反物質宇宙船はどのように機能するか

「工務員、ワープドライブの準備をしてください。」このコマンドにより、USS エンタープライズの「スタートレック」乗組員は、宇宙船を超光速で宇宙に飛ばす準備をしました。

ワープドライブは、テレポーテーションやタイムトラベルと同様、科学的根拠のある SF テクノロジーの 1 つです。まだそれを達成していないだけです。しかし、科学者たちはエンタープライズの反物質エンジンに似た星間宇宙船エンジンの開発に取り組んでいます。

超光速を生み出すエンジンは存在しません。物理法則によりそれはできませんが、現在の推進方法よりも何倍も速く進むことができるでしょう。物質反物質エンジンは、私たちを太陽系のはるか彼方に連れて行き、スペースシャトルで使用されているような液体水素エンジンで推進される宇宙船に比べてわずかな時間で近くの星に到達できるようにします。

これは、インディ レース カーと 1971 年フォード ピントの違いのようなものです。ピントでは、最終的にはゴールに到着しますが、インディ カーよりも 10 倍の時間がかかります。

反物質宇宙船を見て、宇宙旅行の数十年後の未来を覗いて、反物質が実際にどのようなものなのか、そしてそれを高度な推進システムにどのように使用できるのかを調べてみましょう。

反物質とは何ですか?

これはひっかけ質問ではありません。反物質はまさにあなたが思っているとおりのもので、私たちの宇宙の大部分が作られている通常の物質の反対です。ある時点で、科学者たちは私たちの宇宙における反物質の存在は理論上のものにすぎないと考えていました。

英国の物理学者ポール・ディラックは、反物質に対する私たちの理解を変えることに貢献しました。

1928 年に、彼はアインシュタインの有名な方程式E = mc²を修正しました。ディラック氏は、アインシュタインは方程式の「m」、つまり質量が正のエネルギーだけでなく負のエネルギーも持つ可能性があるとは考えていなかった、と述べた。ディラックの方程式 (E = + または – mc²) により、私たちの宇宙における反粒子の存在が可能になりました。それ以来、科学者たちはいくつかの反粒子が存在することを証明しました。

反物質粒子の働き

これらの反粒子は文字通り、通常の物質の鏡像です。各反粒子は対応する粒子と同じ質量を持ちますが、電荷は逆になります。 20 世紀の反物質の発見をいくつか紹介します。

反物質が通常の物質と接触すると、これらの等しいが反対の粒子が衝突して純粋な放射線を放出する爆発を引き起こし、その放射線は爆発点から光の速度で伝わります。爆発を引き起こした両方の粒子は完全に消滅し、他の亜原子粒子が残ります。

物質と反物質が出会ったときに起こる爆発は、両方の物体の質量全体をエネルギーに変換します。科学者たちは、このエネルギーは他の推進方法で生成できるエネルギーよりも強力であると信じています。

宇宙の反物質

ガンマ線と宇宙線は、超新星、ブラック ホール、さらにはビッグバンそのものなど、宇宙のさまざまな発生源から発生する高エネルギー粒子および放射線です。科学者らは、反物質はビッグバンのせいで通常の物質と同じくらい豊富にあるはずだが、私たちの宇宙ではほとんど観察されていないと考えている。

粒子検出器の役割

粒子検出器は素粒子物理学の分野です。これらにより、科学者は物質と相互作用する反物質で作られた粒子を含む亜原子粒子を特定して研究することができます。粒子の相互作用を捕捉して分析することで、検出器は科学者が基本的な粒子の特性を理解し、宇宙の起源を調査するのに役立ちます。

では、なぜ物質反物質反応エンジンがないのでしょうか?

反物質推進の開発における問題は、宇宙に存在する反物質が不足していることです。もし同量の物質と反物質が存在するなら、おそらく私たちの周りでこれらの反応が見られるでしょう。反物質は私たちの周りには存在しないので、反物質が物質に衝突したときに生じる光は見えません。

ビッグバンの時には粒子の数が反粒子の数を上回っていた可能性があります。上で述べたように、粒子と反粒子の衝突は両方を破壊します。そして、そもそも宇宙にはもっと多くの粒子があったかもしれないので、残っているのはそれらだけです。今日、私たちの宇宙には自然に存在する反粒子は存在しないかもしれません。

しかし、科学者たちは 1977 年に銀河の中心近くに反物質の堆積の可能性があることを発見しました。もしそれが存在するなら、それは反物質が自然に存在することを意味し、反物質の生成はもはや必要ありません。

今のところ、反物質はすべて自分たちで作成する必要があります。幸いなことに、「アトムスマッシャー」とも呼ばれる高エネルギー粒子衝突器を使用して反物質を生成する技術が利用可能です。

CERN のようなアトム スマッシャーは、光速に近い速度で原子を推進するために周囲を周回する強力な超磁石が並んだ大きなトンネルです。原子がこの加速器を通過すると、ターゲットに衝突して粒子が生成されます。これらの粒子の一部は磁場によって分離される反粒子です。

これらの高エネルギー粒子加速器が生成する反陽子は、年間わずか 1 ～ 2 ピコグラムです。ピコグラムは1兆分の1グラムです。 CERN で 1 年間に生成される反陽子はすべて、100 ワットの電球を 3 秒間点灯するのに十分です。星間の目的地に到達するには、大量の反陽子が必要です。

物質反物質エンジン

おそらく、燃料コストを現在の数分の一に削減する反物質宇宙船の開発まであと数十年しかかからないでしょう。 2000 年 10 月、NASA の科学者たちは、少量の反物質を燃料とするだけで巨大な推力を生成できる反物質エンジンの初期設計を発表しました。 『Journal of Propulsion and Power』誌の同月号の報告によると、火星への1年間の旅行にエンジンを供給するのに必要な反物質の量は、わずか100万分の1グラムである可能性があるという。

物質-反物質推進は、物質と反物質の質量の 100% がエネルギーに変換されるため、これまでに開発された中で最も効率的な推進となります。物質と反物質が衝突すると、その消滅によって放出されるエネルギーは、スペースシャトルで使用される水素や酸素の燃焼などの化学エネルギーが放出するエネルギーの約100億倍です。

物質と反物質の反応は、原子力発電所で発生する核分裂よりも 1,000 倍、核融合エネルギーよりも 300 倍強力です。したがって、物質反物質エンジンは、より少ない燃料で私たちをより遠くまで連れて行ってくれる可能性を秘めています。問題は反物質の生成と貯蔵です。物質-反物質エンジンには 3 つの主要なコンポーネントがあります。

約 10 グラムの反陽子があれば、有人宇宙船を 1 か月以内に火星に送るのに十分な燃料となります。現在、無人探査機が火星に到達するまでに1年弱かかります。 1996 年、マーズ グローバル サーベイヤーは 11 か月をかけて火星に到着しました。

科学者たちは、物質と反物質を動力とする宇宙船の速度により、人類はこれまで宇宙で行ったことのない場所に行くことができると信じています。木星や、太陽の放射が終わる地点である太陽界面を越えて旅行することも可能だろう。しかし、宇宙飛行士が宇宙船の操縦士にワープスピードに連れて行ってくれるように頼むまでには、まだ長い時間がかかるだろう。