NASA开发仅需数十毫克燃料的反物质飞船

据美国宇航局网站14日报道，科幻故事中大多数飞船都是用反物质作为燃料，原因就是反物质是已知最有效的燃料。若要实现人类载人火星探索的伟大梦想，我们需要数吨化学 燃料，相反，若使用反物质，则仅需数十毫克。然而，事实上，这种动力的诞生也伴随着代价。有些反物质的反应会生成大量高能伽马射线。伽马射线就如同照射在类固醇上的X光一样，它们能穿透物质，分解细胞内分子，因此，它们会对人体有害。另外，高能伽马射线由于会使制造发动机材料的原子破裂，会让发动机本身也具有放射性。 　　美国正在开发反物质飞船 　　美宇航局(NASA)先进概念研究所(NIAC)正在资助一个研究小组从事将反物质作为未来飞船燃料的开发工作，这种飞船会生成低能伽马射线，从而避免了射线产生的副作用。 　　反物质有时也被称为常规物质的镜像，因为虽然它们看上去与普通物质没什么区别，但反物质的一些特性是颠倒的。例如，正常电子(携带有从手机到等离子电视等所有物体上电流的常见粒子)有负电荷。正电子(Anti-electron)则具有正电荷，所以，科学家称其为“正电子”。当反物质同物质相遇时，二者会以瞬间能量湮灭。这种能量转化过程也正是反物质如此强大的奥秘所在。即便是为原子弹提供动力的核反应也比这种能量转化慢，且只有其质量的3%转化成能量。 　　此前的反物质动力飞船设计所采用的是反质子，反质子在湮灭时能产生高能伽马射线。新设计将采用正电子，这将使伽马射线的能量是原来的四百分之一。先进概念研究所目前展开的工作只是初步研究，旨在证实上述方案是否具有可行性。倘若前景广阔，先进概念研究所就可以吸收足够资金成功开发该技术，正电子动力飞船将比现有载人火星探索计划(称为“火星意义任务”)具有更多优势。 　　反物质飞船优势多多 　　美国新墨西哥州圣大菲正电子研究公司(Positronics Research)杰拉尔德·史密斯博士说：“最为显著的优势是正电子动力飞船具有更高的安全性”。目前的火星参数任务(Mars Reference Mission)要求核反应堆将飞船推进至火星。这种方式之所以值得期待，是因为核动力推进可以减少飞船到达火星的时间，这样一来，由于宇航员暴露于宇宙射线的时间减少，从而提高了安全性。此外，化学动力飞船要重得多，且发射成本也更为昂贵。核反应堆也需提供够执行三年探测任务的充足动力。但是，核反应堆性质复杂，所以在执行任务过程中更有可能发生一些潜在危险。作为领导先进概念研究所反物质飞船研究的科学家，史密斯博士 说：“正电子反应堆在能提供相同优势的前提下，运作起来也要相对简单。” 　　同时，核反应堆即使在燃料用尽后仍带有放射性。当飞船到达火星后，“火星意义任务”的计划是指引反应堆进入百万年都不会与地球相遇的一条轨道，那时，残留辐射将降低至安全水平。相反，据反物质飞船设计小组介绍，正电子反应堆在燃料用尽之后也不具有任何残留辐射，因而，即便是废弃的正电子反应堆意外落到地球，人们也不必担心存在安全隐患。 　　同样，正电子动力飞船的发射也更为安全。倘若携带核反应堆的火箭发生爆炸，它将向大气层中释放大量放射性粒子。史密斯博士说：“我们的正电子动力飞船即便爆炸，只会释放一道伽马射线光，但伽马射线会在瞬间消失，不会有任何放射性颗粒随风漂移。而那道光也会限制在相对小的区域内，飞船周围约一公里的范围会是危险区。一枚普通的大型化学火箭爆炸后会形成一个火球，其危险区域同样也是一公里左右。” 　　正电子动力飞船的另一个显著优点是速度。“火星意义任务”飞船到达火星将需要180天左右。正电子研究公司工程师科比·迈耶说：“诸如气核和烧蚀发动机等先进设计将令飞船在90天、甚至45天内将宇航员送上火星。”先进的烧蚀发动机通过热行(运转用热)实现上述目标，这种推进方式可增加发动机功效或“比冲量”(Isp)，比冲量是指火箭发动机单位质量推进剂所产生的冲量：比冲量越高，飞船在耗尽燃料前行进的速度越快。像美宇航局航天飞机主发动机等最为先进的化学燃料火箭发动机，每磅燃料能产生一磅推动力，持续450秒。核反应堆或正电子反应堆的这一数据则会达到900秒。烧蚀发动机通过自身缓慢蒸发产生推力，其比冲量更高。 　　仍然面临巨大的技术挑战 　　科学家成功研制正电子动力飞船所面临的第一个技术挑战是，制造正电子的成本过高。由于会对正常物质产生令人难以想象的影响，反物质数量并不多。在太空，反物质是由称为宇宙射线的高速粒子碰撞所产生的。而在地球上，反物质则是在高能粒子对撞机中生成的，这种机器能将原子碾碎。高能粒子对撞机通常用于发现宇宙基本运作方式，但它们也可用作“反物质加工厂”。史密斯博士说：“据粗略估计，利用目前正在开发的技术生产10毫克用于载人火星探测任务的正电子，大约需要投入2.5亿美元。” 　　上述成本似乎看上去比较高昂，但我们必须考虑到发射一枚更重的化学火箭所花费的额外成本(目前火箭发射成本为每磅1万美元)以及为核反应堆提供燃料及维护其安全的成本。史密斯博士说：“鉴于发展核技术所取得的经验，我们估计通过更多研究，正电子生产成本完全可以降下来，这种估计合情合理。” 　　科学家面临的另一挑战是如何在狭小的空间里储存足够多的正电子。因为正电子能湮灭普通物质，科学家不能将它们存放在瓶中。相反，它们必须借助电场和磁场加以保存。史密斯博士说：“我们确信，随着研发项目的不断深入，这些挑战将会一一被克服。”如果一切如愿的话，我们也许会看到，首批登上火星宇航员所乘飞船的燃料与科幻小说中为星际飞船周游太空所用的燃料相同。(杨孝文 任秋凌） 　　名词解释：什么是反物质 　　反物质就是由反粒子组成的物质。所有的粒子都有反粒子，这些反粒子的特点是其质量、寿命、自旋、同位旋与相应的粒子相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数与之相反。 　　例如，氢原子由一个带负电的电子和一个带正电的质子构成，反氢原子则与它正好相反，由一个带正电的电子和一个带负电的反质子构成。物质和反物质相遇后会湮灭，释放出大量能量。 　　科学家认为，制造出大量反氢原子，有助于验证CPT守恒假设的正确性和宇宙标准模型的普适性。如果发现反氢原子与氢原子在物理规律上并不完全对等，将给物理学和宇宙学的一些基础问题带来非常重要的新启发。例如宇宙大爆炸理论认为，宇宙诞生时，从虚无中产生了相等数量的物质和反物质。但人们观察到的宇宙中，物质显然占绝对的主导地位。对反氢原子的研究，可能有助于解开这个疑点。 　　摘自《科技日报》