反物质和核聚变驱动可能为未来宇宙飞船提供动力

高能反应的原材料难以制造且成本高昂,但50年后生产可能可行

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研究人员表示,由反物质束引发的核聚变反应可能在本世纪末之前推动超高速宇宙飞船进行长途旅行。

根据美国宇航局 2010 年的一份报告,一艘核聚变动力宇宙飞船可以在四个月内到达木星,有可能向载人探索开放外太阳系的部分区域。

要使这项技术可行,必须克服许多障碍,特别是在反物质的生产和储存方面,但一些专家认为它可能在半个世纪左右准备就绪。


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“这可能不是 40 年的技术,而是 50 年、60 年?很有可能,并且会通过改变规划时的质量-功率-财务计算,对探索产生重大影响,”咨询公司 The Tauri Group 的高级航空航天技术分析师杰森·海(Jason Hay)在 8 月 29 日与美国宇航局的未来太空行动工作组的演示中表示。[人类太空飞行的未来愿景]

核聚变的力量

这种核聚变驱动宇宙飞船的燃料可能由许多包含氘和氚的小颗粒组成,它们是氢的重同位素,分别在其原子核中含有 1 个或 2 个中子。(普通氢原子没有中子。)

在每个颗粒内部,这种燃料将被另一种材料(可能是铀)包围。一束反质子——反物质,相当于质子,带负 1 而不是正 1 的净电荷——将指向这些颗粒。

当反质子撞击铀核时,它们会湮灭,产生高能裂变产物,从而在燃料中引发核聚变反应。

这种反应——例如,氘核和氚核合并形成一个氦 4 原子和一个中子——会释放出大量的能量,这些能量可以以多种不同的方式用于推动宇宙飞船。

2010 年的报告《技术前沿:太空探索的突破性能力》中指出:“这些反应产生的能量可以用来加热推进剂,或通过磁约束和磁喷嘴提供推力。”这份报告是美国宇航局在 The Tauri Group 和其他专家的帮助下制作的。

基本想法并不新鲜:英国星际学会于 1970 年代进行的项目“代达罗斯”建议使用核聚变火箭为星际飞船提供动力。然而,“代达罗斯”的核聚变反应将由电子束而不是反质子束引发。

尚未实现

海伊说,虽然反质子驱动的核聚变是一项有前途的技术,但要使其可行,必须克服几个障碍。

也许最大的挑战是获得足够的反质子(可以在粒子加速器中产生)并将其储存足够长的时间,以使长途太空旅行可行。

根据《技术前沿》报告,前往木星的旅程需要大约 1.16 克反质子。这听起来可能不多,但目前的产量是以十亿分之一克来衡量的。

“反质子非常昂贵;几克的成本将达到数万亿美元,”海伊说。“我相信自 1950 年代以来的总产量约为 10 纳克。”

但他补充说,反质子的产量正在以相当快的速度增长。因此,也许这项技术可能成为 2060 年左右太空推进系统中的下一个重大突破。

《技术前沿》报告指出:“有了稳定的反质子和核燃料供应,反质子驱动的核聚变可以为大型空间站、前哨基地和扩展的探索任务提供充足的能量,而动力系统相对较小。”

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Mike Wall has been writing for Space.com since 2010. His book about the search for alien life, “Out There,” was published on Nov. 13, 2018. Before becoming a science writer, Michael worked as a herpetologist and wildlife biologist. He has a Ph.D. in evolutionary biology from the University of Sydney, Australia, a bachelor’s degree from the University of Arizona, and a graduate certificate in science writing from the University of California, Santa Cruz.

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