反物質ロケット

反物質ロケットは、反物質を動力源として利用するロケットの提案されたクラスです。この目標を達成しようとする設計がいくつかあります。このクラスのロケットの利点は、物質/反物質混合物の静止質量の大部分をエネルギーに変換できるため、反物質ロケットは他のどのクラスのロケットよりもはるかに高いエネルギー密度と比推力を持つことができることです。^[1]

反物質ロケットは、反物質消滅の生成物を直接推進に利用するもの、作動流体または中間物質を加熱して推進に利用するもの、作動流体または中間物質を加熱して何らかの形の電気宇宙船推進システム用に電気を生成するものの、3種類の用途に分けられる。これらのメカニズムを採用する推進コンセプトは、一般に、固体コア、気体コア、プラズマコア、ビームコア構成の4つのカテゴリに分類される。直接反物質消滅推進の代替案は、場合によっては反物質の量が大幅に少ないが、はるかに多くの物質推進剤を必要とする実現可能な乗り物の可能性を提供する。^[2] そして、反物質を使用して核分裂/核融合反応を触媒し、推進するハイブリッドソリューションがある。

反陽子消滅反応は、ニュートリノとガンマ線に加えて、荷電パイ中間子と非荷電パイ中間子を生成する。荷電パイ中間子は磁気ノズルで誘導され、推力を生み出す。このタイプの反物質ロケットは、パイ中間子ロケットまたはビームコア構成である。これは完全に効率的ではなく、エネルギーは荷電パイ中間子の静止質量（22.3%）と非荷電パイ中間子の静止質量（14.38%）として失われ、非荷電パイ中間子の運動エネルギー（推力のために偏向できない）として失われ、ニュートリノとガンマ線（燃料としての反物質を参照）として失われる。^[3]

陽電子消滅はロケット工学にも提案されている。陽電子の消滅ではガンマ線しか生成されない。このタイプのロケットの初期の提案、例えばオイゲン・ゼンガーが開発したものは、ガンマ線を反射できる何らかの物質を光の帆や放物面シールドとして使用して消滅反応から推力を得ることを想定していたが、鏡面反射を可能にするような形でガンマ線と相互作用する物質（原子やイオンからなる）は知られていない。しかし、ガンマ線の運動量はコンプトン散乱によって部分的に物質に伝達される可能性がある。^{[4] [5]}

相対論的速度に到達する一つの方法は、相対論的陽子-反陽子ピンチ放電によって可能になった物質-反物質のGeVガンマ線レーザー光子ロケットを使用し、レーザービームからの反動がメスバウアー効果によって宇宙船に伝達される。^[6]

スウェーデンのヨーテボリ大学の研究者らが、新たな消滅プロセスを開発したとされる。過去数年にわたって^{[いつ? ]}水素または重水素をレーザー消滅によって相対論的粒子に変換することを試みた消滅炉がいくつか建設された。この技術は、リーフ・ホルムリッド教授とシンドレ・ツァイナー・グンダーセン教授率いる研究グループによって研究され、現在アイスランド大学で 3 番目の相対論的粒子炉が建設中である。理論上、水素消滅プロセスから放出される粒子は 0.94c に達し、宇宙推進に使用できる。^[7]しかし、ホルムリッドの研究の信憑性は議論の的となっており、成功した実装は査読も再現もされていない。^[8]

このタイプの反物質ロケットは、対消滅によるエネルギーまたは熱を利用して非特殊物質または推進剤から排気ガスを生成するため、 熱反物質ロケットと呼ばれます。

固体コアのコンセプトでは、反陽子を使って固体の高原子量( Z ) の耐火金属コアを加熱する。推進剤は熱いコアに送り込まれ、ノズルを通して膨張して推力を生成する。このコンセプトの性能は、固体の温度制限のため、核熱ロケットの性能とほぼ同等( ~ 10 ³秒) である。しかし、反物質のエネルギー変換効率と加熱効率は、コア原子との衝突間の平均行程が短いため、通常は高い (効率~ 85%)。^{[2]反陽子または陽電子消滅によって生成されるガンマ線を使用する}液体推進剤熱反物質エンジン のいくつかの方法が提案されている。^{[9] [10]これらの方法は、}核熱ロケットに提案されている方法に似ている。提案されている方法の 1 つは、陽電子消滅ガンマ線を使用して固体エンジンコアを加熱するというものである。水素ガスがこのコアに導かれ、加熱されてロケットノズルから排出される。 2 番目に提案されているエンジン タイプは、固体鉛ペレット内または圧縮されたキセノンガス内で陽電子消滅を利用して高温のガス雲を生成し、周囲のガス状水素層を加熱する。ガンマ線による水素の直接加熱は、適度なサイズのエンジン内でガンマ線を吸収するのに十分な量の水素を圧縮することが難しいため、実用的ではないと考えられていた。3 番目に提案されているエンジン タイプは、消滅ガンマ線を使用してアブレーション セイルを加熱し、アブレーションされた材料が推力を提供する。核熱ロケットと同様に、これらの方法で達成できる比推力は材料の考慮事項によって制限され、通常は 1000～2000 秒の範囲である。^[11]${\displaystyle I_{\text{sp}}}$ ${\displaystyle \eta _{e}}$

