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, 250 68 Řež E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ 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

Kam letět? - planety podobné Zemi Kepler sleduje 150 000 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

KOI-172.02 Rozměr 1,5 Země Oběžná doba 242 d Teplota 8oC Hvězda Sluneční typ Vzdálenost: 1040 sv.l.

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

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

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 - ~ 0,0000001% ~ 107 J/kg 2) Jaderný – efektivita ~0.1% - ~1% štěpení 8∙1013 J/kg fůze 3∙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

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

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

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 %

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

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

září 2001 – průlet kolem komety Borrelly Deep Space 1 (vypuštěna: 24. 10. 1998) 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) 28. 7. 1999 průlet kolem asteroidu Braille září 2001 – průlet kolem komety Borrelly První sonda s iontovým motorem (solárním) Test iontového motoru sondy Deep Space 1

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 2 100 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

Změna rychlosti 1 km/s (pro NSTAR): Typ motoru: iontový chemický Hmotnost paliva: 25 kg 300 kg Doba práce: 100 dní 20 min Tah: 92 mN 500 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

Systém VAriable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

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

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

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

Vývoj ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) Nedostatek Pu238 (NASA nemá od r. 1992 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 145-155 We celková efektivita 30 % Testování části prototypů (tepelné a vibrační)

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 ( 2 - 3 neutrony na štěpení) (část hned – část zpožděná) štěpení na dva přibližně stejně velká jádra Řetězová štěpná reakce: Štěpení nuklidů 235U, 239Pu ... záchytem neutronu 235U + 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

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 20 - 50 % 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

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

SSSR - Rusko Jaderný reaktor na ruských vojenských družicích – program RORSAT (napájel radar), léta 1967-1988 - 35 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 900 -1000 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 5 - 6 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

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

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

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

Spolupráce NASA a Los Alamos SAFE 400 - 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: 400 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

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

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

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 (107 - 109 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

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 (107 - 109 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 108 - 109 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)

Zatím nejblíže řešení je magnetické udržení plazmatu Experimentální "termojaderné reaktory" typu Tokamak: Prstencová komora - prstencové magnetické pole (výška komory 2 - 4 m, B = 2 - 5 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

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)

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)

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

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 54 000 tun, palivo 50 000 tun Jen průlet soustavou hvězdy – vystřelení 5 automatických sond Průzkumná sonda

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, 4 000 000 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 )

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)

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 10 000 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)

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

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

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)

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

Mezihvězdný let Vzdálenost: > 4 sv.r. Uvažujeme automaty nebo let bez návratu (cesta desítky let ale ne stovky) Požadovaná rychlost: > 0,1 c = 30 000 km/s Loď 1000 tun, potřebná energie (i brzdění) – téměř 900 000 000 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: 11 000 tun - pozor jen čistý štěpný materiál, všechen se musí štěpit Termojaderná fúze: 3 000 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

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 :-)