Jaderné zdroje pro vesmír

Prezentace na téma: "Jaderné zdroje pro vesmír"— Transkript prezentace:

1 Jaderné zdroje pro vesmír
„Kadmiové tyče se vysouvaly z pomocných reaktorů, magnetická čerpadla čerpala kapalný sodík do chladících hadic, pancíř zadních palub se zachvěl a současně slabý šramot uvnitř stěn prozradil, že pohyblivé kontrolní přístroje se už vydaly na mnohakilometrovou cestu … Celý kosmický koráb se naplnil šumem a pohybem …“ S. Lem: „Nepřemožitelný“ Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, Řež E_mail: WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 1) Úvod 2) Způsoby využití jaderných zdrojů 2.1 Typy jaderných zdrojů 2.2 Využití pro zásobování teplem a elektrickou energií 2.3 Zdroj energie pro pohon 3) Radioizotopové zdroje 3.1 Současné využití 3.2 Jejich budoucnost a potenciál 4) Jaderné reaktory 4.1 Historie využití a současnost 4.2 Hlavní cíl - bezpečnost a efektivita 5) Termojaderné zdroje energie 5.1 Základní principy 5.2 Typy udržení plazmatu 5.3 Kosmické využití – jen papír 6) Využití antihmoty 6.1 Vlastnosti a proč ji využít? 6.2 Jak ji získat a skladovat? 7) Závěr

2 Kam letět? - planety podobné Zemi
Kepler sleduje hvězd v malé oblasti souhvězdí Labutě: Statistika – nalezeno tisíce planet: velikost 1 -2 Země: 17 % hvězd (do vzdálenosti čtvrtiny AU) Odhad – až 50 % hvězd vhodné velikosti může být ve vhodné vzdálenosti Galaxie – 17 miliard hvězd Již dnes známy tisícovky exoplanet (dobře potvrzených desítky až stovky) Není důvod pochybovat, že existuje dostatek cílů

3 KOI Rozměr 1,5 Země Oběžná doba 242 d Teplota 8oC Hvězda Sluneční typ Vzdálenost: 1040 sv.l.

4 Alpha Centauri B (4,3 sv.l.) Exoplaneta (objev La Sille –ESO) Oběžná doba 3,5 dne Epsilon Eridani (10,5 sv.l) Několik exoplanet, Ale pořád sporné Tau Ceti (12 sv.l) Exoplaneta v zóně života Rozměr: 4 Země

5 Tak se dejme na cestu ke hvězdám Zatím pouze k nejbližším hvězdám okolo 10 sv.l.

6 Zdroje - energie Jaderné zdroje – velmi efektivní a koncentrované
Využití: Energie uvolněná v rozpadu jader Energie uvolněná ve štěpné reakci těžkých jader Energie uvolněná při slučování lehkých jader Energie uvolněná při anihilaci Princip zdroje: 1) Chemický ~ 0, % ~ 107 J/kg 2) Jaderný – efektivita ~0.1% - ~1% štěpení ∙1013 J/kg fůze ∙1014 J/kg 3) Částicový, anihilační - ~1% - ~100% kompletní anihilace (E = mc²) 9∙1016 J/kg Raketoplán – chemický pohon Odyssea 2001 Discovery - jaderný pohon Star Treck Enterprise - anihilace

7 Typy jaderných zdrojů Radioizotopové zdroje – využívají rozpad radioaktivních jader, prozatím nejčastěji využívané (několik desítek sond, hlavně k vnějším planetám) Jaderné reaktory – využívají štěpení velmi těžkých jader indukované záchytem neutronu umožňují velký výkon – největší využití u ruských radarových družic RORSAT Termojaderné zdroje – využívají slučování lehkých prvků, stabilní průběh termojaderné reakce v laboratoři zatím nezvládnut Anihilační – využívají anihilace hmoty s antihmotou, největším problémem je získávání antihmoty Výhody – 1) vysoká efektivita produkce energie 2) nezávislost na okolním prostředí (nepotřebují sluneční světlo a nevadí jim silná elektrická i magnetická pole nebo radiace) 3) v budoucnu dostupnost ve všech oblastech vesmíru Nevýhody – 1) Možná bezpečnostní a ekologická rizika 2) Často jen ve velkém provedení, technologická náročnost, vysoká cena Teodor Rotrekl

