ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНТИМАТЕРИИ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Во времена высоких технологий потребность в энергии возрастает, а ее источников с каждым годом становится все меньше: природные ресурсы могут закончиться. Необходимо найти такой источник энергии, который не будет истощать их. Таким источником может стать антиматерия (антивещество).

Не так давно ученые занялись исследованием антивещества. Но что же это такое? Во время большого взрыва в равных количествах возникла материя и антиматерия. Их частицы имеют одинаковую структуру, различие состоит только в том, что они имеют противоположные заряды. В атомах материи электроны, у которых отрицательный заряд, вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Ученые предположили, что атом антивещества имеет противоположное строение [3].

При взаимодействии антиматерии с материей выделяется большое количество энергии. Такая реакция называется аннигиляцией. Один грамм антивещества может привести к взрыву, равному по мощности с взрывом ядерной бомбы. Когда взаимодействуют 1 кг антивещества и 1 кг вещества, выделяется примерно 1,12*10³⁶ эВ энергии [4]. Всего 1,2 грамма антипротонов потребуется, чтобы долететь до Юпитера. Цифра не большая, но нужно учесть, что сейчас были добыты лишь миллиардные доли антиматерии.

Для такого полета необходим корабль, у которого будут термоядерные двигатели. Топливо для него будет выглядеть таким образом: в небольших гранулах будут находиться изотопы водорода, - дейтерий, содержащий в ядре один нейтрон, и тритий, содержащий два нейтрона. Они будут окружены, предположительно, ураном. Если на гранулы направить поток антипротонов, то при соприкосновении их с урановыми ядрами происходит аннигиляция, создаются продукты распада, содержащие высокую энергию и запускающие в топливе реакции ядерного синтеза.

Эти реакции приводят к возникновению нейтрона и атома гелия-4 и выбрасывают большой объём энергии, которой хватит на изменения курса космического корабля [5].

Для того чтобы изучить антивещество, необходимо не дать ему аннигилировать с веществом. Есть несколько способов для этого:

1. Ловушка Пеннинга

Внутри этой ловушки под действием электромагнитного поля позитроны или антипротоны начинают двигаться по спиралевидной траектории. Это удерживает их от столкновения со стенками ловушки Пеннинга.

2. Ловушка Иоффе

Эти ловушки создают области пространства с разным магнитным полем и антиводород (нейтральная частица) застревает в той области, где магнитное поле самое слабое.

3. Замедлители частиц

Принцип действия замедлителя частиц похож на способ ускорения частиц в кольцевых ускорителях, только при завершении частицами круга, им не дают энергетический толчок, а толкают их в обратную сторону, тем самым замедляя.

4. Охлаждение

Охлаждение облаков частиц антиматерии до температуры от -70 до -200 градусов Цельсия к кратковременной задержке взаимодействия его с материей [1].

Рассмотрим процесс аннигиляции антипротонов и протонов. При этом образуются положительные, отрицательные и нейтральные пионы:

p⁺ + p^- → mπ⁰ + nπ⁺ + nπ^-

Количество заряженных пионов – m=2, а нейтральных – m=1.5.

Нейтральные пионы распадаются почти мгновенно на 2 гамма-кванта, обладающих высокой энергией:

π⁰ → γ + γ

Позже заряженные пионы распадаются на мюоны и нейтрино

π^± → μ^± + ν_μ

90% энергии, получаемой в результате распада π^±, получают нейтрино ν_μ. После этого ее использовать невозможно.

Затем распадаются мюоны:

μ^± → e^± + ν_e + ν_μ

Полученные электроны и позитроны вступают в реакцию аннигиляции:

e⁺ + e^- → γ + γ.

Аннигиляция имеет более высокую энергетическую плотность, в сравнении с другими процессами. Например, плотность энергии деления ²³⁵U равна 82 ТДж/кг, когда плотность энергии антиматерии равна 90 ПДж/кг [2].

Несмотря на это, используя ее, создать ракетный двигатель, который будет эффективен, достаточно сложно. Около половины всей энергии забирают нейтрино, а гамма-квантов излучаются изотропно. Это не позволяет создать реактивную тягу [5].

В теории все звучит отлично, но на практике все оказалось не так просто. Есть ряд причин, почему антиматерия не используется для добычи энергии.

Главные проблемы состоят в большой стоимости и в сложности ее производства и хранения. Производство 1 грамма антивещества обойдется в цену свыше триллиона долларов [4]. И пока что энергии, необходимой для создания антивещества, уходит гораздо больше, чем потом мы получаем при аннигиляции.

В данной работе была определена рентабельность использования антивещества для обеспечения электроэнергией крупного города, на примере г. Самара:

S – площадь города = 465 км²;

n – количество человек = 1.171.820;

N₁ – среднее энергопотребление на человека в месяц = 100 кВт*ч;

Z₁ – стоимость 1 кВт*ч = 2,45 р;

Найдем энергопотребление всего населения Самары (N):   

Расчет стоимости потребления электроэнергии городом Самара за месяц (Z):

P₁ – количество энергии, получаемой при аннигиляции 1 г антиматерии = 49.777.777 кВт*ч;

Расчет необходимого количества антиматерии (a):

Z_1a – стоимость 1 г антиводорода:

Найдем стоимость получения нужного количества антиводорода (Z_a):

Расчет разницы Z и Z_a:

Таким образом, мы видим, что использовать антиматерию для обеспечения электроэнергией города Самара нерентабельно, так как стоимость производства этого источника энергии гораздо выше стоимости электроэнергии, потребляемой городом. На данное время стандартные методы добычи электроэнергии более доступны.

Список литературы:

1. Антиматерия [Электронный ресурс]: URL: http://www.worldview.net.ua/technologies/antymateriya.html (дата обращения 21.09.2016)
2. Антипротон [Электронный ресурс]: URL: http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/ant08.htm (дата обращения 23.09.2016)
3. Житанская В. Антиматерия и антимир [Электронный ресурс]: URL: http://zhitanska.com/content/antimateriya-i-antimir (дата обращения 20.09.2016)
4. Евсеев А. Магнитная ловушка для антивещества [Электронный ресурс]: URL: http://www.pravda.ru/science/eureka/discoveries/02-12-2010/1059101-antimaterija-0/ (дата обращения 20.09.2016)
5. Термоядерные двигатели на антиматерии [Электронный ресурс]: URL: http://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?id=13&page=articles (дата обращения 20.09.2016).