ガスコアシステムは、低融点固体を高温ガス（タングステンガス/プラズマなど）に置き換えることで、より高い動作温度と性能（約2×10 ³秒）を実現します。しかし、熱化と吸収の平均自由行程が長くなるため、エネルギー変換効率は大幅に低下します（約35％）。^[2]${\displaystyle I_{\text{sp}}}$${\displaystyle \eta _{e}}$

プラズマコアによりガスがイオン化し、さらに高い有効温度で動作することが可能になる。熱損失は反応室とノズル内の磁気閉じ込めによって抑制される。性能は非常に高い（約10 ⁴ -10 ⁵秒）が、平均自由行程が長いためエネルギー利用率は非常に低い（約10％）^[2]。${\displaystyle I_{\text{sp}}}$${\displaystyle \eta _{e}}$

反物質を使って電気宇宙推進装置を動かすというアイデアも提案されている。これらの提案された設計は、原子力電気ロケットに提案されたものと典型的には似ている。反物質の消滅は、原子力熱ロケットのように作動流体を直接または間接的に加熱するために使用されるが、流体は電気を生成するために使用され、その後、何らかの形の電気宇宙推進システムに電力を供給するために使用される。結果として得られるシステムは、他の荷電粒子/電気推進提案と多くの特徴を共有しており、典型的には高い比推力と低い推力である（反物質発電についてさらに詳しく説明した関連記事）。^{[12] [13]}

これは、反陽子を使用して核分裂/核融合反応を触媒したり、核融合ロケットの推進力を「増強」したり、または同様の用途 に使用するハイブリッドアプローチです。

反陽子駆動慣性核融合（ICF）ロケットのコンセプトでは、DT反応にペレットを使用する。ペレットは、反陽子と陽電子のパルスが注入される穴のあるウラン²³⁵などの核分裂性物質の半球で構成され、その周囲を重水素-三重水素、または重水素化リチウムなどの核融合燃料の半球が取り囲んでいる。反陽子の消滅は半球の表面で起こり、燃料をイオン化する。これらのイオンはペレットの中心を核融合温度まで加熱する。^[14]

反陽子駆動型磁気絶縁慣性核融合推進（MICF）のコンセプトは、燃焼中にプラズマを金属殻から絶縁する自己生成磁場に依存しています。プラズマの寿命は爆縮慣性核融合よりも2桁長いと推定されており、これは燃焼時間が長く、したがってより大きなゲインに相当します。^[14]

反物質駆動型PB ¹¹コンセプトは、MICF方式で反陽子を使用してPB ^{11反応を点火する。過度の放射線損失は点火の大きな障害であり、利得を高めるには粒子密度とプラズマ温度の修正が必要である。このシステムでI} _sp ~10 ⁵ sを達成することは完全に可能であると結論付けられた。 ^[15]

AIMStarでは、反応ペニングトラップ内の非常に小さな体積に閉じ込められた反陽子の雲に小さな核融合燃料液滴を注入するという異なるアプローチが想定されていました。反陽子雲の表面で消滅が起こり、雲の0.5%が剥がれます。放出される電力密度は、200μmのICFターゲットにエネルギーを蓄積する1kJ、1nsのレーザーとほぼ同等です。^[16]

ICAN -IIプロジェクトは、反陽子触媒微小核分裂（ACMF）コンセプトを採用しており、DT：U ²³⁵のモル比が9：1のペレットを核パルス推進に使用します。^[17]

反物質ロケットの主な実際的な困難は、反物質の生成と貯蔵の問題である。反物質の生成には膨大な量のエネルギーの投入が必要であり、少なくとも生成された粒子/反粒子対の静止エネルギーに相当し、通常は（反陽子生成の場合）その数万から数百万倍である。^{[18] [19]}星間宇宙船用に提案されているほとんどの貯蔵方式では、反水素の凍結ペレットの製造が必要である。これには、反陽子の冷却、陽電子への結合、および結果として生じる反水素原子の捕捉が必要であるが、2010年の時点では^[update]、これらの作業は少数の個々の原子に対してのみ実行されている。反物質の貯蔵は、通常、電荷を帯びた凍結反水素ペレットをペニングトラップまたはポールトラップに閉じ込めることによって行われる。これらの作業を反物質ロケットの燃料として必要な規模で実行することに理論的な障壁はない。しかし、現在の生産能力では、火星への10グラムの旅に必要な量の約10 ²³分の1という少量の原子しか生産できないため、それらは極めて（おそらく法外に）高価になると予想されています。