8 Využití pro zásobování teplem a elektrickou energií
Pilotované i bezpilotní sondy potřebují k udržení životních i pracovní podmínek dostatek tepelné i elektrické energie Práce ve velkých vzdálenostech od Slunce, na odvrácených stranách planet, pod hustou atmosférou Velice rychlý pokles intenzity slunečního záření se vzdáleností ( 1/r2). Hlavně ve velkých vzdálenostech od Slunce nelze sluneční baterie uplatnit. Tim White Theodor Rotrekl

9 Převod tepelné energie na elektrickou
Termoelektrické články: Využití Sebeckova jevu, vznik napětí na styku dvou kovů, které mají konce zahřáté na různé teploty Ue = (1-2)T Účinnost okolo jednotek procent (5 -7) Termionická přeměna: Využívá termoemise (objevená Edisonem 1893) – emise elektronů z materiálů zahřátých na velmi vysokou teplotu – přímá přeměna tepelné energie v elektrickou nevýhoda – nutnost velmi vysokých teplot Stirlingův motor: Využívá rozdíl tlaku plynu v ohřívači a chladiči k vytváření mechanické práce membrána nebo píst – nevýhodou jsou pohyblivé části výhodou je účinnost až 20 % Plynová či parní turbína: Klasické turbíny, pro kompaktní vesmírné zdroje jsou vhodnější plynové Dosahovaná účinnost až 30 %

10 Zdroj energie pro pohon
1) Tepelný motor - produkce horkého plynu (plazmy), který vyletuje z trysek. Ohřívání plynu (nejlépe vodíku) pomocí tepla z jaderného či termojaderného reaktoru Zatím se většinou uvažoval rychlý reaktor 2) Pulzní motor – minivýbuchy, buď přímo malé jaderné či termojaderné bomby, nebo termojaderné palivo zapalováno lasery Projekt zkoumající využití výbuchů klasických jaderných či termojaderných bomb byl projekt Orion (viz obr) 3) Iontové motory – jaderné zdroje produkují elektřinu pro urychlování iontů. Elektrické pole urychluje nabité ionty na vysoké výtokovou rychlostí a tak urychluje kosmickou loď (systém VASIMR) po urychlení se ionty neutralizují elektrony malé zrychlení (nevhodné pro starty z povrchu planet) Výhody: 1) Dlouhá doba práce 2) Větší účinnost využití paliva 3) Možnost libovolného počtu zastavení a spuštění Test iontového motoru sondy Deep Space 1

11 Výtoková rychlost plynů Tah motoru Charakterizující veličiny:
Teplota media Výtoková rychlost plynů Tah motoru Charakterizující veličiny: Vztah mezi teplotou a střední kvadratickou rychlostí částic media Klasicky motory na kapalný vodík mají výtokovou rychlost 4,5 km/s Test iontového motoru SMART 1

12 září 2001 – průlet kolem komety Borrelly
Deep Space 1 (vypuštěna: ) zdrojem energie solární baterie Účel: zkoumání nových technologií pro vesmírný výzkum Iontový motor: ionty Xe ( celkově 81 kg) urychlené na 30 km/s Doba práce – 20 měsíců Celková udělená rychlost 4,5 km/s Výtoková rychlost plazmy: 30 km/s (chemický 4,5 km/s) průlet kolem asteroidu Braille září 2001 – průlet kolem komety Borrelly První sonda s iontovým motorem (solárním) Test iontového motoru sondy Deep Space 1

13 Dawn – současná sonda s iontovými motory
SMART-1 – technologická sonda i s iontovým motorem Dawn – současná sonda s iontovými motory Sonda k planetkám Ceres a Vesta 27. září 2007 – vypuštění – tři iontové motory typ NSTAR květen – červen 2008 – dlouhodobé úspěšné zkoušky celkově by měly iontové motory pracovat dní 17. únor 2009 – průlet okolo Marsu a využití jeho gravitačního pole 16. července 2011 – dosažení Vesty červenec 2012 – opuštění Vesty Tah motoru 90 mN Testy nových motorů NEXT (240 mN) a další Zvýšení výtokových rychlostí: až 210 km/s Spolehlivá práce až pět let

