使用幾克反物質則可以把同樣大小的探測器在40年內送到比鄰星。

套用與發展

台北時間2016年3月3日上午訊息，兩名知名物理學家本周宣布，將通過Kickstarter展開眾籌，為下一輪反物質研究籌集資金。過去13年中，這兩名物理學家傑拉德·傑克遜(Gerald Jackson)和史蒂芬·霍維(Steven Howe)試圖就反物質推進系統說服美國宇航局(NASA)等機構。

早在2003年，這兩名物理學家就介紹過關於利用反物質動力進行宇宙深處旅行的初步概念。當時他們認為，在20年內，人類將需要進行宇宙深處旅行，而一種輕量級的方式將是必要的。最終，利用反物質將有助於實現這一目標。在這兩位科學家的構想中，使用這種推進器的飛船隻需要17克的反物質就可以把飛船加速到光速的十分之一，從地球到半人馬座-Alpha星(距離地球4.37光年)只需要40年時間。

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機

不過要製取反物質並不容易。現在科學家創造反物質的方法還是利用大型對撞機，但是反物質在創造出之後很快就湮滅了，無法儲存下來。如此過程中釋放的能量還不足以煮沸一杯茶，更不必說進行深空旅行。此外，製造1克反物質需要耗費2.5億億千瓦時的能量，也就是要花費千萬億美元級別的“電費”。反物質的價格可謂是“十分”昂貴。

傑克遜和霍維構想的反物質推進飛船

即使反物質推進系統能夠如理論中一樣工作，反物質引擎的製造仍面臨其他障礙。例如，反物質的狀態不穩定，在保存反物質的時候不能讓它們接觸到其他物質，因此如何保存反物質將成為一大難題。如果反物質接觸到存儲容器，將會發生一場災難性的核爆炸。如果反物質的製造和存儲問題都得到解決，那么如何利用反物質推動飛船呢？在這兩位物理學家的構想中，由正反物質湮滅產生的物質一部分從船尾噴出，另一部分從飛船頭部噴出，最後打到前面的“帆板”上折向後方，兩部分物質共同推動飛船前進。

此次，傑克遜和霍維的公司Hbar Technologies希望通過Kickstarter籌集20萬美元，用於理論的進一步研發。在理想情況下，這筆融資將幫助他們製造出一台能夠測量反物質推進系統可能推力的機器。他們還認為，製造出實際的反物質推進系統成本可能約為1億美元。如果此次眾籌成功，最終的研究完成，傑克遜認為，速度達到0.4倍光速的太空飛船將在20至30年內成為現實。目前該團隊僅僅宣布，計畫通過Kickstarter眾籌，而眾籌的正式啟動要等到下月。