一般的に、反陽子消滅によるエネルギーは、非常に広い領域に蓄積されるため、原子核カプセルを効率的に駆動することができません。反陽子誘発核分裂と自己生成磁場は、エネルギーの局在化と消滅エネルギーの効率的な利用を大幅に向上させる可能性があります。^{[20] [21]}

2 つ目の問題は、反物質消滅の生成物から有用なエネルギーや運動量を抽出することです。反物質消滅の生成物は主に非常にエネルギーの高い電離放射線の形をとります。これまでに提案された反物質メカニズムは、これらの消滅生成物からエネルギーを利用するための妥当なメカニズムを大部分提供してきました。反物質消滅で生じる質量損失のため、従来のロケット方程式の「湿った」質量 ( ) (推進剤の質量分率) から「乾燥した」質量 ( ) (ペイロード)分率( )、速度変化 ( )、および比推力 ( ) はもはや成り立ちません。^[3]${\displaystyle M_{0}}$${\displaystyle M_{1}}$${\displaystyle {\frac {M_{0}}{M_{1}}}}$${\displaystyle \Delta v}$${\displaystyle I_{\text{sp}}}$

高出力推進のもう1つの一般的な問題は、過剰な熱または廃熱であり、反物質-物質消滅と同様に、極端な放射線も含まれます。陽子-反陽子消滅推進システムは、推進剤の質量の39％を強力な高エネルギーガンマ放射線束に変換します。ガンマ線と高エネルギー荷電パイ中間子は、遮蔽されていない場合は加熱と放射線損傷を引き起こします。中性子とは異なり、それらは原子核の転換によって露出した物質を放射性にすることはありません。遮蔽が必要なコンポーネントは、乗組員、電子機器、極低温タンク、および磁気補助ロケットの磁気コイルです。必要な遮蔽には、放射線防護と熱防護（熱シールドまたは断熱材とは異なります）の2種類があります。^{[3] [22]}

最後に、相対論的な考慮も考慮する必要があります。消滅の副産物が相対論的な速度で移動するため、静止質量は相対論的な質量エネルギーに応じて変化します。たとえば、中性パイ中間子の全質量エネルギー量は、静止質量だけでなくガンマに変換されます。光速近くで移動する車両と推進剤排気（荷電パイ中間子）の両方の相対論的効果を考慮した相対論的ロケット方程式を使用する必要があります。2 つのロケット方程式に対するこれらの 2 つの変更により、与えられた ( ) と ( ) に対する質量比 ( )が、古典的または相対論的な「従来型」ロケットよりも相対論的反物質ロケットの方がはるかに高くなります。^[3]${\displaystyle {\frac {M_{0}}{M_{1}}}}$${\displaystyle \Delta v}$${\displaystyle I_{\text{sp}}}$

反物質消滅に特有の質量損失は、次のように表される相対論的ロケット方程式の修正を必要とする^[23]

ここでは光速、 は比推力（すなわち=0.69 ）です。 ${\displaystyle c}$${\displaystyle I_{\text{sp}}}$${\displaystyle I_{\text{sp}}}$${\displaystyle c}$

この式の微分形は^{[3]である。}

ここで、はロケットの非相対論的（静止）質量であり、 は消滅後に残る元の（搭載された）推進剤質量（非相対論的）の割合です（つまり、荷電パイ中間子の場合は =0.22）。 ${\displaystyle M_{\text{ship}}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle a}$

式IIは解析的に積分するのが難しい。 と仮定すると、結果として得られる式は次のようになる。 ${\displaystyle v\sim I_{\text{sp}}}$${\displaystyle (1-{\frac {I_{\text{sp}}v}{c^{2}}})\sim (1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}})}$

式IIIは積分することができ、積分はおよび、および初期速度と最終速度（および）について評価される。結果として得られる推進剤の損失を伴う相対論的ロケット方程式は^{[3] [23]}である。${\displaystyle M_{0}}$${\displaystyle M_{1}}$${\displaystyle v_{i}=0}$${\displaystyle v_{f}=\Delta v}$

宇宙背景放射は時間の経過とともにロケットの船体をイオン化し、健康を脅かす。また、ガスプラズマの相互作用は空間電荷を引き起こす可能性がある。懸念される主な相互作用は、宇宙船のさまざまな部分の差動充電であり、宇宙船のコンポーネント間で高電界とアーク放電を引き起こす。これは、適切に配置されたプラズマ接触器で解決できる。しかし、船体のメンテナンス作業を可能にするためにプラズマ接触器をオフにする時期については、まだ解決策がない。星間速度での長期宇宙飛行は、粒子、ガス、塵、微小隕石との衝突によりロケットの船体の侵食を引き起こす。6光年の距離で0.2の場合、侵食は約30 kg/m ²または約1 cmのアルミニウムシールドと推定される。 ^{[24] [25]}${\displaystyle c}$

• 核光子ロケット