14 Změna rychlosti 1 km/s (pro NSTAR):
Typ motoru: iontový chemický Hmotnost paliva: 25 kg kg Doba práce: dní min Tah: mN N Zásobník hydrazinu Xenon – inertní plyn - malá první ionizační energie - dobrý poměr hmotnosti a náboje - neradioaktivní 2,3 m Průběh práce: 1) ionizace – vyražení elektronu elektronem 2) urychlení – záporná mřížka 3) dodání elektronu Zásobník xenonu (450 kg) Celková změna rychlosti: Skoro 18 km/s Iontový motor Potřebný výkon, maximal 32,6 kW, baterie ~ 10 kWe (1 AU) - 1,3 kWe (3 AU) Uchycení slunečních bateríí

15 Systém VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

16 Radioizotopové zdroje
Princip: 1) Rozpad radioaktivních jader  uvolňuje se teplo (např. izotopy s vhodnými poločasy rozpadu 90Sr – 28,8 r, 137Cs – 30,1 r, 210Po – 0,38 r a 238Pu – 87,7 r) 2) Termoelektrický článek přeměňuje teplo na elektřinu ( Sebeckův jev - U  T, účinnost 5 – 10%) Výhody: 1) dlouhodobá stabilita za všech podmínek (i v silných magnetických polích a ve vysoké radioaktivitě) 2) Nemá pohyblivé části → vysoká spolehlivost Nahrazení termolelektrického článku tzv. Stirlingovým motorem → efektivnější převod tepelné energie na elektrickou (až 20 %) nevýhodou jsou pohyblivé části Nevýhody: 1) Pokles výkonu v čase daný poločasem rozpadu daného radioizotopu 2) Možná radiační a ekologická rizika Pokles výkonu radioizotopového zdroje je dán poklesem radioaktivity a je exponenciální

17 Vývoj nových typů radioizotopových zdrojů
Modulární stavba – různé počty článků → různý výkon Použití termočlánku nebo Stirlinkova motoru Větší (stovky We) – větší sondy, planetochody Plánované vozidlo pro neosvětlené části Marsu Malé – planetochody, penetrátory, malé základny New Horizons je na cestě k Plutu Nejen USA - plánovaný čínský lunochod Zatím poslední vypuštěná sonda využívající radioizotopové zdroje (poslední současného typu) je New Horizons k soustavě Pluta a Charonu i k dalším objektům za Neptunem

18 Curiosity – velký úspěch i radioizotopových zdrojů
Nové zdroje MMRTG – výkon 100 We Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator Dodávka zdrojů – začátek roku 2009 Start první mise – konec roku 2009 Curiosity je nyní na Marsu SRG - efektivnější se Stirlingovym motorem – zatím není stanovena první mise Vývoj determinován požadavky plánovaných sond

19

20 Vývoj ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator)
Nedostatek Pu238 (NASA nemá od r producenta – nyní se pracuje na obnově výroby) Stirlingův motor → vyšší efektivita – potřeba čtyřikrát méně Pu238 Velmi efektivní konvertor založený na Stirlingově motoru: efektivita 38 % při koncových teplotách 90 oC a 850 oC maximální výkon 114 We Ve zdroji budou dva Zdroj ASRG, hmotnost 22 kg, výkon při startu We celková efektivita 30 % Testování části prototypů (tepelné a vibrační)

21 Jaderné reaktory Proč jaderné reaktory? – v 1kg 235U 40 krát více energie než v rozpadu 1kg 238Pu (10 milionkrát více než u chemického paliva). Výkon reaktoru lze řídit. Je účelný pro projekty, kde jsou potřeba velké výkony zdrojů Zdroj energie: štěpení Štěpná reakce - štěpení jádra samovolné nebo po získání energie - obvykle se dodá energie záchytem neutronu - doprovázena vznikem neutronů s energiemi v oblasti jednotek MeV ( neutrony na štěpení) (část hned – část zpožděná) štěpení na dva přibližně stejně velká jádra Řetězová štěpná reakce: Štěpení nuklidů 235U, 239Pu ... záchytem neutronu U + n → 236U* : 85 % - štěpení 15 % - emise fotonu Štěpení - vznik štěpných produktů Záchyt  emise fotonu  rozpad beta vznik transuranů Multiplikační faktor k - počet neutronů následující generace neutronů produkovaných na jeden neutron předchozí generace k < 1 podkritický systém k = 1 kritický systém k > 1 nadkritický systém při štěpení se produkuje i několik neutronů

22 1) Klasické na pomalé neutrony
Typy reaktorů: 1) Klasické na pomalé neutrony Velmi vysoké hodnoty účinných průřezů záchytu neutronů pro malé energie neutronů (10-2 eV) Nutnost zpomalování neutronů - moderátor Palivo: 1) přírodní uran - složen z 238U a jen 0.72 % 235U 2) obohacený uran - zvýšení obsahu 235U na 3-4% (klasické reaktory) 2) Rychlé (množivé) na rychlé neutrony – Pro vesmír rychlé reaktory s vysokým obohacením Nemoderované neutrony → nutnost vysokého obohacení uranu % 235U (ekvivalentně 239Pu) Vysoké obohacení → vysoká produkce tepla →nutnost výkonného chlazení → roztavený sodík, olovo (teplota 550oC) Produkce 239Pu: 238U + n → 239U(β-) + γ → 239Ne (β-)→239Pu Z 239Pu více neutronů (3 na jedno štěpení) → produkce více plutonia než se spotřebuje (plodivá zóna) Je kompaktnější, produkuje více energie – dlouhodobá zkušenost s reaktory na ponorkách Např: ruské ponorky třídy Alfa – kompaktní (4,5 m x 7,5 m) rychlý reaktor chlazeny kapalnou směsí olova a bismutu, výkon 175 MW Ruská ponorka třídy Akula Typhoon vodou chlazený reaktor

23 Historie využití USA: Malý reaktor SNAP-10A  zdroj energie - družice
SNAPSHOOT (1965) - výkon Projekt NERVA: raketový motor na bázi jaderného reaktoru plánován jako třetí stupně raket Reaktor ohřívá vodík  pohon expandující horký plyn Řada velmi úspěšných testů H. Finger vedoucí projektu Nedokončen – zastaveno – hlavně z finančních důvodů –chyběla mise, která by se bez něj neobešla REAKTOR NÁDRŽ NA VODÍK TURBOČERPADLO VÝFUK TURBÍNY Princip motoru NERVA Studené zkoušky motoru NERVA

24 SSSR - Rusko Jaderný reaktor na ruských vojenských družicích – program RORSAT (napájel radar), léta družic v sérii Kozmos (první Kozmos 198) vysoce obohacen 235U (31,1 kg) , účinnost 2-4%, elektrický výkon 3-5 kW aktivní činnost do 134 dní – po jejím ukončení vyneseny na vysokou orbitu km Tři havárie – 1) zničení jedné z družic krátce po startu 2) zbytky Kozmosu 954 spadly na západní Kanadu 3) Kozmos 1402 shořel v atmosféře Reaktor TOPAZ I (rok 1987) elektrický výkon kW, hmotnost okolo 1000 kg, účinnost 5 – 10 % nejméně po 180 dnů (Kozmos 1818 a 1867) a může pracovat rok chlazení tekutým kovem (slitina sodíku a draslíku) (pracovní teplota 610oC) Vylepšená varianta TOPAZ II – do vesmíru se už nedostal, testován i NASA Základ společné spolupráce USA a Ruska Využití ruských zkušeností Malý ruský kosmický reaktor TOPAZ

25 Zatím nenaplněné sny - projekt Orion
Snaha o vybudování pohonu na základě výbuchů „malých jaderných bomb“ blízko lodi. Ty „postrkovaly“ loď díky odrazné desce. Velmi krátké působení velmi velké síly ↔ velké přetížení ↔ nutnost rozložení zrychlování Studie probíhala v letech 1958 – 1965 ↔ vedoucí T. Taylor Řada studií i praktických testů (např. odolnosti odrazné desky) Velmi krátký průběh exploze → poměrně malé poškození desky Testy pomocí chemických explozí – let sto metrů (šest nábojů) (září 1959) – prokázala stabilita pulzního pohonu Kosmická loď Orion v blízkosti Jupitera Model pro testování odrazné desky Náčrt lodi Orion

26 Uvažovala se řada typů pro cestu na Mars i dále, včetně mezihvězdných
vždy jako lodě s lidskou posádkou Zpočátku plány i pro použití v atmosféře, později pouze ve vesmíru Radiační riziko, možnost ohrožení životního prostředí Uvažovalo se použití i vodíkových bomb – projekt Daedalos V současnosti opětné oživení zájmu i o tuto koncepci

27 Projekt Prometheus – nové jaderné reaktory
Návrat na Měsíc a cesta na Mars, komplexní sondy do vzdálených částí sluneční soustavy → potřeba jaderných zdrojů energie a pohonu Start programu v roce 2003 Spolupráce NASA s DOE (Úřad pro energetiku USA) maximální využití zkušeností předchozích projektů spolupráce s Ruskem (reaktor TOPAZ) Vývoj nových radioizotopových zdrojů a hlavně reaktorů pro pohonné jednotky i pro dodávku energie a tepla Pohonná jednotka blízko Země !! Po odpískání marsovských a měsíčních ambicí uloženo k ledu !! Projekt sondy obíhající kolem Jupitera a přesunující se od jednoho měsíce k druhému Let lidí na Mars by mohly jaderné zdroje velmi ulehčit

28 Spolupráce NASA a Los Alamos
SAFE reaktor - zdroj elektrické energie pro iontový motor i přístroje sondy Dlouhodobě pracující motor s malým zrychlením  cesty ke vnějším planetám Spolupráce NASA a Los Alamos Výkon: kW tepelný, 100 kW elektrický Palivo: vysoce obohacený uran (97% 235U) Typ : rychlý reaktor Chlazení: plyn (He+Xe) T ~ 1000oC Hmotnost: 512 kg (100 kg 235U) Tepelný test reaktoru SAFE 30 Koncept sondy s jaderným iontovým motorem pro průzkum vnějších částí Sluneční soustavy (NASA) Sonda pro průzkum ledových měsíců Jupitera (zatím kvůli financím zrušeno

29 Hlavní cíl - bezpečnost a efektivita
Vysoká bezpečnost - podkritický při všech haváriích SAFE 400 – rotující kontrolní tyče z berylia na jedné straně (odráží neutrony) a absorpční vrstvy na druhé, pokud nerotují, reaktor je podkritický → není štěpná reakce Hlavní důraz na ekologickou bezpečnost za všech okolností – nutnost přesvědčit o ní veřejnost Schematický náčrtek reaktoru SAFE 400 Na oběžnou dráhu se dostává před zahájením činnosti – vysoce radioaktivní jsou produkty štěpení a transurany, uran není tak nebezpečný Při každé havárii zůstává uran kompaktně v celku a v obalu – co nejodolnější obal schopný efektivně odolávat teplu a destruktivním silám Malá radiační zátěž i během provozu  možnost práce na oběžné dráze okolo Země Hledání co nejefektivnější konverze tepelné energie na elektrickou a pohybovou. Vývoj nových reaktorů pro jaderný výzkum „pospává“ – čeká na projet potřebující velký výkon

30 Test nového malého reaktoru spojeného se Stirlingovým motorem
(září 2012)  Reaktor "Flattop" byl předveden při demonstraci „Demonstration Using Flattop Fissions (DUFF)“ Společný test reaktoru a konverze tepelné energie na elektrickou pomocí Stirlingova motoru Zatím výkon pouhých 24 W, předpokládá se v budoucnu výkon okolo 600 W Inženýr z Los Alamos John Bounds testuje prototyp nmotoru využívající jaderný reaktor

31 Termojaderné zdroje energie
Slučování lehkých prvků: p, d, t, 3He Uvolnění velkého množství energie v podobě kinetické energie produktů nebo gama záření Jaderné reakce za vysokých teplot ( K)   termojaderné reakce Výhoda oproti štěpení je poměrně malá produkce radioaktivních elementů (pouze reakcemi neutronů s materiálem komory Vhodné reakce jsou d + t a d + 3He Teodor Rotrekl: „Záhady pro zítřek“ V přírodě probíhá jaderná fůze na Slunci

32 Termojaderná fúze Zdroj pohonu (např. termojaderné mikrovýbuchy  horké plazma tryská s vysokou rychlostí) i energie (termojaderné elektrárny) Slučování lehkých jader  produkce energie Praktické využití: 2H + 3H  4He + n + 17,58 MeV Jaderné reakce za vysokých teplot ( K)  termojaderné reakce Lawsonovo kriterium - podmínka pro to, aby termojaderná reakce produkovala více energie než se spotřebuje na ohřev paliva: Pro DT reakci: τρ ≥ 3∙1020 s∙m-3 Teplota K τ - doba udržení horké plazmy, ρ - hustota jader v plazmatu Inerciální udržení plazmatu – velká hustota (stlačení pomocí laserů) a krátká doba udržení Magnetické udržení – „nízká“ hustota plazmatu, dlouhá doba udržení (stovky sekund a více) Ohřev plazmatu – proudem, stlačením magnetickým polem, vysokofrekvenčním polem a termojadernou fúzí Ohřev termojadernou fúzí musí stačit na její udržení Experimentálního zařízení JET v Culhamu (výška 12 m, průměr 15 m)

33 Zatím nejblíže řešení je magnetické udržení plazmatu
Experimentální "termojaderné reaktory" typu Tokamak: Prstencová komora - prstencové magnetické pole (výška komory m, B = T, proudy 2∙106 A): Důležité - vysoké vakuum a silné magnetické pole  udržení plazmy TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor), Princeton (USA): ITER – dosažení produkce energie pomocí termojaderné fúze (P = 500 MW, B = 5,3 T, I =15 MA Prstenec 8 – 9 m) Výstavba byla zahájena v Cadarache – vyrobí 10 – 15 krát více energie Než spotřebuje DEMO - vyřešení problému produkce elektrické energie, paliva (tritia z lithia) Hotovo ne dříve než 2040

34 Současnost ve výzkumu jaderné fúze
Studium chování plazmy na několika nových velmi moderních zařízeních Těžký rozjezd budování zařízení ITER – dokončení zhruba v roce 2020 Nový jihokorejský supravodivý Tokamak KSTAR a plazma v něm Budoucí vzhled areálu pracoviště ITER v Cadarache Budování protiseismických pilířů (červen 2012)

35 Inerciální udržení plazmatu (mikrovýbuchy)
LLNL - USA Stlačení pomocí laserového paprsku – první uskutečnění fúzní reakce NIF (National Ignition Facility) 192 laserových paprsků, 500 TW - červenec 2012 (1,85 MJ)

36 Jaké palivo se bude využívat?
Využití tritia – je radioaktivní ( T1/2 = 12 let) Produkce z lithia ozařováním neutrony vznikajícími při fúzní reakci Blanket z lithia okolo fúzního nebo štěpného reaktoru Na Zemi nepředstavuje problém Ve vesmíru ano – separace tritia a příprava paliva Zatím výroba tritia za desítky let stovky kg (pro termojaderné zbraně) Ruda lepidolit obsahuje lithium Využití 3He – je stabilní Možný výskyt velkých zásob (ze slunečního větru) na Měsíci Reakce Energie 2H1 + 2H1 ® 3He2 + 1n0 3,13 MeV 2H1 + 2H1 ® 3H1 + 1H1 4,03 MeV 2H1 + 3H1 ® 4He2 + 1n0 17,6 MeV 1H1 + 3H1 ® 4He2 19,9 MeV 2H1 + 3He2 ® 4He2 + 1H1 18,4 MeV 2H1 + 6Li3 ® 4He2 + 4He2 22,4 MeV Využití lehčích jader Vodík a deuterium nejsou problém Vyšší teploty ano

37 Projekty pro vesmír - zatím jen na papíře
Miniaturní kapsle s deuteria a tritia, inicializace lasery nebo iontovými svazky VISTA – v rámci Sluneční soustavy (let k Marsu) Daedalos - let automatické sondy k Barnardově hvězdě – projekt vypracovaný v 70. letech Odlet ze Sluneční soustavy (zdroj Adrian Mann) Přílet k Barnardově šipce vzdálenost 5,9 světelných let – doba letu 40 roků, rychlost až 0,12 c termojaderný pulzní motor – dvoustupňová konfigurace Hmotnost tun, palivo tun Jen průlet soustavou hvězdy – vystřelení 5 automatických sond Průzkumná sonda

38 Pohon založený na antihilaci
Setkání hmoty a antihmoty – anihilace → přeměna hmoty na fotony a mezony → mezony se rozpadají v konečném důsledku na fotony → uvolnění energie: E = mc2 přeměna klidové hmotnosti (energie) na energii kinetickou → nejkompaktnější zdroj energie Proč antihmota? Ekvivalent pohonu raketoplánu – ~ 100 mg antihmoty Let k nejbližší hvězdě 100 tun loď, TW (v = 0,02c) → jen něco přes 20 kg antihmoty Problém: Nemáme zdroje antihmoty → musíme ji vyrobit – potřebujeme mnoho energie Nutná energie větší než klidová energie (hmotnost) páru částice a antičástice ( E = mc2 )

39 Produkce antihmoty Urychlovače jako zdroje energie pro produkci antičástic Účinnost výroby antiprotonů (nyní) – 105 protonů (Ep=120 GeV) na jeden antiproton → → 1,2∙1016eV/antiproton → 1,16∙1021 J/g . Efektivita 10-8. v současnosti se produkuje okolo 10 ng antiprotonů za rok (CERN a FERMILAB) Současné metody umožňují – zlepšení o 3-4 řády Energie potřebná k výrobě antihmoty je pak nejméně o čtyři řády větší než uvolněná→ na výrobu antihmoty pro mezihvězdný let 40 let o řad větší výkon než všechny současné jaderné reaktory Laboratoř FERMILAB (urychlovač TEVATRON využívá jeden z nejintenzivnějších svazků antiprotonů)

40 Skladování – magnetická a elektrická pole
Současná produkce stačí jen na kombinovaný pohon během letu je možno antihmotu uchovávat v magnetické prstenci (AIMstar potřebuje 28,5 μg) Pouze do vzdálenosti AU (0,15 sv.r.) Dnes jsme schopni udržet antiprotony v magnetické pasti i stovky dní Velké zkušenosti s produkcí pomalých antiprotonů v CERNu Magnetická past na Pensylvánské universitě Loď AIMstar (studie provedená na Pensylvanské universitě) Část zařízení LEAR pro produkci pomalých antiprotonů (protonový urychlovač v CERNu)

41 Jak tvořit antiprotony a antiatomy a jak je skladovat?
Tvorba a zachycování neutrálních antivodíků – důležité kroky k vytvoření pasti na ně Co nejefektivnější produkce antiprotonů Terč z niklu určený pro produkci antiprotonů pro urychlovač TEVATRON ve FERMILABu Čočky sloužící k oddělení antiprotonů od dalších částic Zařízení ALPHA (CERN)pro produkci antivodíku a jeho zachycování do magnetické pasti

42 Jak antihmotu skladovat?
Hlavní problém – zabránění kontaktu s hmotou a anihilaci Nabitá plazma (antiprotony) – magnetické pasti – testováno, možnosti až měsíce problémem je omezená hustota plazmatu – silné odpuzování stejných nábojů - v řádu 1010 antiprotonů na cm3 Neutrální antivodík – problém s produkcí antivodíku a jeho zachycení v magnetické pasti využití kondenzovaného stavu – 1) je třeba vyprodukovat antivodík 2) získat mikrokuličky zmrzlého H2 3) Udržet je (elektrické,magnetické pole) vzdálené od hmoty Produkce antivodíků: zachycení zpomalených a ochlazených antiprotonů a pozitronů ve stejné magnetické pasti (dokážeme jich zatím produkovat desítky tisíc) Hledají se cesty k jejich zachycení v magnetické pasti (mají magnetický moment) velmi intenzivní magnetická pole – supravodivé magnety 1g antiprotonů (antivodíků) obsahuje 1024 částic Úplně otevřená otázka jak antivodík efektivně vyrábět a skladovat

43 Možnosti a problémy k řešení
Hlavní problémy: 1) Efektivní produkce – specializované urychlovače na produkci antiprotonu a zpomalovače pro jejich zpomalení a ochlazení – nutný dostatek energie Produkce při vesmírných vysokoenergetických procesech (výtrysky v průběhu akrece hmoty na kompaktní objekty ...) – možné doly na antihmotu 2) Efektivní uchovávání: V podobě plazmy (nabitých částic) v magnetickém poli – výhodou je jednoduchost (v současnosti dokážeme udržet plazmu řadu měsíců, nevýhodou malá hustota V podobě kapalného (zmraženého) antivodíku – výhodou je vysoká hustota, nevýhodou zatím nevyřešený problém oddělení antihmoty od hmoty Proud hmoty z centra galaxie M87 - foto Hubblův teleskop Vhodné pro velké kosmické lodi – různé typy anihilačních motorů: 1) S pevným jádrem – velice efektivní využití energie, menší výtokové rychlosti 2) S plynným nebo plazmovým jádrem – vyšší výtokové rychlosti 3) S paprskovým jádrem – nejvyšší výtokové rychlost, nutné dlouhé trysky (dolet relativistických mezonů před rozpadem – 21 m)

44 Mezihvězdný let a jeho problémy
Velká vzdálenost – nejbližší hvězdy ~ 4 sv.l., do 15 sv.l. pouze desítky hvězd Časové omezení (doba lidského života) – let ne delší než 100 let Rychlost – ne menší než několik procent rychlosti světla Energetická náročnost: nejméně desítky milionů TJ, výkony v řádu desítek GW Řešení pohonu fúzí či antihmotou (jinou reálnou cestu zatím nevidíme) → velká loď, velké hmotnosti Další problém: kosmické záření a interakce relativistické lodi s mezihvězdným prostředím

45 Mezihvězdný let Vzdálenost: > 4 sv.r.
Uvažujeme automaty nebo let bez návratu (cesta desítky let ale ne stovky) Požadovaná rychlost: > 0,1 c = km/s Loď 1000 tun, potřebná energie (i brzdění) – téměř TJ Zhruba 24 násobek produkce elektrické energie v zemích OECD v roce 2010 Bez započtení účinnosti konverze je třeba výkon motoru lodi TW Potřeba paliva: Jaderné štěpení: tun - pozor jen čistý štěpný materiál, všechen se musí štěpit Termojaderná fúze: tun – efektivita fúze opět stoprocentní Anihilace: 10 tun antihmoty Produkce potřebné antihmoty i při vylepšení metod (poměr mezi dodanou energií a získaným ekvivalentem čtyři řády) bude potřeba o pět řádů více energie než vyrobily všechny elektrárny zemí OECD v roce 2010. Nutná podmínka: vyřešení efektivní a bezpečné produkce jaderné energie na Zemi

46 Závěr 1) K intenzivnější činnosti člověka v blízkém i vzdálenějším vesmírném okolí jsou nutné velmi výkonné zdroje energie – zajištění přepravy, tepla a elektrické energie 2) Těmito zdroji musí být s největší pravděpodobností zdroje jaderné 3) Jsou tyto možnosti: Radioizotopové, štěpení, jaderná fúze a využití antihmoty 4) Pro intenzivní osvojení meziplanetárního prostoru a mezihvězdné lety – nutnost osvojení jaderné fúze či využití antihmoty 5) Technicky se zdá snadnější řešení využití fúze – pozemský reaktor na bázi magnetického udržení tokamak ITER už se buduje 6) Pro kosmické aplikace lepší inerciální udržení – NIF – snad první termojaderná reakce tímto způsobem 7) Vesmírné projekty pouze na papíře 8) Antihmota - velmi neefektivní produkce, nevyřešené skladování 9) Využití termojaderné fúze v naší Sluneční soustavě představitelné před koncem století (v případě potřeby) 10) Je potřeba řešit ochranu před kosmickým zářením – až příště :-)